Эмульсии образуются. Эмульсии

Эмульсия - однородная по внешнему виду лекарственная форма, состоящая из взаимно нерастворимых тонко диспергированных жидкостей, для внутреннего, наружного или инъекционного применения.

Изготовление эмульсий регламентировано Государственной фармакопеей.

Эмульсии - микрогетерогенные системы. Размеры капель жидкости в эмульсиях колеблются от 0,1 до 50 мкм. В качестве дисперсной фазы может быть не только жидкость, но и газ.

Лекарственные вещества в лекарственной форме «Эмульсия» назначают с целью:

Замаскировать неприятный вкус или запах (например, масло касторовое, эфирных масел и др.);

Облегчить дозированный прием вязких густых жидкостей (винили на, масла касторового и др.);

Смягчить раздражающее действие некоторых лекарственных веществ (хлоралгидрата, бромидов, метилурацила и др.);

Обеспечить всасывание масляной фазы в желудке из эмульсий первого рода, ускорить гидролиз диспергированных жиров ферментами желудочно-кишечного тракта;

Ускорить всасывание масел в мелкодисперсном состоянии при энтеральном применении.

Эмульсии классифицируют:

1. По применению: для наружного применения (питательные и лечебные клизмы, очищающие эмульсии, косметическое молочко и др.); для внутреннего применения (микстуры); для инъекционного введения (эмульсии для па- рэнтерального питания).

2. По составу: простые (масло - липофильная жидкость, эмульгатор вода - гидрофильная жидкость); сложные.

3. По исходному материалу: масляные; семенные.

4. По концентрации: разбавленные (до 0,1% жидкой фазы, например, воды ароматные). Они могут быть стабильны без добавления стабилизатора, за счет высокой дисперсности и низкой Концентрации дисперсной фазы; концентрированные (более 5 % жидкой фазы) - большинство эмульсий, применяемых в Медицинской практике.

Для стабилизации концентрированных эмульсий требуется д0_ бавление стабилизатора (эмульгатора); высококонцентр1}, рованные эмульсии (более 70% жидкой фазы).

5. По типу, эмульсии первого рода (масло/вода) _ дисперсная фаза (масло или липофильная жидкость) в виде капелек распределена в водной (или гидрофильной) дисперсионной среде. Эмульсии этого типа более жидкие, по внешнему виду напоминают молоко. Применяют внутрь, наружно, инъекционно- эмульсии второго рода (вода/масло)-дисперсная фаза (вода или гидрофильная жидкость) в виде капелек распределена в масляной (или липофильной) дисперсной среде. Эмульсии этого типа более вязкие, густые. По внешнему виду напоминают мягкое сливочное масло. В основном применяют наружно: мази, линименты, кремы.

Эмульсии должны быть однородными, стабильными при хранении; устойчивыми к механическим воздействиям (не должны расслаиваться при центрифугировании с частотой вращения 1,5 тыс. мин-1); выдерживать воздействие высоких (до 50 °С) и низких температур; обеспечивать оптимальный фармакологический эффект.

В эмульсиях при хранении возможна коалесценция - процесс укрупнения и слияния капелек дисперсной фазы (потеря агрегативной устойчивости). Под агрегативной устойчивостью эмульсий, как и растворов защищенных коллоидов и суспензий, понимают способность дисперсной фазы (капелек жидкости или пузырьков газа) как можно дольше сохранять равномерное распределение в дисперсной среде. При слиянии капелек фазы в сплошной слой эмульсия расслаивается - разделяется на два несмешивающихся слоя и при взбалтывании не восстанавливается (потеря агрегативной и кинетической устойчивости).

Эмульсии расслаиваются под влиянием сильных электролитов, дегидратирующих веществ (этанол, глицерин дистиллированный, сироп сахарный и т. п.), веществ кислого и щелочного характера, факторов внешней среды, механического воздействия, температуры.

