«Жировые эмульсии. Требования к эмульгаторам в свете современных тенденций развития маргаринового производства»
Зоя Федякина, Людмила Горшкова, Людмила Рубина, Ольга Мазаева, Людмила Радченко, Виктор Карабутов УкрНИИМЖ УААН
Под эмульсиями понимают однородные по внешнему виду системы, состоящие из двух практически взаимно нерастворимых жидкостей, одна из которых в виде мельчайших капелек распределена в другой.
Раздробление жидкости в мелкие капельки при диспергировании приводит к увеличению ее поверхности, и тем большему, чем мельче частицы дисперсной фазы. Благодаря огромному увеличению поверхности раздела между двумя жидкостями система, полученная диспергированием, приобретает большой запас свободной поверхностной энергии, а такие системы неравновесны, неустойчивы.
Законом термодинамики обусловлено, что любая созданная система находится в состоянии истинного равновесия только в том случае, если общая свободная энергия ее минимальна.
Согласно этому принципу, поверхность раздела двухфазной системы стремится к минимуму. Это осуществляется двумя путями:
— либо за счет сокращения суммарной поверхности раздела между фазами путем слияния мелких капелек дисперсной фазы в более крупные, то есть за счет уменьшения степени дисперсности; — либо за счет уменьшения межфазной энергии при сохранении общей поверхности раздела путем добавления третьего вещества.
Если растворенное вещество уменьшает поверхностную энергию, то оно будет концентрироваться на поверхности раздела, если же увеличивает – то в объеме фазы. Представляют интерес те вещества, которые в силу особенностей своей молекулярной структуры концентрируются на поверхности раздела и тем самым сильно снижают поверхностную и межфазную энергию. Такими веществами являются ПАВ.
Молекулы ПАВ ориентируются в пограничном слое в определенном порядке:
— полярные группы (гидрофильные NH2, СООН, ОН) направлены в сторону наиболее полярной жидкости – воды и связаны с ней; — неполярные (гидрофобные – метальные, фенольные) группы обращены в сторону менее полярной фазы – масла.
Вследствие такой ориентации переход между фазами становится менее резким, и межфазная энергия снижается, что является одним из факторов, способствующих стабилизации эмульсий.
Получение устойчивой эмульсии возможно только в том случае, когда на поверхности всех капелек эмульсии образуется стабилизирующая адсорбционная пленка, механически препятствующая агрегированию и коалесценции капелек.
Образованная эмульгатором адсорбционная оболочка, сольватированная с одной стороны дисперсной фазой, с другой – дисперсионной средой, представляет собой самостоятельную третью фазу, разделяющую в эмульсии водную и масляную среды. Наличие этой пленки исключает возможность слияния капелек (энергетический барьер).
В эмульсиях может происходить два явления – коагуляция и коалесценция.
Коагуляция – объединение частиц дисперсной фазы в агрегаты вследствие сцепления (адгезия) частиц при их соударении.
Соударения происходят в результате броуновского движения, а также седиментации, перемещения частиц в электрическом поле. Характерные признаки коагуляции: увеличение мутности, появление хлопьевидных образований – флоккул, расслоение исходно устойчивой к седиментации системы с выделением дисперсной фазы в виде коагулянта.
Коалесценция – слияние капель жидкости внутри другой жидкости. В результате коалесценции происходит уменьшение степени дисперсности эмульсий, пен, аэрозолей вплоть до их расслоения на две фазы (жидкость – жидкость или жидкость – газ). Коалесценция происходит в результате флуктуции порыва пленок подвижной среды, разделяющих жидкие и газообразные частицы, что является причиной широкого разброса в значениях времени пленок, характеризующего устойчивость частиц коалесценции.
В результате коагуляции происходит слипание жировых частиц. При размешивании соединившиеся частицы легко разъединяются дисперсионной средой с восстановлением эмульсии, поэтому коагуляция не вызывает разрушения эмульсий с выделением исходных фаз.
При коалесценции капелек, наступающей при разрушении адсорбционных слоев, эмульсии необратимо разрушаются.
