Дослідження поверхневих властивостей рідких

ХАРЧОВИХ ПРОДУКТІВ

Мета роботи: дослідити поверхневий натяг харчових рідин в залежності від природи харчового продукту і технологічних факторів. Вміти визначити поверхневий натяг рідких харчових продуктів і оцінити, як впливають поверхнево активні речовини на зміну поверхневого натягу.

Матеріали і обладнання: сухе знежирене молоко, соєвий білок, плодовий або ягідний сік без м’якоті, скляні стакани, скляні циліндри, ареометри, сталагмометри, секундомір.

Загальні теоретичні положення:

Поверхневий натяг є важливою характеристикою поверхні розподілу фаз. Поверхневі явища, тобто явища які протікають на межі розподілу фаз, є наслідком особливого стану поверхневих молекул розчину порівняно з молекулами, які знаходяться у середині об’єму цього розчину. Молекули, що знаходяться у середині об’єму розчину взаємодіють з молекулами, які оточують їх з усіх боків, і рівнодіюча цих сил дорівнює нулю. В той час як у молекул, які знаходиться на поверхні розчину, сили міжмолекулярної взаємодії компенсовані не повністю, внаслідок чого поверхневі молекули мають надлишкову енергію.

Причиною виникнення поверхневого натягу є те, що на поверхневі молекули діють внутрішні міжмолекулярні сили розчину і намагаються втягнути їх у середину, внаслідок чого поверхня розподілу фаз прагне до зменшення.

Таким чином, поверхневий натяг (ПН) це сила, яка спрямована тангенціально до поверхні розчину і характеризує надлишок поверхневої енергії, що доводиться на одиницю міжфазної поверхні, позначається символом σ і вимірюється в Дж/м² або Н/м.

Чим більше різниця у інтенсивності міжмолекулярної взаємодії граничних фаз, тим більше ПН. Так, при температурі 20 °С ПН воды становить 72,8 мДж/м², этанолу – 22,0 мДж/м², соняшникової олії – 33,0 мДж/м², вершків молока – 42,0 мДж/м², вина – 45...55 мДж/м².

Відомо, що ПН розчину завжди відрізняється від ПН розчинника, тому що речовини, які знаходяться у розчині, в залежності від своєї природи здатні концентруватися як на поверхні, так і у об’ємі розчину. Всі розчинені речовини за спроможністю впливати на ПН чистого розчинника можна поділити на три групи: 1) поверхнево активні речовини, що знижують ПН; 2) поверхнево активні речовини, що підвищують ПН розчинника; 3) речовини, що не впливають на ПН розчинника. Речовини, які розташовуються на поверхні, і зменшують ПН розчину називаються поверхнево активними речовинами (ПАР). До таких речовин відносяться спирти, органічні кислоти, білки, аміни тощо. До речовин, що не впливають на ПН, відносяться цукри.

ПН індивідуальних речовин на межі з газом зростає з підвищенням температури. Слід відзначити, що температурний коефіцієнт α має практично постійне від’ємне значення. Для більшості полярних рідин

σ_Т = σ₀ - αΔТ ,

де σ_Т і σ₀ – ПН при дослідній температурі і стандартній температурі 20 ^оС;

ΔТ – різниця температур;

α = - dσ/dT.

Найбільш доступними для експериментального вимірювання ПН є системи рідина-газ і рідина-рідина. Частіше використовують статичні і напівстатичні методи, які дозволяють вимірювати рівноважні значення ПН рідини. До статичних методів відносяться методи капілярного підйому рідини і висячої краплі або лежачої краплі. До напівстатичних відносяться методи максимального тиску у краплі (бульбашці), відриву кільця або пластини і сталагмометричний. Найбільш часто для визначення ПН використовують такі методи як: найбільшого тиску, сталагмометричний або відриву крапель, відриву кільця і врівноваження пластини (метод Вільгельми).

Метод найбільшого тиску заснований на протискуванні бульбашки гасу або повітря під дією зовнішнього тиску р через калібрований капіляр радіусом r₀. З підвищенням тиску бульбашка зростає, а радіус кривизни його поверхні К

Перевищує радіус капіляру (К > г₀). Подальше збільшення об’єму бульбашки буде відбуватися до тих пір, доки внутрішній тиск досягне максимального значення, а радіус кривизни при цьому буде мінімальним (К = г₀). В цю мить бульбашка втрачає рівновагу і при збільшенні об’єму бульбашка відривається від капіляру. Якщо в цю мить виміряти тиск р, то ПН буде мати наступний вигляд

р = σ =

Для того, щоб визначити радіус капіляру, можна визначити тиск р для рідини, ПН якої відомий. В якості еталонної рідини часто використовують воду. Тоді можна записати

σ = σ н₂о

У сталагмометричному методі визначають вагу краплі, яка відривається від капіляру під дією сили ваги або внаслідок видавлювання мікрошприцем. Він заснований на тому, що сили ПН, які діють уздовж периметру шийки краплі, врівноважуються силою ваги краплі в момент її відриву. Таким чином, вага краплі р_к при відриві урівноважується силою, яка дорівнює ПН помноженому на довжину периметру капіляру r₀ , тобто

P = 2π ;

σ = km,

де k – стала сталагмометру;

m – маса однієї краплі.

Процес відриву краплі від капіляру можна також записать наступним чином

2πгσ = V_k ρg

де г – внутрішній радіус капіляру, м;

σ – ПН на межі розчин-повітря, Дж/м²;

V_k – об’єм однієї краплі, м³;

ρ – густина розчину, кг/м³;

g – прискорення вільного падіння, м/с².

