Пищевые и биологически активные добавки
- Что такое пищевые ПАВ? К какому функциональному классу они относятся? Дайте краткую характеристику основных ПАВ.
- Каким образом используется целлюлоза в качестве пищевой добавки? Какие ее производные Вы знаете?
- Какие пищевые добавки изменяют структурно-механические свойства пищевых продуктов?
- Что такое «Качество БАД»? Какие современные методы и средства используются для его достижения?
Пове́рхностно-акти́вные вещества́ (ПАВ) — химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела термодинамических фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения.
Основной количественной характеристикой ПАВ является поверхностная активность — способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз — это производная поверхностного натяжения по концентрации ПАВ при стремлении С к нулю. Однако, ПАВ имеет предел растворимости (так называемую критическую концентрацию мицеллообразования или ККМ), с достижением которого при добавлении ПАВ в раствор концентрация на границе раздела фаз остается постоянной, но в то же время происходит самоорганизация молекул ПАВ в объёмном растворе (мицеллообразование или агрегация). В результате такой агрегации образуются так называемые мицеллы. Отличительным признаком мицеллообразования служит помутнение раствора ПАВ. Водные растворы ПАВ, при мицеллообразовании также приобретают голубоватый оттенок (студенистый оттенок) за счёт преломления света мицеллами.
Методы определения ККМ:
- Метод поверхностного натяжения
- Метод измерения контактного угла с тв. или жидкой поверхностью (Contact angle)
- Метод вращающейся капли (Spindrop/Spinning drop)
Выделяют два больших класса ПАВ, различающихся характером адсорбции и механизмом стабилизации дисперсных систем.
К первому классу относятся низкомолекулярные соединения дифильного характера, т. е. соединения, имеющие гидрофильную “голову” (одну или несколько полярных групп, например, —ОН, -СООH, —SO3H, — OSO3H, —СООМе, —N+ (СH3)3I- — NH2) и гидрофобный “хвост” (как правило, алифатическую цепь, иногда включающую и ароматическую группу). По своему применению ПАВ данного класса делятся на смачиватели, солюбилизаторы, эмульгаторы, моющие агенты, пенообразователи и т. д. По химическим свойствам они разделяются на: 1) анионоактивные (например, соли карбоновых кислот, алкилсульфаты, алкилсульфонаты); 2) катионоактивные (например, четвертичные аммониевые основания, соли аминов); 3) неионогенные (спирты, эфиры и т. д.).
- Ко второму классу относятся высокомолекулярные ПАВ, в которых чередуются гидрофильные и гидрофобные группы, равномерно распределенные по всей длине полимерной цени. От них следует отличать высокомолекулярные соединения, построенные из двух или трех отрезков, каждый из которых состоит из гидрофильных или гидрофобных блоков мономеров. В качество примера можно назвать плюроник, состоящий из гидрофильной цепи оксиэтилена и гидрофобной цепи оксипропилена. По механизму адсорбции и эмульгирующим свойствам такие соединения следует относить к поверхностно-активным веществам первого класса.
- Примерами высокомолекулярных ПАВ могут служить поливиниловые спирты, желатина, казеин, полиакриламид и т. д.
Под ПАВ понимают
химические соединения, способные вследствие
положительной адсорбции
Поверхностно-активные
вещества - вещества с асимметричной
молекулярной структурой, молекулы которых
содержат один или несколько гидрофобных
радикалов и одну или несколько
гидрофильных групп. Такая структура
обуславливает поверхностную
Гидрофильной частью служит карбоксильная (COO-), сульфатная (- OSO3-) и сульфонатная (- SO3-) группы, а также группы -СН2-СН2-О-СН2СН2 - или группы, содержащие азот. Гидрофобная часть состоит преимущественно из парафиновой цепи, прямой или разветвленной, из бензольного или нафталинового кольца с алкильными радикалами. Так как адсорбционная способность органических веществ растет с длиной углеводородных цепей, то к типичным, особенно эффективным ПАВ относятся более высокие члены гомологических рядов, содержащие 10-18 атомов углерода в молекулах.
Термины гидрофильный и гидрофобный характеризуют взаимодействие между поверхностно-активным веществом и водой. Но в настоящее время, когда, кроме водной среды, поверхностно-активные вещества применяются и в других средах, термины гидрофильный и гидрофобный, отражающие взаимодействие вещества только с водой, являются недостаточными. На IV Международном конгрессе по поверхностно-активным веществам были предложены обобщающие термины: эндофильный и экзофильный.