Учитывая отсутствие сродства дисперсной фазы к среде, получить устойчивые концентрированные и, особенно высококонцентрированные эмульсии, только за счет уменьшения размера частиц (как в случае суспензий гидрофильных веществ, имеющих сродство к среде) без добавления стабилизаторов не удается. По мере уменьшения частиц дисперсной фазы увеличивается свободная межфазная энергия (энергия Гиббса), которая при отсутствий сродства частиц дисперсной фазы к среде стремится к уменьШС" нию за счет слияния частиц (уменьшения удельной поверхности дисперсной фазы). Стабилизировать систему (уменьшить энергию Гиббса), сохранив высокую дисперсность частиц дисперсной фазы, удается снижением величины межфазного натяжения.

Эту роль выполняют ПАВ, молекулы которых адсорбируются на границе раздела фаз (жидкость/жидкость, жидкость/газ), образуя пленку из молекул эмульгатора, прочно обволакивающую частицы дисперсной фазы.

Молекулы эмульгатора располагаются строго определенным образом в зависимости от характера групп его молекул. Гидрофильные группы эмульгатора всегда ориентированы к водной фазе о погружены в нее. Неполярные участки молекул, например углеводородные цепи, всегда ориентируются к масляной фазе.

Подробнее о свойствах ПАВ см. гл. 5.

Задача изготовления агрегативно устойчивых эмульсий сводится в первую очередь к подбору эффективного эмульгатора, специфичного для данного типа эмульсии.

Вследствие неустойчивости эмульсии в аптеке изготавливают ex tempore.

Молоко является типичной природной эмульсией жира в воде - жировая фаза находится в плазме молока в виде мелких капель (шариков жира) более или менее правильной формы, окруженных защитной липопротеидной оболочкой. Нахождение жира в молоке в мелкодиспергированном виде играет важную роль в процессе его усвоения новорожденными, а также при технологической обработке молока.

Эмульсии по полярности дисперсной фазы и дисперсионной среды делят на прямые (масло в воде) и обратные (вода в масле). В зависимости от концентрации дисперсной фазы в системе различают разбавленные, концентрированные и высококонцентрированные эмульсии.

Разбавленные эмульсии по своим свойствам сходны с лиофобными коллоидными растворами. Их устойчивость обусловлена электрическим зарядом частиц (капелек). При потере устойчивости системы капельки самопроизвольно образуют агрегаты с последующим их слиянием (коалесценцией) друг с другом.

Размер и количество шариков жира в молоке непостоянны и зависят от породы животных, стадии лактации, кормовых рационов и других факторов. В 1 мл молока содержится от 1,5 до 3 млрд. шариков жира, их средний диаметр равен от 2 до 2,5 мкм с колебаниями от 0,1 до 10 мкм и более. Размеры шариков жира имеют практическое значение, так как определяют степень перехода жира в продукт при производстве сливок, масла, сыра, творога и т. д.

Физическая стабильность шариков жира в молоке и молочных продуктах, их поведение при отстое сливок и технологической обработке (гомогенизации, пастеризации и т. д.) в основном зависят от состава и свойств их оболочек.

Оболочка шариков жира состоит из липидов и белков. Эти компоненты, ориентированные определенным образом на поверхности шариков, стабилизируют жировую эмульсию молока. В липидной фракции оболочки содержатся фосфолипиды (фосфатидилхолин фосфатидилэтаноламин, сфингомиелин и др.) высокоплавкие триглицериды, цереброзиды, холестерин, каротины, витамин А и др. Белковые компоненты оболочки по растворимости в воде (разбавленных солевых растворах) делятся на две фракции. Одна фракция структурных белков плохо растворима в воде, содержит около 14 % азота, по аминокислотному составу отличается от белков молока (содержит меньше лизина, валина, лейцина, глютаминовой и аспарагиновой кислот и больше аргинина).

B другую водорастворимую белковую фракцию входят гликопротеид с высоким (около 18 %) содержанием углеводов и разнообразные ферменты.

К ферментам оболочки шариков жира относятся ксантин-оксидаза, щелочная и кислая фосфатазы, холинэстераза и др.

