ПРЕЗЕНТАЦИЯ ПО ТЕМЕ «ЭМУЛЬСИИ» Выполнили: ст. гр. РСб-13 Цибульская Т. Бояновская Ю.
СОДЕРЖАНИЕ 1. Вместо введения. Что такое эмульсия 2. Получение и вопросы устойчивости 3. Эмульгаторы 4. Гидрофильно-липофильный баланс (ГЛБ) как характеристика эффективности эмульгатора 5. Методы разрушения эмульсий 6. Методы определения эмульсий 7. Эмульсии в пищевой промышленности
ЧТО ТАКОЕ ЭМУЛЬСИЯ И С ЧЕМ ЭТО ЕДЯТ? Эмульсии - это гетерогенные системы, состоящие из 2 -х или нескольких взаимно нерастворимых жидких фаз. Эмульсии по классификации Оствальда обозначаются как ж/ж. Необходимым ж/ж условием образования эмульсий, так же как и других коллоидных систем, является ограниченная растворимость вещества дисперсной фазы в дисперсной среде. Обычно одной из фаз эмульсий является полярная жидкость (например: вода, спирт и т. д. ), а другой - неполярная (например: бензол, четыреххлористый углерод, машинное масло и т. д. ). Для того, чтобы различать какая из жидкостей является дисперсной фазой, а какая дисперсионной средой, принято полярную жидкость условно называть "водой" (в), о неполярную маслом (м). В соответствии с этим, эмульсии делят на два типа: прямые "масло в воде" (м/в) и обратные - "вода в масле" (в/м). Масло Вода Масло
Тип образующихся эмульсий зависит от ряда факторов: от соотношения объемов дисперсионной фазы и дисперсионной среды, природы эмульгатора и свойств дисперсионной среды и дисперсионной фазы. В зависимости от концентрации дисперсной фазы, эмульсии подразделяют на 3 класса: разбавленные (концентрация С не превышает 0, 1 %), концентрированные (С до 74%) и высококонцентрированные (С>74%). Разбавленные эмульсии относительно устойчивы, поскольку вероятность столкновения капель при малых концентрациях невелика. Концентрированные эмульсии не могут быть устойчивы без стабилизации.
К природным и синтетическим эмульсиям относятся ряд ценнейших растительных и животных продуктов. Например: молоко (эмульсия жиров в воде), кефир, масло, сыр, яичный желток, маргарин, соусы, некоторые лекарства и т. д
ПОЛУЧЕНИЕ ЭМУЛЬСИЙ Для получения эмульсии две несмешивающиеся жидкости подвергают процессу эмульгирования, состоящему в том, что механическим встряхиванием, разбиванием особыми лопастными мешалками или продавливанием через узкие щели жидкости раздробляются друг в друге. В технике имеется большое число механизмов, где диспергирование осуществляется или благодаря простому разбиванию сравнительно больших капель на более мелкие, или растяжением жидкости в пленку, которая, разрываясь, дает массу мелких капелек. Для получения особовысокодисперсных эмульсий применяется ультразвуковой метод.
ПОЛУЧЕНИЕ ЭМУЛЬСИЙ Наряду с диспергированием применяют также конденсационные методы: замены растворителя и взаимной конденсации паров. На практике чаще используют диспергирование. Большинство эмульсий имеют размер частиц больше 100 нм и их частицы просматриваются в обычном микроскопе. Эмульгирование, как всякое дробление, связано с увеличением поверхности раздела фаз на величину S. Часть работы, затрачиваемой на образование эмульсий, идет на увеличение свободной поверхностной энергии системы на границе дисперсной фазы с дисперсионной средой. По второму закону термодинамики общий запас свободной энергии G стремится уменьшиться. Уменьшение G может происходить в результате двух самопроизвольных процессов: 1. За счет уменьшения поверхности раздела фаз (S) при слиянии отдельных капелек друг с другом, что приводит к постепенному расслаиванию эмульсии на два несмешивающихся слоя. 2. За счет уменьшения поверхностной энергии σ на границе раздела двух жидких фаз
К ВОПРОСУ ОБ УСТОЙЧИВОСТИ Наличие избыточной поверхностной энергии G приводит к термодинамической неустойчивости эмульсий. Различают агрегативную и кинетическую устойчивость (неустойчивость) эмульсий. Агрегативной устойчивостью называют способность эмульсий поддерживать постоянную дисперсность. Агрегативная неустойчивость эмульсий проявляется в самопроизвольном образовании агрегатов капелек с последующим слиянием (коалесценцией) отдельных капелек друг с другом, что приводит к разрушению, расслаиванию эмульсии. Кинетической (или седиментационной) устойчивостью называют устойчивость дисперсной фазы по отношению к силе тяжести. Потеря агрегативной устойчивости приводит к уменьшению кинетической устойчивости, к расслаиванию эмульсии. Устойчивость эмульсий характеризуют либо скоростью расслаивания эмульсии, либо продолжительностью существования ("временем жизни") отдельных капелек в контакте друг с другом или с межфазной поверхностью. Чтобы получить высокодисперсные и устойчивые эмульсии, в систему добавляют стабилизаторы, называемые в данном случае эмульгаторами
ЭМУЛЬГАТОРЫ Эмульгатор (a. emulsifying agent; н. Emulgator, Emulgiermittel, Emulseur; ф. emulgateur, agent emulsifiant; и. emulsificante) - стабилизатор эмульсий; вещество (или смесь), способствующее образованию эмульсий и придающее им устойчивость
ЭМУЛЬГАТОРЫ Эмульгаторы, в зависимости от их химической природы, могут стабилизировать эмульсию как путем понижения межфазного поверхностного натяжения, придания частицам эмульсии электрических зарядов, одинаковых по знаку, так и путем образования из эмульгатора на поверхности капелек механически прочных магнитных пленок. Такие пленки защищают частицы эмульсии от взаимного слияния при их столкновении, причем этот фактор может быть более важным, чем действие электрических зарядов. Особенно это относится к концентрированным эмульсиям, в которых эмульгаторы, сообщающие только заряд частицам, уже не обеспечивают устойчивости.