Эндофильность соответствует случаю, когда взаимодействие всей или части молекулы вещества с молекулами рассматриваемой фазы более сильное, чем взаимодействие между молекулами (или частью их) вещества. В противоположном случае имеет место экзофильность .
Обычно ПАВ представляют собой органические вещества, содержащие в молекуле углеводородный радикал и одну или несколько полярных групп.
Согласно ионной классификации Шварца и Перри, принятой в 1960 г. на III Международном конгрессе по ПАВ в Кельне, все ПАВ по химической природе делят на неионогенные, т. е. не диссоциирующие на ионы (НПАВ) в водных растворах, и ионогенные, которые в воде распадаются на ионы, как обычные электролиты. Ионогенные ПАВ, в свою очередь, подразделяют на анионактивные (АПАВ), катионактивные (КПАВ), амфотерные и цвиттер-ионные.
Ионогенные ПАВ
в водном растворе диссоциируют: анионные
- с образованием отрицательно заряженных
поверхностно-активных ионов; катионные
- с образованием положительно заряженных
поверхностно-активных ионов; амфолитные
- с образованием соединений, которые
в зависимости от характера среды
обладают анионо- или катионоактивным
характером. Неионные ПАВ в водном
растворе не образуют ионов. Их растворимость
обусловлена функциональными
В отдельную группу выделяются высокомолекулярные (полимерные) ПАВ, состоящие из большого числа повторяющихся звеньев, каждое из которых имеет полярные и неполярные группы.
По растворимости в воде и маслах ПАВ подразделяют на три группы: водо-, водомасло- и маслорастворимые.
Водорастворимые ПАВ состоят из гидрофобных углеводородных радикалов и гидрофильных полярных групп, обеспечивающих растворимость всего соединения в воде. Характерная особенность этих ПАВ - их поверхностная активность на границе раздела вода - воздух.
Водомаслорастворимые ПАВ применяют в основном в системах нефть - вода. Гидрофильные группы в молекулах таких веществ обеспечивают их растворимость в воде, а достаточно длинные углеводородные радикалы - растворимость в углеводородах.
Маслорастворимые ПАВ не растворяются и не диссоциируют (или слабо диссоциируют) в водных растворах. Помимо разветвленной углеводородной части значительной молекулярной массы, обеспечивающей растворимость в углеводородах, маслорастворимые ПАВ часто содержат гидрофобные активные группы. Как правило, эти ПАВ слабо поверхностно-активны на границе раздела жидкость - воздух.
Вопрос
о применении ПАВ для увеличения
нефтеотдачи также решался
Сегодня
уже нет никаких сомнений в
том, что применение ПАВ в различных
технологиях повышения
1.
Добавка ПАВ в воду снижает
межфазное натяжение воды на
границе с нефтью. При низком
межфазном натяжении капли
2.
Добавка ПАВ в воду за счет
снижения поверхностного
3.
Водные растворы ПАВ проявляют
моющее действие по отношению
к нефти, покрывающей
4.
Лучшее вытеснение нефти водой,
Начало применения ПАВ в нефтепромысловой практике относится к 50-ым годом XX века.
За
прошедшие 50 лет сложился широкий
спектр ПАВ, применяемых для увеличения
нефтеотдачи: сульфонолы; сульфоэтоксилаты
ОЭАФ [21], алкилсульфоиаты, реагенты ряда
ОП (ОП-4, ОП-10) оксиэтилированные алкилфенолы
(неонолы АФ9-4, АФ9-6, АФ9-10, АФ9-12) и др.
Причем первоначально указанные
ПАВ использовались индивидуально,
а теперь преобладает применение
композиций ПАВ, обладающих синергическим
эффектом совместного действия АПАВ
и НПАВ, таких как композиция «Сепавет»
фирмы ВА8Р [21], маслорастворимые и
водорастворимые ПАВ «Нефтенол»
Первые
попытки применения эмульсий в нефтяной
промышленности были предприняты в
начале 70-х годов, но из-за дороговизны
реагентов и ограниченного
Примером такой композиции является разработка фирмы «Хёхст» -«Додифлад V-3100». В эмульсионных составах в качестве углеводородной дисперсионной среды, как правило, используются легкие (гексановая. дизельная) фракции нефти. Вместе с тем, содержание водной фазы в этих системах было незначительным, поэтому вязкость полученных эмульсионных систем также была ограниченна.