В оболочке шариков жира помимо липидов и белков обнаружены минеральные элементы: Сu, Fe, Mo, Zn, Ca, Mg, Se, Na и К. Выяснено, что с оболочкой связано от 5 до 25 % нативной меди молока и от 28 до 59 % нативного железа (содержание Сu в 1 г оболочки составляет от 5 до 25 мкг, Fе - от 70 до 150 мкг).

По данным электронно-микроскопических исследований, оболочка шарика жира состоит из двух слоев различного состава - внутреннего тонкого, плотно прилегающего к кристаллическому слою высокоплавких триглицеридов жировой глобулы, и внешнего рыхлого (диффузного), легко десорбируемого при технологической обработке молока.

Внутренний слой (мембрана, матрикс) имеет толщину от 5 до 10 нм, образуется из плазматической мембраны секреторной клетки молочной железы в процессе выведения секрета.

Эмульсия шариков жира в молоке достаточно устойчива. Охлаждение молока, механическое воздействие насосов, мешалок, нагревание до относительно высоких температур незначительно изменяют состав, физико-химические свойства оболочек шариков жира, не нарушая при этом стабильности жировой эмульсии.

При технологической обработке молока в первую очередь изменяется внешний слой оболочки. Известно, что в свежевыдоенном молоке оболочки имеют неровную, шероховатую поверхность и довольно большую толщину внешнего слоя. После перемешивания, встряхивания и хранения молока оболочки шариков жира становятся более гладкими и тонкими. Эти изменения обусловлены десорбцией липопротеидных мицелл из оболочек в плазму. Одновременно с десорбцией мицелл происходит сорбция белков и других компонентов плазмы молока на поверхности мембраны шариков жира. Процессы десорбции - сорбции при перемешивании, охлаждении могут вызвать некоторые изменения состава и поверхностных свойств оболочек, что приводит к снижению их прочности и частичному разрыву. В процессе тепловой обработки молока наблюдается не только значительная перестройка структурных компонентов оболочки, но и частичная денатурация (конформационная перестройка) мембранных белков, что способствует дальнейшему снижению стабильности оболочек шариков жира.

Оболочки могут быть сравнительно быстро разрушены в результате специального механического воздействия, применяемого, например, при получении сливочного масла, а также действия химических веществ (концентрированных кислот, щелочей, амилового спирта).

Стабильность жировой эмульсии молока можно объяснить следующими факторами. Первым важным фактором устойчивости разбавленных эмульсий, стабилизированных эмульгатором, является, как известно, возникновение на поверхности капелек жира электрического заряда.

Оболочки шариков жира содержат на поверхности полярные группы фосфатные группы фосфатидилхолина и других фосфолипидов, карбоксильные группы, аминогруппы, СООН-группы сиаловой кислоты белковых и углеводных компонентов. На поверхности шариков создается суммарный отрицательный заряд (их изоэлектрическое состояние наступает при рН молока около 4,5). К отрицательно заряженным группам присоединяются катионы Са2+, Mg2+ и др. В результате образуется двойной электрический слой, аналогичный слою, который возникает на поверхности частиц типичных гидрофобных коллоидов. Таким образом, на границе раздела фаз между шариками жира действуют электростатические силы отталкивания, превышающие силы притяжения (энергетический барьер). Дополнительное стабилизирующее действие оказывает гидратная оболочка, образующаяся вокруг полярных групп мембранных компонентов.

Среди всех структурных компонентов оболочки шариков жира особенно важны для стабилизации жировой эмульсии молока гликопротеиды и фосфолипиды. Так, после обработки оболочек протеиназами, разрушающими гликопротеиды, стабильность, эмульсии снижается, а после удаления полярных групп фосфолипидов с помощью фосфолипазы С она резко падает и наступает коалесценция шариков жира.

Вторым фактором устойчивости эмульсий является создание на границе раздела фаз структурно-механического барьера. Исследование структурно-механических свойств оболочек шариков жира показало, что они обладают повышенной структурной вязкостью, механической прочностью и упругостью, а следовательно, могут служить структурно-механическим барьером, препятствующим слиянию шариков.

