Факторы нарушения устойчивости жировой эмульсии

При различной степени нарушения устойчивости дисперсных систем типа эмульсий происходят процессы флокуляции и коалесценции.

Флокуляция – это вид коагуляции, при которой частицы дисперсной фазы образуют рыхлые агрегаты (флокулы). Флокуляция происходит при сближении частиц на достаточно близкие расстояния. Образующиеся агрегаты (флокулы) жировых шариков непрочны и легко разрушаются при перемешивании, но при этом оболочки жировых шариков сохраняются. Этот процесс имеет место, например, при хранении сырого молока, его называют процессом отстаивания сливок. При отстаивании сливок изменяется равновесие распределения жировых шариков в молочной плазме главным образом за счет их различной плотности.

Скорость отстаивания, или скорость изменения равновесия выражается уравнением Стокса

V = 2/9 r² (ρ₁ – ρ₂) ^. q/η,

где: V – скорость отстаивания, м^.с^-1;

r – радиус жирового шарика, м;

ρ₁ – плотность плазмы, кг/м³;

ρ₂ – плотность жировой фазы, кг/м³;

η – вязкость молока, Па^.с;

q – ускорение свободного падения или ускорение силы тяжести, м^.с^-2.

В соответствии с приведенным уравнением скорость отстаивания находится в прямой зависимости от размеров жировых шариков и разности плотности плазмы и жировой фазы. Высокая вязкость препятствует отстаиванию.

При отстаивании жировые шарики образуют друг с другом конгломераты в виде гроздьев винограда, что объясняется сильной адгезионной способностью оболочечного белка. Диаметр образовавшихся конгломератов значительно больше, чем жировых шариков и может составлять 400 мкм и более, что повышает скорость отстаивания. Однако, образование конгломератов соответствует обратимой флокуляции, поскольку величина их энергетического барьера электростатического отталкивания превышает энергию взаимодействия. Это означает, что подогревание и перемешивание молока с отстоявшимся слоем жировой фазы обеспечивает вновь равномерное распределение ее в плазме.

Образование конгломератов, а следовательно, способность к отстаиванию зависит от свойств поверхности раздела жировой шарик – молочная плазма, главным образом, от состояния оболочечного белка и его адгезионной способности, от температуры и механического движения, а также от агрегатного состояния триацилглицеринов в жировом шарике. Учитывая эти факторы, можно сделать вывод, что в сыром молоке скорость отстаивания будет значительно выше, чем в молоке после тепловой обработки, особенно высокотемпературной.

Отстаивание сливок в жидких молочных продуктах явление нежелательное, поэтому в практике их производство применяют технологическую операцию – гомогенизацию исходного молока. В процессе гомогенизации достигается уменьшение диаметра жировых шариков, а следовательно, увеличение их общей поверхности. С увеличением общей поверхности возрастает потребность в оболочечных веществах, которая удовлетворяется за счет плазмы. При таких условиях плотность жировой фазы несколько повышается, а скорость отстаивания снижается (см.уравнение Стокса).

Следует иметь ввиду, что после гомогенизации жировая фаза из-за увеличения ее общей поверхности, частичного нарушения оболочек жировых шариков в большей степени подвержена действию нативных липаз, следствием чего является появление прогорклого вкуса в продукте.

Коалесценция, в отличие от флокуляции, является причиной необратимого нарушения эмульсии и заключается в слиянии капель дисперсной фазы (агрегации глицеридных ядер) при их соприкосновении. Коалесценция происходит в том случае, если сближающие жировые шарики преодолевают кроме энергетического барьера электростатического отталкивания по теории ДЛФО структурно-механический барьер, обусловленный гидратацией и механической прочностью оболочки. Таким образом, только дестабилизация оболочек жировых шариков приводит к необратимому нарушению эмульсии – деэмульгированию.

В практике производства всех жиросодержащих молочных продуктов за исключением сливочного масла и молочного жира ставится задача максимально сохранить эмульсию молочный жир – плазма и насколько возможно стабилизировать ее. В производстве сливочного масла или молочного жира дестабилизацию эмульсии проводят сознательно, используя различные технологические приемы, заключающиеся в снижении стабилизирующей способности оболочек жировых шариков путем температурных и механических воздействий.