Роль эмульгаторов при образовании эмульсий в основном сводится к следующему: они способствуют снижению межфазной энергии и предохраняют диспергированные капельки при их сближении от слияния. При производстве концентрированных пищевых эмульсий большое значение приобретает их устойчивость в отношении расслаивания. К числу основных факторов, определяющих стабильность образующихся эмульсий, относятся:
— свойства ПАВ; — механические условия образования эмульсий; — степень дисперсности и однородность размеров частиц дисперсной фазы; — вязкость; — соотношение объемов фаз; — электрические свойства эмульсий и свойства адсорбционных слоев.
Значение каждого фактора для обеспечения устойчивости эмульсий различно.
При производстве пищевых эмульсий структурно-механический принцип стабилизации приобретает исключительное, решающее значение. Стабильность эмульсии обеспечивается наличием тонкого слоя третьего компонента – эмульгатора – на поверхности диспергированных частиц. Этот слой образует энергетический барьер, предотвращая коалесценцию капелек. В наиболее общем случае барьер может быть как механическим, так и электрическим. Устойчивость же высококонцентрированных эмульсий, в том числе и пищевых, обусловлена структурно-механическими свойствами адсорбционно-сольватных слоев.
По Ребиндеру существуют два основных типа структур.
Первый тип – коагуляционная структура – это пространственные сетки, возникающие путем беспорядочного сцепления мельчайших частиц дисперсной фазы или микромолекул через тонкие расслойки данной среды.
Второй тип – это кристаллизационно-конденсационная структура, образующаяся в результате непосредственного срастания кристалликов с образованием при этом поликристаллического твердого тела.
Жировые основы маргарина относятся к коагуляционному типу структур. Консистенция и пластические свойства жировых основ маргарина в основном определяются соотношением твердой и жидкой фаз в том или ином пищевом жире. Это соотношение твердой и жидкой фаз характерно для каких-то определенных условий кристаллизации (температура, время, перемешивание). При этом важное значение имеет состав непрерывной среды и дисперсной фазы и характер размещения дисперсной фазы в непрерывной жидкой среде.
Для некоторых видов пищевого жира при определенной температуре и условиях кристаллизации количество твердой дисперсной фазы может выйти за предел оптимального соотношения фаз, и тогда на поверхности кристаллов образуются столь тонкие пленки непрерывной жидкой среды, что они не могут мешать массовому хаотическому сращиванию кристаллов друг с другом. В этом случае мы всегда будем иметь наибольшую твердость жировой основы, крошливую консистенцию и наихудшие пластические свойства.
Если при комнатной температуре пленки жидкой непрерывной среды являются оптимальными по толщине, т.е. такими, которые не создают условий для сращивания кристаллов при хранении, при механическом или термическом воздействии на систему, то в этом идеальном случае мы всегда будем получать упрочненные коагуляционные структуры, которые и определяют наилучшие пластические свойства жировых основ.
Чтобы получать упрочненные коагуляционные структуры, обладающие наилучшими пластическими свойствами, за рубежом часто вводят в рецептуру жировой основы два вида саломаса с температурой плавления 32°С и 42°С. При этом вводится довольно значительное количество жидких растительных масел. Указанное, с одной стороны, создает в жировой основе наилучшие соотношения твердой и жидкой фаз, обеспечивая консистенцию, сходную со сливочным маслом, а с другой стороны, создает условия для постоянства консистенции маргарина в довольно большом интервале температур. Наряду с этим, введение в жировую основу высокоплавких саломасов находится в противоречии с требованиями физиологов к составу пищевых жиров.
Прежде всего, следует отметить, что только наличие высокоэффективных эмульгаторов-стабилизаторов позволило создать современную технологию в производстве маргарина и обеспечить выработку пищевого жирового продукта высокого качества. Поверхностно-активные добавки обеспечивают получение тонкодисперсной эмульсии в прочную связь частиц дисперсной фазы с непрерывной средой (твердым при комнатной температуре жиром). Основной вопрос в производстве маргарина – это влияние поверхностно-активных добавок на структурно-механические свойства маргарина, и в частности на способность к солюбилизации.
Адсорбционный слой эмульгатора повышает устойчивость эмульсии, в особенности в тех случаях, когда этот слой структурируется, образуя пленку поверхностного геля с сильно повышенной вязкостью и прочностью.
