Charakterystyka klasycznego procesu zmaślania cz II

dla studentów

Prędkości ścinania w zmaślanej śmietanie nie są zbyt duże, chociaż lokalnie mogą być dość znaczne. Przy takich prędkościach dochodzi wprawdzie do licznych zderzeń kuleczek, ale energia tych zderzeń — jak już wspomniano — nie wystarcza do połączeń kuleczek. Należy bowiem uwzględnić fakt, iż kuleczki wrykazują pewną sprężystość (dzięki powłokom zestalonego tłuszczu), jak i elektrostatyczne wzajemne odpychanie się z powodu jednoimiennego ujemnego ładunku elektrycznego. Najsilniejsze odpychanie się kuleczek zachodzić ma przy odległości około 1 nm. W miarę zmniejszania odległości odpychanie maleje i przy bardzo małych odległościach pojawia się silne wzajemne przyciąganie kuleczek spowodowane siłami Londonavan der Waalsa. lekkie przyciąganie się kuleczek pojawiać się ma także przy większych dległościach, tj. powyżej około 3 nm . W dążeniu do wyjaśnienia istoty zmaślania już dawno zwrócono uwagę na rolę powietrza (piany) jako podstawowego czynnika destabilizacji mulsji wodno-tłuszczowej, jaką jest śmietana (zmaślanie bez udziału powietrzą jest wprawdzie możliwe, ale technicznie trudne i długotrwałe; wymaga urządzeń zapewniających bardzo duże prędkości ścinania).W wyniku mechanicznych wstrząsów lub uderzeń mieszadła następuje bardzo dokładna dyspersja powietrza dostającego się do śmietany. Zgodnie z zasadą Gibbsa-Thomsona, na powierzchni granicznej tworzących się pęcherzyków powietrza (zwykle o średnicy 40 nm i większej) i fazy nej (plazmy śmietany) gromadzą się substancje mające zdolność Obola napięcia powierzchniowego, a więc białka i kuleczki tłuszczowe swym otoczkom fosfolipidowo-białkowym). Jak wiadomo, po naniesieniu pewnej ilości (np. kropli) substancji powierzchniowo czynnej na powierzchnię cieczy o wyższym napięciu powierzchniowym następuje powne rozprzestrzenienie się molekuł tej substancji jak najdalej po powierzchni cieczy (jeśli nie jest w niej rozpuszczalna), do momentu, aż wytworzy się warstwa monomolekularna. Miarą intensywności tego rozprzestrzeniania się jest tzw. ciśnienie powierzchniowe. Ps, odzwierciedlające siłę, z jaką rozprzestrzeniające się cząsteczki oddziałują na jednostkę długości ustawionej na ich drodze przegrody. Ciśnienie to mające wymiar napięcia powierzchniowego, jest w pewnym sensie również miarą sił odrywających poszczególne cząsteczki od kropli substancji powierzchniowo czynnej. Istota tego zjawiska polega na „zmagazynowaniu" dużej ilości energii na powierzchni cieczy (np. wody) o dużym napięciu powierzchniowym. Energia ta wynika z faktu, iż cząsteczki znajdujące się na powierzchni są silnie wiązane przez sąsiadujące z nimi cząsteczki od strony wnętrza cieczy, natomiast od strony powietrza ich potencjalne siły intermolekularne nie są dostatecznie zrównoważone przez słabe oddziaływanie z cząsteczkami gazów (N2, 02). Siły te działają więc jak magnes na cząsteczki substancji powierzchniowo czynnej wprowadzonej na powierzchnię cieczy. Związanie bowiem tych sił z cząsteczkami substancji powierzchniowo czynnej prowadzi do ich wysycenia i dzięki temu układ staje się bardziej stabilny. Zjawisko to zgodne jest z kierunkowością samoistnych przemian i tłumaczy się dążeniem każdego układu do osiągnięcia minimum energii dla uzyskania w ten sposób trwalszej równowagi. Z przytoczonych rozważań wynika, że na otoczkę fosfolipidowo-białkową kuleczek znajdujących się na nowo