כך פועלים מתחלבים

עם שיפור רמת החיים של אנשים, דרישות הצרכנים למזון אינן מוגבלות עוד לערך תזונתי סביר. הם דורשים גם תכונות חושיות מספקות של מזון, כולל מראה, צבע, ארומה, טעם, מרקם וטריות.

כתוספי מזון המשנים מרקם, מתחלבים ממלאים תפקיד חיוני בתעשיית המזון. בואו נבחן את מנגנון הפעולה שלמתחלבים!

אמולסיות

אמולסיות נמצאות באופן נרחב במזונות. פאזה אחת מורכבת ממים או מתמיסות מימיות, המכונות יחד פאזה הידרופילית; הפאזה השנייה היא פאזה אורגנית שאינה מתערבבת עם מים, המכונה גם פאזה ליפופילית. כאשר מערבבים שני נוזלים שאינם מתערבבים, כגון מים ושמן, יכולים להיווצר שני סוגים של אמולסיות, כלומר אמולסיות שמן-במים (O/W) ואמולסיות מים-בשמן (W/O). באמולסיות שמן-במים, שמן מפוזר במים כטיפות זעירות, כאשר טיפות שמן משמשות כפאזה מפוזרת והמים כתווך רציף. חלב הוא דוגמה אופיינית לאמולסיית O/W. לעומת זאת, באמולסיות מים-בשמן, מים מפוזרים בשמן כטיפות זעירות, כאשר מים משמשים כפאזה מפוזרת ושמן כתווך רציף, כאשר מרגרינה היא אמולסיית W/O מייצגת.

מנגנון הפעולה של מתחלבים

מתחלבים למזון, הנקראים גםחומרים פעילי שטח, הם חומרים ההופכים נוזלים שאינם מתערבבים לאמולסיות מפוזרות באופן אחיד. כתוספי מזון, הם יכולים להפחית משמעותית את מתח הפנים בין פאזות השמן והמים לאחר שילובם במזון, ובכך ליצור אמולסיות יציבות משמן בלתי מתערבב (חומרים הידרופוביים) ומים (חומרים הידרופיליים).

מצד אחד, מתחלבים יוצרים שכבות מולקולריות דקות בממשקים הדוחים זה את זה של שתי הפאזות כדי להוריד את האנרגיה החופשית של המערכת כולה וליצור ממשקים חדשים. מולקולות מתחלבות מכילות קבוצות הידרופיליות וליפופיליות כאחד, אשר יכולות להיספג למשטחים הדוחים זה את זה של שמן ומים בהתאמה כדי ליצור שכבות מולקולריות דקות ולהפחית את מתח הבין-פנים בין שתי הפאזות. ליתר דיוק, מולקולות שמן מקיימות אינטראקציה עם המקטעים הליפופיליים של מתחלבים בעוד שמולקולות מים מקיימות אינטראקציה עם המקטעים ההידרופיליים של מתחלבים, והאינטראקציה בין שני צדדים אלה משנה את מתח הבין-פנים. מצד שני, מתחלבים יוצרים שכבות ספיחה מגנות על פני השטח של טיפות זעירות, ומעניקות לטיפות ייצוב סטרי חזק. באופן כללי, מינון גבוה יותר של מתחלבים מוביל להפחתה משמעותית יותר במתח הבין-פנים. זה מאפשר לחומרים שלא היו ניתנים לערבוב במקור להתמזג באופן אחיד וליצור מערכת פיזור הומוגנית, אשר משנה את המצב הפיזי המקורי, מייעלת את המבנה הפנימי של המזון ומשפרת את איכות המזון.

ערך איזון הידרופילי-ליפופילי

האיזון ההידרופילי-ליפופילי (HLB) ערך: מתחלבים בעלי הידרופיליות חזקה יוצרים בדרך כלל אמולסיות שמן-במים, בעוד שאלו בעלי ליפופיליות חזקה יוצרים אמולסיות מים-בשמן. ערך ה-HLB משמש בדרך כלל לאפיון האיזון ההידרופילי-ליפופילי של מתחלבים ולכמת את ההידרופיליות שלהם. קיימות מספר שיטות חישוב עבור ערכי HLB:

נוסחת הפרש: HLB = הידרופיליות של קבוצות הידרופיליות−ליפופוביות של קבוצות ליפופיליות

נוסחת יחס: HLB = הידרופיליות של קבוצות הידרופיליות / ליפופוביות של קבוצות ליפופיליות