ЭМУЛЬГАТОРЫ К эмульгаторам, способным образовывать прочные защитные пленки, относятся высокомолекулярные соединения, например, сапонин, белки (желатин, казеин), каучук, смолы, соли жирных кислот (мыла) и др. Указанные вещества, особенно мыла, обладая некоторой поверхностной активностью, адсорбируются на поверхности капель эмульсии и образуют структурированную оболочку, которая является вязкой, прочной и упругой. При соударении частиц такая оболочка обычно не разрушается и не выдавливается, благодаря чему эмульсии и приобретают высокую устойчивость.
ЭМУЛЬГАТОРЫ При эмульгировании твердыми порошкообразными эмульгаторами могут образоваться как эмульсии типа "масло в воде", так и "вода в масле". Решающую роль при этом играют условия смачивания эмульгатора обеими жидкостями. Твердыми эмульгаторами могут служить достаточно высокодисперсные порошки, способные смачиваться как полярной, так и неполярной жидкостями, образующими эмульсию. К таким порошкам относятся: глины, гидрат окиси железа, сажа. При встряхивании полярной жидкости с неполярной в присутствии твердого эмульгатора, его крупинки прилипают к межфазной поверхности, причем большая часть поверхности частиц эмульгатора находится в той жидкости, которая их лучше смачивает. Таким образом, на капельках образуется как бы "броня", предотвращающая их коалесценцию. Понятно, что если твердый эмульгатор лучше смачивается водой (например, каолин), такая "броня" возникает со стороны водной фазы, при этом образуется эмульсия типа "м/в". Если же твердый эмульгатор лучше смачивается неполярным углеводородом (например, сажа), то образуется эмульсия типа "в/м”. Величина капель эмульсии зависит от количества взятого порошка. Чем больше порошка, тем большую поверхность он может защитить и тем меньше капли эмульсии. Однако слишком большое количество эмульгатора нежелательно.
ЭМУЛЬГАТОРЫ Почти все перечисленные эмульгаторы являются поверхностно-активными в отношении поверхности раздела обеих жидкостей, и следовательно, адсорбируется на этой поверхности и понижают поверхностное натяжение. Вследствие того, что уменьшается , облегчается работа эмульгирования. Однако для того, чтобы вещество могло проявлять себя как эмульгатор для данной системы, этого еще недостаточно. Эмульгатор в абсорбированном состоянии должен образовать пленку, обладающую достаточной механической прочностью при очень малой толщине. Для характеристики эмульгатора весьма существенно его отношение к обеим жидкостям, образующих эмульсию. Вещества, растворимые в воде и нерастворимые в другой жидкой фазе, являются хорошими эмульгаторами для эмульсий типа "м/в". Примером такого эмульгатора может служить олеат натрия или другие мыла щелочных металлов. Вещества, хорошо растворимые в неполярной фазе и мало растворимые в воде, эмульгируют "воду в масле". Эмульгаторами для системы типа "в/м" являются мыла металлов Са, Zn, Al, Mg и др. , которые плохо растворимы в воде и хорошо в маслах и углеводородах. Много ценных эмульгаторов получают в настоящее время синтетически. Таковы, например, щелочные соли сульфоновых кислот. Эти эмульгаторы имеют поверхностно-активный анион. Есть также катион - активные эмульгаторы, например, ацетилдиметилбензиламмонийхлорид
ГИДРОФИЛЬНО-ЛИПОФИЛЬНЫЙ БАЛАНС Эффективность эмульгатора характеризуют специальным числом - гидрофильнолипофильным балансом (ГЛБ). Для эмульгирующего действия необходимо некоторое оптимальное соотношение гидрофильных и липофильных молекул ПАВ. Гидрофильные свойства определяются взаимодействием полярной группы с водой, липофильные - взаимодействием неполярной цепи с маслом. В результате преобладающей гидрофильности короткоцепочных ПАВ происходит втягивание их из пограничного слоя в воду, в то время, как длиноцепочные ПАВ с преобладающими липофильными свойствами втягиваются в фазу масла. Из сказанного следует вывод: для хорошего эмульгирующего действия необходима относительная уравновешенность с некоторым дисбалансом в пользу полярной или неполярной части