Таким образом, стабильность жировой эмульсии молока обусловливается термодинамическим (наличие двойного электрического слоя и гидратной оболочки) и структурно-механическим факторами. Структурно-механический фактор является наиболее сильным фактором стабилизации концентрированных эмульсий, к которым принадлежат, например, высокожирные сливки.

Следовательно, для обеспечения устойчивости жировой эмульсии молока и сливок в процессе выработки молочных продуктов необходимо стремиться сохранить неповрежденными оболочки шариков жира и не снижать степень их гидратации. Для этой цели необходимо сокращать до минимума механические воздействия на дисперсную фазу молока при транспортировке, хранении и обработке, избегать его вспенивания, правильно проводить тепловую обработку (длительная выдержка при высоких температурах может вызвать значительную денатурацию структурных белков оболочки и нарушение ее целостности), а также широко применять дополнительное диспергирование жира путем гомогенизации.

Если при выработке большинства молочных продуктов перед инженером-технологом стоит задача предотвратить агрегирование и коалесценцию шариков жира, то при получении масла перед ним стоит обратная задача -- разрушить (деэмульгировать) стабильную жировую эмульсию и выделить из нее дисперсную фазу.

Эмульсии находят разнообразное применение в производстве продуктов питания. Часть продуктов питания и продукции пищевой промышленности представляет собой эмульсии. К эмульсиям относятся молоко, сливки, сливочное масло, сметана, маргарин, т.е. жиросодержащие продукты питания.

В состав молока (эмульсия типа М/В) входят жидкие и отчасти твердые жиры, представляющие собой дисперсную фазу, а в водной дисперсионной среде содержатся белки, различные соли и сахар. Сливки - более концентрированные эмульсии по сравнению с молоком. Маргарин представляет собой концентрированную эмульсию типа В/М, в которой в качестве дисперсной фазы служит вода, а дисперсионной средой является очищенный от примесей пищевой жир. Пищевой жир получают из соевых бобов, подсолнечного, хлопкового или кукурузного масла. Кроме того, в маргарин вводят витамины, красящие и другие вещества. Майонез является концентрированной эмульсией растительного масла типа М/В. Дисперсионной средой является вода, содержащая яичный желток, уксус, горчицу, сахар, специи. Сливочное масло - это высококонцентрированная структурированная система, в состав которой входят прямая и обратная эмульсии - в большей степени М/В и отчасти В/М.

Эмульсии широко используют в пищевой технологии. Жиры в тесто вводят в виде эмульсии типа М/В, что значительно улучшает качество хлеба и хлебобулочных изделий.

Следует отметить, что эмульсии играют большую роль в жизнедеятельности организма человека. В состав крови входит эмульсия, дисперсной фазой которой являются эритроциты, а в качестве эмульгаторов выступают белки. Жиры, необходимая составная часть продуктов питания, нерастворимы в воде и усваиваются только в эмульгированном состоянии.

Молоко, сливки, сметана, сливочное масло являются эмульсиями и дополнительного эмульгирования не требуют. Растительное масло и животный жир в водной среде не образуют эмульсий. Поэтому перед усвоением подобных продуктов они сначала переводятся в эмульгированное состояние. Эмульгирование осуществляется сначала в желудке, а потом в двенадцатиперстной кишке. В качестве эмульгатора выступает желчь, в состав которой входят желчные кислоты - монокарбоновые оксикислоты, относящиеся к классу стероидов. При относительно высоких значениях рН, равных 8,0-8,5, образуются соли желчных кислот. Эти соли являются хорошими эмульгаторами.

Межфазовое поверхностное натяжение воды на границе с маслом σжжсоставляет примерно 40 мДж/м2. Растворы желчных кислот снижают его в сотни раз, что обеспечивает выполнение условий (15.2) и (15.3) - система из лиофобной превращается в лиофильную; в желудке происходит самопроизвольное диспергирование жира, а образующаяся эмульсия будет устойчивой. Диспергированию жира и образованию эмульсий способствует перистальтическое движение кишечника. В результате образуется прямая эмульсия жира в воде типа М/В. Подобная эмульсия через стенки тонких кишок поступает в лимфу и кровь и усваивается организмом.