ניתן לקבוע את ערך ה-HLB של כל מתחלב באופן ניסיוני. נקבע כי מתחלבים עם ליפופיליות של 100% (המיוצגת על ידי שעוות פרפין) הם בעלי ערך HLB של 0, ואלו עם הידרופיליות של 100% (המיוצגת על ידי אשלגן אולאט) הם בעלי ערך HLB של 20. הטווח שבין 0 ל-20 מחולק ל-20 חלקים שווים כדי לציין את עוצמת ההידרופיליות והליפופיליות. ערך HLB גבוה יותר מתאים להידרופיליות חזקה יותר, ואילו ערך HLB נמוך יותר פירושו ליפופיליות חזקה יותר.

רוב המתחלבים בדרגת מזון הם חומרים פעילי שטח לא-יוניים עם ערכי HLB הנעים בין 0 ל-20; התכונות המתאימות של מתחלבים לא-יוניים עם ערכי HLB שונים מפורטות בטבלה. לעומת זאת, לחומרים פעילי שטח יוניים יש ערכי HLB הנעים בין 0 ל-40. לכן, מתחלבים עם ערכי HLB מתחת ל-10 הם בעיקר ליפופיליים, בעוד שאלו עם ערכי HLB שווים ל-10 או מעליהם מפגינים מאפיינים הידרופיליים.

עבור מתחלבים מעורבים, ערכי ה-HLB שלהם הם תוספתיים. לכן, כאשר משתמשים בשני מתחלבים או יותר בשילוב, ניתן לחשב את ערך ה-HLB של המתחלב המעורב על סמך שברי המסה של כל מרכיב מתחלב: HLB,b = HLB·A% + HLBb·B%

כאשר HLBa,b מציין את ערך ה-HLB של תערובת המתחלב a והמתחלב b; HLBa ו-HLBb מייצגים את ערכי ה-HLB בהתאמה של המתחלב a והמתחלב b; A% ו-B% מייצגים את אחוזי המסה של המתחלב a והמתחלב b בתערובת המתחלבת (נוסחה זו ישימה רק עבור מתחלבים לא יוניים).

שיטות הכנה וגורמי השפעה של מתחלבים

ישנן ארבע שיטות הכנה לחומרים מתחלבים, כלומר שיטת הגומי היבש, שיטת הגומי הרטוב, שיטת ערבוב פאזה של שמן-מים ושיטה מכנית.

שיטת הגומי היבש כוללת הוספת הפאזה המימית לפאזה השמנתית המכילה מתחלבים. במהלך ההכנה, אבקת הגומי (מתחלב) מעורבבת תחילה באופן שווה עם שמן, מוסיפה כמות מסוימת של מים, והתערובת נטחנת ומתחלבת לאמולסיה ראשונית, ולאחר מכן מוסיפים מים לדילול מלא. שיטת הגומי הרטובה פירושה הוספת פאזה השמנתית לפאזה המימית המכילה מתחלבים. בהכנה, הגומי (מתחלב) מומס תחילה במים כדי ליצור ריר גומי כפאזה מימית; לאחר מכן פאזת השמן מוסיפה לפאזה המימית במנות וטוחנת לאמולסיה ראשונית, ולאחר מכן מוסיפים מים לנפח מלא. שיטת ערבוב פאזת השמן-מים מתייחסת לערבוב כמות מסוימת של שמן ומים, טחינת גומי שיטה דק במכתש, הוספת תערובת השמן-מים לתוכה לטחינה מהירה לאמולסיה ראשונית, ולאחר מכן דילול במים.

הכנת מתחלבים נועדה בעיקר לאמולסיה של שני סוגי נוזלים, ואפקט האמולסיה משפיע רבות על איכות האמולסיה. הגורמים העיקריים המשפיעים על האמולסיה כוללים מתח בין-פנים, צמיגות וטמפרטורה, זמן אמולסיה ומינון המתחלבים. באופן כללי, נבחרים מתחלבים שיכולים להפחית משמעותית את מתח הבין-פנים. טמפרטורת האמולסיה האופטימלית עבור מתחלבים היא כ-70 מעלות צלזיוס.°ג; אם משתמשים בחומרים פעילי שטח לא-יוניים כמתחלבים, טמפרטורת האמולסיפיקציה לא תעלה על נקודת העכירות שלהם. באופן כללי, ככל שמינון המתחלבים גבוה יותר, כך האמולסיות הנוצרות יהיו יציבות יותר.