Curs cfc sia

St. Dima, Sisteme disperse coloidale. Definiție, clasificare, caracterizare generala, preparare

SISTEME DISPERSE COLOIDALE

9.1. Sisteme disperse coloidale. Definiţie.

Un sistem dispers coloidal reprezintă un sistem termodinamic heterogen obţinut prin amestecarea a două sau mai multor componente nemiscibile.

Componentul aflat în cantitate mai mică, se numeşte dispersoid, iar cel aflat în cantitate mai mare, se numeşte mediu de dispersie.

Dispersoidul este alcătuit din particule coloidale, numite „unităţi cinetice”, de dimenisuni mult mai mari decât cele ale mediului de dispersie. De aceea el constituie faza discontinuă, în timp ce mediul de dispersie reprezintă faza continuă a sistemului dispers.

Între cele două faze există o suprafaţă de contact foarte mare care conferă sistemului coloidal anumite proprietăţi specifice. Această suprafaţă, numită suprafaţă interfazică, este cu atât mai mare cu cât dimensiunea unităţilor cinetice este mai mică.

O suprafaţă interfazică mare determină o instabilitate ridicată a sistemului dispers coloidal.Cea mai importantă consecinţă a prezenţei suprafeţei interfazice o reprezintă instabilitatea

termodinamică a coloizilor. Dacă particulele celor două componente sunt de dimensiuni mici, de ordinul a 10 -10m şi cu

polarităţi apropiate, atunci amestecarea lor conduce la un sistem omogen, fără suprafaţă interfazică, stabil termodinamic, numit soluţie micromoleculară.

Un comportament particular îl au sistemele obţinute prin dizolvarea compuşilor macromoleculari în solvenţi corespunzători, care deşi au un caracter omogen (soluţii de compuşi macromoleculari), totuşi proprietăţile lor termodinamice diferă de cele ale soluţiilor micromoleculare.

Studiile referitoare la proprietăţile fizico-chimice ale sistemelor coloidale au condus la observaţia potrivit căreia, coloizii nu reprezintă o clasă de substanţe chimice, ci o stare în care poate exista orice compus chimic.

Potrivit definiţiei IUPAC, o substanţă se află în stare coloidală dacă particulele componente au cel puţin o dimensiune cuprinsă între 10-9m (1 nm =10 A) şi 10-6m (1mm). Aceste dimensiuni se obţin fie prin unirea prin legături fizice sau chimice a speciilor moleculare (atomi, ioni, molecule), fie prin divizarea substanţei macroscopice.

Ştiinţa coloizilor este o ştiinţă interdisciplinară deoarece sistemele coloidale sunt sisteme deosebit de complexe, iar studierea lor necesită cunoştinţe de chimie, fizică, biologie, matematică etc.

Ea are ca obiect de studiu nivelul mezoscopic al materiei. Acest nivel se mai numeşte şi nivelul nanometrilor , deoarece materia se află sub forma particulelor de dimensiuni nanometrice. (Fig.9.1).

Nivelul mezoscopic este cuprins între nivelul macroscopic (sau nivelul metrilor), unde materia are proprietăţi care variază în mod continuu (masa, volum, viteză, energie etc) şi nivelul „microscopic”(sau nivelul Angstromilor), format din atomi, molecule la care proprietăţile au un caracter discontinuu, studiate cu legile mecanicii cuantice.

Substanţele în stare coloidală îşi găsesc aplicaţii în cele mai diverse domenii: medicină, tehnică farmaceutică şi cosmetică, industrii alimentare, agricultură, construcţii etc.

1


Figura 9.1 Niveluri de studiu ale materiei

Aproape toate alimentele sunt sisteme disperse complexe deoarece ele sunt alcătuite din componente de polarităţi diferite care prin amestecare formează unităţi cinetice de dimensiuni coloidale sau mai mari, structurate în două sau mai multe faze.

De exemplu, laptele este un sistem dispers complex în care coexistă substanţe nemiscibile (apă, proteine, lipide, săruri etc.). Starea de coloid conferă laptelui o anumită stabilitate explicată prin dispersarea picăturilor de grăsime în apă în prezenţa proteinelor.

Acelaşi lucru se poate spune şi despre medicamente, cosmetice, sisteme biologice (sânge, ţesuturi etc).

