Структурообразование и его роль в пищевой промышленности

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПИЩЕВЫХ  ПРОИЗВОДСТВ

 

 

 

 

 

 

 

 

Кафедра: Товароведение  и основы пищевых производств

 

 

 

 

Контрольная работа по дисциплине «Введение в технологии продуктов питания»

 

Тема: Структурообразование и его роль в пищевой промышленности.

 

 

 

 

 

 

Преподаватель: Доц. Данильчук Ю.В.

Студент: Кертбиева С.А.

Гр. 09-зат -32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2013

Важная роль в пищевой  технологии принадлежит дисперсным и коллоидным системам и их свойствам.

Дисперсные системы  гетерогенны и состоят из двух фаз. Одна из них – сплошная, называется дисперсионной средой. Другая – раздробленная и распределенная в первой, называется  дисперсионной фазой.

Дисперсными системами  являются большинство продуктов  питания, сырье и полуфабрикаты: хлеб, мука, шоколад, сыры, творог, сухое молоко, соки, шампанское, пиво, конфеты и т.д.

Одно из важных свойств  дисперсных систем и растворов высокополимеров  – способность их к структурообразованию. Коллоидные системы, частицы которых  удалены друг от друга на достаточно большое расстояние и практически не взаимодействующие между собой, называются свободнодисперсными системами. Такие коллоидные системы по своим свойствам похожи на обычные жидкости. Их вязкость очень мало отличается от вязкости дисперсионной среды. Дисперсные системы, в которых частицы связаны между собой и не способны к взаимному перемещению, называются связнодисперсными системами. В таких системах частицы дисперсной фазы образуют пространственную сетку, или структуру.

Структурообразование  в дисперсных системах является результатом самопроизвольно протекающих (термодинамически выгодных) процессов сцепления частиц, приводящих к уменьшению свободной энергии системы, например процессов коагуляции дисперсной фазы или конденсации вещества в местах контакта частиц. Развитие пространственнных сеток (дисперсных структур) различных типов лежит в основе способности дисперсной системы становится материалом с определенными механическими свойствами, т.е. выступать в новом по сравнению с исходным (несвязным) состоянием качестве.

Переход коллоидного раствора из свободнодисперсного состояния в связнодисперсное называется гелеобразованием, а образующаяся при этом структурированная коллоидная система – гелем.

Дисперсные системы  бывают глобулярного типа, в которых  непрерывный «каркас» - носитель прочности (прочность определяет способность материала сопротивляться разрушению под действием внешних напряжений) – образуется в результате сцепления отдельных частиц дисперсной фазы и при превращении свободнодисперсной системы в связную. Существуют и другие типы структур, например ячеистые – в отвержденных пенах и эмульсиях. Такие структуры, характерные для некоторых высокомолекулярных систем, могут возникать при конденсационном выделении новой фазы в смесях полимеров.

В зависимости от характера сил, обусловливающих сцепление частиц, контакты можно условно разделить на коагуляционные и фазовые. В коагуляционных контактах взаимодействие частиц ограничивается их «соприкосновением» - через сохраняющиеся равновесные прослойки дисперсионной среды или непосредственным.

Для структур с коагуляционными  контактами характерны невысокая прочность  и механическая обратимость –  способность к самопроизвольному  восстановлению после механического  разрушения (тиксотропия).

В фазовых контактах сцепление  частиц обусловлено близкодействующими силами когезии, реализуемыми на площади, значительно превышающей по своим линейным размерам элементарную ячейку.

В отличие от коагулясционных фазовые  контакты разрушаются необратимо. Образование  фазовых контактов можно рассматривать  как результат частичной коалесценции твердых частиц из-за увеличения площади непосредственного контакта между ними с переходом от точечного соприкосновения к когезионнному взаимодействию на  значительной (по сравнению с атомными размерами) площади. Такой переход может осуществляться постепенно, например вследствие диффузионного переноса вещества в контактную зону при спекании.

В зависимости от преобладающего типа контактов между частицами дисперсные структуры условно можно разделить  на две основные группы: коагуляционные и структуры с фазовыми контактами.

Коагуляционные структуры образуются при потере дисперсной системой агрегативной устойчивости; при достаточном содержании дисперсной фазы обеспечивается армирование всего объема дисперсной системы.

