ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑΣ, ΑΝΟΡΓΑΝΗΣ ΚΑΙ ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ Μεταπτυχιακό Δίπλωμα Ειδίκευσης: «ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ ΚΑΙ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ» ΘΕΜΑ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ ΓΑΛΑΚΤΩΜΑΤΩΝ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΣΥΣΤΑΣΕΙΣ ΕΛΑΙΩΔΟΥΣ ΦΑΣΗΣ ΒΑΓΕΝΑ ΑΡΤΕΜΙΣ ΧΗΜΙΚΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΟΥΣΑ ΕΠΙΚΟΥΡΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ: ΚΟΛΙΑΔΗΜΑ ΑΘΑΝΑΣΙΑ ΠΑΤΡΑ 2015

2 UNIVERSITY OF PATRAS DEPARTMENT OF CHEMISTRY DIVISION PHYSICAL, INORGANIC AND NUCLEAR CHEMISTRY Master of Science in: «ANALYTICAL CHEMISTRY AND NANOTECNHOLOGY» SUBJECT OF DIPLOMA WORK PHYSICOCHEMICAL CHARACTERIZATION OF EMULSIONS WITH VARIOUS LIPID PHASES VAGENA ARTEMIS CHEMIST SUPERVISOR ASSISTANT PROFESSOR: KOLIADIMA ATHANASIA PATRAS

3 ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Καραϊσκάκης Γεώργιος, Καθηγητής Ντάλας Ευάγγελος, Καθηγητής Κολιαδήμα Αθανασία, Επίκουρος Καθηγήτρια - Επιβλέπων THREE - MEMBERED EXAMINATION COMMITTEE Karaiskakis Geogrios, Professor Ntalas Euaggelos, Professor Koliadima Athanasia, Assistant Professor Supervisor 3

4 Στους γονείς μου Κωνσταντίνο και Αγγελική 4

5 Ευχαριστίες Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία εκπονήθηκε στο εργαστήριο Φυσικοχημείας, του τμήματος Χημείας του Πανεπιστημίου Πατρών, στα πλαίσια του Διατμηματικού Μεταπτυχιακού Προγράμματος «Αναλυτική Χημεία και Νανοτεχνολογία». Με την ολοκλήρωσή της, θα ήθελα εκφράσω τις θερμές ευχαριστίες μου προς την επιβλέπουσα Επίκουρο Καθηγήτρια κα. Κολιαδήμα Αθανασία που με εμπιστεύτηκε και μου έδωσε την δυνατότητα εκπόνησης της συγκεκριμένης εργασίας. Την ευχαριστώ για την πολύτιμη βοήθεια, υποστήριξη και καθοδήγησή της. Οι συμβουλές της και οι παροτρύνσεις της, υπήρξαν καταλυτικές για τις όποιες απογοητεύσεις μου στη διάρκεια εκπόνησής της. Ευχαριστώ πάρα πολύ τον Καθηγητή κ. Καραϊσκάκη Γεώργιο για τις εύστοχες παρατηρήσεις του και για τις πολύ ενδιαφέρουσες υποδείξεις του. Η συμβολή του ήταν καθοριστική για την διεκπεραίωση της εργασίας αυτής. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τον Καθηγητή του ΤΕΙ Καλαμάτας κ Καπόλο Γιάννη γιατί η συμβολή και το ενδιαφέρον του ήταν πάντα καθοριστικά σε κάθε τεχνική δυσκολία. Φυσικά, να ευχαριστήσω τον κ Ντάλα Ευάγγελο για την τιμή που μου έκανε να συμμετάσχει στην τριμελή επιτροπή μου. Ιδιαίτερες ευχαριστίες θα ήθελα να απευθύνω στον υποψήφιο διδάκτορα Σεβαστό Δημήτριο καθώς χωρίς τη βοήθεια και τις συμβουλές του δεν θα ήταν δυνατή η πραγματοποίηση των πειραμάτων και η επεξεργασία των αποτελεσμάτων. Τον ευχαριστώ, επίσης, για την μνημειώδη ηρεμία που μου μετέδιδε και το υπέροχο κλίμα που δημιούργησε κατά την παραμονή μου στο εργαστήριο. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω την διπλωματούχο μεταπτυχιακό Κέντα Στέλλα για τις υποδείξεις και της συμβουλές της, χωρίς τις οποίες θα ήταν δύσκολο το ξεκίνημα της εργασίας αυτής. Όμως πάνω από όλα ευχαριστώ την οικογένεια μου που με στηρίζει πάντα σε ό,τι και αν κάνω. 5

6 Λέξεις Κλειδιά Κολλοειδείς διασπορές Συνθετικό γαλάκτωμα Πρωτεΐνες γάλακτος Πρωτεΐνες ορού Tween - 80 Έλαια Γάλα Καζεΐνες Συνθετικοί γαλακτωματοποιητές Ελαιώδης φάση Μονοφασική Χρωματογραφία Φυγοκεντρικού Πεδίου (Μ.Χ.Φ.Π) Keys Words Colloidal dispersions Synthetic latex Milk proteins Serum proteins Tween - 80 Oils Milk Casein Synthetic emulsifiers Oily phase Sedimentation Field Flow Fractionation (SdFFF) 6

