Какими свойствами обладают эмульсии
Эмульсии – грубодисперсные системы из взаимно нерастворимых жидкостей. В таких системах одна из жидкостей (дисперсная фаза) взвешена в другой (дисперсионной среде) в виде капелек.
Чаще всего эмульсии состоят из воды и второй жидкости, которую принято называть «масло». Так, к числу «масел» относятся бензин, керосин, бензол, масла минеральные, животные, растительные и другие неполярные жидкости, которые гидрофобны.
Можно диспергировать гидрофобную жидкость в воде, и наоборот, возможно диспергировать воду в гидрофобной жидкости, Следовательно, принципиально могут быть эмульсии двух типов: масло в воде (сокращенно м/в), где дисперсной фазой будет масло, а дисперсионной средой – вода, и вода в масле (сокращенно в/м), когда дисперсная фаза – вода, дисперсионная среда – масло. Примером эмульсии первого типа может служить коровье молоко (эмульсия жира в гидрозоле белка), а эмульсии второго типа – различные медицинские мази (эмульсии воды в масле).
Эмульсии обычно получают механическим диспергированием – эмульгированием одной жидкости в другой сильным перемешиванием, встряхиванием, а в некоторых случаях с помощью ультразвука. В пищевой промышленности и кулинарной практике это выполняется на специальных взбивальных машинах.
Благодаря огромному увеличению поверхности раздела между двумя жидкостями эмульсия приобретает большой запас свободной поверхностной энергии Е и становится термодинамически неустойчивой, такая система будет стремиться самопроизвольно перейти в устойчивое состояние путем уменьшения запаса свободной поверхностной энергии. Этот самопроизвольный процесс может происходить или за счет уменьшения поверхностного натяжения или за счет уменьшения величины поверхности S, так как свободная поверхностная энергия связана с поверхностным натяжением и суммарной величиной поверхности уравнением Е = S.
Если понижение запаса свободной поверхностной энергии пойдет за счет уменьшения суммарной поверхности системы, это выразится в слиянии капелек жира, в уменьшении числа жировых капелек. Слияние капель эмульсии называют коалесценцией, она подобна коагуляции и быстро заканчивается расслоением системы на две отдельные жидкие фазы с минимальной поверхностью раздела. Такое слияние приводит к разрушению эмульсии.
Понижения поверхностной энергии можно добиться и за счет уменьшения поверхностного натяжения, которого можно достичь введением в систему какого-либо поверхностно-активного вещества, способного адсорбироваться на поверхности капелек эмульсии и препятствовать их слиянию. Подобные вещества, стабилизирующие эмульсию, называют стабилизаторами или эмульгаторами. При этом суммарная поверхность системы останется неизменной, а образующаяся эмульсия станет устойчивой.
Эмульгаторами концентрированных эмульсий, должны быть вещества, образующие на поверхности капелек эмульгируемой жидкости прочные адсорбционные пленки.
В зависимости от типа эмульсии следует брать гидрофильные или гидрофобные эмульгаторы той или иной степени дисперсности. Эмульгатор должен быть подобен той жидкости, которая образует дисперсионную среду.
Так, эмульсии типа м/в стабилизируются растворимыми в воде высокомолекулярными соединениями, например белками. Адсорбируясь на границе раздела фаз, они образуют в поверхностном слое сетчатые и гелеобразные структуры, создающие структурно-механический барьер, который препятствует объединению частиц дисперсной фазы.
Молекулы эмульгатора, содержащие в своем составе полярные и неполярные группы (например, мыла), в адсорбционных слоях ориентируются таким образом, что полярные концы их обращены к полярной жидкости, а неполярные – к неполярной (рис. 4), при этом понижается поверхностное натяжение.
Подобные оболочки из поверхностно-активных веществ на поверхности капелек эмульсии довольно прочны и упруги. При соударении частиц они, как правило, не разрушаются – эмульсии приобретают устойчивость.
Эмульгаторами для эмульсий как первого, так и второго типа также могут служить порошки, так называемые твердые эмульгаторы (рис.5).
Порошки должны быть высокодисперсными и обязательно должны лучше смачиваться той жидкостью, которая служит дисперсионной средой; в этом случае большая часть твердых частиц будет находиться с внешней, наружной стороны капелек, образуя оболочки высокой прочности, которые предохраняют их от коалесценции при столкновениях.