9.2. Criterii de clasificare a sistemelor disperse

Datorită complexităţii lor, sistemele disperse nu se pot clasifica după un criteriu unic. De aceea, în cele ce urmează ne vom referi la cele mai importante criterii de clasificare, alese în aşa afel încât să putem prezenta un tablou complet al principalelor clase de sisteme disperse.

9.2.1. Clasificarea sistemelor dispersie în funcţie de relaţia dintre particulele dispersate şi mediul de dispersie

Într-un sistem dispers, particulele dispersate numite şi unităţi cinetice sunt formate din specii atomice şi moleculare unite fie prin legături fizice, fie prin legături chimice.

Dacă între unităţile cinetice ale fazei discontinue şi particulele fazei continue nu există interacţiuni, sau sunt foarte slabe, sistemul dispers se numeşte sistem liofob. Comportamentul liofob se datorează slabei solubilităţi a unui component în altul, cum este cazul particulelor de sulf în apă sau a picăturilor de ulei în apă (emulsii).

Datorită prezenţei unei suprafeţe interfazice mari, aceste sisteme sunt instabile din punct de vedere termodinamic. Obţinerea lor se face cu consum de energie, iar distrugere este un proces ireversibil. De exemplu, un sol de sulf distrus prin evaporarea apei nu se mai poate reface prin simpla adăugare de apă, sau o emulsie distrusă nu se poate reface decât sub acţiunea unei forţe mecanice.

Sistemele disperse la care între mediul de dispersie şi faza dispersată se manifestă interacţiuni puternice se numesc sisteme liofile. Din această clasă fac parte coloizii de asociaţie şi coloizii moleculari (soluţiile de polimeri).

2


Coloizii de asociaţie sunt rezultatul amestecării moleculelor amfifile cu moleculele unui solvent. Datorită polarităţii diferite a moleculelor amfifile, acestea se vor asocia în agregate numite micele de asociaţie în aşa fel încât între moleculele amfifile şi cele ale solventului să se exercite interacţiuni puternice, fapt care conferă sistemului o stabilitate termodinamică.

Formara micelelor de asociaţie este un proces reversibil, fenomen observat la refacerea unei soluţii de săpun după ce aceasta s-a distrus prin evaporare.

Coloizii moleculari se obţin prin dizolvarea compuşilor macromoleculari în solvenţi buni. Sistemul dispers are un aspect omogen deoarece unităţile cinetice sunt lanţuri macromoleculare cu structuri diferite, printre segmentele cărora pot pătrunde moleculele solventului, eliminând prezenţa suprafeţei interfaciale. Acest tip de sistem dispers are unele proprietăţi comune cu cele ale sistemelor liofobe, iar altele comune cu cele ale soluţiilor moleculare.

În alimente se găsesc ambele tipuri de sisteme disperse. De exemplu untul, margarina sau alte emulsii sunt sisteme hidrofobe, iar laptele sau alte alimente cu conţinut ridicat de proteine pot fi considerate sisteme hidrofile, având în vedere comportarea proteinelor, ca molecule amfifile, şi ca polielectroliţi.

9.2.2. Clasificarea sistemelor disperse liofobe după mărimea particulelor dispersate

Într-un sistem dispers unităţile cinetice au forme şi dimensiuni foarte diferite. De aceea o clasificare strictă a sistemelor disperse după acest criteriu este greu de realizat. Totuşi, considerănd particulele dispersate ca fiind sferice şi de dimensiuni apropiate, în funcţie de raza acestora, sistemele disperse se pot grupa în următoarele clase:

Sisteme disperse ultramicroeterogene, la care raza unităţilor cinetice dispersate este cuprinsă între 10-9 şi 10-7m. Aceste sisteme sunt cunoscute sub denumirea de sisteme coloidale, coloizi sau soli;

Sisteme disperse microeterogene, la care raza particulelor dispersate este cuprinsă între 10-7 şi 10-5m (emulsii, spume, geluri);

Sisteme disperse grosiere, în care dimensiunile fazei dispersate sunt cuprinse între 10 -5 şi 10-

3m (suspensii mecanice);Cele trei clase de sisteme disperse diferă prin:

- capacitatea lor de a difuza şi a trece prin filtre: sistemele ultramicroeterogene nu sunt reţinute decât de membranele semipermeabile (ultrfiltrante), iar cele microeterogene sunt reţinute de filtrele obişnuite;

- posibilitatea de a se studia cu microscopul: sistemele ultramicroeterogene se studiază cu ultramicroscopul sau microscopul electronic, iar cele microeterogene se pot vedea la microscopul optic;

- stabilitatea cinetică, respectiv tendinţa de separare a fazelor, scade cu creşterea dimensiunii particulelor dispersoidului şi cu diferenţa dintre densitatea fazei discontinue şi cea a mediului de dispersie: sistemele ultramicroeterogene rămân într-o stare metastabilă mult mai mult timp (luni, ani) decât sistemele eterogene (zile, ore)Alimentele sunt în general sisteme microeterogene, dar sunt şi alimente care au în compoziţia

lor particule dispersate de dimensiuni nanometrice (proteine, zaharuri, bacterii etc).

9.2.3. Clasificarea sistemelor disperse după starea de agregare a celor două faze

Starea de agregare a celor două faze, determină existenţa a opt clase de sisteme disperse care diferă între ele atât prin proprietăţile molecular cinetice (sedimentarea, difuziunea, cremarea), cât şi prin proprietăţile reologice şi optice (Tab. 9.1). Tabelul 9.1. Clasificarea sistemelor disperse după starea de agregare a fazelor

3


Mediu dedispersie

Faza de dispersie

Interfaza Denumirea sistemului

LICHIDLichid L/L EmulsiiSolid L/S Soli liofobi, SuspensiiGaz L/G Spume, Aerosoli

SOLIDLichid S/L Geluri, LiogeluriSolid S/S Dispersii solideGaz S/G Xerogeluri

Sisteme capilare

GAZLichid G/L Aeroemulsii

CeaţaSolid G/S Aerosoli, Fum

9.3.Caracteristici generale ale sistemelor disperse

Proprietăţile fizice ale sistemelor disperse sunt diferite de cele ale sistemelor omogene (monofazice) datorită următoarelor cauze:

prezenţa unei suprafeţe interfazice mari care conferă sistemului o energie liberă ridicată, respectiv o stabilitate minimă;

forma sferică a unităţilor cinetice şi dimensiunile lor mici determină prezenţa unei raze de curbură foarte mică;

încărcarea electrică a particulelor cu dimensiuni coloidale care determină apariţia stratului dublu electric şi a unui potenţial electrocinetic;

agitaţia termică a moleculelor mediului de dispersie şi prezenţa mişcării browniene a particulelor coloidale care conferă sistemului proprietăţi fluctuante, studiate după legile fizicii statitice;

densitatea numerică a particulelor coloidale este mai mică decât în cazul soluţiilor, fapt pentru care entropia sistemului este scăzută şi stabilitatea redusă;

dimensiunile diferite ale sistemelor disperse joacă un rol important în stabilitatea la sedimentare a sistemului;

În continuare vom prezenta pe scurt principalele carcteristici ale sistemelor ultramicroeterogene: 1. Suprafaţa specifică a sistemelor disperse, reprezintă suprafaţa de separaţie dintre faza dispersată şi mediul de dispersie pentru o unitate de volum (sau de masă) de fază dispersată:

S1 = S1,2/V1 (9.1)unde s-au notat cu indicele „1” mărimile care se referă la faza dispersată, iar cu „2” mărimile care se referă la mediul de dispersie. S1,2 reprezintă suprafaţa de separaţie dintre particulele dispersate şi mediu de dispersie, iar V1 este volumul fazei dispersate. Pentru acelaşi volum de fază dispersată, suprafaţa specifică depinde de dimensiunile unităţilor cinetice şi de forma lor geometrică. De exemplu, pentru particule sferice de rază ,r, suprafaţa specifică este:

S1(sf.) = = (9.2)

iar pentru particule cilindrice de lungime ,l,:

S1(cil.) = = (9.3)

Ostwald propune ca inversul dimensiunii liniare a unităţilor cinetice dispersate să se numească grad de dispersie, notat cu D.:

D = 1 / d (9.4)În realitate particulele fazei dispersate (unităţile cinetice) nu au forme geometrice bine determinate, iar dimensiunile particulelor depind de direcţia în care sunt măsurate. Pentru simplificare, particulele cu

4


formă neregulată sunt asimilate cu particule sferice de acelaşi volum, dar cu o rază numită rază echivalentă , cărora le corespunde aceeaşi suprafaţă specifică cu a particulelor reale. În funcţie de gradul de dispersie, sistemele disperse sunt monodisperse, când toate unităţile cinetice au aceeşi dimensiune şi polidisperse, cănd unităţile cinetice au dimensiuni diferite distribuite statistic.2. Mişcarea browniană a particulelor coloidale, reprezintă mişcarea dezordonată şi permanentă a particulelor coloidale datorită agitaţiei termice a moleculelor mediului de dispersie. La un moment dat o particulă coloidală ciocnindu-se cu moleculele mediului, primeşte impulsuri de diverse valori,din diverse direcţii. Rezultanta celor 1012 impulsuri pe secundă este diferită de zero. Deoarece mişcarea de agitaţie termică are un caracter dezordonat, în fiecare moment rezultanta impulsurilor are o altă valoare, direcţie şi sens.Mişcarea browniană a particulelor coloidale poate fi observată cu ajutorul unui ultramicroscop.Traiectoriile observate sunt aparente, fiecare segment fiind la rândul său format dintr-un număr foarte mare de segmente real.

Pentru caracterizarea mişcării browniene se admite segmentul de dreaptă care uneşte poziţia iniţială şi finală a unei particule într-un anumit interval de timp, t, distanţă calculată ca o deplasare pătratică medie: . Aplicarea traiectoriei fluctuaţiilor la mişcarea browniană a particulelor coloidale a condus pe Einstein (1905) la stabilirea următoarei relaţii între deplasarea pătratică medie pe o direcţie, , şi timpul de observaţie, t:

= 2×D×t = 2 t (9.5)

D- coeficientul de difuziune; h - coeficientul de viscozitate a mediului de dispersie; r- raza pariculei coloidale considerate sferice.Relaţia (9.5) poate fi folosită pentru determinarea razei particulei coloidale. 3. Sarcina electrică a particulelor coloidale, îşi are originea în diverşi purtători de sarcină (ioni, molecule polare) care sunt distribuiţi neuniform la suprafaţa de separaţie dintre cele două faze. Apariţia sarcinilor electrice la diverse tipuri se datorează următoarelor cauze:

Disocierea grupelor ionogene de la suprafaţa particulelor.Este cazul coloizilor moleculari care conţin grupe funcţionale ionizabile: - COOH; - OH; - NH2; -

SO3Me etc.Un loc important în această categorie de coloizi îl au proteinele a căror sarcină electrică depinde de valoarea pH-ului şi de tăria ionică a soluţiei.

Adsorbţia moleculelor polare ale mediului de dispersie şi disocierea lor pe suprafaţa particulelor.

Prin acest mecanism se poate explica apariţia sarcinii electrice la o serie de coloizi în compoziţia cărora intră substanţe cu caracter acid, cum ar fi unii oxizi sau silicaţi. De exemplu particulele de dioxid de siliciu formeazã în apă un hidrosol. Moleculele de SiO2 care există pe suprafaţa unor astfel de particule sunt hidratate formând acid silicic, care ionizează: H2SiO3 Û SiO3

2- +2H+

Ionii de silicat SiO32- sunt adsorbiţi pe suprafaţa particulei conferind acesteia o sarcină negativă, iar

ionii de hidrogen rămân în soluţie (în stratul difuz). (Fig.9.2).