Разработанные
технологии эмульсионного воздействия,
как правило, рекомендцются для
применения - в песчанистых пластах,
где обычное заводнение было успешным,
но уже исчерпало себя; или на
карбонатных залежах при
Наиболее широкое применение в технологии повышения нефтеотдачи нашли неионогенные поверхностно-активные вещества (НПАВ).
Этот вид ПАВ насчитывает более 50 веществ различных групп. Среди них наибольшее распространение получили оксиэтилированные изононилфенолы типов ОП-10, АФ9-4, АФ9-6, АФ9-10, АФ9-12, в основном из-за больших объемов их промышленного производства.
По
мнению многих исследователей, преимущество
НПАВ заключается в их совместимости
с водами высокой минерализации
и значительно меньшей
С
позиций сегодняшнего дня это
можно объяснить слабой поверхностной
активностью на границе раздела
нефть - вода, незначительными
Многочисленные
экспериментальные
В экспериментах по вытеснению остаточной нефти из моделей терригенных пород с использованием дисперсий маслорастворимых ПАВ, выполненных в УНИ и ВНИПИнефтепромхим, была показана возможность существенного улучшения доотмыва остаточной нефти после обычного заводнения. Промысловые испытания этой технологии на опытном участке Ташлиярской площади Ромашкинского месторождения позволили дополнительно получить 24 тыс. т нефти, или 60 т на 1 т ПАВ. По этой технологии для довытеснения остаточной нефти была закачана водная дисперсия маслорастворимого ПАВ АФ9-6. Приготовленная на поверхности водная дисперсия с концентрацией до 10 % представляла собой микроэмульсию прямого типа. Средняя обводненность добываемой жидкости из скважин опытных участков составляла 83-95 %. В других геолого-физических условиях, например Башкирии, промысловый эксперимент, проводимый на Арланском месторождении с 1967 г. по технологии долговременного дозирования низкоконцентрированных растворов ОП-10, не дал ожидаемых положительных результатов. Несмотря на то, что в пласты опытного объекта было закачано более одного порового объема 0,05 % раствора ОП-10, систематический контроль за содержанием ПАВ в продукции добывающих скважин не выявил заметных концентраций ПАВ. Значительные потери активного вещества в пласте многие авторы связывают с адсорбционными и деструкционными процессами, происходящими после закачки ПАВ в пласт.
2 Целлюло́за (фр. cellulose от лат. cellula — «клетка, клетушка») — углевод, полимер с формулой (C6H10O5)n[1], белое твёрдое вещество, нерастворимое в воде, молекула имеет линейное (полимерное) строение, структурная единица — остаток β-глюкозы [С6Н7О2(OH)3]n. Полисахарид, главная составная часть клеточных оболочек всех высших растений.
Целлюлоза — белое твердое, стойкое вещество, не разрушается при нагревании (до 200 °C). Является горючим веществом, температура воспламенения 275 °С, температура самовоспламенения 420 °С (хлопковая целлюлоза). Не растворима в воде и слабых кислотах.
Целлюлоза представляет собой длинные нити, содержащие 300—10 000 остатков глюкозы, без боковых ответвлений. Эти нити соединены между собой множеством водородных связей, что придает целлюлозе большую механическую прочность, при сохранении эластичности. обладает волокнистым строением и механической прочностью. Зарегистрирована в качестве пищевой добавки E460.
промышленным методом целлюлозу получают методом варки щепы на целлюлозных заводах, входящих в промышленные комплексы (комбинаты). По типу применяемых реагентов различают следующие способы варки целлюлозы:
- Кислые:
- Сульфитный. Варочный раствор содержит сернистую кислоту и её соль, например гидросульфит натрия. Этот метод применяется для получения целлюлозы из малосмолистых пород древесины: ели, пихты.
- Щелочные:
- Натронный. Используется
раствор гидроксида натрия.
Натронным способом можно получать целлюлозу
из лиственных пород древесины и однолетних
растений. Преимущество данного метода —
отсутствие неприятного запаха соединений
серы, недостатки — высокая стоимость
получаемой целлюлозы. Метод практически
не используется.[источник не указ
ан 635 дней] - Сульфатный. Наиболее распространенный метод на сегодняшний день. В качестве реагента используют раствор, содержащий гидроксид и сульфид натрия, и называемый белым щёлоком. Своё название метод получил от сульфата натрия, из которого на целлюлозных комбинатах получают сульфид для белого щёлока. Метод пригоден для получения целлюлозы из любого вида растительного сырья. Недостатком его является выделения большого количества дурно пахнущих сернистых соединений: метилмеркаптана, диметилсульфида и др. в результате побочных реакций.