При получении пищевых эмульсий выбор эмульгатора ограничен предъявляемыми к нему требованиями с точки зрения пищевого достоинства.В пищевой промышленности и общественном питании в качестве эмульгаторов применяют в основном естественные стабилизаторы различной химической природы (белки, фосфатины, пектины и т.д.)
При некоторых условиях эмульсии одного типа могут превращаться в эмульсии другого типа. Это явление называется обращением фаз эмульсий. Обращение фаз эмульсий можно вызвать добавлением эмульгатора противоположного типа, т. е. изменением природы эмульгатора или длительным механическим воздействием; так, например, взбивание сливок приводит к получению масла. При этом эмульсия типа м/в (сливки) переходит в эмульсию типа в/м (масло) с довольно малым содержанием воды в виде дисперсной фазы.
Высококонцентрированные эмульсии с концентрацией дисперсной фазы более 74% называют желатинированными. В подобных эмульсиях капельки дисперсной фазы сильно деформированы. Из шариков они превращаются в многогранники, последние могут быть плотнее упакованы. Высококонцентрированные эмульсии могут содержать до 99% дисперсной фазы. Дисперсионная среда в таких эмульсиях превращается в тонкие пленки, разделяющие дисперсную фазу на многогранники (рис. 6). Желатинированные эмульсии твердообразны: сохраняют свою форму, не растекаются. Примером могут служить сливочное масло, маргарин, майонез, густые кремы.
Разрушение эмульсий может быть достигнуто следующими способами:
1) химическим разрушением защитных пленок соответствующими веществами;
2) разрушением защитных пленок механическим воздействием, которое применяется, например, при сбивании сметаны и сливок для получения масла;
3) термическим разрушением – расслоением эмульсий при нагревании. При замораживании также может наблюдаться расслоение эмульсии.
Эмульсиями являются разнообразные продукты питания; молоко, сливочное масло, маргарин, сливки. Молоко – это полидисперсная система, компоненты которой находятся в различной степени дисперсности. Маргарин представляет собой эмульсию типа в/м, а сливочное масло – сложную структурированную эмульсию, содержащую элементы обоих типов эмульсии м/в и в/м в разных соотношениях.
Ярким представителем эмульсий является майонез. Дисперсионная среда в майонезе – вода желтков и уксуса. Дисперсной фазой служит растительное масло. Эмульгаторами в классическом майонезе служат вещества желтка и порошка горчицы. Молекулы вителлина желтка образуют защитную пленку на поверхности жировых шариков, горчица содержит поверхностно-активные вещества, уменьшающие поверхностное натяжение на границе жир-вода, что значительно облегчает эмульгирование и уменьшает склонность шариков к округлению. Частица порошка действуют и как порошкообразный эмульгатор.
Жира в классическом майонезе содержится 74%. Он раздроблен на мельчайшие шарики. При ручном взбивании размер их составляет 1,5-2.10–3 см, а при машинном – от 10-4 до 4.10-4 (рис. 7). В 1 г соуса содержится до 1012 жировых шариков.
Источник
Коллоидная химия
Эмульсии и эмульгаторы.
Грубодисперсные системы
Эмульсии это один из видов грубодисперсных систем. Помимо эмульсий к грубодисперсным системам относятся суспензии, пены, порошки и пр.
Грубодисперсные системы отличаются от коллоидных систем более крупным размером частиц дисперсной фазы.
Верхний предел размеров коллоидных частиц составляет ~10-7 м, грубодисперсные системы имеют размер частиц от 10-7 м и выше.
Эмульсии
Эмульсиями называют дисперсные системы из несмешивающихся жидкостей. В таких системах, состоящих, например, из двух жидкостей,
одна из них (дисперсная фаза) взвешена в другой (дисперсной среде) в виде капелек.
Размеры капелек различны и могут достигать 5 · 10-6 м и выше.
Ряд свойств эмульсий сходен со свойствами коллоидов: они также имеют выраженную поверхность раздела,
неустойчивы и нуждаются в стабилизаторах (эмульгаторах).
Эмульсии могут образовывать только взаимно нерастворимые жидкости. Чаще всего эмульсии состоят из воды и жидкости,
которые принято называть «маслом». Молекулы масла менее полярны, чем молекулы воды и в этом кроется секрет
взаимной нерастворимости этих веществ.
Возможны два типа эмульсий: масло в воде (м/в) и вода в масле (в/м).
При энергичном взбалтывании смесей, состоящих из воды и масла, компонент, содержащийся в меньшем количестве,
дробиться на мельчайшие капельки, распределяющиеся по всему объёму.
