Дослідження процесу піноутворення і стійкості
ПІНОПОДІБНИХ ХАРЧОВИХ МАС
Мета роботи: дослідити процес піноутворення при виготовленні піноподібних харчових продуктів. Вміти визначити і оцінити вплив технологічних факторів на процес піноутворення і стійкість піноподібних харчових мас в присутності гідроколоїдів.
Матеріали і обладнання: сухе знежирене молоко, білок соєвий, білок яйця, лимонна кислота, цукор, сіль, крохмаль, скляні циліндри на 500 або 1000 см3 з наклеєною стрічкою міліметрового паперу, скляні стакани, рН-метр, секундомір, ареометри.
Загальні теоретичні положення:
Піни, як і всі дисперсні системи, отримують методами диспергування і конденсації. Методом диспергування піни отримують шляхом перемішування або барботування газів у рідину. Конденсаційний метод заснований на зміні фізичного стану розчину ( при підвищенні температури розчину або зменшення зовнішнього тиску), що призводить до пересиченості його газом.
Першою стадією процесу піноутворення являється утворення газової емульсії (емульсії газ – розчин поверхнево активних речовин). На міжфазній поверхні бульбашок утворюється адсорбційний шар поверхнево активних речовин (ПАР). При утворенні бульбашок на поверхні розчинів формується плівчастий каркас піни, який характеризується тим, що прошарки рідини між адсорбційними шарами ПАР на бульбашках піни взаємопов’язані, за рахунок чого утворюється єдина структура.
Структура піни визначається співвідношенням об’ємів газової і рідкої фаз. В залежності від цього співвідношення піни можуть мати сферичну форму чарунки (шарова піна), поліедричною або перехідною чарунковою.
Шарова піна утворюється, якщо об’єм рідкої фази Vр перевищує об’єм газової фази Vг більше, ніж у 10…15 разів. Плівки бульбашок цієї піни мають відносно велику товщину. Чим менше відношення Vр / Vг , тим менше товщина плівки. По мірі старіння піни плівки потоншуються і шарова піна перетворюється у поліедричну.
Структура поліедричних пін описується правилами Плато. Три бульбашки, стінки яких зустрічаються під кутом 120о, утворюють механічно стійку систему. При їх з’єднанні плівки, що розділяють їх, утворюють трьохгранний стовпчик рідини, який називають каналом Плато-Гіббса. Велика привізна поверхні в області контакту бульбашок призводить до значного перепаду тиску між газовою і рідкою фазами, внаслідок чого рідина витискається із плівки в канал Плато-Гіббса. Вважаючи на те, що стінки всіх бульбашок повинні бути однаковими, то в одній точці сходяться чотири канала Плато-Гіббса, утворюючи між собою кути 109о28′. Використовуючи правила Плато, можна передбачити найбільш імовірну форму чарунки піни. Вона представляє собою пентагональний додекаедр – фігуру, яка обмежена 12 п’ятикутовими гранями.
Стабілізація пін досягається за допомогою ПАР. Руйнування піни відбувається по трьом механізмам; витікання рідини із піни (синерезис), внаслідок чого відбувається потоншання плівок без зміни об’єму піни; Зміцнення великих чарунок піни і зникнення маленьких із-за дифузії газу крізь плівки; розрив плівок, що призводить до руйнування піни. Який з цих механізмів буде переважати при руйнуванні піни, залежить від багатьох факторів.
Стійкість піни обумовлена дією загальних для дисперсних систем факторів стабілізації і специфічним ефектом Гіббса-Марангоні, в основі якого лежить ствердження, що тонкі плівки, які містять ПАР, здатні реагувати на локальні зміни товщини плівки. Течія рідини у поверхневих шарах плівки призводить до зменшення вмісту ПАР і, як наслідок, до збільшення ПН. Це викликає появу двомірного тиску спрямованого у зворотній бік до течії (ефект Марангоні).
Разом з тим збільшення ПН підвищує пружність плівки, яка опирається механічній деформації плівки (ефект Гіббса). Тому в присутності ПАР потоншення плівок відбувається тільки по механізму витікання рідини між адсорбційними шарами ПАР.
Властивості пін звичайно характеризуються наступними параметрами: кратністю піни (відношення об’єму піни до об’єму розчину витраченого на утворення піни), стабільністю (час існування елементу піни – бульбашки, плівки або певного об’єму піни), дисперсністю (розподілом бульбашок за розміром або середнім розміром бульбашок).