Характерным свойством коагуляционных структур наряду с относительно невысокой прочностью является их обратимость по отношению к механическим воздействиям.

Дисперсные структуры с фазовыми контактами образуются в самых разнообразных  физико-химических условиях, в том  числе при спекании и образовании порошков. Дисперсные структуры с фазовыми контактами, возникающие в процессе выделения (конденсации) новой фазы из метастабильных растворов или расплавов, принято называть конденсационными. Если при этом частицы, образующие структуру, имеют ярко выраженный кристаллический характер, то такие структуры назыаают конденсационно-кристаллизационными, или просто кристаллизационными, противопоставляя их конденсационным структурам из аморфных новообразований.

Характерная особенность кристаллизационных дисперсных структур – развитие в процессе их формирования внутренних напряжений, которые являются результатом давления, возникающем при направленном росте кристаллов, связанных друг с другом в жесткую пространственную сетку.

Возникновение конденсационных структур составляет  сущность процессов застудневания растворов различных природных и синтетических высокомолекулярных соединений. Оно может сопровождаться изменением конформационного состояния макромолекул или химическими взаимодействиями.

Тиксотропные свойства могут иметь не только коллоидные системы. Некоторые концентрированные суспензии, эмульсии, студни высокомолекулярных соединений также тиксотропны. Гели с течением времени уменьшаются в объеме, выделяя при этом дисперсионную среду. Это явление называется синерезисом. Число контактов между частицами в течение времени увеличивается, что приводит к уплотнению структуры и выделению дисперсионной среды. В большинстве случаев синерезис – нежелательное явление.

В растворах высокополимеров  при их достаточно высокой концентрации возможно образование ассоциатов макромолекул. Взаимодействуя друг с другом они могут образовывать пространственные структуры. С увеличением концентрации полимеров могут образовываться настолько прочная структура, что раствор потеряет текучесть, т.е. превратится в студень.

Большая группа кондитерских изделий, в частности, мармелад, имеет студнеобразную структуру. В качестве студнеобразователей используются природные полимеры, способные при определенных условиях образовывать студни (пектин, агар, агароид, фурцелларан и т.д.).

Мармеладный студень образуется из горячей жидкой мармеладной массы (пектинового золя). Структурные  частицы пектина в сильно диспергированном виде с адсорбированными на их поверхности  молекулами дисперсионной среды, находясь в ней в состоянии беспорядочного теплового движения, распределены в дисперсионной среде. Молекулы адсорбированной жидкой фазы (водный раствор сахара, кислоты и др. экстрактивные вещества, фруктово-ягодные пюре), образуют сольватную (гидратную) оболочку вокруг вытянутых частиц пектина. Заполняя объем дисперсионной жидкости, эти частицы вначале не соприкасаются между собой и не образуют структуры.

Вследствие наличия  в растворе пектина диссоциированных карбоксильных групп, пектиновые частицы в нем облажают отрицатеотным зарядом высокой плотности. Благодаря этому явлению они взаимно отталкиваются.

Для образования студневого каркаса, состоящего из ассоциированных  частиц пектина, необходимо, прежде всего, устранить или ослабить силы электростатического отталкивания пектиновых частиц.

Присутствие в растворе кислоты более диссоциированной, чем пектин, или добавление кислоты  в реакционную смесь, снимает  степень диссоциации пектина, т.е. уменьшает электрический заряд его частиц.

Одновременно под влиянием сахара происходят дегидратация и связанная  с ней понижение сольватации частиц пектина, препятствующей их сцеплению. На последних стадиях появляется некоторое количество оголенных участков, лишенных заряда полярности. Частицы пектиновой твердой фазы ассоциируются друг с другом через дессольватированные участки, слабые или совершенно незащищенные сольватной оболочкой.

Силы частиц сосредоточены  на их концах, что способствует образованию  пространственной сетки. Если бы эти силы были распределены равномерно по всей поверхности частиц, то в результате соединения их между собой по продольным осям должен был бы сформироваться массивный агрегат вместо сетчатого каркаса, т.е. структура студня не образовалась бы.

Сформировавшаяся пектиновая сетка как «объемное кружево» пронизывает всю систему.

Укрепление этой сетки  происходит за счет водородных мостиков, образуемых между карбоксильными и гидроксильными группами смежных цепей пектиновой молекулы.