Если дисперсной фазой является масло, то образуется эмульсия, в которой капельки жидкости по свойствам очень схожи
с частицами гидрофобного коллоида.
Главным фактором их устойчивости также является заряд, возникающий за счёт адсорбции некоторых ионов,
обладающих этим зарядом. Таким образом капельки эмульсии имеют некоторый ζ-потенциал.
Обычно концентрация дисперсной фазы в эмульсиях чистых жидкостей (без стабилизаторов) не превышает 2%.
Устойчивость таких эмульсий невысока, легко происходит самопроизвольное слияние капелек дисперсной фазы
(так называемая коалесценция) и последующее расслоение жидкости. Чем меньше размер капелек, тем устойчевее эмульсия.
Коалесценция и коагуляция – два родственных процесса. Оба связаны с потребностью дисперсных систем уменьшить свою свободную энергию.
Термин коалесценция используют по отношению к слиянию капель жидкости или газовых пузырьков.
Коагуляция – это процесс слипания твердых частиц в дисперсных системах с образованием более крупных частиц.
Коагуляция ведёт к выпадению из коллоидного раствора осадка или к застудневанию.
Эмульгаторы
Достаточно устойчивую и концентрированную эмульсию можно приготовить лишь при добавлении стабилизатора (эмульгатора).
Эмульгаторы не только сообщают капелькам эмульгируемой жидкости заряд, но, главным образом,
создают вокруг них своеобразную оболочку, препятствующую коалесценции.
Гидрофильные и гидрофобные эмульгаторы.
В наиболее важном с практической точки зрения случае эмульгаторы представляют собой дифильные вещества,
молекулы которых имеют в своём составе, как полярную (гидрофильную) группу, так и неполярную (гидрофобную) часть.
В качестве примера дифильных веществ можно привести лецитин:
Именно благодаря наличию такой двойственной структуры становится возможной стабилизация,
поскольку дифильные вещества имеют возможность одновременно взаимодействовать, как с водой и
водорастворимыми веществами, так и с маслами или веществами жирной природы.
Эмульгаторы, молекулы которых имеют относительно длинную гидрофобную часть, обладают преимущественно гидрофобными свойствами.
Такие эмульгаторы называют гидрофобными.
И, наоборот, эмульгаторы с относительно короткой гидрофобной частью, имеют большее сродство с водой и их,
поэтому называют гидрофильными.
Стабилизация эмульсий типа «масло в воде».
Гидрофильные эмульгаторы.
Гидрофильные эмульгаторы необходимы для стабилизации эмульсий типа «масло в воде».
При добавлении гидрофильного эмульгатора в такую эмульсию вокруг капельки масла образуется сплошной слой эмульгатора,
сообщающий ей некоторую гидрофильность и повышающий её устойчивость (Рис. а).
Добавление в такую же смесь гидрофобного эмульгатора, большая часть молекулы которого погружается в капельку масла,
не обеспечивает устойчивости эмульсии, поскольку часть поверхности капельки остаётся «открытой»
и легко может происходить слияние с другими капельками (рис. б).
Стабилизация эмульсий типа «вода в масле».
Гидрофобные эмульгаторы.
Гидрофобные эмульгаторы стабилизируют эмульсии типа «вода в масле». Их молекула, находящаяся большей своей частью
в дисперсионной среде (масле), удерживается на поверхности капелек воды своей гидрофильной группировкой (Рис. а).
В результате вокруг каждой капельки воды образуется плотная оболочка из молекул эмульгатора, препятствующая слиянию дисперсной фазы (воды).
Попытка получить эмульсию такого же типа с гидрофильным эмульгатором оказалась бы безуспешной,
так как молекулы эмульгатора разместились бы в основном внутри капелек воды (Рис. б).
Вместо сплошной оболочки вокруг капелек имелись бы лишь выступающие над их поверхностью отдельные гидрофобные группы эмульгатора,
не препятствующие коалесценции капелек.
Таким образом, эмульгатор должен обладать сродством к дисперсионной среде.
В зависимости от типа желаемой эмульсии следует брать гидрофильные или гидрофобные эмульгаторы той или иной степени диссоциации.