Лекарственные препараты часто также представляют собой эмульсии. Для введения их в организм через рот рекомендуется применять прямые эмульсии типа М/В. Через кожу в организм вводят лекарственные препараты в виде обратных эмульсий типа В/М, так как кожа является препятствием для воды и растворенных в ней веществ и легко пропускает другие жидкости.

Эмульсии широко используются не только в пищевой, но и в ряде других отраслей промышленности. Так, основной процесс мыловарения связан с образованием прямой эмульсии М/В. Эмульгирование имеет место при обезвоживании сырой нефти, при производстве нефтепродуктов и очистке нефтяных емкостей, получении асфальтовых смесей и переработке натурального каучука, производстве кинофотоматериалов, получении консистентных смазок и охлаждающих жидкостей для обработки металлов, а также в ряде других технологических процессах.

Синтетические лаки, представляющие собой эмульсии синтетического каучука и смолы, используют для склеивания и приклеивания бумаги, импрегнировании тканей, для приготовления заменителей кожи и различных резиновых изделий. Эмульсионные краски - нетоксичны и пожаро-взрыво-безопасны. Для опрыскивания растений препараты обычно применяют в виде эмульсий. К природным эмульсиям относится ряд ценнейших растительных и животных продуктов.

В промышленных условиях нередко приходится вести борьбу с образующимися эмульсиями. Например, при обезвоживании различных нефтяных продуктов, в бумажной и кожевенной промышленности для предотвращения осаждения капель дисперсной фазы на волокне.

Г л а в а 16

ПЕНЫ

Пены отличаются от других дисперсных систем подвижностью и способностью к изменению поверхности раздела фаз. Быстрое снижение поверхности раздела фаз сокращает время жизни пены и обусловливает необходимость применения ПАВ для сохранения устойчивости пен. Значительное увеличение удельной поверхности подвижной границы раздела фаз придает пенам особые свойства.

Пены образуются в некоторых технологических процессах, а также в условиях применения различных препаратов.

В процессе получения эмульсии, особенно диспергационными методами, неизбежно образуются капли как од­ной, так и другой жидкости. Однако во времени капли одной жидкости сохраняются и постепенно накапливают­ся, капли другой практически мгновенно коалесцируют. Если накапливаются капли масла, образуется прямая эмульсия (М/В), если воды – образуется обратная эмуль­сия (В/М). Тип образующейся эмульсии зависит от целого ряда факторов, но во многом определяется природой эмуль­гатора. Следуя правилу Банкрофта, можно сказать, что та жидкость, которая лучше растворяет эмульгатор или луч­ше его смачивает (если это порошок), является дисперси­онной средой. Таким образом, зная природу эмульгатора, можно предсказать тип образующейся эмульсии. Однако такая оценка весьма приблизительна, особенно если эмуль­сия многокомпонентна.

Существует несколько экспериментальных методов определения типа эмульсий.

МЕТОД РАЗБАВЛЕНИЯ

В пробирку с водой вводят каплю эмульсии, которая при осторожном встряхивании равномерно распределя­ется в объеме воды в том случае, если это эмульсия типа М/В. Если же эмульсия обратная (В/М), то капля не диспергируется. Эта проба дает лучшие результаты в случае разбавленных эмульсий.

МЕТОД СМАЧИВАНИЯ ГИДРОФОБНОЙ

ПОВЕРХНОСТИ

При нанесении капли эмульсии на парафиновую пла­стинку капля растекается, если дисперсионной средой является масло (эмульсия В/М).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕПРЕРЫВНОЙ ФАЗЫ