Об’єм краплі найчастіше визначають наступним чином. Сталагмометр заповнюють дослідною рідиною визначеного об’єму, рівного об’єму сталагмометра, і вимірюють число крапель, що містяться у даному об’ємі сталагмометра. Об’єм краплі розраховують за формулою

V_k = V_ст/ n

V_ст – об’єм сталагмометра;

n – число крапель в об’ємі сталагмометра.

ПН розраховують за формулою

σ =

Щоб не вимірювати сталі приладу (радіус капіляра й об’єм сталагмометра) метод зводять до відносного, тобто лічать число крапель стандартної рідини (води) і дослідного розчину в об’ємі того самого сталагмометра.

Тоді для води рівняння буде мати наступний вид

2πгσ₀ = ρ₀g,

а для дослідного розчину, поділивши одно рівняння на інше отримуємо

σ , звідки σ = σ₀

де σ₀ – ПН води при температурі досліду, Дж/м²;

σ – ПН дослідного розчину, Дж/м²;

ρ і ρ₀ – густина розчину і води відповідно, кг/м³;

n і n₀ – кількість крапель розчину і води, що витікають із сталагмометра певного об’єму.

При вимірюванні ПН методом найбільшого тиску і сталагмометричним методом бульбашка і крапля формуються досить швидко за час, який недостатній для утворення адсорбційного шару розчинених молекул ПАР, особливо, якщо вони мають досить велику молекулярну масу. В цих умовах не встигає встановитися рівноважний ПН. Для подібних розчинів рекомендується збільшувати час формування бульбашки або краплі до тих пір, доки тиск або кількість крапель стануть відносно постійними.

У методі відриву кільця виміряють силу F , якій протидіє ПН рідини, яка змочує периметр поверхні кільця,

F = 4π

Коефіцієнт k є поправочним. Він враховує, що стовп, який підіймається під час відриву кільця від рідини, не має форми правильного полого циліндру.

У методі урівноваження пластинки (або методі Вільгельми) визначають силу F, яка необхідна для вилучення зануреної у рідину тонкої пластини, що має ширину h

F = 2σh

Перераховані вище методи визначення ПН доступні, але мають один спільний недолік – низьку точність вимірювань. Більш точним є метод капілярного підняття у тому випадку, якщо капіляр добре змочений водою, а його діаметр не змінюється по висоті. Чим менше радіус капіляру, тим точніше результати вимірювань ПН.

В основі методу капілярного підйому лежить залежність висоти підйому рідини h у вузькому капілярі від її ПН. У відповідності з рівнянням Лапласа надлишковий тиск пов'язаний з висотою h рідини у капілярі співвідношеннями

Δ p =

Δ p = ρgh

де r_m – радіус кривизни меніску рідини у капілярі;

Δ p – різниця щільності рідини і газової фази;

g – прискорення вільного падіння.

Використовуючи так звану капілярну сталу а ,

а² = = r_m h

і враховуючи кут змочування θ рідиною стінок капіляру з радіусом r з рівнянь (1.8) і (1.9) отримуємо

σ =

Останнє співвідношення відомо як рівняння Жюрена. Таким чином, для визначення ПН рідини цим методом експериментально знаходять висоту підйому h рідини, радіус капіляру r і кут змочування θ. Метод капілярного підлому є одним з найбільш точних (відносна похибка менше 0,01 %).

Методика виконання роботи:

На початку роботи готуємо із сухих матеріалів 1 % та 0,5 %-ні розчини, фільтруємо і підбираємо скляні сталагмометри, діаметр капілярів яких забезпечує формування і скапування крапель дослідного харчового продукту з швидкістю 15…20 крапель за хвилину, і заміряємо їх густину за допомогою ареометрів. Потім дослідним продуктом при температурі навколишнього середовища заповнюємо сталагмометр, ємність якого 10 см³, відкриваємо краник і рахуємо кількість крапель продукту, що скапує з капіляру, від верхнього до нижнього меніску ємності. Операцію з визначення кількості крапель повторюємо не менше 3-х разів і розраховуємо середнє значення, яке вносимо до таблиці.

Для визначення впливу температури на зміну ПН, дослідні розчини підігріваємо до температури 30 ^оС і проводимо дослідження аналогічно попереднім. В якості рідини з відомим ПН використовуємо дистильовану воду.

Отримані дані вносимо до табл.1.

Таблиця 1

Продукт	Густина, кг/м3	Кількість крапель, шт.
Температура, оС
Знежирене молоко
0,5 %
1,0 %
Соєвий білок
0,5 %
1,0 %
Сік не розведений
розведений 1:1

Отримані експериментальні даними підставляємо у формулу для визначення ПН сталагмометричним методом σ = σ_{0 ,} і отримані результати вносимо до табл. 2 і будуємо графіки залежності ПН від концентрації продукту і температури

Таблиця 2

Продукт	Щільність, кг/м3	Поверхневий натяг, Дж/м2
Температура, оС
Знежирене молоко
0,5 % жиру
1,0 % жиру
Соєвий білок
0,5 % розчин
1,0 % розчин
Сік не розведений
Сік розведений 1:1

Звіт про лабораторну роботу:

Протокол повинен містити вступ, короткий огляд літератури, мету дослідження, методику проведення роботи, результати дослідів у вигляді таблиць і

графіків. Наприкінці робиться короткий висновок відносно впливу концентрації продукту і температури на ПН різних харчових продуктів.

Питання для самоконтролю:

1. Яка причина виникнення надлишкової поверхневої енергії?

2. Що називають ПН і в яких одиницях він вимірюється?

3. Від чого залежить величина ПН?

4. Які речовини відносяться до поверхнево активних? Навести приклади.

5. Які існують методи визначення ПН харчових продуктів?

6. В чому полягає сталагмометричний метод визначення ПН?

7. На чому заснований метод визначення ПН шляхом капілярного підйому?

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 № 5