7 Περίληψη Γαλακτώματα είναι τα μικροετερογενή συστήματα, τα οποία αποτελούνται από τουλάχιστον ένα μη αναμίξιμο υγρό διασπαρμένο σε ένα άλλο (συνήθως νερό και έλαιο) υπό τη μορφή μικρών λιποσφαιριδίων, των οποίων οι διάμετροι είναι συνήθως μεταξύ 0,1 και 100 μm. Τα συστήματα αυτά παρουσιάζουν μία ελάχιστη σταθερότητα, η οποία μπορεί να ενισχυθεί με την προσθήκη κατάλληλων ουσιών που ονομάζονται γαλακτωματοποιητές. Η παρασκευή και η χρήση γαλακτωμάτων συνυπάρχει σχεδόν σε όλες τις πλευρές τις ζωής μας, από την τροφή μέχρι τα φαρμακευτικά σκευάσματα ή τα καλλυντικά. Στην παρούσα εργασία μελετάται ένα γνωστό «φυσικό» γαλάκτωμα, το γάλα, ένα βιολογικό προϊόν υψηλής διατροφικής αξίας. Παρασκευάστηκαν τεχνητά γαλακτώματα ελαίου σε νερό, χρησιμοποιώντας τέσσερις διαφορετικές ελαιώδεις φάσεις (αραβοσιτέλαιο, ελαιόλαδο, σησαμέλαιο και φοινικέλαιο). Τα γαλακτώματα αυτά περιείχαν πρωτεΐνες γάλακτος, πρωτεΐνες ορού και καζεΐνες, και συνθετικό γαλακτωματοποιητή Tween -80. Μελετήθηκαν έτσι η επίδραση της λιπαρής φάσης, η χημική σύσταση αναφορικά με τις σχετικές αναλογίες των κύριων πρωτεϊνικών τύπων καθώς και η παρουσία του συνθετικού γαλακτωματοποιητή στην διαμόρφωση σταθερού γαλακτώματος. Το μέγεθος των σωματιδίων του γαλακτώματος προσδιορίστηκε με την τεχνική της Μονοφασικής Χρωματογραφίας Φυγοκεντρικού Πεδίου. Μιας τεχνικής ικανής για διαχωρισμό και ανάλυση σωματιδίων σε μια ενιαία φάση που μας δίνει τη δυνατότητα προσδιορισμού κατανομής μεγεθών σε δομές που κυμαίνονται στις κολλοειδές περιοχές. Συμπερασματικά, όλοι οι τύποι ελαίων έδειξαν διαφορετικές επιδράσεις στο μέγεθος των λιποσφαιριδίων, με το αραβοσιτέλαιο να εμφανίζει τις μικρότερες διαμέτρους και το φοινικέλαιο τις μεγαλύτερες. Επίσης, κατά τη χρησιμοποίηση του συνθετικού γαλακτωματοποιητή παρατηρήθηκαν οι μικρότερες τιμές μεγέθους λιποσφαιριδίων, σε σχέση με τα κλάσματα αναλογίας πρωτεΐνες ορού/καζεΐνες. Τέλος, βρέθηκε ότι η βέλτιστη συγκέντρωση γαλακτωματοποιητή ήταν 3 % w/w και η καλύτερη ελαιώδης φάση το αραβοσιτέλαιο καθώς σχηματίζονταν πιο σταθερά γαλακτώματα. 7

8 Abstract Emulsions are mixtures of two or more immiscible liquids. These systems are very important in many fields, such as food industry, cosmetic products and pharmaceuticals. The requirement homogeneity of the mixture can be achieved by domains in which the dispersed phase is enclosed in spherical droplets. This formation is not thermodynamically favored and the system stability is achieved by an emulsifier. In the present work was studied a very important emulsion the milk, which consist of a dispersion of fat droplets in an aqueous solution. This study concerns to the physicochemical properties of synthetic milk, with various composition of the type of lipid phase as well as the emulsifier type. These oil in water emulsions was prepared by four different oil phases (corn oil, olive oil, sesame oil and palm oil) and stabilized by three different emulsifiers (sodium caseinate, whey protein isolate and tween-80). The aim of this work refers to research the effects of the type of the lipid phase, the proportions of the physical emulsifier (sodium caseinate, whey protein isolate), the relative proportions of the two physical emulsifiers and the synthetic emulsifier (tween-80), in the micelles size distribution of the formation. For this purpose it was applied the Sedimentation Field Flow Fractionation (FFF) technique. This method has been used in various fields of research and analysis with great accuracy, resolution and reproducibility, even in the case colloids particle size range (0,1 1 μm). From the experimental results it was shown that all types of oils have various micelles particles sizes. These differences can be summarized in the conclusion that the smaller micelles particles showed in the synthetic milk with corn oil as a dispersed phase and the larger diameter in the milk with palm oil. The particle size affected the relative proportions of the three emulsifier types. This influence lead to the observation that the smaller micelles sizes occurred in emulsions enriched with the tween-80 emulsifier, and as the concentration of the synthetic stabilizer increased, the micelles size decreased. The research of the optimum emulsifier concentration was conducted by experiments that showed this value was at 3 %. 8