Получаемая после варки
Для удаления остаточного лигнина и придания целлюлозе белизны проводится её отбелка. Традиционная для 20 века хлорная отбелка включала в себя две ступени:
- обработка хлором — для разрушения макромолекул лигнина;
- обработка щелочью — для экстракции образовавшихся продуктов разрушения лигнина.
С 1970-х годов в практику вошла
также отбелка озоном. В начале
1980-х годов появились
- ECF (Elemental chlorine free) — без использования элементарного хлора, с заменой его на диоксид хлора.
- TCF (Total chlorine free) — полностью бесхлорная отбелка. Используются кислород, озон, пероксид водорода и др.
Применение
Целлюлозу и её эфиры используют для получения искусственного волокна (вискозный, ацетатный, медно-аммиачный шёлк, искусственная шерсть). Хлопок, состоящий большей частью из целлюлозы (до 99,5 %), идёт на изготовление тканей.
Древесная целлюлоза используется для производства бумаги, пластмасс, кино- и фотоплёнок, лаков, бездымного пороха и т. д.[1]
ПРОИЗВОДНЫЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ, термопластические вещества, получаемые путем переработки ЦЕЛЛЮЛОЗЫ. К ряду этих производных относится НИТРОЦЕЛЛЮЛОЗА (нитрат целлюлозы), которую используют в ракетных топливах и взрывчатых веществах, а также различные ацетаты целлюлозы для изготовления текстильных волокон и упаковочных пленок, и этилцеллюлоза, входящая в состав ударопрочных материалов.
3. ВЕЩЕСТВА, ИЗМЕНЯЮЩИЕ СТРУКТУРУ
ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
К этой группе пищевых добавок относятся
вещества, используемые для создания
необходимых или изменения
Химическая природа пищевых добавок, отнесенных к этой группе, достаточно разнообразна. Среди них имеются продукты природного происхождения и получаемые искусственным путем, в том числе химическим синтезом. В пищевой технологии они используются в виде индивидуальных соединений или смесей.
В последние годы в группе пищевых добавок, регулирующих консистенцию продукта, большое внимание стало уделяться стабилизационным системам, включающим несколько компонентов: эмульгатор, стабилизатор и загуститель. Их качественный состав, соотношение компонентов могут быть весьма разнообразны, что зависит от характера пищевого продукта, его консистенции, технологии получения, условий хранения, способа реализации.
Применение в современной
Стабилизационные системы
ЗАГУСТИТЕЛИ И ГЕЛЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Будучи введенными в жидкую пищевую систему в процессе приготовления пищевого продукта, загустители и гелеобразователи связывают воду, в результате чего пищевая коллоидная система теряет
свою подвижность и
В химическом отношении добавки этой труппы являются полимерными соединениями, в макромолекулах которых равномерно распределены гидрофильные группы, взаимодействующие с водой. Они могут участвовать также в обменном взаимодействии с ионами водорода и металлов (особенно кальция) и, кроме того, с органическими молекулами меньшей молекулярной массы.
КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАГУСТИТЕЛЕЙ И ГЕЛЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Эта группа пищевых добавок включает соединения двух функциональных классов:
загустители (см. табл. 1.1, функциональный класс 23) — вещества, используемые для повышения вязкости продукта;
гелеобразователи (см. табл. 1.1, функциональный класс 15) — соединения придающие пищевому продукту свойства геля (структурированной высокодисперсной системы с жидкой дисперсионной средой, заполняющей каркас, который образован частицами дисперсной фазы).
Среди них натуральные природные вещества животного (желатин) и растительного (пектин, агароиды, камеди) происхождения, а также вещества, получаемые искусственно (полусинтетическим путем), в том числе из природных источников (модифицированные целлюлозы, крахмалы и др.). Промежуточное положение между этими двумя группами занимают альгинат натрия и низкоэтерифицированный пектин. К синтетическим загустителям относятся водорастворимые поливиниловые спирты и их эфиры.
Перечень основных загустителей и гелеобразователей, разрешенных в соответствии с СанПиН 2.3.2.560—96 для применения в производстве пищевых продуктов в России, приведен в табл.