ГЛБ 1 – ГЛБ высокий, сдвинут в сторону гидрофильности 2 – хороший баланс 3 – ГЛБ низкий, сдвинут в сторону липофильности
ЧИСЛА ГЛБ ПО ДЭВИСУ Распространенной полуэмпирической характеристикой природы ПАВ является система гидрофилънолипофилъного баланса (ГЛБ), введенная Гриффином и Дэвисом. Значения ГЛБ для молекул ПАВ определяются по этой системе аддитивным сложением эмпирически найденных (в частности на основе изучения кинетики разрушения прямых и обратных эмульсий) так называемых групповых чисел q всех групп, составляющих молекулу: ГЛБ =7+q
МЕТОДЫ РАЗРУШЕНИЯ ЭМУЛЬСИЙ Эмульсии со временем разрушаются. В некоторых случаях возникает необходимость ускорить разрушение эмульсий, например, разрушение эмульсии в сырой нефти. Ускорить процесс разрушения можно всеми путями, ведущими к уменьшению прочности защитной пленки эмульгатора и увеличению возможности соприкосновения частиц друг с другом. Методов разрушения эмульсии (деэмульгирования) очень много. Наиболее важными из них являются следующие: 1. Химическое разрушение защитных пленок эмульгатора, например, действием сильной минеральной кислоты. 2. Прибавление эмульгатора, способного вызвать обращение фаз эмульсии и снижающего этим прочность защитной пленки.
МЕТОДЫ РАЗРУШЕНИЯ ЭМУЛЬСИЙ 3. Термическое разрушение - расслоение эмульсий нагреванием. С повышением температуры уменьшается адсорбция эмульгатора, что ведет к разрушению эмульсии. 4. Механическое воздействие. К этому методу относится механическое разрушение стабилизированных пленок, например, сбивание сливок в масло. Центрифугирование также относится к механическому воздействию. Разрушить эмульсию также можно путем ее пропускания через специальный фильтр. 5. Действие электролитов вызывает разрушение эмульсий, стабилизированных электрическим зарядом частиц.
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭМУЛЬСИЙ а) Метод смешения. Небольшую каплю эмульсии помещают на стеклянную пластинку. Рядом с ней наносят каплю воды или каплю масла. Наклоняя стекло следят, с какой каплей сольется эмульсия. Смешение капель является признаком того, что взятая жидкость представляет дисперсионную среду данной эмульсии. б) Метод электропроводности. Основан на том, что вода и водные растворы значительно лучше проводят электрический ток, чем масло, углеводороды и другие неполярные жидкости. В цепь, состоящую из аккумулятора и двух электродов, опущенных в исследуемую эмульсию, включают микроамперметр. В случае, когда дисперсионной средой является вода, миллиамперметр показывает значительное отклонение. Если дисперсионной средой является неполярная жидкость, то тока в цепи не будет. Данный метод особенно удобен при наблюдении за обращением эмульсий. в) Метод окрашивания. Основан на применении красителей, растворяемых в неполярных маслах и не растворимых в воде (судан III). Эмульсию, приготовленную в пробирке, окрашивают добавлением 2 -3 капель раствора судана III в бензоле. Затем, взяв пробу такой эмульсии на предметное стекло, рассматривают ее под микроскопом. Если окрашены капельки, то эмульсия типа "м/в". Если же фон, то эмульсия типа "в/м".
ЭМУЛЬСИИ В ПИЩЕПРОМЕ К пищевым эмульсиям относят: молоко, сливки, сливочное масло, майонез и другие продукты питания. Существует большое количество продуктов, получаемых из молока: айран, алкогольные напитки из молока, ацидофилин, аэрин, варенец, катык, йогурт, кефир, кумыс, масло, мацони, обрат, пахта, простокваша, ряженка, сгущённое молоко, сливки, сливочное масло, сметана, сухое молоко, сыворотка, сыр, творог, топлёное молоко, шубат
ЭМУЛЬСИИ В ПИЩЕПРОМЕ
