Эмульсии и пены

Эмульсии и пены

Тезисно о смешении почти несмешивающихся веществ.

Лед и пена — хлеб бармена. Про лед написано достаточно много разных статей, например про физику образования льда или  поведение льда при шейке и стире. Хотя возможно, дойдет очередь и до него в наших заметках. Пена тоже достаточно популярный предмет обсуждения, но все же менее очевидный и исследованный барменами с научной точки зрения. Плюс, помимо нее, хотелось бы затронуть тему эмульсий. 

 

Эмульсия —  дисперсная система, состоящая из мелких капель жидкости (дисперсной или внутренней фазы), распределенных в другой жидкости (дисперсионной среде или внешней фазе). Они могут образовываться двумя и более практически взаимно нерастворимыми жидкостями. Диаметр капель жидкости составляет 0,1 - 100 мкм. В основном, эмульсии разделяют на прямую (типа «масло в воде»  —  молоко, сливки, майонез, некоторые заправки), и обратную (типа «вода в масле»  —  сливочное масло, маргарин). В основном их получают путем дробления дисперсной фазы на мелкие капли, что можно сделать механически (перемешивая, встряхивая или взбивая), с помощью ультразвука или под действием электричества. 

 

Эмульсии сами по себе достаточно нестабильны, главным образом из-за того, что капли стремятся объединиться в более крупные, вплоть до образования  пленки, что приводит к расслоению из-за разности плотностей фаз. Для повышения устойчивости эмульсий обычно используют эмульгаторы и стабилизаторы. 

Эмульгаторы — это поверхностно-активные вещества (ПАВ), они имеют дифильное строение молекулы, и способны ограничено растворяться как в воде, так и в масле. Дифильность — свойство молекул вещества, обладающих одновременно гидрофильными и гидрофобными свойствами. ПАВ снижают снижают межфазное поверхностное натяжение, также они образуют пленку на граничной поверхности, погружая свои полярные гидрофильные концы в воду, а неполярные гидрофобные в масло. В зависимости от типа эмульсии, выбирают эмульгаторы с разными превалирующими свойствами. Для эмульсии «масло в воде» лучше работают водорастворимые эмульгаторы, а для эмульсии «вода в масле» — жирорастворимые. Как правило ПАВ представляют собой белково-липидные комплексы с различным составом эмульгирующих веществ. 

 

Распределение молекул ПАВ на примере мицеллы 

 

Стабилизаторы, в отличие от эмульгаторов, не проникают внутрь дисперсной фазы, а за счет длинноцепочной структуры обволакивают ее и усиливают электрические заряды. Таким образом они повышают вязкость внешней фазы, чем и обеспечивается стабильность системы. Для этих целей чаще всего используются гидроколлоиды.

 

Гидроколлоиды — собирательное название для группы гидроксильных полимеров, способных в небольших концентрациях повышать вязкость системы и образовывать стабильные гидрогели. Агар, ксантан, крахмал, желатин, гуммиарабик, пектин, альгинат — все это гидроколлоиды. Интересным их свойством является способность к синергии. Например, усиление эффекта загущения при использовании ксантана и гуммиарабика вместе, по сравнению с использованием их по отдельности. Если интересно, почитайте подробнее здесь или в этой книге. Для практического применения в качестве настольного справочника можно использовать книгу «Texture by Martin Lersch». 

 

Практическое применение эмульсий и гидроколлоидов в баре достаточно обширно. Начиная с возможности сделать устойчивый сироп с любым маслом или молоком, заканчивая стабильными премиксами с фруктовыми пюре. 

 

От эмульсий плавно перетекаем в сторону более знакомой барменам субстанции —   пены. Пены по своей природе близки к концентрированным эмульсиям. Но в качестве дисперсной фазы у них выступает газ, а не жидкость. По сравнению с эмульсиями, срок жизни пены гораздо меньше (в зависимости от типа жидкости и присутствия стабилизаторов или ПАВ пена может сохранять свою форму до нескольких часов, тогда как для эмульсии срок исчисляется неделями). Основная причина в том, что из-за диффузионного переноса газа из маленьких ячеек в большие и, с другой стороны, дренажа внешней среды под действием силы тяжести. Также одним из факторов, влияющих на неустойчивость пены является размер пузырьков газа, который в среднем больше, чем размер капель в эмульсиях. 

Для получения пены необходимо интегрировать пузырьки газа в жидкость, что невозможно без приложения достаточно большого количества энергии, которая нужна для создания поверхностного натяжения на границе раздела фаз. Способы получения этой энергии могут быть разные: механический (взбивание), фазовый переход (сервировка шампанского или пива, сифон, кремер), химическая реакция (разрыхлитель), биологический (дрожжи). Нас в основном интересуют первые два.

 

При взбивании по сути происходит двухэтапное формирование пены: сначала формируются большие пузыри газа в жидкости, затем они уже разбиваются на более мелкие, которые и образуют финальную пену. При фазовом переходе образование пены состоит всего из одного этапа, а именно перехода газа из жидкого состояния в газообразное, при котором сразу формируются маленькие дисперсные пузырьки. 

