Fyzikální vlastnosti potravin - Vysoká škola chemicko-technologická ...
Fyzikální vlastnosti potravin - Vysoká škola chemicko-technologická ...
Fyzikální vlastnosti potravin - Vysoká škola chemicko-technologická ...
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>Vysoká</strong> <strong>škola</strong> <strong>chemicko</strong>-<strong>technologická</strong> v Praze<br />
Ústav technologie mléka a tuků<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong><br />
9. Povrchové a koloidní <strong>vlastnosti</strong><br />
N322002 2-5-12<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-1 N322002 (2-5-12)<br />
Povrchové napětí<br />
volná energie na jednotku plochy povrchu<br />
síla na jednotku délky povrchu potřebná na zvětšení<br />
plochy<br />
práce F L F<br />
<br />
<br />
zmena _ plochy 2<br />
d L 2<br />
d<br />
d<br />
L<br />
F<br />
1
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-2 N322002 (2-5-12)<br />
Povrchové - mezifázové napětí<br />
rozhraní kapalina-plyn (vzduch)<br />
přitažlivé síly mezi mol. kapaliny<br />
na zvětšení povrchu vynaložit práci<br />
= povrchová energie (J.m -2 )<br />
minimalizace povrchu kapaliny<br />
síla ve směru tečny k povrchu na jednotku délky<br />
= povrchové napětí (N.m -1 )<br />
rozhraní nemísitelných kapalin, kapalina-tuhá látka<br />
obecně - fázové rozhraní<br />
Mezifázové napětí (N.m -1 )<br />
interakční parametr f<br />
Přibližně – Antonovo pravidlo<br />
AB<br />
AB<br />
<br />
A<br />
G<br />
<br />
<br />
A<br />
<br />
B<br />
<br />
A<br />
B<br />
T , p<br />
<br />
2<br />
<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-3 N322002 (2-5-12)<br />
Změna tlaku na zakřiveném povrchu<br />
Laplaceův tlak<br />
2<br />
<br />
p<br />
<br />
r<br />
změna chemického potenciálu (parc. tlaku)<br />
2V<br />
<br />
<br />
r<br />
rov.<br />
změna koncentrace rozpuštěných látek na fázovém<br />
rozhraní (Gibsova adsorpční izoterma)<br />
1 d<br />
<br />
<br />
R T<br />
d ln c ,<br />
r poloměr zakřivení fázového rozhraní<br />
T p<br />
mol/m 2<br />
p 2V<br />
<br />
ln<br />
<br />
<br />
p <br />
<br />
0 r R T<br />
V molární objem<br />
AB<br />
A<br />
B<br />
2
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-4 N322002 (2-5-12)<br />
Význam<br />
<strong>potravin</strong>y = polydisperzní systém<br />
nerovnovážný systém = nestabilní<br />
nízká rychlost změn = kineticky stabilní<br />
změny koloidního systému<br />
princip řady technologických operací<br />
stabilita při zpracování<br />
trvanlivost <strong>potravin</strong><br />
změny textury a vzhledu<br />
chemické reakce na fázovém rozhraní,<br />
v dispergované fázi<br />
smáčení povrchů<br />
čištění zařízení – účinnost sanitace<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-5 N322002 (2-5-12)<br />
Vliv teploty na mezifázové napětí<br />
Při vyšší teplotě klesá<br />
van der Waals<br />
Odhad pro pro malé teplotní rozmezí<br />
<br />
T T <br />
a c <br />
<br />
<br />
Voda<br />
0°C 75,6 mN m -1<br />
30°C 71,2 mN m -1<br />
Tc<br />
T<br />
<br />
a<br />
<br />
<br />
T <br />
<br />
c <br />
n<br />
T c kritická teplota<br />
a,n konstanta<br />
3
l B<br />
l A<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-6 N322002 (2-5-12)<br />
Smáčení pevného povrchu<br />
s<br />
l<br />
g gl<br />
g sl<br />
Dobré smáčení g sg > g sl špatné smáčení g sg < g sl<br />
g sg < g sl + g gl<br />
g sg = g sl + g gl . cos<br />
dokonalé smáčení g sg g sl + g gl<br />
Úhel smáčení pevného povrchu<br />
Koeficient drsnosti e= cos h / cos r<br />
Význam: Sanitace, rozpouštění<br />
g<br />
g sg<br />
Pevná částice na kapalině<br />
B<br />
l A<br />
s<br />
g As<br />
g Bs<br />
g AB<br />
l A<br />
s<br />
g Bs<br />
s<br />
l<br />
g sl<br />
g gl<br />
g sg<br />
gl<br />
g<br />
( sg <br />