Эти свойства имеют особое значение для производства маргарина, поскольку готовый продукт представляет собой эмульсию мельчайших частиц жидкой фазы, равномерно размещенных в непрерывной среде твердой фазы при комнатной температуре.
С проблемой прочности эмульсий тесно связан вопрос о типе образующихся с данным эмульгатором эмульсий. Существует возможность образования двух типов. Значение соотношения объемов фаз для определенного типа образующейся эмульсии объясняется тем, что коалесценция и расслоение эмульсии данного типа происходят тем интенсивнее, чем меньше объем дисперсионной среды и чем больше – дисперсной фазы. Если эмульгатор обеспечивает устойчивую эмульсию только одного типа, то соотношение объемов перестает иметь решающее значение в определении типа эмульсии. Инверсия зависит не только от соотношения объемов фаз, но и от концентрации и химической природы эмульгатора.
Эмульгаторы должны обладать следующими свойствами:
— уменьшать поверхностное натяжение; — достаточно быстро адсорбироваться на поверхности раздела фаз, препятствуя слиянию капель; — иметь специфическую молекулярную структуру с полярными и неполярными группами; — влиять на вязкость эмульсии.
Эффективность действия эмульгатора является специфическим свойством, зависящим от его природы, типа эмульгируемых веществ, температуры, рН среды, концентрации, времени эмульгирования и т.д.
Эффективность действия и природа эмульгатора определяют тип эмульсии.
Гидрофильные эмульгаторы, лучше растворимые в воде, чем в углеводородах, способствуют образованию эмульсий типа масло – вода, а гидрофобные, лучше растворимые в углеводородах, – эмульсий типа вода – масло. Соотношение размеров полярной и неполярной частей молекул эмульгатора характеризуется специальным показателем – гидрофильно-липофильный баланс. Если ГЛБ эмульгатора составляет 3-6, образуется эмульсия вода – масло, при значении ГЛБ 8-13 образуется преимущественно эмульсия типа масло – вода.
Маргарин представляет собой переохлажденную эмульсию типа вода в масле. При этом не исключена возможность образования эмульсии смешанного типа с преобладанием эмульсии вода – масло.
Основные функции эмульгаторов:
— создание устойчивой высокодисперсной эмульсии; — стабилизация и предотвращение отделения влаги и жира в готовом продукте; — обеспечение стабильности при хранении; — обеспечение антиразбрызгивающей способности при жарке; — обеспечение пластичности; — обеспечение создания устойчивой формы кристаллической решетки в процессе структурообразования; — обеспечение заданных функциональных свойств готового продукта в зависимости от области использования маргарина.
В Украине на протяжении многих лет использовались эмульгаторы, производимые в России, и собственного производства, вырабатываемые на полупромышленных производствах. К ним относятся эмульгаторы:
— Т-1 – продукт глицеролиза говяжьего жира или саломаса; — Т-2 – продукт полимеризации глицерина, этерифицированный стеариновой кислотой; — Т-Ф – смесь эмульгатора Т-1 и пищевого фосфатидного концентрата в соотношении 2:1; — ПМД – пищевые монодиглицериды; — КЭ – комбинированный эмульгатор – смесь ПМД и фосфатидного концентрата в соотношении 3:1.
Широкая гамма эмульгаторов Нижегородского завода – различные виды дистиллированных моноглицеридов. В настоящее время в Нижнем Новгороде освоено производство серии новых эмульгаторов на основе лецитина. Это лецитины стандартные, лецитины фракционированные – фосфадитилхолин и фосфадитилсерин, а также гидролизованные лецитины.
В последние годы в Украине преимущественно используются эмульгаторы различных модификаций серии Dimodan, Palsgaard (на некоторых предприятиях Квест).
В разные периоды преимущество в спросе на эти два вида эмульгаторов переходило от одного к другому. Можно сказать, что здесь имеет место конкуренция качество – цена.