Таблица
Пищевые
загустители н
Е-номер |
Пищевая добавка |
Технологическая функция |
Е400 |
Альгиновая кислота |
Загуститель, стабилизатор |
Соли альгиновой кислоты (альгинаты) | ||
Е401 Е402 Е403 Е404 Е405 |
Альгинат натрия Альгинат калия Альгинат аммония Альгинат кальция Пропиленгликольальгинат (ПГА) |
Загуститель, стабилизатор То же » Загуститель, стабилизатор, пеногаситель Загуститель, эмульгатор |
Е406 |
Агар-агар |
Гелеобразователь, загуститель, стабилизатор |
Е407 |
Каррагинан и соли аммония, калия и натрия |
То же |
Е409 |
Арабиногалактан |
Загуститель, стабилизатор, гелеобразователь |
Е410 |
Камедь рожкового дерева |
Загуститель, стабилизатор |
E411 |
Овсяная камедь |
То же |
Е412 |
Гуаровая камедь |
» |
Е413 |
Трагакант |
Загуститель, стабилизатор, эмульгатор |
Е414 |
Гуммиарабик |
Загуститель, стабилизатор |
Е415 |
Ксантановая камедь |
То же |
Е416 |
Камедь карайи |
» |
Е417 |
Камедь тары |
» |
Е418 |
Геллановая камедь |
Гелеобразователь, загуститель, стабилизатор |
E4I9 |
Камедь гхатти |
То же |
Е440а |
Пектины |
» |
Е440b |
Амидированные пектины |
» |
E460i |
Целлюлоза микрокристаллическая |
Эмульгатор, текстуратор |
E460ii |
Целлюлоза порошкообразная |
Эмульгатор, текстуратор, диспергатор |
Модифицированные целлюлозы | ||
Е461 |
Метилцеллюлоза |
Загуститель, стабилизатор, эмульгатор |
Е462 |
Зтилцеллюлоза |
Стабилизатор |
Е463 |
Гидроксипропилцеллюлоза |
Стабилизатор, загуститель |
Е464 |
Гидроксипропилметилцеллю- лоза |
Загуститель, стабилизатор, эмульгатор |
Е465 |
Метилэтилцеллюлоза |
Стабилизатор, загуститель, эмульгатор, пенообразователь |
Е466 |
Карбоксиметилцеллюлоза (натриевая соль) |
Загуститель, стабилизатор |
Е467 |
Этилгидроксиэтилцеллюлоза |
Стабилизатор, загуститель, эмульгатор |
Е469 |
Карбоксиметилцеллюлоза |
Стабилизатор |
Модифицированные крахмалы | ||
Е1400 |
Декстрины, крахмал, обработанный термически, белый и желтый |
Загуститель, стабилизатор |
Е1401 |
Крахмал, обработанный кислотой |
То же |
Е1402 |
Крахмал, обработанный щелочью |
» |
Е1403 |
Отбеленный крахмал |
» |
Е1404 |
Окисленный крахмал |
Загуститель, эмульгатор |
Е1405 |
Крахмал, обработанный ферментными препаратами |
Загуститель |
Е1410 |
Монокрахмалфосфат |
Загуститель, стабилизатор |
Е1411 |
Дикрахмалглицерин сшитый |
То же |
Е1412 |
Дикрахмалфосфат, этерифици-рованный тринатрийфосфа-том; этерифицированный хлор-окисью фосфора |
» |
Е1413 |
Фосфатированный дикрахмал-фосфат сшитый |
» |
Е1414 |
Ацетилированный дикрахмал-фосфат сшитый |
Загуститель |
Е1420 |
Ацетатный крахмал, этерифицированный уксусным ангидридом |
Загуститель, стабилизатор |
E142I |
Ацетатный крахмал, этерифицированный винилацетатом |
То же |
Е1422 |
Ацетилированный дикрахмал-адипат |
» |
Е1423 |
Ацетилированный дикрахмал-глицерин |
» |
El 440 |
Оксипропилированный крахмал |
Загуститель, эмульгатор |
Е1442 |
Оксипропилированный ди-крахмалфосфат сшитый |
Загуститель, стабилизатор |
Е1443 |
Оксипропилированный ди-крахмалглицерин |
То же |
Е1450 |
Эфир крахмала и натриевой соли октенилянтарной кислоты |
» |
EI451 |
Ацетилированный окисленный крахмал |
» |
Геаеобразователи белковой природы | ||
Желатин |
Гелеобразователь | |