sl)<br />
cos<br />
<br />
<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-7 N322002 (2-5-12)<br />
s<br />
g As g Bs + g AB g As > g Bs g As < g Bs g Bs g As + g AB<br />
dokonale smáčeno v B omezeně smáčeno v B; špatně v A špatně smáčeno v B, omezeně v A dokonale smáčeno v A<br />
B<br />
g AB = g As + g Bs . cos<br />
Význam :<br />
Rozpouštění – dispergace prášku (když B je vzduch)<br />
stabilizace emulzí a pěn disperzí pevných částic<br />
g AB<br />
g As<br />
B<br />
l A<br />
s<br />
4
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-8 N322002 (2-5-12)<br />
Na povrchu kapaliny<br />
Ponoření částice:<br />
Kapalina :<br />
BC 3<br />
AB cos1<br />
<br />
AC<br />
cos cos<br />
Metody stanovení<br />
statické metody<br />
2<br />
2<br />
kapilární elevace h<br />
<br />
g cos<br />
<br />
r R<br />
vzestup kapaliny na svislé desce<br />
vyvažování Wilhelmyho destičky<br />
profil kapek a bublin<br />
rotující kapka<br />
semistatické<br />
maximální přetlak v bublině<br />
stalagmometrické<br />
odtrhávací<br />
(V.r s – V p.r l).g=-g lg.L.cos<br />
2<br />
V objem částice<br />
V p objem ponořené části částice<br />
R s hustota částice<br />
R l hustota kapaliny<br />
L obvod částice v místě styku s kapalinou<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-9 N322002 (2-5-12)<br />
5
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-10 N322002 (2-5-12)<br />
Stanovení povrchového napětí – profil kapky<br />
<br />
g R<br />
<br />
<br />
R poloměr kapky, b tvarový faktor<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-11 N322002 (2-5-12)<br />
Stanovení povrchového napětí – odtrhávací metoda<br />
6
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-15 N322002 (2-5-12)<br />
Povrchově aktivní látky<br />
Snižují mezifázové napětí<br />
amfifilní molekula (polární i nepolární část)<br />
Micelární<br />
kritická micelární koncentrace - asociativní micely<br />
Anionaktivní<br />
Kationaktivní<br />
Neionogenní<br />
Amfoterní<br />
Makromolekulární koloidy<br />
Bílkoviny, polysacharidy<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-16 N322002 (2-5-12)<br />
Micelární koloidy<br />
kritická micelární koncentrace<br />
g 0<br />
CMC<br />
povrchově inaktivní látka<br />
povrchově aktivní látka<br />
micelární PAL<br />
CMC kritická micelární koncentrace<br />
T* Kraftův bod<br />
c 2<br />
7
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-17 N322002 (2-5-12)<br />
Emulze<br />
Olej ve vodě (o/v)<br />
Voda v oleji (v/o)<br />
El. vodivost<br />
Polární-nepolární barviva<br />
Mísitelnost s rozpouštědly<br />
Smáčivost<br />
Podle koncentrace<br />
Termodynamicky nestabilní<br />
6<br />
ΔG ΔA <br />
d<br />
Zředěné<br />
koncentrované (monodisperzní do 74 % obj.)<br />
vysoce koncentrované<br />
32<br />
f objemový podíl<br />
dispergované fáze<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-18 N322002 (2-5-12)<br />
Stabilita emulzí<br />
Kinetická stabilita<br />
DG* > k.T<br />
Příčiny nestability disperzí<br />
Sedimentace - vyvstávání<br />
Agregace<br />
Flokulace, koagulace<br />
koalescence<br />
Oswaldovo stárnutí<br />
Stabilizace<br />
Snížení mezifázového napětí<br />
Obal kapek, Elektrická dvouvrstva<br />
Zmenšení velikosti částic,<br />
zúžení distribuce velikosti<br />
Zvýšení viskozity<br />
8
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-19 N322002 (2-5-12)<br />
Sedimentace<br />
Stokesův zákon<br />
p 2<br />
1<br />
vu g<br />
d<br />
18 <br />
Vliv teploty – vliv na viskozitu a hustotu<br />
Sedimentační parametr<br />
d<br />
2<br />
[ 5,<br />
3]<br />
<br />
<br />
5<br />
ni<br />
di<br />
3<br />
n d<br />
Objemový podíl částic,<br />
které dosáhnou sedimentu za jednotku času<br />
g <br />
d<br />
Q <br />
18<br />
H<br />
2<br />
53<br />
Sedimentační stálost<br />