Figura 9.2Micela liofobă de SiO2

Adsorbţia selectivă a ionilor din mediul de dispersie

5


Anionii, care sunt în general mai puţin hidrataţi decât cationii se adsorb preferenţial şi asigură suprafeţei o sarcină negativă. De exemplu, sarcina superficială a particulelor de SiO2 este cu atât mai mare cu cât în soluţie există mai mulţi ioni HO - (mediu bazic); ea scade cu creşterea concentraţiei ionilor de hidroniu H+ până la punctul de sarcină zero. Ca regulă, substanţele cu caracter bazic se încarcă superficial cu sarcini pozitive, iar cele acide se încarcă negativ.De asemenea, sarcina electrică a particulelor care nu ionizează superficial (cărbune, sulf, carbură de siliciu) se datorează adsorbţiei preferenţiale a ionilor HO- în raport cu ionii H+. Cohen a arătat că o mărime importantă care influenţează sarcina suprafeţei interfaciale o constituie constanta dielectrică a fiecăreia dintre faze. Astfel, experimental s-a observat că la contactul dintre două faze, cea cu constantă dielectrică mai mae se încarcă pozitiv . Astfel, în sisteme apoase se încarcă pozitiv majoritatea oxizilor şi hidroxizilor de Al, Fe, Zn, Cr, Cu, iar negativ metalele nobile, sulful, sulfurile de As, Sb, Hg, grafitul etc.

9.4. Prepararea sistemelor disperse liofobe

9.4.1. Prepararea solilor liofobi prin condensare

Condensarea se poate realiza prin metode chimice şi metode fizice.Metodele chimice de condensare au la bază o următoarele reacţii chimice: reacţii de dublu

schimb, reacţii de hidroliză, reacţii de oxidare sau reducere etc.Prin reacţii de dublu schimb se obţin solii halogenurilor, sulfurilor, cianurilor, oxizilor şi

hidroxizilor. De exemplu, solul negativ de AgI se obţine prin adăugarea lentă a unei soluţii diluate de AgNO3 peste o soluţie diluată de KI şi agitare puternică, pe baza reacţiei de dublu schimb: AgNO3 + KI = AgI + KNO3 .Moleculele insolubile de AgI se aglomerează în particule cristaline de dimensiuni coloidale, cu formula micelară: [mAgI,nI-,(n-x)K+] x –xK+

Prin adăugare, sub agitare energică, a unei soluţii de KI peste o soluţie diluată de AgNO3, se obţine solul pozitiv de iodură de argint, cu formula micelară: [mAgI,nAg+,(n-x)NO3

-] x +xNO3-.

Prin reducere se prepară solul de argint, prin adăugarea în picături, sub agitare mecanică, a unui agent reducător (aldehidă formică) peste o soluţie de AgNO3. Precipitatul de argint este separat prin centrifugare, redispersat în apă bidistilată şi recoagulat cu o soluţie de citrat de sodiu în soluţie de azotat de potasiu.

Reacţia de oxidare este folosită pentru obţinerea solului de sulf din hidrogen sulfurat şi diferiţi agenţi oxidanţi: cromaţi, cloraţi, nitraţi etc. H2S + [O] ® S + H2O

Prin reacţia de hidroliză se obţine solul de hidroxid feric: FeCl3 + 3H2O ® Fe (OH)3 + 3HClParticulele coloidale ale solului de hidroxid feric sunt parţial sau total deshidratate, iar nucleul particulei este FeO(OH). Moleculele superficiale ale particulei reacţionează cu acidul clorhidric formând oxiclorura ferică FeOCl care joacă rol de stabilizator: FeO(OH) + HCl ® FeOCl + H2O FeOCl ® FeO+ + Cl- Formula micelară a acestui sol este: [mFeO(OH),nFeO+,(n-x)Cl-] x + xCl-

Metodele fizice de condensare au la bază procedee, cum ar fi: răcirea, evaporarea, înlocuirea solventului cu un nesolvent.Metoda înlocuirii solventului se utilizează la obţinerea solilor pe bază de răşini organice naturale sau artificiale, pentru dizolvarea cărora este indicat orice solvent miscibil cu apa. De exemplu, la adăugarea în apă, sub agitare puternică, a unei soluţii alcoolice de colofoniu 0,1-0,2% , se obţine solul de colofoniu.

9.4.2. Prepararea solilor liofobi prin

6


dispersare

Dispersarea unei substanţe se realizează sub acţiunea unei forţe exterioare fizice sau chimice. Aşadar şi în acest caz se întâlnesc metode fizice şi metode chimice de dispersare.

Dispersarea fizică poate fi realizată prin metode mecanice, electrice, folosirea ultrasunetului şi a altor agenţi fizici.

