Ингредиенты

К вопросу применения эмульгаторов в пищевой и легкой промышленности

Вдовичева В.В. , Гущина Е.А. , Тихомиров Г.А.
НГМА, г. Н.Новгород, Российская федерация
Эмульгаторами называют вещества, обеспечивающие создание эмульсий из несмешивающихся жидкостей [1, с. 11]. Они способствуют созданию однородной консистенции продуктов и препятствуют осаждению взвешенных частиц. Рассмотрение физико - химических аспектов процесса образования эмульсий и механизма действия
эмульгаторов, их востребованности в пищевой, а также текстильной, швейной, меховой, кожевенной промышленности, косметологии является целью данного анализа.
29.04.2019

Эмульгаторы являются поверхностно - активными веществами (ПАВ), т.е. химическими соединениями, способными концентрироваться на границе раздела несмешивающихся фаз и снижать межфазное поверхностное натяжение. Чтобы вещество обладало поверхностной активностью необходимо, чтобы его молекула содержала в своем составе гидрофобную (неполярную, углеводородную) часть – «хвост» и
гидрофильную (полярную, водорастворимую) часть – «голову». Такие молекулы называются дифильными. Поверхностная активность зависит от природы ПАВ. 

Согласно правилу Дюкло - Траубе [1, с. 290] поверхностная активность вещества одного и того же гомологического ряда возрастает приблизительно в 3 раза при увеличении углеводородной цепи на одну метиленовую группу – СН2 –. ПАВы классифицируют по разным признакам: так существуют водо - и жирорастворимые ПАВ. По способности их молекул к диссоциации они делятся на два больших класса: ионогенные и неионогенные. Ионогенные диссоциируют на ионы и могут быть анионоактивными, у которых поверхностноактивные ионы заряжены отрицательно (например, мыла), катионоактивными (например, соли аминов и четвертичных аммониевых оснований) и амфотерными. Неионогенные ПАВ не диссоциируют на ионы, но их молекулы дифильны, т.к. содержат полярные и неполярные группы. К этой группе относятся, в частности, моно - и диглицериды карбоновых кислот. 

Строгих правил выбора ПАВ для той или другой системы не существует. Полуэмпирическая система выбора ПАВ предложена в 1949 г. Гриффином [1, с. 441], в основу которой положен гидрофильно - липофильный баланс (ГЛБ). ГЛБ заключается в том, что в молекуле любого ПАВ имеется определенное соотношение, т. е. баланс между гидрофильной и гидрофобной группами. От баланса этих групп зависит пригодность ПАВ для той или иной цели. Числа ГЛБ для известных ПАВ составляют от 0 до 40. Числом 40 обладает додецилсульфат натрия С12Н25ОSO3Na. Величину ГЛБ находят по групповым числам атомных группировок, входящих в молекулу ПАВ. Групповые числа отражают сродство данной группировки к воде и приводятся в справочниках. Например, для группы – СООН групповое число 2,1; для группы –ОН 1,9; для группы –СН2– групповое число – 0,475 [1, 441].

Расчет числа ГЛБ (NГЛБ) проводят по эмпирической формуле Дэвиса [1, с. 442]: NГЛБ = 7 + Σni ∙ Δi, где ni – число одинаковых групп, Δi – групповое число. В зависимости от значений числа ГЛБ определяются области применения ПАВ. Например, эмульгаторы 1 рода, у которых NГЛБ = 8 - 13, используются для получения прямых эмульсий или эмульсий 1 рода. Эти эмульсии состоят из полярной дисперсионной среды (воды) и неполярной дисперсной фазы (масло), их обозначают условно м / в. Эмульгаторы 2 рода (NГЛБ = 3 - 6) пригодны для стабилизации обратных эмульсий или эмульсий 2 рода, которые имеют неполярную дисперсионную среду (масло) и полярную дисперсную фазу (вода), их условно обозначают в / м.

В зависимости от концентрации дисперсной фазы эмульсии делятся на три группы:
- разбавленные (с концентрацией дисперсной фазы менее 0,1 % от объема);
- концентрированные (с концентрацией дисперсной фазы 0,1 - 74 % объема);
- высококонцентрированные (с содержанием дисперсной фазы > 74 % объема).

От концентрации дисперсной фазы зависят все основные свойства эмульсий. В первую очередь устойчивость и методы их стабилизации. В разбавленных и концентрированных эмульсиях капли имеют шарообразную форму, в эмульсиях с концентрацией 74 % капли имеют еще сферическую форму, но уже располагаются вплотную друг к другу. Дальнейшее добавление жидкости, составляющей дисперсную фазу, приводит к деформации капель. Места их контактов из точечных превращаются в плоскости. Постепенно эмульсия приобретает сотовое строение (рис. 1). В таких эмульсиях капли имеют форму многогранников, а дисперсионная среда располагается в виде тонких
прослоек между деформированными каплями. При концентрации свыше 90 % эмульсии приобретают свойства гелей, поэтому их называют желатинированными. Они не обладают текучестью и не способны к седиментации.