9 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ I. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΟΛΛΟΕΙΔΕΙΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΓΑΛΑΚΤΩΜΑΤΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΓΑΛΑΚΤΩΜΑΤΩΝ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΦΥΣΙΚΗ ΣΤΑΘΕΡΟΤΗΤΑ ΓΑΛΑΚΤΩΜΑΤΩΝ ΧΗΜΙΚΗ ΚΑΙ ΒΙΟΧΗΜΙΚΗ ΣΤΑΘΕΡΟΤΗΤΑ ΣΥΣΣΩΡΕΥΣΗ ΚΑΙ ΑΥΤΟΣΥΓΚΡΟΤΗΣΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΟΔΡΑΣΤΙΚΕΣ ΟΥΣΙΕΣ ΓΑΛΑΚΤΩΜΑΤΟΠΟΙΗΤΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΔΡΑΣΗΣ ΤΟΥΣ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΠΡΩΤΕΙΝΩΝ ΣΤΑ ΓΑΛΑΚΤΩΜΑΤΑ ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ ΓΑΛΑΚΤΟΣ ΚΑΖΕΪΝΕΣ ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ ΟΡΟΥ ΓΑΛΑΚΤΟΣ ΣΥΝΘΕΤΙΚΟΙ ΓΑΛΑΚΤΟΜΑΤΟΠΟΙΗΤΕΣ ΕΔΩΔΙΜΑ ΛΙΠΗ ΚΑΙ ΕΛΑΙΑ ΟΡΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΛΙΠΩΝ ΚΑΙ ΕΛΑΙΩΝ ΕΛΑΙΟΛΑΔΟ ΑΡΑΒΟΣΙΤΕΛΑΙΟ ΣΗΣΑΜΕΛΑΙΟ ΦΟΙΝΙΚΕΛΑΙΟ ΧΗΜΙΚΕΣ ΑΛΛΟΙΩΣΕΙΣ ΤΩΝ ΛΙΠΩΝ ΚΑΙ ΕΛΑΙΩΝ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΗ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ ΠΕΔΙΟΥ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΓΕΝΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΗΣ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑΣ ΠΕΔΙΟΥ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΗΣ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑΣ ΠΕΔΙΟΥ ΒΑΣΙΚΟΙ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΤΗΣ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΗΣ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑΣ ΠΕΔΙΟΥ ΣΤΗ ΚΑΝΟΝΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΟΝΤΕΛΟ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΕ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΣΤΕΡΙΚΗΣ ΠΑΡΕΜΠΟΔΙΣΗΣ ΥΠΟΤΕΧΝΙΚΕΣ ΤΗΣ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΗΣ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑΣ ΠΕΔΙΟΥ 69 9

10 9.1 ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΗ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ ΦΥΓΟΚΕΝΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΤΗΣ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 77 II. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΤΗΣ Μ.Χ.Φ.Π ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΣΥΝΘΕΤΙΚΩΝ ΓΑΛΑΚΤΩΜΑΤΩΝ ΠΡΟΤΥΠΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΤΗΣ Μ.Χ.Φ.Π OΡΓΑΝΑ, ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΕΣ ΟΥΣΙΕΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΗΣ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ ΤΗΣ ΑΝΑΛΟΓΙΑΣ ΤΟΥ ΤΥΠΟΥ ΤΩΝ ΠΡΩΤΕΙΝΩΝ ΓΑΛΑΚΤΟΣ, WHEY/CAS, ΣΤΗ ΔΙΑΣΠΟΡΑ ΤΩΝ ΛΙΠΟΣΦΑΙΡΙΔΙΩΝ ΓΑΛΑΚΤΟΣ ΣΕ ΤΕΣΣΕΡΙΣ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΕΛΑΙΩΔΕΙΣ ΦΑΣΕΙΣ OΡΓΑΝΑ, ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΕΣ ΟΥΣΙΕΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΗΣ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ ΤΗΣ ΑΝΑΛΟΓΙΑΣ ΤΟΥ ΤΥΠΟΥ ΤΩΝ ΠΡΩΤΕΙΝΩΝ ΓΑΛΑΚΤΟΣ, WHEY/CAS, ΚΑΘΩΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΣΥΝΘΕΤΙΚΟΥ ΓΑΛΑΚΤΩΜΑΤΟΠΟΙΗΤΗ TWEEN-80, ΣΤΗ ΔΙΑΣΠΟΡΑ ΤΩΝ ΛΙΠΟΣΦΑΙΡΙΔΙΩΝ ΓΑΛΑΚΤΟΣ ΣΕ ΤΕΣΣΕΡΙΣ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΕΛΑΙΩΔΕΙΣ ΦΑΣΕΙΣ OΡΓΑΝΑ, ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΕΣ ΟΥΣΙΕΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΗΣ ΠΕΡΙΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΓΑΛΑΚΤΩΜΑΤΟΣ ΣΕ ΓΑΛΑΚΤΩΜΑΤΟΠΟΙΗΤΗ ΚΑΙ ΓΙΑ ΤΟΥΣ ΤΡΕΙΣ ΤΥΠΟΥΣ (WHEY, CAS, TWEEN- 80) ΣΤΗ ΔΙΑΣΠΟΡΑ ΤΩΝ ΛΙΠΟΣΦΑΙΡΙΔΙΩΝ ΓΑΛΑΚΤΟΣ ΣΕ ΑΡΑΒΟΣΙΤΕΛΑΙΟ OΡΓΑΝΑ, ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΕΣ ΟΥΣΙΕΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 91 III. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΤΗΣ Μ.Χ.Φ.Π ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΗΣ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ ΤΟΥ ΚΛΑΣΜΑΤΟΣ ΑΝΑΛΟΓΙΑΣ ΠΡΩΤΕΙΝΩΝ ΓΑΛΑΚΤΟΣ, ΤΟΥ ΤΥΠΟΥ WHEY/CAS ΣΤΗ ΔΙΑΣΠΟΡΑ ΤΩΝ ΛΙΠΟΣΦΑΙΡΙΔΙΩΝ ΓΑΛΑΚΤΟΣ ΣΕ ΤΕΣΣΕΡΙΣ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΕΛΑΙΩΔΕΙΣ ΦΑΣΕΙΣ 96 10