 

Для создания устойчивой пены необходимо присутствие стабилизаторов или ПАВ в жидкой фазе, иначе срок жизни пены будет совсем недолгим. В основном стабилизация пены происходит за счет повышения вязкости жидкости, что помогает формировать более устойчивые пленки у пузырьков. 

 

Белок — один из самых популярных способов получить пену в коктейле. Белок куриного яйца в среднем состоит на 85-90% из воды, остальное — это разные белки, а также небольшое количество минералов, витаминов, жиров и углеводов. Во время взбивания белка происходит его частичная денатурация, что приводит к нарушению его структуры и развертыванию полипептидных цепей белка. Образуются случайные и беспорядочные структуры, которые обволакивают пузырьки воздуха, и этим стабилизируют пену. Добавление кислоты делает пену более устойчивой за счет уменьшения pH. 

Механизм пенообразования с помощью яичного белка (картинка взята из книги Гарольда МакГи  «On Food and Cooking: The Science and Lore of the Kitchen»)

Также на пенообразование белка влияют жиры (снижают эффективность, в основном из-за стремления захватить поверхность пузырьков без обеспечения стабилизации), сахар (делает жидкость более вязкой, за счет чего процесс дренажа замедляется), соль (увеличивает время взбивания и уменьшает устойчивость пены) и вода (уменьшает стабильность пены за счет разбавления жидкости, что приводит к более быстрому дренажу). 

 

В целом, протеин один из наиболее эффективных способов стабилизации пены, хотя разные виды протеинов имеют разные пенообразующие свойства. Но в целом, если он  содержится в жидкости, пена будет более стабильна. Например, содержание белков в молочных продуктах, растительном «молоке» или аквафабе позволяет взбить их в пену. Мед тоже содержит некоторое количество протеинов, поэтому напитки, приготовленные с ним, имеют воздушную текстуру. 

 

Добавление гидроколлоидов в жидкую фазу также помогает сделать пену более устойчивой, в основном  из-за увеличения вязкости и эластичности жидкости (их применение мы уже рассмотрели на примере эмульсий). Кстати, большинство свежевыжатых соков, которые используются в баре, содержат пектин, который является гидроколлоидом. Поэтому хорошо взбитый сауэр имеет пенку. 

 

И если зашла речь о стабилизаторах, было бы неплохо упомянуть эффективность поверхностно-активных веществ при пенообразовании. Распространенным примером таких веществ являются сапонины. Сапонины — высокомолекулярные сложные органические соединения гликозидного характера; растворенные в воде, они при встряхивании образуют обильную  пену. Основными источниками сапонинов являются корни диоскореи ниппонской, аралии маньчжурской, женьшеня, в незначительных количествах корень солодки. Ребята из Украины например, производят классный продукт Easy Foam, основа которого — экстракт дерева Квиллайя мыльная (Quillaja saponaria), богатый сапонинами. 

 

Кофе — интересный и самодостаточный продукт, про который написаны книги и сделано достаточно много исследований. Нас же интересует кофе с точки пенообразующего агента при взбивании смешанных напитков с ним. По своей природе кофе — суспензия (жидкость, со взвешенными в нем мелкими твердыми частицами). Крема на эспрессо является пеной с жидкой фазой в виде эмульсии типа «масло в воде». Кофе при добавлении  в коктейль формирует пышную пену, в основном благодаря протеинам и сахарам, входящих в его состав. 

 

Пенообразование и эмульсии — обширная тема, и здесь всего лишь тезисно описаны основные процессы, происходящие во время взаимодействия разных, почти несмешиваемых фаз. В недалеком будущем мы раскроем эту тему более детально, и более ориентировано на практическое применение. Хотя хотелось бы надеяться, что полученные знания вдохновят вас самих на более глубокое и детальное изучение темы.


 

Источники:

 

  1. Большой Энциклопедический словарь, 2000

  2. Wikipedia

  3. Е. Мухачева, Елена Оробейко, С. Егоров. Коллоидная химия. Шпаргалка

  4. А. Цымбалов. Влияние поверхностно-активных веществ на диспергирование и стабильность водомасляных эмульсий, 2018

  5. О. Вакуленко, Е. Челяпов, М. Тугуз, С. Ильинова. Современные тенденции создания специализированных пищевых соусов

  6. Рогов И.А. и др.. Биотехнология мяса и мясопродуктов: курс лекций. 2009

  7. Kevin Liu. Craft Cocktails at Home: Offbeat Techniques, Contemporary Crowd-Pleasers, and Classics Hacked with Science.

  8. Dave Arnold. Liquid Intelligence: The Art and Science of the Perfect Cocktail.

  9. https://perso.univ-rennes1.fr/arnaud.saint-jalmes/drenckhan_saintjalmes_ACIS2015_final.pdf

  10. https://drinks.seriouseats.com/2013/07/cocktail-science-foam-eggwhite-gomme-dry-shake-beer-foam-eggwhite-alternatives.html

  11. https://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-3-642-59116-7_6

  12. https://www.researchgate.net/publication/51618729_Neglected_Food_Bubbles_The_Espresso_Coffee_Foam

Comments

Log in to leave a comment

Be the first who will comment it