Dispersarea mecanică se realizează în mori coloidale de diferite tipuri, care permit atât dispersarea uscată, cât şi dispersarea umedă în prezenţa stabilizatorului. Adsorbţia stabilizatorului, care este o substanţă tensioactivă, uşureză dispersarea şi împiedică distrugerea pulberii coloidale prin alomerare.

Dispersarea în arc electric se utilizează la obţinerea solurilor unor metale. Metoda se bazează pe evaporarea în arc electric a materialului de dispersat şi condensarea acestuia în mediul de dispersie. Arcul electric funcţionează sub stratul de lichid al mediului de dispersie astfel încât vaporii de metal formaţi în arc condensează în mediul de dispersie rece, în particule de dimensiuni coloidale.Dispersarea chimică . Peptizarea

Prin peptizare se înţelege trecerea unui gel sau a unui precipitat greu solubil în stare de sistem coloidal prin adăugarea unui agent chimic, de obicei un electrolit, numit peptizator.Prin dispersare chimică se obţin hidrosolii sulfurilor şi oxizilor hidrataţi. De exemplu, adăugând cantităţi foarte mici de acid în suspensiile unor precipitate proaspete de oxizi hidrataţi de Fe, Cr, Al sau Th, bine spălate în prealabil, se obţin sisteme disperse coloidale. Prin adaos de electroliţi pot fi trecute în stare de soli diverse pulberi naturale sau obţinute prin dispersare mecanică. De obicei, stabilizarea acestora se realizează prin adaos de coloizi de protecţie, iar procedeul se numeşte peptizare coloidală.

9.5 Alimentele ca sisteme disperse complexe

Potrivit Dicţionarului Explicativ al Llimbii Române (DEX), alimenutul reprezintă un produs în stare naturală sau prelucrat care serveşte ca hrană [DEX, (1975), p. 25]

Această definiţie exprimă profunda complexitate a alimentului, atât sub aspectul compoziţiei chimice, cât mai ales sub aspectul relaţiei sale cu lumea vie.

Alimentele reprezintă un amestec de compuşi chimici care asigură suportul proceselor metabolice. Ele intră în relaţie cu viul prin una dintre cele mai importante necesităţi fiziologice ale unui organism, şi anume alimentaţia (Segal, R. 2000).

Componentele de bază ale unui aliment sunt substanţele nutritive sau nutrienţii, din care fac parte : proteinele, lipidele, zaharurile, substanţele minerale, vitaminele. Alături de aceste substanţe provenite din procesele naturale de biosinteză ce au loc la nivelul organismelor vegetale şi animale, în alimente se mai întâlnesc şi o serie de compuşi chimici adăugaţi intenţionat, cum sunt aditivii şi ingredienţii, sau proveniţi din materiile prime (toxine, antinutrienţi, reziduuri etc) sau din mediu (contaminanţi, pesticide, radionuclizi etc).

Aditivii fac parte din grupul substanţelor străine din alimente adăugate intenţionat în scopuri diverse, precum : conservarea valorii nutritive, creşterea stabilităţii şi a duratei de conservare, îmbunătăţirea proprietăţilor senzoriale, precum şi asigurarea unui proces tehnologic eficient.

Procesul de preparare a unui aliment, numit formulare, constă în amestecarea unui număr mare de compuşi chimici, care datorită polarităţii lor diferite, de cele mai multe ori sunt nemiscibili, sau se găsesc în stări de agregare diferite. Din această cauză, alimentele sunt sisteme heterogene, bi sau multifazice, instabile din punct de vedere termodinamic, datorită prezenţei unei mari suprafeţe interfaciale. Marea majoritate a alimentelor naturale sau preparate sunt medii disperse.

Alimentele, ca medii disperse, fie aparţin uneia din clasele menţionate în tabelul 1.1 (emulsii, spume, geluri), fie, datorită complexităţii lor, sunt alcătuite din mai multe tipuri de sisteme disperse.

De exemplu, îngheţata este un sistem dispers complex în care coexistă emulsii, spume, geluri. Ea constă dintr-o fază apoasă îngheţată ce conţine picături de grăsime, cristale de gheaţă şi mici alveole de aer (Fig. 9.3).