11 19.1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΥΖΗΤΗΣΗ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΗΣ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ ΤΗΣ ΣΧΕΤΙΚΗΣ ΑΝΑΛΟΓΙΑΣ ΠΡΩΤΕΙΝΩΝ ΓΑΛΑΚΤΟΣ ΚΑΙ ΣΥΝΘΕΤΙΚΟΥ ΓΑΛΑΚΤΩΜΑΤΟΠΟΙΗΤΗ, ΤΟΥ ΤΥΠΟΥ WHEY/CAS/TWEEN-80, ΣΤΗ ΔΙΑΣΠΟΡΑ ΤΩΝ ΛΙΠΟΣΦΑΙΡΙΔΙΩΝ ΓΑΛΑΚΤΟΣ, ΣΕ ΤΕΣΣΕΡΙΣ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΕΛΑΙΩΔΕΙΣ ΦΑΣΕΙΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΥΖΗΤΗΣΗ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΗΣ ΠΕΡΙΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥ ΓΑΛΑΚΤΩΜΑΤΟΠΟΙΗΤΗ ΣΤΗ ΔΙΑΣΠΟΡΑ ΛΙΠΟΣΦΑΙΡΙΔΙΩΝ ΓΑΛΑΚΤΟΣ, ΓΙΑ ΚΑΘΕ ΕΝΑΝ ΑΠΟ ΤΟΥΣ ΤΡΕΙΣ ΤΥΠΟΥΣ (WHEY, CAS, TWEEN-80) ΚΑΙ ΓΙΑ ΕΛΑΙΩΔΗ ΦΑΣΗ ΑΡΑΒΟΣΙΤΕΛΑΙΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΥΖΗΤΗΣΗ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 138 IV. ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 140 V. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

12 I. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 12

13 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η Φυσικοχημεία αποτελεί έναν πολύ σημαντικό επιστημονικό κλάδο της Χημείας, με κύριο αντικείμενο τη μελέτη φυσικών φαινομένων που προκύπτουν από χημικά φαινόμενα. Τις τελευταίες δεκαετίες, με την αύξηση του πληθυσμού και της ποιότητας ζωής έχει παρατηρηθεί σε παγκόσμιο επίπεδο ένα μεγάλο ενδιαφέρον που σχετίζεται με την ασφάλεια και την ποιότητα των τροφίμων. Το ενδιαφέρον αυτό αποτυπώνεται κατά κύριο λόγο σε εργασίες που δημοσιεύονται σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά και αρκετές από αυτές έχουν αναρτηθεί στο διαδίκτυο, με αποτέλεσμα οι ενδιαφερόμενοι να έχουν εύκολη πρόσβαση. Η ανθρωπότητα έχει ξεκινήσει να ασχολείται με την τεχνολογία τροφίμων εδώ και αιώνες. Από τότε που ξεκίνησε η παραγωγή ζυμωμένων προϊόντων (τυριού, κρασιού, μπίρας κ.α.), παστών τροφίμων, ακόμα και το μαγείρεμα της τροφής αποτελούσε εφαρμογή της τεχνολογίας τροφίμων. Σε κάθε περίπτωση η εφαρμογή της τεχνολογίας τροφίμων έδινε ένα ασφαλέστερο τρόφιμο, με μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, που οργανοληπτικά ήταν πιο επιθυμητό. Στις μέρες μας η Τεχνολογία τροφίμων αποτελεί μια σύγχρονη πολυεπίπεδη νέα επιστήμη που αποτελείται από προχωρημένες γνώσεις χημείας τροφίμων, μηχανικής τροφίμων και βιολογίας. Κύριο αντικείμενο έρευνας της επιστήμης αυτής είναι η επεξεργασία των τροφίμων, δηλαδή η μελέτη της συντήρησης, συσκευασίας, μεταφοράς και διακίνησης με τη μέγιστη δυνατή αξιοποίησή τους, καθώς και με τη διερεύνηση τρόπων και μεθόδων παραγωγής νέων ειδών τροφίμων. Δίνεται έτσι η δυνατότητα κατανόησης των φυσικοχημικών ιδιοτήτων τους, μελετώντας την επίδραση των φυσικών και χημικών διεργασιών που εφαρμόζονται σε διάφορα στάδια της αξιοποίησής τους. Επίσης ένας άλλος τομέας διερεύνησης της Τεχνολογίας τροφίμων είναι και η μελέτη των μεταβολών των οργανοληπτικών ιδιοτήτων των τροφίμων που προκαλούνται τόσο στις πρώτες ύλες παραγωγής τους όσο και στα έτοιμα προς κατανάλωση τρόφιμα. Για το λόγο αυτό η Τεχνολογία τροφίμων διακρίνεται σε δύο βασικούς τομείς, στην: 1. Τεχνολογία τροφίμων φυτικής προέλευσης, και στην 2. Τεχνολογία τροφίμων ζωικής προέλευσης. 13