i<br />
i<br />
h viskozita; H výška<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-20 N322002 (2-5-12)<br />
= schopnost disperzní soustavy uchovávat rovnoměrné rozdělení částic<br />
v celém objemu soustavy - tepelný pohyb, difuse<br />
stálé - vysoce disperzní soustavy (pravé roztoky, plyny, příp. koloidní roztoky)<br />
přechodné - koloidní systémy (lyosoly)<br />
nestálé - hrubé disperzní systémy<br />
posouzení stálosti podle sedimentačního a difúzního toku<br />
J v c<br />
s u<br />
J D c d<br />
D <br />
dx<br />
sedimentace stálost systému rovnovážné rozdělení<br />
disperzní fáze<br />
J s<br />
J s<br />
1<br />
1<br />
J s<br />
c V g<br />
J<br />
J<br />
1 ln h<br />
c k T<br />
D<br />
D<br />
0 <br />
p <br />
<br />
<br />
h <br />
D difusni koeficient (m 2 /s); c koncentrace (mol/m 3 )<br />
V objem částice; r r p hustota částice, prostředí<br />
h výška; k Boltzmanova konstanta; T teplota (K)<br />
J<br />
D<br />
nejprve vždy převládá sedimentace<br />
9
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-21 N322002 (2-5-12)<br />
Emulgátory<br />
Snižují mezifázové napětí<br />
Zpomalují zánik kapek<br />
Micelární (nízkomolekulární)<br />
větší a rychlejší snížení mezifázového napětí<br />
biopolymery<br />
lepší mechanická odolnost<br />
citlivější na podmínky prostředí<br />
Teplota, pH, soli<br />
Dispergované částice<br />
Pokud platí g AB< g As + g Bs g AB> g As g AB> g Bs<br />
Ovlivňují typ emulze<br />
Větší afinita k disperznímu prostředí<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-22 N322002 (2-5-12)<br />
HLB (hydrophile-lipophile balance)<br />
HGN HLB7 <br />
LGN<br />
HGN - hydrofilní číslo<br />
funkční skupiny molekuly<br />
LGN - lipofilní číslo<br />
skupiny<br />
Směs dvou emulgátorů<br />
HLB m<br />
HLB m<br />
S<br />
A<br />
A<br />
B<br />
HLB<br />
B<br />
Skupina HLB Skupina HLB<br />
–SO 4 Na 38,7 –CH– -0,475<br />
–COOK 21,1 –CH 2 – -0,475<br />
–COONa 19,1 –CH 3 -0,475<br />
≡N 9,4 =CH– -0,475<br />
–COOH 2,1 –CF 2 – -0,87<br />
–OH 1,9 –CF 3 -0,87<br />
–O– 1,3 –(CH 2 CH 2 O)– 0,33<br />
–(CH 2 CH 2 CH 2 O)– -0,15<br />
10
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-23 N322002 (2-5-12)<br />
Typ emulze<br />
poměr objemu fází<br />
způsob emulgace<br />
druhu emulgátoru<br />
HLB Aplikace Disperzibilita ve vodě<br />
3 – 6 emulgátor emulze voda v oleji špatná<br />
7 – 9 smáčedlo<br />
8 – 15 emulgátor emulze olej ve vodě dobrá<br />
13 – 15 detergent<br />
15 – 18 solubilizátor roztok<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-24 N322002 (2-5-12)<br />
Příklady emulgátorů<br />
neionogenní příklad HLB<br />
alifatický alkohol hexadekanol 1<br />
monoacylglyceroly monosterylglycerol 3,8<br />
estery monacyloglycerolu s kyselinou mléčnou 8<br />
sorbitan monostearate 4,7<br />
monooleate 7<br />
monolaurate 8,6<br />
anionaktivní<br />
mýdla oleát sodný 18<br />
kationaktivní detergenty – v <strong>potravin</strong>ách ne<br />
fosfolipidy lecitin cca 9<br />
11
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-25 N322002 (2-5-12)<br />
Složené emulze a mikroemulze<br />
Dvojité (mnohočetné) emulze<br />
Typ primární emulze (Vnitřní fáze)<br />
Jedna kapka<br />
Zředěná emulze<br />
Koncentrovaná emulze<br />
Aplikace<br />
Farmacie, kosmetika, funkční <strong>potravin</strong>y<br />
Mikroemulze<br />
<strong>Vysoká</strong> koncentrace PAL, kosurfaktant<br />
pod 30 nm<br />
chování pravého roztoku (termodynamicky stabilní)<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-26 N322002 (2-5-12)<br />
Rozměry potr. disperzí<br />
12
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-27 N322002 (2-5-12)<br />
Pěny<br />
Stabilizované<br />
nízkomolekulární PAL<br />
Nízké povr. napětí<br />
měkké<br />
méně stabilní<br />
Disperzí<br />
