Определение, классификация и свойства эмульгаторов.

Эмульгаторы (функциональный класс 9)- вещества, которые будучи добавленными к пищевому продукту, обеспечивают возможность образования и сохранения однородной дисперсии двух или более несмешивающихся веществ.

Действие эмульгаторов многосторонне. Они ответственны за взаимное распределение двух несмешивающихся фаз, за консистенцию пищевого продукта, его пластичные свойства, вязкость и ощущение наполненности во рту.

Данные качества обеспечиваются поверхностно-активными свойствами, поэтому применительно к рассматриваемому вопросу термины «эмульгатор», «эмульгирующий агент», и «поверхностно-активные вещества» можно рассматривать как синонимы.

Пенообразователи – эмульгаторы, создающие условия для равномерной диффузии газообразной фазы в жидкие и твердые пищевые продукты.

Стабилизаторы пены – эмульгаторы, добавляемые в жидкие взбитые продукты для предотвращения оседания пены.

Применяемые в пищевой промышленности ПАВ – это не индивидуальные вещества, а многокомпонентные смеси. Химическое название препарата при этом соответствует лишь основной части продукта.

Область применения: маргарины, майонезы и эмульгированные соусы, жиры для выпечки, хлеб и хлебобулочные изделия, кондитерские изделия, жевательная резинка, растворимый кофе, сухое молоко, супы быстрого приготовления и другие сухие продукты, ароматизаторы.

Физико – химические свойства и классификация эмульгаторов

В пищевой промышленности часто встречаются эмульсии, состоящие из воды и масла. Если дисперсной фазой является масло, а дисперсионной средой вода, такая эмульсия относится к типу «масло в воде» (М\В) и называется прямой (прямые эмульсии с гидрофобной (липофильной) дисперсной (прерывной) фазой и гидрофильной (липофильной) дисперсионной средой (непрерывной фазой)). Примером является майонез. Второй тип – эмульсия «вода в масле» (В\М) называется обратной (гидрофильная дисперсная фаза в гидрофобной дисперсной среде). Типичный пример – маргарин.

Пена представляет собой тонкую дисперсию воздуха в жидкости или в твёрдом теле. Чтобы пена образовалась и могла существовать, необходимо присутствие в системе ПАВ - пенообразоваиелей, которые дополнительно выступают как стабилизаторы пены. Газ и жидкость, из которых состоят пены, стремятся образовать два слоя с минимальной поверхностью раздела фаз. Поэтому пены в готовых пищевых продуктах стабилизируют формированием мельчайших кристаллов сахара (нуга), фиксируют путем термообработки (подсушивания зефира, выпекание бисквита, закаливание мороженого) и добавкой стабилизаторов пены.

Согласно второй классификации эмульсии подразделяются на разбавленные, концентрированные и высококонцентрированные, или желатинированные. К разбавленным эмульсиям относятся системы типа жидкость – жидкость, содержащие до 0,1 % ( по объему) дисперсной фазы (молоко или напитки, где роль ароматизирующего вещества играют эфирные масла). Этот тип эмульсий высокодисперсный (размер частиц не превышает 100 – 300 нм) Частицы обнаруживают электофоретическую подвижность, т. е. несут электрический заряд, что повышает их агрегативную устойчивость.

К концентрированным эмульсиям принадлежат системы жидкость – жидкость с содержанием дисперсной фазы вплоть до 74 %. Данные эмульсии легко седиментируют, агрегативная устойчивость зависит от природы эмульгатора (молочные продукты, мороженое и кремы).

К высококонцентрированным эмульсиям относятся системы жидкость – жидкость с содержанием дисперсной фазы выше 74 %. Вследствие плотной упаковки капелек данные эмульсии не способны к седиментации и обладают механическими свойствами, сходными со свойствами гелей (майонезы, маргарины и комбинированные масла).

В качестве первых пищевых эмульгаторов использовались натуральные вещества, в частности камеди, сапонины, лецитин и т.д. Некоторые их них используются до сих пор, в пищевой промышленности наиболее широко используются синтетические эмульгаторы или продукты химической модификации природных веществ.

Наиболее популярными пищевыми эмульгаторами являются моно- и диглицериды жирных кислот (Е 471), эфиры глицерина, жирных и органических кислот (Е 472), лецитины, фосфатиды (Е 322), аммонийные соли фосфатидиловой кислоты (Е 442), полисорбаты, Твины ( 432 – Е 436), эфиры сорбитана, Спэны (Е 491-Е 496) эфиры полиглицерина и взаимоэтерифицированных рициноловых кислот (Е 476), эфиры сахарозы и жирных кислот (Е 473), стеароиллактаты натрия (Е 481), стероиллактаты кальция (Е 482).