Каплю эмульсии помещают на предметное стекло мик­роскопа рядом с несколькими кристаллами растворенного в воде красителя. Пластинку наклоняют так, чтобы капля и краситель соприкасались. Если окажется, что непрерыв­ная среда (вода) окрашивается, то это эмульсия типа М/В. В противном случае опыт повторяют с жирорастворимым красителем, доказывая, что эмульсия – типа В/М. Водо­растворимыми красителями являются, например, метило­ранж и брильянтовый синий, а маслорастворимым – судан III и фуксин. Эту пробу можно провести, если в пробирку налить некоторое количество эмульсии и доба­вить несколько кристаллов водорастворимого красителя. Равномерное окрашивание жидкости будет свидетельство­вать, что это эмульсия типа М/В. Троннер и Бассюс (1960) развили этот метод. На кружки фильтровальной бумаги, смоченные 20% – м раствором хлорида кобальта и затем высушенные, они помещали каплю эмульсии. Эмульсия типа М/В вызывает быстрое появление розового окраши­вания, с эмульсией В/М никаких цветовых изменений не наблюдалось. Если имеется смесь эмульсий М/В и В/М – медленно появляется слабо– розовое окрашивание.

ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ

В эмульсию помещают два электрода, соединенные с источником переменного тока и неоновой лампой. Если эмульсия типа М/В – неоновая лампа загорается, так как водная непрерывная среда обладает намного большей электропроводностью, чем масляная.

ПЛАН ЗАНЯТИЯ 26.

Преподаватель : Чумаченко Е.В.

Тема: «Общая характеристика грубодисперсных систем, их классификация. Характеристика эмульсий».

Цели:

Образовательная: изучить свойства грубодисперсных систем и их классификацию.

Воспитательная: привитие интереса к дисциплине.

Развивающая: развитие умения использовать теоретические знания на практике.

Учебно-методическое обеспечение и оснащение: мультимедийное оборудование, компьютер.

Тип занятия – сообщение новых знаний.

Вид занятия – лекция – беседа (с использованием технических средств, презентации, химических опытов).

Методы обучения:

1. По источникам передачи и характеру восприятия информации -

наглядный (демонстрация презентации).

2. По характеру познавательной деятельности – объяснительно-иллюстративный.

Межпредметные связи физика.

Ход занятия.

Организационный момент.

Изучение нового материала:

1. Общие сведения о грубодисперсных системах.

2. Характеристика эмульсий.

Закрепление материала

Обсуждение материала по вопросам.

Домашние задание:

Общие сведения о грубодисперсных системах.

Системы, в которых размер частиц дисперсной фазы не менее 10~ 5 см, называются грубодисперсными. К ним относятся эмульсии, пены, порошки и суспензии, име­ющие более низкую степень дисперсности, чем коллоиды. Грубодисперсные системы по ряду свойств приближа­ются к микрогетерогенным системам, поэтому имеют много общего с коллоидами.

Подобно коллоидам они гетерогенны и обладают сильно развитой поверхностью раздела фаз. Наличие значительной удельной поверхности согласно второму закону термодинамики приводит эти системы к агрегативной неустойчивости. Поэтому агрегативную устойчи­вость таким системам можно придать добавлением стабилизатора, который адсорбируется на частицах дисперс­ной фазы.

Из-за отсутствия броуновского движения эмульсии, пены и суспензии кинетически неустойчивы. В них на­блюдается или оседание частиц под влиянием сил тя­жести (когда плотность вещества частиц больше плот­ности среды), или всплывание частиц (если плотность вещества частиц меньше плотности среды).

Грубодисперсные системы широко распространены в природе и применяются в практической деятельности че­ловека. Особенно важное значение имеют они в техноло­гии приготовления пищи, ибо большинство кулинарных изделий или полуфабрикатов являются эмульсиями, по­рошками, пенами или суспензиями.

Характеристика эмульсий.

Строение и получение эмульсии. Эмульсии - гетеро­генные системы из взаимно нерастворимых жидкостей. В таких системах одна из жидкостей (дисперсная фаза) извешена в другой (дисперсионной среде) в виде ка­пелек.

Чаще всего эмульсии состоят из воды и второй жид­кости, которую принято обозначать как «масло». Так, к числу «масел» относятся бензин, керосин, бензол, масламинеральные, животные, растительные и другие неполярные жидкости.