Классификация эмульгаторов | |||
Дисперсность эмульгаторов | Эмульгаторы для эмульсий типа м/в | Эмульгаторы для эмульсий типа в/м | |
|---|---|---|---|
Грубая | CaCO3, CaSO4, Fe2O3, Fe(OH)3, SiO2, глина и др. | HgI2, PbO, сажа и др. | |
Коллоидная | Желатин, казеин, альбумин, крахмал, декстрин, гуммиарабик, лецитин, желчные кислоты и др. | Смолы, каучук, холестерин и др. | |
Молекулярная | Мыла щелочных металлов, красители | Мыла многовалентных металов | |
Эмульгатором можно задать тип эмульсии
Добавляя в дисперсную систему тот или иной тип стабилизатора (эмульгатора), можно задать тип эмульсии.
Если к смеси равных объёмов воды и бензола добавить гидрофильный эмульгатор, то образуется эмульсия типа «масло в воде».
Добавление гидрофобного эмульгатора приводит к возникновению эмульсии типа «вода в масле».
Применение соответствующих эмульгаторов позволяет получать эмульсии, в которых объём дисперсной фазы гораздо больше объёма дисперсионной среды.
Так, Кремнев получил эмульсию из 150 частей бензола в 1 части воды.
Моющее действие эмульгаторов
Образование эмульсии происходит при отмывании жирных пятен мылом. Пептизированные, а затем стабилизированные
солями жирных кислот частички жира легко уносятся водой.
Пептизация — расщепление агрегатов, возникших при коагуляции дисперсных систем,
на первичные частицы под действием жидкой среды (например, воды) или специальных веществ — пептизаторов.
Пептизированные частицы – частицы, отщеплённые от основной массы коагулята, а в данном случае – от жирового загрязнения.
Моющие средства должны быть сильными поверхностно-активными гидрофильными эмульгаторами.
Поверхностное натяжение моющего раствора должны быть почти вдвое ниже, чем у воды.
Моющее действие этих растворов возрастает с повышением их концентрации и увеличением гидрофобной части молекулы применяемого эмульгатора.
Биологическое значение эмульсий
Пищевые продукты
Примером эмульсий является молоко, которое представляет собой взвешенные в воде частички жира, эмульгированные белком (казеиногеном).
При стоянии молока образуется слой концентрированной эмульсии (сливки).
Сбивание сливок приводит к разрушению белковой оболочки, жир коалесцирует в крупные комочки сливочного масла,
которое тоже представляет собой эмульсию, но уже типа «вода в масле».
Аналогичными этому типу эмульсиями являются:
- Маргарин,
- Майонез,
- Мороженное и пр.
Маргарин – эмульсия из мелкораздробленных гидрогенезированных растительных жиров.
Эмульсии в физиолгии человека
Эмульсии нередко встречаются в организме человека:
1. Жиры в крови и лимфе находятся в эмульгированном состоянии (эмульгатор – белки крови).
2. При пищеварении в кишечнике также образуется жировая эмульсия, но здесь стабилизатором служат соли желчных и жирных кислот.
Опыты показали, что растворы солей желчных кислот могут обладать поверхностным натяжением менее 1 эрг/см2,
т.е. настолько низким, что может идти самопроизвольное раздробление жира (без его механического измельчения).
Таким образом, желчь имеет важное значение для переваривания и всасывания жиров в жилудочно-кишечном тракте.
3. Эритроциты в крови можно по ряду свойств рассматривать так же, как частички гидрофобной эмульсии.
На их поверхности отсорбированы молекулы белков, аминокислот и ионы электролитов.
Все они сообщают эритроцитам определённый отрицательный заряд, а противоионы создают некоторый диффузный слой.
При паталогических процессах в организме, когда в крови увеличивается содержание некоторых видов белков
(либо особого глюкопротеида, относящегося к альфа-глобулинам, либо при инфекционных заболеваниях гамма-глобулинов)
происходит процесс, очень напоминающий ионообменную адсорбцию: место ионов электролитов на поверхности
эритроцитов занимают белки, заряд которых ниже, чем у суммы замещённых ими ионов.
В результате заряд эритроцитов понижается, они быстрее объединяются и оседают (ускоряется реакция оседания эритроцитов – РОЭ).
Этот процесс зависит ещё от ряда факторов: содержания других белковых фракция и мукополисахаридов,
концентрации эритроцитов в кровии, от наличия в крови микробов, наконец, расположения сосуда,
в котором наблюдается РОЭ (в частности, скорость её ниже в наклонно расположенном капиляре).
Оседание эритроцитов происходит сходно с процессом седиментации гидрофобного коллоида.