utworzonej powierzchni granicznej powstających pęcherzyków piany działać muszą siły, które dążą do maksymalnego rozprzestrzenienia powierzchniowo czynnego materiału otoczkowego po całej powierzchni granicznej pęcherzyka. Jeśli założyć, że siły te są wystarczające do rozerwania otoczki, to nasuwa się pytanie, dlaczego w pozostawionej w spokoju śmietanie nie zachodzi zjawisko rozrywania otoczek kuleczek tłuszczowych znajdujących się na powierzchni granicznej śmietana—powietrze. Otóż na powierzchni takiej zaadsorbowana jest warstewka białkowa (głównie kazeinowa), której ujemny ładunek elektrostatyczny powoduje odpychanie kuleczek tłuszczowych i nie dopuszcza do ich „przebicia się" do samej powierzchni granicznej. Inaczej wygląda powierzchnia graniczna plazma—powietrze w pęcherzykach powietrza w pierwszym momencie ich powstawania w procesie zmaślania. Mianowicie nie ma tam jeszcze uporządkowanej warstwy subtancji powierzchniowo czynnych. Do takiej nowo utworzonej powierzchni granieznej natychmiast podążają więc zarówno kuleczki tłuszczowe równym otoczkom zbudowanym z kompleksów lipoproteidowych, B obniżających napięcie powierzchniowe), jak i białka plazmy. Innymi słowy, na kuleczkę, a przynajmniej na określoną niewielką ifelę jej powierzchni, oddziałują znaczne siły, które powodują rozerwanie otoczki, chwilową deformację kuleczki i w rezultacie wyciśnięcie z niej na zewnątrz części ciekłego tłuszczu. W ślad za materiałem otoczkowym także ciekły tłuszcz częściowo rozprzestrzenia się po powierzchni inicznej . Zderzanie się pęcherzyków, prowadzące do ich poszerzania się, jak również zanikanie pęcherzyków przy kontakcie z powierzchnią śmietany, równoznaczne jest ze zmniejszeniem powierzchni granicznej powietrze—plazma, w wyniku czego znajdujące się tam kuleczki tłuszczowe ulegają gwałtownemu wzajemnemu zbliżeniu i zderzeniu, co prowadzi do ich zlepiania się w mikroskopijne grudki masła. Czynnikiem zlepiającym jest ta część wolnego tłuszczu, która „nie zdążyła" się jeszcze pokryć zaadsorbowaną warstewką białek plazmy. Z kolei kolizje pęcherzyków, w których znajdują się już wytworzone wcześniej maleńkie grudki (zlepki kuleczek), prowadzą do powstawania nowych większych grudek. Te większe grudki mogą odłączać się od pęcherzyków w wyniku ich zanikania lub pod wpływem naprężeń ścinających. Grudki, które mają już odpowiednio dużą masę, osiągają wystarczająco dużą energię kinetyczną, aby ulegać zlepianiu w wyniku zwykłych mechanicznych zderzeń. Proces ten zaczyna dominować w końcowej fazie zmaślania, kiedy jest coraz mniej piany. Tworzące się w ten sposób jeszcze większe grudki określa się już jako ziarenka masła. Liczyć się też trzeba z możliwością rozrywania niektórych grudek w wyniku działania sił ścinających. W większości jednak przypadków ciekły tłuszcz nadaje grudkom wystarczająco dużą spójność, aby nie uległy rozbiciu. Należy stwierdzić, że w przedstawionym procesie zmaślania nie zachodzi typowa flotacja w pełnym tego słowa znaczeniu, nie następuje bowiem uformowanie się oddzielonej od cieczy warstwy piany. Do takiej nowo utworzonej powierzch-granicznej natychmiast podążają więc zarówno kuleczki tłuszczowe  równe otoczkom zbudowanym z kompleksów lipoproteidowych, obniżających napięcie powierzchniowe), jak i białka plazmy. Oczyścić w chwili samego uformowania się pęcherzyka napięcie powierzchna granicy plazma-powietrze jest najwyższe (brak bowiem jej wówczas uporządkowanej