Koloidní biopolymery<br />
Tukové kuličky apod.<br />
Menší nášleh<br />
Stabilnější, větší tuhost<br />
Zvýšení viskozity<br />
Vlastnosti pěny:<br />
•struktura<br />
•snadnost vzniku<br />
•objem vzduchu (nášleh, pěnivost)<br />
•tuhost<br />
•stabilita<br />
Podle podílu plynu:<br />
•vlhké pěny<br />
•suché pěny<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-28 N322002 (2-5-12)<br />
Stárnutí pěn<br />
„suchá“ pěna<br />
– pivo, bílek, mléko ...<br />
stabilizace:<br />
povrchově aktivní látky<br />
viskozita<br />
13
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-29 N322002 (2-5-12)<br />
Disperze biopolymerů<br />
lyofilní sol (koloidní roztoky)<br />
silné interakce s vodou - hydrokoloidy<br />
lyofobní sol (hydrofobní disperze)<br />
Stabilizace – odpudivé interakce<br />
Elektrostatické<br />
Stérické<br />
Destabilizace<br />
Teplota<br />
Soli<br />
pH<br />
enzymy<br />
Tvar molekul:<br />
•lineární<br />
•větvené<br />
•globulární<br />
Přitažlivé interakce:<br />
• elektrostatické<br />
• opačné náboje<br />
• iontové můstky (Ca 2+ )<br />
• van der Waalsovy<br />
• vodíkové můstky<br />
• hydrofóbní<br />
• podle afinity<br />
k disp.prostředí<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-30 N322002 (2-5-12)<br />
Stérické interakce a ZETA (z) potenciál<br />
STERIC<br />
14
Zeta Potential (mV)<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-31 N322002 (2-5-12)<br />
z potenciál a pH<br />
+30<br />
0<br />
-30<br />
Isoelectric<br />
Point<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14<br />
pH<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-32 N322002 (2-5-12)<br />
z potenciál a soli<br />
nespecifická specifická<br />
15
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-34 N322002 (2-5-12)<br />
Separace fází<br />
Směs různých hydrokoloidů<br />
(bílkoviny – polysacharidy)<br />
Volně mísitelné<br />
Nemísitelné<br />
Komplexace<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-35 N322002 (2-5-12)<br />
Příčiny separace fází<br />
DG = DH - T DS<br />
entalpicky<br />
komplexace<br />
přitažlivé interakce A-B > A-A nebo B-B<br />
nemísitelnost<br />
odpudivé interakce A-B > A-A nebo B-B<br />
přitažlivé interakce A-A nebo B-B > A-B<br />
entropicky<br />
nemísitelnost<br />
depleční flokulace<br />
(agregace účinkem oblasti ochuzení)<br />
16
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-36 N322002 (2-5-12)<br />
Projevy separace fází<br />
makroskopická<br />
nehomogennost<br />
mikroskopická<br />
makroskopicky homogenní<br />
koacervace – emulze v/v<br />
stabilizace gelem<br />
využití<br />
enkapsulace funkční složky<br />
náhrada tuku (plnost textury)<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-37 N322002 (2-5-12)<br />
Projevy přitažlivé interakce<br />
G – globulární bílkovina L – lineární polysacharid<br />
nízká koncentrace G i L<br />
stabilní<br />
nízká G – vysoká L<br />
L obalí G – stabilní (riziko depleční flokulace)<br />
želírující L – vznik gelu<br />
vysoká G – nízká L<br />
můstky - flokulace<br />
vysoká G i L<br />
gel ?<br />
17
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-38 N322002 (2-5-12)<br />
Tvorba gelu<br />
Dostatečná koncentrace biopolymeru<br />
Ochlazením<br />
termoreverzibilní<br />
Teplem<br />
Změnou pH<br />
Přídavkem solí<br />
Enzymy<br />
Charakter a struktura gelu<br />
Kovalentní<br />
<strong>Fyzikální</strong><br />
Amorfní<br />
Submikroskopické krystaly<br />
Agregáty částic<br />
Mechanické síťování<br />
Reverzibilní<br />
Ireverzibilní<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 9-40 N322002 (2-5-12)<br />
Struktura gelu<br />
Vláknitá<br />
Průhledné<br />
Dobrá vazba vody<br />
Shluky agregátů<br />
Stárnutí - synereze<br />
Nové vazby<br />
Vyloučení kap. fáze<br />
18
Change language