Источник
ЭМУЛЬСИИ
Эмульсии представляют собой особый вид дисперсных систем, дисперсная фаза и дисперсионная среда которых являются взаимно нерастворимыми или плохо растворимыми жидкостями. Это обстоятельство и обусловливает специфическое свойство эмульсий образовывать системы со сферическими частицами дисперсной фазы в широком диапазоне концентрации (от 0,001 до 90%) и их способность к обращению фаз. Получение, устойчивость и разрушение эмульсий определяются особенностями границы раздела Ж—Ж.
Эмульсии, как и другие дисперсные системы, широко применяют в различных отраслях промышленности; они определяют свойства некоторых продуктов питания.
Наибольший практический интерес представляют эмульсии, в которых одной из жидких фаз является вода (В), а другая формируется из водонерастворимой жидкости, называемой в общем случае маслом (М); это может быть жидкий жир, минеральные масла и др.
В зависимости от состава дисперсной фазы и дисперсионной среды могут быть прямые и обратные эмульсии. Прямые эмульсии типа М/В — это дисперсии масла в воде. Раздробленной фазой в прямых эмульсиях является масло. Обратные эмульсии типа В/М — это дисперсии воды в масле, в них частицы воды распределены в масляной среде. Прямой эмульсией является молоко, а маргарин и нефть можно отнести к обратным эмульсиям.
Тип эмульсии можно определить экспериментально. Для этой цели в эмульсию добавляют некоторое количество жидкости, составляющей одну из фаз. Если эмульсия легко разбавляется, то добавляемая жидкость проникает в непрерывную часть системы, которая и будет дисперсионной средой.
Определить тип эмульсии можно при помощи красителя, растворимого только в одной из фаз. Если краситель растворяется в дисперсионной среде, то эмульсия быстро окрашивается в цвет этого красителя. Обычно прямая эмульсия (М/В) обладает большей электропроводностью по сравнению с обратной эмульсией (В/М).
Эмульсии различают в зависимости от содержания дисперсной фазы, которая выражается через объемную концентрацию:
(15.1)
где Vд.ф., Vри Vд.с.— объем дисперсной фазы, дисперсионной среды (растворителя) и дисперсной системы, в данном случае эмульсии, соответственно.
В зависимости от концентрации дисперсной фазы эмульсии могут быть разбавленными (vоб< 0,1%), концентрированными (0,1% < vоб< 74%) и высококонцентрированными при vоб> 74%.
В разбавленных эмульсиях концентрация дисперсной фазы незначительна. Поэтому их свойства (вязкость, плотность и др.) мало отличаются от свойств дисперсионной среды.
Стремление поверхностной энергии к минимуму вследствие подвижности жидкой границы в эмульсиях приводит к самопроизвольному снижению поверхности раздела фаз. По этой причине капли разбавленных и концентрированных эмульсий приобретают шарообразную форму.
Объемная концентрация vоб, равная 74%, является рубежом, характеризующим переход концентрированной эмульсии в высококонцентрированную. При vобменее 74% частицы дисперсной фазы способны сохранять сферическую форму и плотную упаковку частиц одного и того же размера. Плотная упаковка означает расположение частиц дисперсной фазы таким образом, что объем дисперсионной среды, становится минимальным.
При концентрации дисперсной фазы выше 74% наблюдается деформация капель дисперсной фазы, их сферичность нарушается, а эмульсии приобретают новые свойства. Жидкие пленки превращаются в многогранники, сформированные из дисперсионной среды. Высококонцентрированные эмульсии могут содержать до 99% дисперсной фазы. Подобные эмульсии образуют структуру, способны сохранять свою форму, и не растекаются. Именно к эмульсиям такого типа относятся сливочное масло, маргарин и различные кремы.
Значительная часть эмульсий относится к средне- и грубодисперсным системам, размеры частиц дисперсной фазы которых превышают 1 мкм. Майонез, например, представляет собой концентрированную прямую эмульсию (vоб= 40¸ 70%) в воде типа М/В. Размеры жировых шариков колеблются в пределах 1—10 мкм.
В настоящее время все большее значение приобретают микроэмульсии; дисперсная фаза таких эмульсий состоит из набухших мицелл коллоидных ПАВ. Поэтому микроэмульсии называют еще мицеллярными эмульсиями. Размер мицелл дисперсной фазы этих эмульсий составляет 10—100 нм, что соответствует высокодисперсным системам. Микроэмульсии обычно устойчивы. Концентрация vобможет достигать 50%, что соответствует концентрированным эмульсиям.
Источник