14 Οι επιμέρους αυτοί τομείς διακρίνονται στη συνέχεια σε ιδιαίτερους κλάδους όπως π.χ. τεχνολογία κρέατος, τεχνολογία γάλακτος, τεχνολογία αλιευμάτων, τεχνολογία οινοποιίας κ.λπ. Βασικοί τομείς της επιστήμης αυτής είναι η Χημεία τροφίμων, η Μικροβιολογία Τροφίμων και η Μηχανική Τροφίμων. Στην παρούσα εργασία μελετάται το γάλα. Η πολύτιμη αυτή τροφή της φύσης, εφοδιάζει τον οργανισμό των ανθρώπων με απαραίτητα θρεπτικά συστατικά, όπως είναι το ασβέστιο, ο φωσφόρος, η βιταμίνη D, η βιταμίνη Β2 κ.α. Επίσης, εφοδιάζει τον οργανισμό με πολύτιμες πρωτεΐνες υψηλής βιολογικής αξίας και με πολλά απαραίτητα αμινοξέα. Αναφορικά με τη μορφή του, αποτελεί το πιο γνωστό φυσικό γαλάκτωμα που αφορά ένα σύστημα λιπαρής φάσης σε υδατικό διάλυμα καζεϊνικού ασβεστίου, λακτόζης, λευκωμάτων, μεταλλικών αλάτων, βιταμινών, κ.τ.λ. Σχήμα 1.1: Απεικόνιση γάλακτος Η πυκνότητα του κυμαίνεται μεταξύ gr/ml στους 1 C, η οποία αυξάνεται με την ελάττωση του περιεχόμενου λίπους. Το σημείο πήξεως του κυμαίνεται μεταξύ -0,53 έως -0, C. Αποτελεί μια μάλλον σταθερή τιμή για τον έλεγχο νοθείας του γάλακτος με νερό. Τέλος, το ph του φρέσκου γάλακτος είναι [1]. 14

15 2. ΚΟΛΛΟΕΙΔΕΙΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ Το κύριο αντικείμενο της φυσικής και της χημείας είναι η εξέταση των ιδιοτήτων των διαφόρων καταστάσεων της ύλης και των μετατροπών μιας φάσεως σε άλλη. Εκτός από τις γνωστές φάσεις υπάρχει και μια ενδιάμεση κατάσταση μεταξύ των κυρίων φάσεων και των μοριακά διεσπαρμένων συστημάτων, όπου το ένα συστατικό είναι διεσπαρμένο στο άλλο. Με τον όρο διασπορά αναφερόμαστε στην ομοιόμορφη κατανομή μιας λεπτά διαμερισμένης ουσίας (διεσπαρμένη ουσία) σε μια δεύτερη ουσία (μέσο διασποράς). Κάθε μίγμα που δημιουργείται με διασπορά ονομάζεται σύστημα διασποράς. Ανάλογα με το μέγεθος των σωματιδίων της διεσπαρμένης ουσίας, τα συστήματα διασποράς διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: Μοριακά συστήματα ή απλώς διαλύματα: διάμετρος σωματιδίων μικρότερη των 10-7 cm. Κολλοειδή συστήματα ή Κολλοειδή διαλύματα: διάμετρος σωματιδίων από 10-7 cm έως 10-4 cm. Αδρομερή συστήματα ή αιωρήματα: διάμετρος σωματιδίων μεγαλύτερη των 10-4 cm. Η τάξη μεγέθους των κολλοειδών διασπορών δίνει στα συστήματα αυτά πολλές διαφορετικές και ενδιαφέρουσες ιδιότητες. Ανάλογα με τη φυσική κατάσταση του μέσου διασποράς και της διεσπαρμένης ουσίας, τα κολλοειδή διακρίνονται σε διάφορες κατηγορίες όπως φαίνεται στον παρακάτω πίνακα [2]. Πίνακας 2.1 :Ταξινόμηση κολλοειδών συστημάτων. Διεσπαρμένη ουσία Μέσο διασποράς Όνομα κολλοειδούς Παράδειγμα Στερεό Υγρό Υγρόλυμα (sol) χρυσός σε νερό Στερεό Στερεό Στερεόλυμα χρυσός σε γυαλί Στερεό Αέριο Αερόλυμα καπνός, σκόνη Υγρό Υγρό Γαλάκτωμα γάλα, νερό σε έλαιο Υγρό Στερεό Πηκτή οπάλιος λίθος, ζελέ Υγρό Αέριο Αερόλυμα ομίχλη, σύννεφα Αέριο Υγρό Αφρός αφρός σαπουνιού Αέριο Στερεό Στερεός αφρός ελαφρόπετρα, H 2 σε Pd 15