Основными факторами, которые могут вызвать нарушение устойчивости жировой эмульсии (деэмульгирование) являются следующие.

Излишне механические нагрузки при одновременном пенообразовании. Любой процесс, который при получении, транспортировке и переработке молока ведет к возникновению завихрений и пенообразованию, способствует дестабилизации оболочек жировых шариков. Как правило, это имеет место при нарушении режимов работы насосов, мешалок, процессов механической обработки молока (центробежной очистки, гомогенизации), а также при неправильном монтировании молокопроводов и др. Вспенивание приводит к изменению поверхностного натяжения у части жировых шариков, так как они в таком случае будут окружены не водной, а газовой фазой. Под действием пузырьков воздуха поверхностное натяжение меняется таким образом, что оболочки жировых шариков частично нарушаются и становятся проницаемыми для жидкого жира, то есть происходит частичное деэмульгирование.

Высокотемпературный нагрев. Степень дестабилизации жировой эмульсии увеличивается по мере повышения температуры и длительности ее воздействия. При нагревании происходят изменения состава оболочек жировых шариков, заключающиеся в частичном переходе отдельных компонентов в молочную плазму, частичных изменениях структурных свойств белковой фракции оболочек и, как следствие, снижении механической прочности оболочки. Эти изменения приводят к снижению отрицательного заряда на поверхности жировых шариков, то есть к ее гидрофобизации.

Охлаждение и замораживание молока. Изменения оболочки жировых шариков и дестабилизация жировой эмульсии молока (частичная) происходят также при охлаждении молока (сливок) до температуры 10^оС и ниже. Они связаны с кристаллизацией триацилглицеринов в глицеридном ядре, переходом части оболочечного вещества в плазму и, как следствие, потерей отрицательного заряда на поверхности жирового шарика. Понижение устойчивости жировой эмульсии (дисперсии) происходит также при замораживании молока или сливок. Изменения оболочек жировых шариков в данном случае вызываются нарушением их сольватации со стороны жировой и водной фаз. Дегидратация оболочек при замораживании объясняется диффузией к образовавшимся в плазме кристаллам льда молекул воды, связанной с оболочкой. В результате этих изменений, а также различий коэффициента теплового расширения жира и льда при оттаивании замороженного молока происходит нарушение оболочек жировых шариков и выделение деэмульгированного жира.

Действие поверхностно-активных веществ. Поверхностно-активные вещества оказывают деэмульгирующее действие за счет их различной растворимости в жировой фазе и плазме, вследствие чего снижается поверхностное натяжение и происходит десорбция оболочечного вещества. Это свойство положено в основу кислотного метода количественного определения содержания жира в молоке и молочных продуктах. Для выделения молочного жира в деэмульгированном состоянии используют концентрированную серную кислоту и изоамиловый спирт в сочетании с подогревом и последующим центрифугированием. Изоамиловый спирт и образующийся в присутствии серной кислоты серный эфир являются более капиллярноактивными поверхностно-активными веществами, чем белки и фосфолипиды оболочек жировых шариков, и вытесняют их с поверхности. Кроме этого, изоамиловый спирт, как и серная кислота обладают сильными водоотнимающими свойствами, поэтому при их добавлении происходит дегидратация как оболочечных белков, так и белков плазмы. Под действием серной кислоты все белковые вещества молока, в том числе и белки жировых шариков «сгорают» с образованием растворимых соединений, что уменьшает вязкость смеси и повышает эффективность отделения свободного жира центрифугированием.

Для инженера-технолога очень важно знать факторы, которые обусловливают агрегативную устойчивость жировой эмульсии, уметь анализировать возможные последствия воздействия на жировую фазу различных приемов, способов, режимов обработки и переработки молока и выбирать параметры, позволяющие максимально сохранить ее стабильность, либо, напротив обеспечить дестабилизацию с целью выделения жировой фазы и получения сливочного масла.