В зависимости от жирности маргарина и сферы его применения используют эмульгаторы Dimodan PVP (Dimodan HP), Dimodan ОТ (Dimodan S-T PEL/B), Dimodan СР. Для маргаринов жирностью ниже 40%, которые в настоящее время пользуются спросом у населения, используют дополнительно (кроме Dimodan ОТ, или Dimodan СР., или Dimodan LS) эфиры полиглицерина и рицинолевой кислоты – Grinsted PGPR90.
При производстве низкожирных маргаринов, особенно с содержанием жира 25% и ниже, используют стабилизирующие системы – гидроколлоиды (альгинаты, пектины и др.).
Следует отметить, что фирмы-производители дают рекомендации по применению различных видов эмульгаторов и стабилизирующих систем в зависимости от назначения маргаринов. Соблюдение этих рекомендаций позволяет получить продукцию высокого качества.
1. Ребиндер П.А. К теории эмульсий / «Коллоидный журнал», Т. VIII, вып. 3, 1946. – с. 157. 2. Козин Н.И., Варибрус В.И. Производство нового маргарина / Известия вузов. Пищевая технология, 1961, №1. – с. 23. 3. Козин Н.И., Макаренко Е.Н. Известия вузов. Пищевая технология, 1963, №1. – с. 77. 4. Ребиндер П.А. «Коллоидный журнал», Т. XX, вып. 5, 1958. – с. 507. 5. Дорожкина Т., Бухмет М. Правильный выбор эмульгатора – залог успеха маргарина на рынке / «Масложировая промышленность», 2002, №1. – с. 32. 6. Горшкова Л., Гладкая В., Рубина Л., Чайка З., Бевзюк Т. Основные направления развития производства маргариновой продукции / «Олійно-жировий комплекс», 2004, №1(4). – с. 31.
Источник
Статьи
Как приготовить эмульгатор. 03.06.2017 10:56
Рассмотрим основные понятия.
1.Эмульгатор.
Эмульгатор — это обязательный компонент для приготовления домашнего крема. Поэтому будем с ним разбираться.
Благодаря эмульгаторам, эмульсия остается стабильной, то есть не расслаивается, остается однородной. Эмульгаторы, как правило, являются органическими соединениями. Это преимущественно растворимые вещества, обладающие свойством понижать поверхностное натяжение на границе обеих фаз (водной и масляной) эмульсии. На вид, они воскообразные в виде пластинок, стружки, горошинок.
Как устроен эмульгатор.
Эмульгатор имеет вытянутую молекулу. С одного конца она – гидрофильная, то есть притягивает к себе воду, а другой конец липофильный — притягивает масло. Эмульгатор выступает связкой между этими двумя несовместимыми веществами и не позволяет им расслаиваться. При этом после эмульгирования одна фаза например, масло в виде мелких капель распределяется во второй фазе — воде и наоборот.
В качестве эмульгаторов в косметике используются:
— различные ПАВ (поверхностно-активные вещества). Липиды, жирные спирты (в основном для моющих средств).
— натуральные эмульгаторы растительного и животного происхождения. Моно — и ди-глицериды стеариновой кислоты, лауриновая, олеиновая, стеариновая кислоты и др.
Эмульгаторы разделяются на два типа:
Гидрофильные – растворяются в воде
Липофильные – растворяются в масле.
2. Эмульсия.
Эмульсия состоит из двух или более жидких фаз. Мы будем рассматривать только двухфазную эмульсию. Фаза масляная и фаза гидрофильная (водная).
Эмульгирование — это процесс образования устойчивой (стабилизированной) эмульсии, способной сохраняться во времени, не разрушаясь.
Как делают эмульсии.
Эмульсии обычно готовят путем энергичного взбивания жирной и водной фазы. Для создания нужного типа эмульсии необходимо перед смешиванием фаз тщательно растворить эмульгатор, либо в воде, либо в масле, в зависимости от типа эмульгатора. Часто для этого требуется подогрев обеих фаз. Иногда достаточно комнатной температуры. В описании к эмульгатору указывается необходимая температура нагрева (обычно 50-70С) и рекомендации по применению. После полного растворения гидрофильного эмульгатора в воде или липофильного в масле, фазы смешиваются. Для того, чтобы процесс эмульгирования произошел удачно, температура обеих фаз должна быть одинаковой. Важно также постепенное введение внутренней фазы, которое позволяет добиться ее равномерного и полного распределения. Примеры эмульсий в природе: молоко, млечный сок растений, кровь.