16 Σε όλα τα παραπάνω παραδείγματα, παρατηρούμε ότι υπάρχει μια σαφής διάκριση μεταξύ της φάσης που βρίσκεται σε διασπορά και του μέσου διασποράς. Αυτά είναι τα απλά κολλοειδή. Σε περίπτωση που δεν είναι σαφής η διάκριση αυτή, έχουμε τα πλεγματικά κολλοειδή και σε περίπτωση συνύπαρξης περισσότερων των δύο φάσεων έχουμε πολλαπλά κολλοειδή. Τα κολλοειδή επίσης διακρίνονται σε λυόφιλα και λυόφοβα ανάλογα με την σχέση τους προς το μέσο διασποράς (διαλύτη). Η διάκριση αυτή βασίζεται στην σχετική ευκολία με την οποία τα σωματίδια επαναδιασπείρονται στο μέσο διασποράς όταν έχουν ξηρανθεί. Τα λυόφιλα κολλοειδή, όταν προστεθεί στο μέσο διασποράς τα ξηραμένα σωματίδια, διογκώνονται αρχικά με την απορρόφηση του υγρού διαλυτή και στην συνέχεια σχηματίζεται ένα ομογενές κολλοειδές διάλυμα. Από την άλλη μεριά τα λυόφοβα κολλοειδή διασπείρονται μόνο με την προσφορά ενέργειας απ έξω (π.χ. έντονη ανάδευση, υπέρηχοι κτλ). Σε περίπτωση που το μέσο διασποράς είναι το νερό, τα κολλοειδή διακρίνονται σε υδρόφιλα και υδρόφοβα. Τα υδρόφιλα κολλοειδή είναι σταθερά διότι έλκουν τα μόρια του νερού μέσα στο διάλυμα. Τα υδρόφοβα δεν έχουν συγγένεια με το νερό και η σταθερότητα τους δηλαδή η παραμονή τους στο αιώρημα, εξαρτάται από τα φορτία που φέρουν. Λόγω των μικρών διαστάσεων των σωματιδίων των κολλοειδών αιωρημάτων, ο λόγος επιφάνεια/όγκος είναι αρκετά μεγάλος με αποτέλεσμα τα μόρια που βρίσκονται στην διαχωριστική διαφασική επιφάνεια να έχουν διαφορετικές ιδιότητες (π.χ. ενέργεια) σε σύγκριση με τα μόρια της κυρίως φάσης. Γι αυτό το λόγο, η χημεία των επιφανειών παίζει σημαντικό ρόλο στη χημεία των κολλοειδών. Η επιφάνεια ανά μονάδα μάζας (ειδική επιφάνεια) δίνεται από το 6/pd, όπου p η πυκνότητα του υλικού και d το μήκος της ακμής στην περίπτωση κυβικού σχήματος σωματιδίων, ή η διάμετρος αν τα σωματίδια είναι σφαιρικά. Τέλος, τα συστήματα διασποράς στα οποία όλα τα σωματίδια έχουν περίπου το ίδιο μέγεθος ονομάζονται μονοδιεσπαρμένα (ή ισοδιεσπαρμένα). Αντίθετα, όταν τα σωματίδια έχουν διαφορετικά μεγέθη τότε έχουμε πολυδιασπαρμένα συστήματα [3]. 16

17 3. ΓΑΛΑΚΤΩΜΑΤΑ 3.1 Εισαγωγή Όπως παρατηρούμε από τον Πίνακα 1, η κολλοειδής διασπορά ενός μη αναμίξιμου υγρού σε ένα άλλο ονομάζεται γαλάκτωμα. Η επιστήμη των γαλακτωμάτων αποτελεί ένα σύνθετο αντικείμενο, το οποίο συνδυάζει πολλούς επιστημονικούς κλάδους όπως τη χημεία, τη φυσική και τη μηχανική. Πολλά φυσικά καθώς και επεξεργασμένα τρόφιμα αποτελούνται μερικώς είτε εξ ολοκλήρου από γαλακτώματα ή έχουν υπάρξει σε κατάσταση γαλακτωματοποίησης σε κάποια χρονική στιγμή κατά τη διάρκεια της παραγωγής τους. Στα τρόφιμα αυτά συμπεριλαμβάνονται το γάλα, το βούτυρο, η μαργαρίνη, η μαγιονέζα, το παγωτό και οι σάλτσες. Αυτά τα προϊόντα, παρουσιάζουν μεγάλη ποικιλία διαφορετικών φυσικοχημικών χαρακτηριστικών, όπως είναι η εμφάνιση, το άρωμα, η υφή, η γεύση και ο χρόνος ζωής [4]. 3.2 Γενικά χαρακτηριστικά γαλακτωμάτων Ως γαλάκτωμα ορίζεται γενικά ένα κολλοειδές σύστημα διασποράς ενός υγρού σε ένα άλλο μη αναμιγνυόμενο υγρό. Στα γαλακτώματα τροφίμων οι δυο μη αναμίξιμες φάσεις είναι συνήθως το έλαιο και το νερό. Σχήμα 3.1: Διάφορες κατηγορίες γαλακτωμάτων. Ανάλογα με το ποια φάση είναι η συνεχής και ποια η ασυνεχής, τα γαλακτώματα διακρίνονται σε δυο κατηγορίες: στα γαλακτώματα ελαίου σε νερό (o/w) και στα γαλακτώματα νερού σε έλαιο (w/o),όπου η συνεχής φάση είναι το νερό ή το έλαιο, αντίστοιχα. Το γάλα και η μαγιονέζα αποτελούν παραδείγματα 17