monomolekularnej warstwy substancji), a więc wysokie będzie również napięcie powierzchniowe Ps, wywołane przez cząsteczki lipoproteidowe wane z otoczek (kuleczek tłuszczowych, które właśnie wtargnęły do wierzchni pęcherzyka) i rozprzestrzeniające się po powierzchni. Innymi słowy, na kuleczkę, a przynajmniej na określoną niewielką strefę jej powierzchni, oddziałują znaczne siły, które powodują rozerwane otoczki, chwilową deformację kuleczki i w rezultacie wyciśnięcie z niej na zewnątrz części ciekłego tłuszczu. W ślad za materiałem otoczkowym także ciekły tłuszcz częściowo rozprzestrzenia się po powierzchni inicznej . Zderzanie się pęcherzyków, prowadzące do ich pocieszania się, jak również zanikanie pęcherzyków przy kontakcie z powierzchnią śmietany, równoznaczne jest ze zmniejszeniem powierzchni iranicznej powietrze—plazma, w wyniku czego znajdujące się tam kuleczki tłuszczowe ulegają gwałtownemu wzajemnemu zbliżeniu i zderzeniu, co prowadzi do ich zlepiania się w mikroskopijne grudki masła. Czynnikiem zlepiającym jest ta część wolnego tłuszczu, która „nie zdążyła" się jeszcze pokryć zaadsorbowaną warstewką białek plazmy. Z kolei kolizje pęcherzyków, w których znajdują się już wytworzone wcześniej maleńkie grudki (zlepki kuleczek), prowadzą do powstawania nowych większych grudek. Te większe grudki mogą odłączać się od pęcherzyków w wyniku ich zanikania lub pod wpływem naprężeń ścinających. Grudki, które mają już odpowiednio dużą masę, osiągają wystarczająco dużą energię kinetyczną, aby ulegać zlepianiu w wyniku zwykłych mechanicznych zderzeń. Proces ten zaczyna dominować w końcowej fazie zmaślania, kiedy jest coraz mniej piany. Tworzące się w ten sposób jeszcze większe grudki określa się już jako ziarenka masła. Liczyć się też trzeba z możliwością rozrywania niektórych grudek w wyniku działania sił ścinających. W większości jednak przypadków ciekły tłuszcz nadaje grudkom wystarczająco dużą spójność, aby nie uległy rozbiciu. Należy stwierdzić, że w przedstawionym procesie zmaślania nie zachodzi typowa flotacja w pełnym tego słowa znaczeniu, nie następuje bowiem uformowanie się oddzielonej od cieczy warstwy piany. Przeciwnie, poszczególne elementy fazy ciekłej i pęcherzyki ustawicznie zmieniają swoje wzajemne położenie. Dochodzi przy tym do kolizji i koalescencji pęcherzyków oraz ich zanikania w chwili wydostawania się na powierznię fazy ciekłej. Zanikanie poszczególnych pęcherzyków oznacza jednocześnie, iż związane z ich powierzchnią substancje otoczkowe i część wolnego tłuszczu (silnie zdyspergowanego i pokrytego zaadsorbowaną warstwą białkową) przechodzą do plazmy, tworząc tzw. tłuszcz koloidalny, nie dający się np. wydzielić przez wirowanie. W miejsce zanikających pęcherzyków tworzą się nowe i w rezultacie objętość powietrza w zmaślanej śmietanie, po początkowym silnym wzroście, utrzymuje się przez jakiś czas na stałym poziomie. W końcowym etapie zmaślania stopień napowietrzenia śmietany dość szybko jednak się zmniejsza, a czynnikiem powodującym zanikanie piany jest wzrost zawartości w plazmie tłuszczu koloidalnego. Zarówno bowiem wolny ciekły tłuszcz jak i fosfolipidy mają zdolność destabilizacji piany, przy czym mechanizm tego destabilizującego działania nie jest zupełnie jasny. Podobne właściwości wykazują dwuglicerydy, monoglicerydy i wolne kwasy tłuszczowe, co tłumaczy trudności w zmaślaniu śmietany, w której silniej zaszły zmiany lipolityczne.