упаковки капелек.png

Поскольку эмульсии являются гетерогенными системами с большой удельной поверхностью раздела фаз, они термодинамически неустойчивы. Добавление эмульгатора делает их устойчивыми. Механизм действия эмульгаторов различен: с термодинамической точки зрения эмульгатор, адсорбируясь на межфазной границе, понижает межфазное поверхностное натяжение и в отдельных случаях может привести к образованию
равновесных коллоидных систем; другое объяснение устойчивости заключается в том, что  при наличии стабилизатора на границе раздела фаз между капельками возникают силы отталкивания (энергетический барьер). Повышение концентрации эмульгатора повышает устойчивость эмульсии. Что касается неионогенных эмульгаторов, к которым относятся моно - и диглицериды жирных кислот, то устойчивость эмульсий типа м / в под их действием можно объяснить следующим образом: дифильные молекулы ориентированы на межфазной поверхности так, что углеводородные участки направлены в дисперсную фазу, а полярные сильно гидратированные группы в воду, при этом они либо образуют толстый гидратный слой, обуславливающий расклинивающее давление, либо совершают микроброуновское движение (энтропийный фактор устойчивости).

Влияние природы эмульгатора на устойчивость эмульсий выражается правилом Банкрофта [1, с. 371]: гидрофильные эмульгаторы, лучше растворяющиеся в воде, чем в масле, стабилизируют прямые эмульсии типа м / в; гидрофобные эмульгаторы, лучше растворяющиеся в масле, чем в воде стабилизируют обратные эмульсии типа в / м. Т.е. согласно правилу Банкрофта молекулы или частицы эмульгатора должны располагаться преимущественно со стороны дисперсионной среды, т.е. главным образом, на наружной поверхности капель эмульсии. Эмульгирующее действие как ионогенных так и неионогенных эмульгаторов тем эффективнее, чем лучше сбалансированы полярные и неполярные части молекулы эмульгатора между обеими фазами эмульсии. Только при этом условии молекулы эмульгатора будут находиться на межфазной поверхности, а не будут преимущественно растворяться в одной из фаз.

Применение эмульгаторов, как и других пищевых добавок, ставит вопрос об их безопасности [2, с. 38; 3, с. 358]. При этом учитываются ПДК (мг / кг) – предельно - допустимая концентрация чужеродных веществ в продуктах питания, ДСД (мг / кг массы тела) – допустимая суточная доза и ДСП (мг / сут) – допустимое суточное потребление – величина, рассчитываемая как произведение ДСД на среднюю величину массы тела – 60 кг.

В пищевой промышленности для регулирования и улучшения текстуры пищевых систем и готовых продуктов нашли применение моно - и диглицериды карбоновых кислот различного строения. Основными их технологическими функциями являются эмульгирование и пенообразование, т.е. создание и стабилизация эмульсий и других дисперсных пищевых систем. Действие эмульгаторов многосторонне: они отвечают за взаимное распределение двух несмешивающихся фаз, за консистенцию пищевого продукта, его пластические свойства, вязкость и ощущение «наполненности» во рту. В пищевой промышленности к эмульсиям относятся молоко, сливки, масло, маргарин, майонез, различные соусы, мороженое, шоколад и т.д. [3, с. 399].

Моно - и диглицериды жирных кислот совершенно безвредны. Применяются неограниченно, т.к. нестойки к гидролизу и в организме человека они расщепляются на
природные легкоусвояемые компоненты: глицерин, жирные кислоты, другие органические
кислоты типа уксусной, молочной, винной.
Промышленное производство моно - и диглицеридов карбоновых кислот началось в 20 -
е годы 20 века. Сегодня их доля в общем потреблении составляет около 60 % .Исходные моно - и диглицериды получают в промышленности либо глицеролизом
различных жиров и масел (рис. 2, а), либо этерификацией глицерина
высокомолекулярными жирными кислотами (рис. 2, б).Известны различные типы моноглицеридов, которые в зависимости от вида исходного
жирового сырья и технологии получения могут содержать 40 - 60 % фракции моноэфира в смеси с диглицеридами (34 - 50 % ) и триглицеридами (3,5 - 10 % ). При молекулярной дистилляции продуктов глицеролиза получают дистиллированные моноглицериды, содержащие не менее 90 % моноэфира. Модификация моно - и диацилглицеридов пищевыми кислотами позволяет направленно изменять ГЛБ молекул и их поверхностную
активность на границе раздела фаз. Модификация представляет собой дополнительную этерификацию моноглицеридов по первичной гидроксильной группе пищевыми карбоновыми кислотами. Например:

моносахариды.png

В качестве пищевых добавок разрешены 7 сложноэфирных модификаций неполных ацилглицеридов, т.к. они так же как и исходные глицериды являются либо совершенно безопасными для человека, либо имеют высокие значения ДСД. Некоторые характеристики эмульгаторов глицеридной природы приведены в таблице 1.