До найважливіших властивостей пін відноситься знижений (порівняно з атмосферним) рівноважний капілярний тиск в каналах Плато-Гиббса рσ, який визначається висотою стовпа піни h:
рσ = pL + ρgh
де pL – тиск у нижньому шарі піни;
g – щільність розчину.
Методика виконання роботи:
Наважки білка кількістю 6 г розчиняють у 25 см3 дистильованої води, ретельно перемішуючи до однорідної суспензії, переносять у скляні циліндри на 500 або 1000 см3 з наклеєною стрічкою міліметрового паперу, ретельно змиваючи залишки білка, і доводять об’єм рідини у циліндрі до 300 см3. Циліндри з розчином білка закривають пробками і у горизонтальному положенні струшуються протягом 1 хв з частотою 60 рухів за хвилину. Одночасно проводяться іспити з білком курячого яйця, який слугує контролем. Піноутворюючу здатність білка розраховують за формулою
де П - піноутворююча здатність білка, %;
Вп - висота піни над рівнем рідини, см3;
Вр - висота розчину білка до вспінювання, см3.
Стійкість піни оцінювали по висоті піни після 15 хв находження циліндрів у спокійному стані і розраховували по формулі:
, (2.5)
где С - стійкість піни, %;
Вп - вихідна висота піни, мм;
Вп.с - висота піни після витримки протягом 15 хв, мм.
Для визначення впливу мінеральних речовин, цукрів та гідроколоїдів на процес піноутворення і стійкість піни, до отриманих розчинів білків об’ємом 300 см3 додаються добавки солі – 0,5 г, цукру – 50 г, крохмалю 0,5 г і з кожною добавкою визначається піноутворююча здатність і стійкість піни. Дослідження проводяться при температурах 20, 25 і 30 оС. Отримані дані заносять у табл. 1.
Таблиця 1
| Добавки | Висота піни | Висота піни через 15 хв | ||||
| Білок яйця | Сухе молоко | Білок соєвий | Білок яйця | Сухе молоко | Білок соєвий | |
| При температурі 20 оС | ||||||
| Без добавок | ||||||
| Сіль | ||||||
| Цукор | ||||||
| Крохмаль | ||||||
| При температурі 25 оС | ||||||
| Без добавок | ||||||
| Сіль | ||||||
| Цукор | ||||||
| Крохмаль | ||||||
| При температурі 30 оС | ||||||
| Без добавок | ||||||
| Сіль | ||||||
| Цукор | ||||||
| Крохмаль |
За отриманими даними розраховують піноутволюючу здатність та стійкість піни і результати заносять у табл. 2.
| Добавки | Піноутворююча здатність | Стійкість піни | ||||
| Білок яйця | Сухе молоко | Білок соєвий | Білок яйця | Сухе молоко | Білок соєвий | |
| При температурі 20 оС | ||||||
| Без добавок | ||||||
| Сіль | ||||||
| Цукор | ||||||
| Крохмаль | ||||||
| При температурі 25 оС | ||||||
| Без добавок | ||||||
| Сіль | ||||||
| Цукор | ||||||
| Крохмаль | ||||||
| При температурі 30 оС | ||||||
| Без добавок | ||||||
| Сіль | ||||||
| Цукор | ||||||
| Крохмаль |
Звіт про лабораторну роботу:
Протокол повинен містити вступ, короткий огляд літератури, мету дослідження, методику проведення роботи, результати дослідів у вигляді таблиць і
графіків. Будуються графіки залежності об’єму піни і її стійкості від виду добавки і температури розчинів. Наприкінці робиться короткий висновок відносно піноутворюючої здатності білків різної природи в залежності від виду добавок і температури.
Питання для самоконтролю:
1. Які системи називають пінами? Їх класифікація.
2. Які речовини мають здатності до піноутворення?
3. Які фактори впливають на стійкість піни?
4. Дайте характеристику ефекту Гіббса-Марангоні?
5. Як можна попередити утворення піни?
6. Які види піни бувають за структурою?
7. Яким чином стабілізують піно подібні маси?
Література:
1. Кравченко М.Ф. Теоретичні основи харчових технологій: навч. посіб. / М.Ф. Кравченко, А.В. Антоненко. –К.: Київ. нац. торг.-екон. ун-т, 2011. –516 с.
2. Пивоваров П.П. Теоретичні основи харчових технологій: навч. посіб./ П.П. Пивоваров. – Х.: ДУХТ, 2010. – 410 с.
3. Плахотін В.Я. Теоретичні основи технологій харчових виробництв: навч. посіб./ В.Я. Плахотін, Г.П. Хоміч. – К.: Центр навч. літ., 2006. – 640 с.
Лабораторна робота № 6