Можно диспергировать гидрофобную жидкость в во­де, например приготовить эмульсию бензола в воде. Вполне возможно диспергировать и воду в бензоле и получить при этом эмульсию воды в бензоле. Следователь­но, принципиально могут быть эмульсии двух типов: масло в воде (сокращено м/в), где дисперсной фазой будет масло, а дисперсионной средой - вода, и вода в масле (сокращено 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 - природная нефть, различные медицинские мази (эмульсии воды в масле).

Эмульсии обычно получают механическим диспергированием (эмульгированием) одной жидкости в другой.

Эмульгируемые жидкости сильно перемешивают, встряхивают или подвергают вибрационному воздействию с помощью мешалок, коллоидных мельниц, ультразвука. В кулинарной практике это выполняется на специальных взбивальных машинах или иногда вручную различными взбивалками.

Благодаря огромному увеличению поверхности разде­ла между двумя жидкостями эмульсия приобретает боль­шой запас свободной поверхностной энергии Е и стано­вится термодинамически неустойчивой. Согласно второму закону термодинамики 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 σ, или за счет уменьшения величины поверхности S, так как свободная поверхностная энергия связана с поверхност­ным натяжением и суммарной величиной поверхности уравнением E=σS.

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. Следовательно, подобно коллоидам, эмульсии являются агрегативно неустойчивыми системами.

Понижения поверхностной энергии эмульсии можно добиться уменьшением поверхностного натяжения. Это­го 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 остается неизменной, а образующаяся эмульсия становится агре­гативно устойчивой.

К разбавленным эмульсиям относятся системы, в ко­торых объемная доля дисперсной фазы менее 1%. Они устойчивы без специальных эмульгаторов. Устойчивость разбавленных эмульсий объясняется довольно малыми размерами капелек жидкости и незначительной концен­трацией этих систем.

В концентрированных эмульсиях объемная доля дис­персной фазы от 1 до 74%. Увеличение концентрации приводит к понижению агрегативной устойчивости, ибо увеличивается вероятность столкновения, а следователь­но, и коалесценция капель. Поэтому для повышения аг­регативной устойчивости концентрированных эмульсий вводят эмульгатор, который, адсорбируясь на границе раздела двух жидкостей, уменьшает поверхностное на­тяжение. Образующиеся на поверхности капелек эмуль­гированной жидкости прочные адсорбционные пленки препятствуют коалесценция. Система становится агрегативно устойчивой. В зависимости от типа эмульсий 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 или водорастворимыми гидрофильными мылами (олеатом натрия и вообще мылами щелочных металлов). Эмульга­торами при получении эмульсии типа в/м служат высоко­молекулярные вещества, нерастворимые в воде, но хоро­шо растворимые в углеводородах (каучук, смолы и др.), а также нерастворимые в воде мыла многовалентных ме­таллов.

В адсорбционных слоях молекулы эмульгатора, содер­жащие полярные и неполярные группы (мыла, белки), ориентируются полярными концами к полярной жидкос­ти, а неполярными к неполярной. На поверхности капе­лек жидкости в эмульсиях типа м/в и в/м будет наблю­даться противоположная ориентация молекул таких эмульгаторов.

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.

Кроме высокомолекулярных соединений и мыл эмульгаторами для эмульсий как первого, так и второго типа могут служить порошки, так называемые твердые эмуль­гаторы. Однако они менее эффективны, чем мыла и высокополимеры. 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. Если же частицы порошка лучше смачиваются жидкостью, которая пред­ставляет собой дисперсную фазу, то большая часть каждой частицы окажется втянутой внутрь капель, поверх­ность капелек эмульсии окажется незащищенной, и та­кие эмульсии будут коалесцировать. Поэтому гидрофильные порошки, например мука, мел, оксид же­леза (III), глина, стабилизируют эмульсии типа м/в, тогда как сажа и другие гидрофобные порошки стабили­зируют эмульсии типа в/м.

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. Поэтому высококонцентрированные эмульсии мо­гут содержать дисперсной фазы до 99% . Дисперсионная среда в таких эмульсиях превращается в тонкие пленки, разделяющие дисперсную фазу на многогранники. Желатированные эмульсии твердообразны, сохраняют свою форму, не растекаются. Примером мо­гут служить сливочное масло, маргарин, майонез, гус­тые кремы.