7


Figura 9.3 Componentele îngheţatei, ca mediu dispers

Laptele, care este unul din alimentele de bază din alimentaţia omului, reprezintă un sistem polidispers format din :

- o fază apoasă, unde sunt dizolvate sărurile minerale, vitaminele hidrosolubile, substanţe azotate cu moleculă mică, lactoza etc. ;

- o fază uleiosă, formată din substanţe grase (lipide), pigmenţi şi vitamine liposolubile ;- coloizi de asociaţie, în compoziţia cărora intră substanţele proteice amfifile ;- spumă, datorită existenţei unor gaze dizolvate şi capacităţii de spumare a proteinelor.

Brânza, are structura unei reţele geliforme formată prin coagularea laptelui. Obţinerea brânzei reprezintă un proces complex de distrugere a stării coloidale a laptelui prin coagulare acidă sau enzimatică. Sub acţiunea chimozinei, micelele de fosfocazeinat de calciu se desfac în submicele, care se unesc prin legături electrostatice sau hidrofobe şi formează agregate metastabile, numite flocoane. Acestea la rândul lor se unesc şi conduc la apariţia structurii geliforme corespunzătoare brânzei.

Untul este o emulsie de tip U/A obţinută prin baterea smântânii din lapte. Prin batere, are loc o inversare de fază a emulsiei directe A/U, specifică smântânii, într-o emulsie inversă U/A, specifică untulu. În unt faza continuă o reprezintă grăsimea lichidă în care sunt dispersate celelalte componente, precum : apa, zara, fosfolipidele, gliceride solide amorfe sau microcristalite, particule de cazeină, vitaminele A, D, E. Picăturile de apă au un diametru mai mic de 10 μm, iar cazeina apare sub forma unor flocoane de 0,1-0,5 μm.

Margarina este o emulsie de tip A/U, în care picăturile de apă sunt dispersate în faza uleioasă formată din ulei lichid şi cristale de trigliceride. Dispersarea fină a picăturilor de apă cu diametrul de 1μm şi menţinerea lor în stare dispersată este asigurată de utilizarea emulgatorilor, cum ar fi lecitinele. Dresingurile pentru salată, sosurile speciale sunt de asemenea sisteme disperse complexe care conţin, alături de grăsimi emulsionate, şi agregate mici de surfactanţi numite micele de asociaţie. În aceste produse, particulele dispersate sunt de dimensiuni foarte variate, de la câţiva nanometri, specifice micelelor până la câţiva microni (picături de emulsii) sau milimetri (spume).

Ciocolata, reprezintă un sistem dispers obţinut prin dispersarea unor substanţe solide (zahăr fin măcinat, cacao, lapte praf) în untul de cacao. Din sistem lipseşte apa, dar sunt prezenţi emulgatori, precum esterii sorbitanului, lactil-monogliceridele, care se adsorb pe suprafaţa particulelor solide şi micşorează frecarea faţă de untul de cacao, favorizând formarea unei paste omogene.

Vinul este o soluţie hidroalcoolică în care sunt dizolvate o gamă foarte variată de substanţe (peste 1000 de componente, din care doar 500 au fost izolate). O serie dintre substanţele identificate în vin se găsesc în stare coloidală. În timp ce caracteristicile senzoriale ale vinului sunt determinate de compoziţia chimică, limpiditatea şi stabilitatea vinului sunt calităţi care depind de conţinutul în coloizi.

În vin se găsesc atât coloizi hidrofili, cât şi coloizi hidrofobi.Coloizii hidrofili din vin sunt compuşi macromoleculari din clasa proteinelor şi

polizaharidelor proveniţi din struguri sau din drojdii în timpul fermentaţiei alcoolice. Proteinele

8


contribuie la formarea tulburelilor în vinurile albe şi sunt implicate în formarea şi stabilizarea spumei la vinurile spumante, iar polizaharidele favorizează colmatarea mediilor filtrante, precum membranele de micro şi ultrafiltrare.

Coloizii hidrofobi din vin provin din cristalele de tartru în stare incipientă, substanţe colorante, precipitatele ferice sau cuproase etc. Ei sunt instabili şi reprezintă una dintre cauzele tulburării vinurilor. Faptul că aceste particule hidrofobe sunt încărcate cu sarcină electrică negativă, pemite distrugerea stării lor coloidale prin precipitare cu cationi polivalenţi sau proteine de cleire la pH acid.