Пространство между  сплетением молекул пектина заполнено дисперсионной жидкостью – сахарокислотным раствором, который сравнительно слабо связан с пектиновой сеткой и может быть отделен от нее при известных условиях.

В действительности при  центрифугировании некоторых студней, полученных при охлаждении, жидкая фаза удалялась из студня, при этом образовывался ксерогель (от греч. «ксерос» - сухой), который при насыщении его спиртом превращался в алкоголь вместо гидрогеля. И наоборот.

Выделение жидкой фазы из пектинового студня под влиянием механического воздействия наблюдается иногда на практике при изготовлении мармелада в виде толстых пластов, когда под влиянием собственной тяжести слоя происходит выпрессовывание из него жидкого сахарокислотного сиропа.

Для того, чтобы обеспечить стабильность студня, необходимо, чтобы силы притяжения частиц между собой (силы когезии) находились в равновесии с противодействующими им силами притяжения частиц к частицам дисперсионной среды (силами адгезии). Если первые преобладают над вторыми, то это приводит к выделению жидкой фазы студня (синерезису), в обратном случае происходит расслабление самого студня.

Студни обладают свойством  тиксотропии. Это свойство пектинового  студня имеет важное значение для  производства, т.к. в случае преждевременного застудневания можно при помощи механического перемешивания устранить формирование студня и разрушить образующийся студень без ущерба для последующего процесса студнеобразования.

Используя способность  высокополимеров к образованию  студней, можно получить более сложные дисперсные системы, например, пенообразные кондитерские массы (пастилу). Эти изделия являются, в основном, агаровым студнем, однако этот студень отличается от мармеладного, т.к. имеет пористую структуру с ячейками микроскопических размеров (до 20 мкм).

В пастильном студне распределены мелкие воздушные пузырьки и готовая сухая пастила напоминает по своей структуре твердый крем. В производстве пастилы процесс обычного студнеобразования мармелада сочетается с процессом пенообразования (сбивания) яблочно-сахарной смеси. При сбивании пастилы путем продолжительного встряхивания яблочно-сахарной смеси происходит ее вспенивание. Т.е. масса насыщается воздухом. При этом воздух захватывается массой и дробится на мелкие частицы. По мере увеличения скорости механического взбалтывания степень раздробленности воздуха увеличивается, размеры пузырьков воздуха уменьшаются, а вязкость массы повышается. Постепенно образуется густая пена, состоящая из мелких пузырьков воздуха, затянутых в тонкую пленку из окружающей полужидкой яблочно-сахарной смеси.

В физико-химическом смысле пена представляет собой двухфазную систему газ-жидкость. В данном случае дисперсной фазой является газ-воздух. А дисперсионной средой – полужидкий раствор сахара, кислоты и пектина. Этот раствор образует оболочку дисперсных частиц газа (воздуха), которая несет на себе поверхностный пограничный слой, отделяющий одну фазу от другой.

В процессе образования  пены происходит сильное развитие поверхности  раздела на границах газообразной и  жидкой фаз.

Увеличение поверхности раздела зависит от размеров образующихся воздушных ячеек. Чем меньше размеры последних, тем больше эта поверхность и тем больше сила поверхностного натяжения (далее - С.П.Н.).

С.П.Н. всегда стремится  сократить до минимума общую поверхность  раздела всей системы, сделать ее наименьшей. В данном случае она стремится сократить до возможных пределов общую сумму поверхностей отдельных капелек, образующих пенную эмульсию.

При действии этой силы отдельные  пузырьки воздуха в пене стремятся соединиться в одну массу. Пленка капелек прорывается, отдельные капельки, постепенно сливаясь (агрегируясь) друг с другом, образуют новые пузырьки – капли более крупных размеров, степень дисперсности уменьшается, пена «опадает». Процесс самопроизвольного разрушения пены и эмульсии называется коалесценцией.

В пенах процесс коалесценции идет весьма интенсивно, благодаря близкому расположению капелек по отношению друг к другу.

Чтобы сделать пену более  устойчивой, стабилизировать ее, в  качестве пенообразующего средства (ПАВ) при сбивании пастилы обычно используют белок куриного яйца, который, располагаясь в поверхностном слое пленки пузырьков пены, увеличивает механическую прочность этого слоя, тем самым препятствуя прерыванию пленки пузырьков и агрегированию последних.