18 τροφίμων που ανήκουν στην πρώτη κατηγορία, ενώ η μαργαρίνη και το βούτυρο είναι τρόφιμα που ανήκουν στη δεύτερη κατηγορία. Τα σωματίδια που βρίσκονται σε διασπορά αποτελούν την διεσπαρμένη ή εσωτερική φάση ενώ το υγρό που τα περιβάλλει ονομάζεται συνεχής ή εξωτερική φάση. Επίσης είναι δυνατή η παρασκευή πολλαπλών γαλακτωμάτων, όπως γαλάκτωμα ελαίου σε νερό, σε έλαιο (O/W/O) και γαλάκτωμα νερού σε έλαιο, σε νερό (W/O/W) [4, 5]. Η διαδικασία της μετατροπής δυο ξεχωριστών μη αναμιγνυόμενων υγρών σε γαλάκτωμα καθώς και η μείωση του μεγέθους των λιποσφαιριδίων σε ένα ήδη υπάρχον γαλάκτωμα, ονομάζεται ομογενοποίηση. Στη βιομηχανία τροφίμων, χρησιμοποιούνται συσκευές, που καλούνται ομογενοποιητές, οι οποίες υποβάλουν τα υγρά σε έντονη μηχανική ανάδευση. Ένα γαλάκτωμα είναι δυνατόν να σχηματιστεί ομογενοποιώντας καθαρό νερό και έλαιο αλλά οι δύο φάσεις θα διαχωριστούν άμεσα σχηματίζοντας ένα σύστημα αποτελούμενο από ένα στρώμα ελαίου πάνω από ένα στρώμα νερού. Αυτό συμβαίνει γιατί η επαφή μεταξύ των μορίων νερού και ελαίου είναι ενεργειακώς μη προτιμητέα με αποτέλεσμα τα λιποσφφαιρίδια να ενώνονται μεταξύ τους και να διαχωρίζονται από τα μόρια του νερού. Υπό αυτές τις συνθήκες, τα γαλακτώματα θεωρούνται ασταθή θερμοδυναμικά συστήματα [4]. Σχήμα 3.2: α) Ακατέργαστο γάλα, β) Ομογενοποιημένο γάλα. Για να σχηματιστούν κινητικά σταθερά γαλακτώματα για ένα εύλογο χρονικό διάστημα (από μερικές ημέρες έως κάποια χρόνια) χρησιμοποιούνται ουσίες γνωστές ως γαλακτωματοποιητές. Πρόκειται για επιφανειοδραστικά μόρια, 18

19 τα οποία προσροφώνται στην επιφάνεια των σχηματιζόμενων λιποσφαιριδίων κατά τη διάρκεια της ομογενοποίησης, σχηματίζοντας μια προστατευτική μεμβράνη αποτρέποντας τα λιποσφαιρίδια να έρθουν τόσο κοντά ώστε να σχηματίζουν συσσωματώματα. Οι περισσότεροι γαλακτωματοποιητές είναι αμφίφιλα μόρια, δηλαδή έχουν πολικές και μη πολικές περιοχές στο ίδιο μόριο. Οι πιο κοινοί απ αυτούς που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία τροφίμων είναι αμφιφιλικές πρωτεΐνες και φωσφωλιπίδια [6]. 3.3 Αλληλεπιδράσεις Τα τελευταία χρόνια έχει γίνει σαφώς αντιληπτή η ανάγκη για την καλύτερη κατανόηση από τη βιομηχανία τροφίμων, της μοριακής βάσης των φυσικοχημικών ιδιοτήτων των τροφίμων. Τα γαλακτώματα των τροφίμων είναι ετερογενή συστήματα τα οποία περιέχουν πληθώρα διαφορετικών δομικών μονάδων που διαφέρουν σε μέγεθος, σχήμα, φυσικοχημικές ιδιότητες και περιλαμβάνουν άτομα, μόρια, συσσωματώματα, μικκύλια, σταγονίδια, κρυστάλλους και φυσαλίδες αέρα. Οι ιδιότητες των κολλοειδών διασπορών είναι αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης των μορίων μεταξύ τους καθώς και με το μέσο που τα περιβάλλει. Με στόχο την κατανόηση, την πρόβλεψη και τον έλεγχο της συμπεριφοράς των γαλακτωμάτων των τροφίμων, είναι απαραίτητη η γνώση των δυνάμεων που ευθύνονται για την συγκράτηση των μορίων μεταξύ τους και του τρόπου που αυτές οι δυνάμεις οδηγούν στην δημιουργία των διαφόρων δομών που απαντώνται στα γαλακτώματα [4]. Εντούτοις, τα τρόφιμα σπανίως βρίσκονται στην πιο θερμοδυναμικά σταθερή κατάσταση. Κατά συνέπεια η δομική οργάνωση των μορίων συχνά καθορίζεται από διάφορους κινητικούς παράγοντες, οι οποίοι τα αποτρέπουν από το να δημιουργήσουν σχηματισμούς με την χαμηλότερη ελεύθερη ενέργεια. Γι αυτό το λόγο, η οργάνωση των μορίων στα τρόφιμα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την προϊστορία τους, δηλαδή τις θερμοκρασίες, τις πιέσεις και τις μηχανικές δυνάμεις που εξασκήθηκαν κατά τη διάρκεια της ζωής τους [4]. Οι δυνάμεις που δρουν σε μοριακό επίπεδο είναι ηλεκτρομαγνητικής φύσεως και μπορούν να χωριστούν σε 4 είδη: τις ομοιοπολικές, τις ηλεκτροστατικές, τις δυνάμεις van der Waals και τις δυνάμεις στερικής επικάλυψης. Παρά το γεγονός ότι δρουν σε εξαιρετικά μικρές αποστάσεις, συχνά 19