Виды эмульсий.
Все эмульсии делятся на два основных типа:
Прямые эмульсии — масло в воде, дисперсионной фазой ( то, в чем растворяется) которых выступает вода.
Обратные эмульсии — вода в масле, где дисперсионная фаза, соответственно — масло.
Примечание!Подробнее о дисперсии и других видах эмульсии вы можете посмотреть на химических форумах, но скорее всего, в домашнем изготовлении крема эта информация вам не пригодится.
От каких факторов зависит тип эмульсии, получаемой в результате. — от порядка смешения фаз, — от природы и способа введения эмульгатора, — от техники эмульгирования.
Что может повлиять на свойства эмульгатора:
примеси в воде и масле (хлорированная или слишком жесткая вода) (-),
электролиты и кислоты (лимонная кислота, соль) (-),
присутствие соэмульгаторов и загустителей (например, гуар) (+),
температура смешиваемых фаз недостаток температуры или перегрев,
соотношения смешиваемых фаз (не выверенная пропорция масленой и водной фазы),
Что такое прямая эмульсия, можно привести на примере молока. В молоке плавают капельки жира, где основная среда — вода. Если молоко попытаться разбавить маслом, то масло будет плавать на поверхности, а если водой, то вода раствориться и станет однородной с общей массой.
В Прямых эмульсиях мельчайшие капельки масла распределены в водной среде и стабилизированы слоем эмульгатора или ПАВ (поверхностно-активные вещества) так, что полярная часть молекул эмульгатора обращена в водную фазу, а неполярная часть – к маслу, внутрь капли. Вокруг каждой частицы масла формируются развитые межфазные слои, которые защищают капельки масла от слияния друг с другом, а всю эмульсию от расслаивания. Другими словами, такая эмульсия будет стабильной. Они действуют охлаждающе в силу высокого содержания в них свободной воды. Они легко распределяются, быстро впитываются и обычно не оставляют после себя жирного блеска. Для однократного долговременного применения, в частности при сухой коже, прямые эмульсии непригодны, так как вследствие быстрого испарения воды они продолжают стимулировать трансэпидермальную потерю воды и тем самым усиливают высыхание кожи, поэтому их целесообразно применять попеременно с водомасляными системами.
По материалам книг: “Основы косметической химии” под редакцией Пучковой Т. В. “Косметические кремы и эмульсии. Состав, методы получения и испытаний” Г. Кутц
Достоинства Прямых эмульсий
Обладают легкой текстурой.
Легко наносятся и быстро впитываются в кожу.
Не оставляет жирного блеска.
Не образуют пленки, хотя иногда и не помешало бы.
Оказывают охлаждающее воздействие.
Масло быстро проникает во внутренние слои.
Являются проводником для биологически активных веществ в кожу.
Недостатки Прямых эмульсий
Почти не обладают барьерными функциями.
Легко смываются водой.
Эмульгаторы для прямых эмульсий способствуют вымыванию кожных пептидов, что приводит к разрушению кожного барьера.
Кажется, что должны увлажнять, но в результате приводят к обезвоживанию и сухости кожи. Приходится вводить дополнительные увлажняющие средства, глицерин, гиалуроновую кислоту и др.
На основе Прямых эмульсий рекомендуется создавать косметические средства для:
устранения акне,
снятия воспалений,
лечения дерматоза и экземы,
создания возрастной косметики, для нормальной и комбинированной кожи, склонной к сухости,
создания дневного крема в качестве основы под декоративную косметику.
Содержание воды в Прямых эмульсиях должно быть не менее 50%, в противном случае могут образовываться смешанные формы.
Обратныеэмульсии«Вода—масло».