Procesul de eliminare a particulelor cristaline şi amorfe, a levurilor şi a bacteriilor, a tuturor substanţelor în stare coloidală care provoacă tulburarea vinului se numeşte limpezire. Acest proces se poate realiza fie spontan, prin menţinerea îndelungată a vinului în vase şi separarea lui de depozitul format la anumite intervale de timp, fie provocat prin procesul de cleire. Limpezirea vinului prin cleire constă în adăugarea unor substanţe de cleire care pot fi de natură organică ( gelatină, albuş de ou, lapte, clei de peşte etc.) sau anorganică (bentonită, caolin, ferocianură de potasiu etc). În unele cazuri se urmăreşte evitarea distrugerii stării coloidale în care se găsesc unele substanţe.

Acest proces de stabilizare a stării coloidale este asigurată de o clasă de compuşi numiţi coloizi de protecţie. Ei se găsesc în mod natural în vin, sau se adaugă intenţionat, cum este cazul gumei arabice a cărei prezenţă împiedică flocularea şi precipitarea taninurilor şi a materiilor colorate din vinurile roşii.

Berea este o băutură slab alcoolică. Principalul component al berii îl reprezintă apa (92% greutate) în care sun dizolvate o serie de substanţe chimice grupate în : componente nevolatile (proteine, hidraţi de carbon, aminoacizi, acizi organici, săruri minerale, vitamine, baze purinice şi pirimidinice, nucleotide, nucleozide etc) şi componente volatile (alcooli, aldehide, cetone, acizi esteri, lactone, hidrocarburi, compuşi cu sulf, amine etc.) .

Din punct de vedere fizic, berea este un sistem dispers complex, deoarece în compoziţia ei se întâlnesc atât coloizi de asociaţie (hidrofili), cât şi sisteme hidrofobe microeterogene, precum suspensiile, spuma etc..

Unele dintre substanţele nevolatile (proteinele şi plizaharidele) sunt molecule amfifile şi formează micele de asociaţie care influenţează gustul berii. Astfel substanţele cu masă moleculară medie cuprinsă între 5000-10000, pecum : dextrinele, dextrinele beta glucanice, pectinele, taninurile etc. formează coloizi care intensifică gustul dulce al berii, în timp ce compuşii macromoleculari amfifili care formează micele de asociaţie mari împiedică manifestarea acestui gust.

O măsură a stabilităţii berii o reprezintă fenomenul producerii tulburelii. Cea mai importantă formă de tulburală apărută în bere o reprezintă tulbureala coloidală. Ea se

datorează agregării proteinelor cu polifenoli condensaţi, sau cu proantocianidine cu formarea unor compuşi cu masă moleculară mare care măresc turbiditatea berii.

Spuma reprezintă un sistem dispers în care faza continuă este lichidă iar faza discontinuă este un gaz. În cazul berii, spuma este o caracteristică de calitate, manifestată prin persistenţa şi înălţimea ei la turnarea berii în pahar.

Formarea spumei la turnarea berii în pahar se datorează apariţiei bulelor de CO 2 (dizolvat iniţial în bere în proporţie de 0.35-0,42% în masă), ca urmare a reducerii presiunii prin deschiderea sticlei. Datorită densităţii mici a gazului, bulele de CO2 se ridică la partea superioară a paharului antrenând atât lichid, cât şi diferite substanţe tensioactive. Lichidul antrenat formează un film în jurul bulelor de gaz de a cărei rezistenţă depinde stabilitatea spumei. Aceasta poate fi âmbunătăţită prin folosirea unor substanţe stabilizatoare, cum ar fi : propilenglicol-alginatul, xantanul, guma arabică şi chiar ionii de fier, dar într-o concentraţie foarte mică de 0,2 ppm.

În concluzie, cele mai multe produse alimentare sunt sisteme disperse complexe, alcătuite din mai mulţi componenţi şi mai multe faze, respectiv mai multe tipuri de sisteme disperse (Capitolul 15).

De aceea, în procesele de formulare şi stabilizare a alimentelor un rol foarte important îl reprezintă cunoaşterea şi aplicarea legilor şi principiilor specifice ştiinţei coloizilor.

9

Education

Curs cfc sia