По химической природе молекулы классических эмульгаторов, пенообразователей, являющихся поверхностно-активными веществами, имеют дифильное строение, то есть содержат полярные гидрофильные и неполярные гидрофобные группы атомов, которые, будучи связанными с неполярным соединительным звеном (основанием), отделены друг от друга и располагаются на противоположных концах молекулы. Первые (гидрофильные) обеспечивают растворимость в воде, вторые (гидрофобные)- в неполярных растворителях. Дифильное строение молекул эмульгаторов обусловливает их склонность к формированию в объемной фазе растворителя ассоциатов, называемых мицеллами.

На границе фаз в неполярных средах дифильные молекулы ориентируются энергетически наиболее выгодно: гидрофильные группы – в сторону полярной фазы; гидрофобные – в сторону неполярной (газовой или масляной) фазы. Т.о. формируется пограничный слой, благодаря которому снижается поверхностное натяжение, и становится возможным или облегчается образование эмульсий. Действие эмульгаторов на этом не завершается. Благодаря образованию пространственных и электрических барьеров они дополнительно стабилизируют эмульсии, т.е. предотвращают повторное слипание уже сформировавшихся частичек дисперсной фазы и повторное расслоение.

Пенообразователи и стабилизаторы пены преимущественно располагаются на поверхности пузырьков воздуха, образую там прочную плёнку, которая усиливает сопротивляемость пузырьков слипанию. В жиросодержащих пенных массах, например в мороженном, эмульгаторы располагаются на поверхности жировых шариков.

Основные физико-химические свойства ПАВ зависят от химического строения молекул и определяются так называемым гидрофильно – липофильным балансам (ГЛБ) их молекул. ГЛБ отражает соотношение молекулярных масс гидрофильных и липофильных групп. Величина ГЛБ может иметь значение от 1 до 20 (эмпирическая шкала Грифита). Гидрофильно-липофильный баланс смеси эмульгаторов можно вычислить, сложив ГЛБ компонентов смеси пропорционально их содержанию в смеси:

Например:

Эмульгаторы, имеющие ГЛБ< 10, преимущественно липофильны, а имеющие ГЛБ> 10, преимущественно гидрофильны. Чем больше ГЛБ, тем ярче способность молекулы ПАВ к образованию и стабилизации прямых эмульсий (М\В), чем меньше ГЛБ – тем ярче проявляется способность к образованию и стабилизации обратных эмульсий (В\М).

Таблица 7 – Поведение в воде эмульгаторов различной гидрофильности

Таблица 8 – Классификация эмульгаторов

По химической природе основные группы пищевых эмульгаторов представляют собой производные одноатомных и многоатомных спиртов, моно- и дисахаридов, структурными компонентами которых служат остатки кислот различного строения. Липофильная часть дифильных молекул имеет одинаковую химическую природу и сформирована ацилами ВЖК. Основные структурные отличия, обусловливающие различия ПАВ, связаны с особенностями химического строения гидрофильной части молекул, которые отражаются в значениях гидрофильно –липофильного баланса.

К свойствам, обеспечивающим эмульгатору проявление поверхностной активности, относятся:

- образование некристаллической формы при контакте с водой;

- пониженная растворимость в воде за счет достаточно большой гидрофобной части;

- взаимодействие с водой через полярные связи;

- значительная молекулярная масса, компенсирующая эффект уменьшения энтропии при адсорбции;

- ограниченная растворимость в неполярной (масляной) фазе вследствие наличия и крупного размера полярных групп на межфазной границе.

В зависимости от особенностей химической природы эмульгатора, а также специфики пищевой системы отдельные представители эмульгаторов могут иметь смежные технологические функции: стабилизаторов или антиоксидантов (лецитины, лактилаты натрия). Также некоторые пищевые добавки могут проявлять в пищевых системах эмульгирующую способность. Например, краситель Е 181 (танины пищевые), загустители Е 405 (пропиленгликольальгинат), Е 413 (трагакант), Е 461-466 (производные целлюлозы с простой эфирной связью), подсластители Е 420 (сорбит), Е 965 (мальтит), Е 967 (ксилит), пеногаситель Е 900 (полидиметилсилоксан).