Разрушение эмульсий. Во многих случаях разрушение эмульсии - деэмульгирование - может быть не менее важным, чем их образование. Деэмульгирование сводит­ся к коалесценции эмульсии, т. е. к расслаиванию ее на свободные жидкие фазы. Разрушение эмульсий может быть достигнуто следующими способами:

1) химическим разрушением защитных пленок соот­ветствующими веществами, например разрушение серной кислотой эмульгатора молока при определении его жирности;

2) разрушением защитных пленок механическим воз­действием , например, при сбивании сметаны и сливок для получения масла (здесь де эмульгирование сопровож­дается концентрированием, т. е. образованием желатини­рованной эмульсии);

3) термическим разрушением - расслоением эмуль­сий при нагревании ; при этом уменьшается адсорбция эмульгатора и увеличивается число столкновений капе­лек, что ведет к их слиянию. Такое разрушение (расслое­ние) эмульсий наблюдается при длительном кипячении соусов, при изготовлении топленого масла. Разрушение эмульсий происходит и при понижении температуры - вымораживании. Например, при хранении майонеза ниже -15° С замерзает дисперсионная среда, что при последующем оттаивании ведет к его разрушению.

Значение эмульсий . Эмульсии широко распростране­ны в природе (сырая нефть, млечный сок растений-кау­чуконосов). Эмульсии используются и образуются при многих производственных процессах. Эмульсиями явля­ются разнообразные продукты питания; молоко, сливоч­ное масло, маргарин, сливки.

Молоко - это полидисперсная система, компоненты которой находятся в различной степени дисперсности. В теплом молоке жир находится в эмульгированном со­стоянии, а белковые вещества и часть солей - в коллоид­ном, другая часть солей в виде истинных растворов. При стоянии молока образуется слой концентрированной эмульсии - сливки. Для повышения устойчивости его гомогенизируют. В процессе гомогенизации крупные жи­ровые капельки молока уменьшаются в несколько раз. Такое гомогенизированное молоко очень устойчи­во и не образует слоя сливок в течение нескольких ме­сяцев.

Из молока изготовляют сливочное масло и маргарин. 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.

Велико значение эмульсий и эмульгирования в кули­нарной практике. Физиология питания ставит перед тех­нологией приготовления пищи задачу не только увели­чить усвояемость пищи, но и уменьшить энергетические затраты на ее усвоение и облегчить течение биохимических реакций в пищеварительном тракте. С этой точки зрения имеет большое значение, например, эмульги­рование жиров в кулинарной практике. В качестве примера рассмотрим особенности приготовления майо­незов.

Дисперсионная среда в этих эмульсиях - вода желт­ков и уксуса, дисперсная фаза - растительное масло. Эмульгаторами служат лецитин и виттелин желтка и белки порошка горчицы. Жира в майонезе содержится 75%. 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 . В 1 г соуса содержится до 1 10 12 жировых шариков. На такое раз­дробление жира приходится затрачивать значительную работу. Если бы жир входил в пищу неэмульгированным, то эту работу должен был бы выполнять организм человека. Кроме того, если поверхность 1 см 3 масла равна всего 6 см 2 , то в майонезе она достигает 60000 см 2 . При таком увеличении поверхности во много раз облег­чается реакция между жирами и водой под действием ферментов пищеварительного тракта. Чем мельче жировые шарики, тем устойчивее полу­чается эмульсия. Однако большая степень раздробления жира (дисперсность) в соусах типа майонез играет и отрицательную роль.

Большая поверхность приводит к ускорению процессов окисления и прогоркания жиров под действием света и кислорода. Поэтому майонез необ­ходимо хранить в темном месте и в герметический таре.

Нежелательным является эмульгирование жира в процессе варки мясных бульонов (обычно при сильном кипении), так как эмульгированные жиры легко гидролизуются (омыляются) и выделяющиеся жирные кислоты придают бульонам вкус сала и запах мыла.