модификация моносахаридов.png

Эти эмульгаторы широко применяются в различных пищевых системах, т.к. помимо непосредственно эмульгирования они имеют и другие технологические функции: солюбилизация, комплексообразование с крахмалом, взаимодействие с белками, изменение вязкости, смачивание и смазывание [2, с. 38].
Способность маргарина намазываться, пластичность теста, взбитость мороженого определяются диспергирующим действим ПАВ. Их взаимодействие с белками укрепляет клейковину, что в производстве хлебобулочных изделий приводит к увеличению удельного объема, улучшению пористости, структуры мякиша, замедлению черствения. В маргарине стабилизирующее действие ПАВ на поверхность раздела фаз и на процесс кристаллизации жира определяет срок годности, разбрызгиваемость при нагревании и органолептические свойства. В производстве шоколада, шоколадных глазурей и т.п. такая добавка снижает вязкость шоколадных масс, улучшает их текучесть за счет влияния на кристаллизацию какао - масла. А при добавлении ее в сухое молоко, сухие сливки, супы и т.п. позволяет уменьшить размер жировых шариков, что облегчает и ускоряет разведение сухих продуктов в воде. ПАВы применяют и для распределения нерастворимых в воде
ароматизаторов, эфирных масел, экстрактов пряностей в пищевых продуктах и напитках. Способность ПАВ при действии эмульгаторов снижать энергию создания свободной поверхности раздела нашло применение в различных отраслях легкой промышленности.

В разных процессах мехового и кожевенного производства для повышения устойчивости водных эмульсий и усиления их смачивающих и моющих способностей добавляют такие эмульгаторы, как сульфатированные продукты природных жиров и масел, олеиновую кислоту, синтанолы. С этой же целью в виде препаратов ОП - 7, ОП - 10 эмульгаторы используют в процессах подготовки и переработки текстильных волокон, а также отделки тканей (в качестве добавки в аппретирующие составы) [5]. Кроме того катионные эмульгаторы применяются как мягчители в текстильной промышленности. Распределяясь между молекулами основного вещества, они уменьшают межмолекулярные
взаимодействия и делают ткань более мягкой [5, 6].
Некоторые свойства катионных эмульгаторов определили их применение в составе кондиционеров для волос. Особое значение имеют четвертичные соли аммония. Положительно заряженная часть их молекул электростатически притягивается к отрицательно заряженным частям молекул аминокислот и жирных кислот на поверхности волос и клеток кожи, что делает их устойчивыми к смыванию и придает антистатические
свойства [6].

Только в присутствии эмульгатора, путем взаимодействия сложного полиэфира с диизоцианатами, можно получить поропласт, нашедший широкое применение в качестве теплоизоляционного материала и каркасного слоя при дублировании текстильных материалов в швейной промышленности [8]. Хорошими эмульгаторами являются амфолитные ПАВ, которые применяются для изготовления шампуней, в текстильной промышленности, для латексных красок. Как моющие вещества они применяются для стирки изделий из синтетических тканей и тканей
из смешанных волокон [7].

Таким образом, эмульгаторы – это такие вещества или добавки, которые обеспечивают соединение эмульсий из разных жидкостей. Их свойства, позволяющие придавать продуктам определенную консистенцию и вязкость, обеспечили их широкое применение в пищевой промышленности, а в качестве поверхностно - активных веществ, кроме того – в легкой промышленности и косметологии. Изучение проблем безопасного применения эмульгаторов для здоровья человека будет целью дальнейшего исследования.

Список использованной литературы:
1. Справочник химика 21. URL: chem21.info / info / 8738 / (дата обращения 18.12.2015 г.).
2. Пищевые добавки. Энциклопедия. / Л. А. Сарафанова - СПб.: ГИОРД. 2004. – 808 с.
3. Пищевая химия. Учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению
«Технология продуктов питания». / А. П.Нечаев, С. Е. Траубенберг, А. А. Кочетков - СПб.: ГИОРД. 2003. – 640 с.
4. Курс коллоидной химии. Учебник для вузов. / С. С. Воюцкий - М.: Химия, 1976. – 511 с.
5. Участок ОП - Синтез ОКА. URL: www.sintez - oka.ru / en / biznes / uchastok - op / (дата обращения 18.12.2015 г.).
6. Катионные эмульгаторы в косметике. URL: aromarti.ru / article _ info.php?articles _id=72 (дата обращения 18.12.2015 г.).
7. Гаврилова О.Е., Коваленко Ю.А., Гарипова Г.И. Создание изделий из полимерных композиционных материалов в легкой промышленности. Журнал «Вестник казанского технологического университета». № 7, том 15, 2012. URL: cyberleninka.ru / ... / sozdanie - izdeliy - iz - polimernyh - kompozitsionnyh - materialov - v - proizvodstve - ...(дата обращения 18.12.2015 г.).
8. Хороший эмульгатор - Большая Энциклопедия Нефти и Газа. [Электронный ресурс]. URL: www.ngpedia.ru / id617105p2.html (дата обращения 18.12.2015 г.).

© Вдовичева В.В., Гущина Е.А., Тихомиров Г.А., 2016

Источник: журнал "Новая наука: теоретический и практический взгляд". 2016. № 1-2. С. 158-163.