В обратных эмульсиях мельчайшие капельки воды распределены в масляной среде и стабилизированы слоем эмульгатора или ПАВ (или и тем, и другим), так что полярная часть молекул эмульгатора обращена в водную фазу, а неполярная часть – в масляную фазу. Межфазные слои вокруг каждой капельки воды не дают им слипаться и защищают эмульсию от расслаивания. Вследствие своей липофильной внешней фазы системы типа “вода-масло” даже при высоком содержании воды являются пережиривающими системами, которые показаны преимущественно при сухой коже. При нанесении на кожу диспергированная вода высвобождается. Тонкая жировая пленка впитывается в верхние слои дермы, что позволяет предотвратить испарение влаги с поверхности и обратить ее вглубь рогового слоя кожи.
По материалам книг: “Основы косметической химии” под редакцией Пучковой Т. В. “Косметические кремы и эмульсии. Состав, методы получения и испытаний” Г. Кутц
Достоинства обратных эмульсий
Считаются более физиологичными.
Хорошо совмещаются с кожей.
Являются хорошим проводником для водорастворимых веществ.
Не смываются водой.
Обладают прекрасными барьерными свойствами, особенно от атмосферных воздействий.
Удерживают влагу, обеспечивают проникновение влаги в эпидермис. Обладают эффективным увлажняющим свойством.
Недостатки обратных эмульсий
Трудно распределяются по коже.
Создают ощущение жирности, липкости и тяжести на коже.
Оставляют жирный блеск.
Способствуют расширению пор и образованию акне.
Не подходят для жирной кожи.
На основе обратных эмульсий рекомендуется создавать косметические средства для:
лечения псориаза,
лечения дерматозов и сухой экземы,
лечения микозов,
ухода за сухой кожей,
создания ночных и питательных кремов,
создания Косметики –УФ-фильтров,
ухода за чувствительной кожей,
ухода за детской кожей.
Обратная эмульсия образуется непосредственно при добавлении воды в масляный раствор эмульгатора. Эти условия, выполняются только при введении небольших количеств воды, буквально по капле. То есть в масленую фазу постепенно, маленькими частями, по каплям вводится водная фаза. Добавляемая вода не должна скапливаться на поверхности, а должна уходить «вовнутрь», в масло, при постоянном перемешивании. В противном случае может произойти обращение фаз и получится прямая эмульсия, которая вдобавок может оказаться нестабильной.
Важное замечание: Обратная эмульсия получается только при наличии специального эмульгатора, а не из-за смены очереди добавления компонентов! Считается, что сделать обратную эмульсию в домашних условиях, гораздо сложнее. Эти эмульсии создаются при наличии специальных эмульгаторов и оборудования.
Проценты соотношений:
Процент масляной фазы 60-80%, (где, 60% более оптимальное количество)
Процент эмульгатора 5-10% от водной фазы
Водная фаза 20-30%. Чем выше процент воды, тем более вязкой и менее стабильно получиться ваша эмульсия.
Чтобы стабилизировать обратные эмульсии можно применять (
Физраствор (водный раствор хлорида натрия).
Глицерин в пределах концентрации 3-15%.
Воск пчелиный (для тяжелых кремов).
Воск карнаубский
Масло сального дерева.
Камеди (добавляется в водную фазу).
Эмульгаторы для обратных эмульсий.
Ланолин безводный.
Эмульгаторы для обратных эмульсий:
сорбитан стеарат / спан-60
Sorbitan Olivate(сорбитан Оливат) HLB = 4.7.
Монтанов68
Никкомульс WO NS
Hostacerin (Хостацерин)
Несколько советов для домашнего теста на тип эмульсии. — прямая эмульсия легко смешивается с водой, обратная – с маслом. — если крем капнуть на парафин и капля растекается, то эмульсия обратная, если нет, то прямая. — прямая эмульсия легко смывается водой, обратная — оставляет жирную пленку на коже. — если крем растворяется в воде, то он является прямой эмульсией, если в масле — обратной эмульсией.
Ответы специалистов на часто задаваемые вопросы:
1.Как проверить, что получилась обратная эмульсия?
Если капнуть каплю в кипяток, то она останется в том же виде, не раствориться и не распадется.
2.Если эмульсия получилась густая, значит она получилась обратная?
Нет. Прямая эмульсия так же может быть густой!
3. Какой эмульгатор подойдет для домашнего применения?
Не все эмульгаторы для этого пригодны. Нужно брать тот, который рекомендован для домашнего использования.