20 μερικών, οι ενδομοριακές δυνάμεις είναι κυρίως υπεύθυνες για τις φυσικοχημικές ιδιότητες των γαλακτωμάτων [7]. Δυνάμεις van der Waals Τα γενικά χαρακτηριστικά αυτών των δυνάμεων είναι τα ακόλουθα: Η αλληλεπίδραση μεταξύ δυο σταγονιδίων ελαίου ή νερού είναι πάντοτε ελκτική. Η αλληλεπίδραση γίνεται δυνατότερη όσο αυξάνει το μέγεθος των σταγονιδίων. Η ένταση της αλληλεπίδρασης εξαρτάται από τις φυσικές ιδιότητες των σταγονιδίων και του περιβάλλοντος υγρού καθώς και από την σύσταση και το πάχος του στρώματος του γαλακτωματοποιητή που προσροφάται [4]. Οι δυνάμεις van der Waals δρουν ανάμεσα σε όλους τους τύπους των κολλοειδών σωματιδίων, επομένως θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά τον υπολογισμό του συνολικού δυναμικού μεταξύ των σταγονιδίων του γαλακτώματος. Το γεγονός ότι οι δυνάμεις van der Waals είναι πάντοτε ελκτικές και αρκετά δυνατές, θα δημιουργούσε την τάση στα σταγονίδια να είναι διαρκώς συνενωμένα. Στην πράξη, πολλά γαλακτώματα τροφίμων αντιστέκονται στην συσσωμάτωση των σταγονιδίων τους, πράγμα που υποδηλώνει την ύπαρξη απωστικών δυνάμεων, οι οποίες είναι αρκετά δυνατές ώστε να υπερισχύσουν των δυνάμεων van der Waals. Οι σημαντικότερες από τις απωστικές δυνάμεις είναι οι ηλεκτροστατικές [8]. Ηλεκτροστατικές δυνάμεις Τα γενικά χαρακτηριστικά αυτών των δυνάμεων είναι τα ακόλουθα: Οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις μπορεί να είναι είτε ελκτικές είτε απωστικές ανάλογα με το φορτίο των σωματιδίων. Είναι κυρίως απωστικές επειδή συνήθως το φορτίο των σωματιδίων είναι το ίδιο. Η έντασή τους είναι ανάλογη του μεγέθους των σωματιδίων του γαλακτώματος. Η έντασή τους μειώνεται καθώς διαχωρίζονται τα σωματίδια. Οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις διαδραματίζουν ένα πολύ σημαντικό ρόλο, καθώς είναι αρκετά δυνατές ώστε να αποτρέψουν τα σωματίδια από το να συσσωματωθούν, ιδιαίτερα σε γαλακτώματα τα οποία σταθεροποιούνται με την χρήση πρωτεϊνών. Ακόμα επηρεάζουν και μερικές από τις ιδιότητες των 20

21 γαλακτωμάτων των τροφίμων, όπως είναι ο διαχωρισμός των συστατικών τους και ο ρυθμός ορισμένων χημικών αντιδράσεων [4]. 3.4 Φυσική σταθερότητα γαλακτωμάτων Ο όρος σταθερότητα γαλακτώματος αναφέρεται στην ικανότητά του να αντιστέκεται στις αλλαγές των ιδιοτήτων του με την πάροδο του χρόνου. Όσο πιο σταθερό είναι ένα γαλάκτωμα τόσο πιο αργά μεταβάλλονται οι ιδιότητες του. Διάφορες φυσικές και χημικές διεργασίες μπορούν να προκαλέσουν μεταβολές στη σταθερότητα αυτή. Η φυσική αστάθεια έχει ως αποτέλεσμα τη μεταβολή της μοριακής δομής. Η κρέμωση, η συνένωση, η θρόμβωση, η αναστροφή φάσεων και η ωρίμανση Ostwald είναι παραδείγματα φυσικής αστάθειας. Απ την άλλη η χημική αστάθεια έχει ως αποτέλεσμα τη μεταβολή της χημικής δομής των μορίων, όπως είναι η οξείδωση και η υδρόλυση [4,5]. Αναφορικά με την σταθερότητα θα πρέπει να γίνει διαχωρισμός μεταξύ της θερμοδυναμικής και της κινητικής σταθερότητας. Η μεταβολή της θερμοδυναμικής σταθερότητας ευθύνεται για το αν θα συμβεί ή όχι μια δεδομένη διαδικασία. Το ρυθμό εξέλιξης της διαδικασίας διέπει η μεταβολή της κινητικής σταθερότητας [5]. Όλα τα γαλακτώματα είναι θερμοδυναμικά ασταθή συστήματα και σε βάθος χρόνου διαχωρίζονται. Γι αυτό οι διαφορές στην κινητική σταθερότητα είναι υπεύθυνες κατά κύριο λόγο για το εύρος των διαφορετικών χαρακτηριστικών που παρουσιάζονται [4]. Θερμοδυναμική αστάθεια Η θερμοδυναμική αστάθεια ενός γαλακτώματος επιδεικνύεται ξεκάθαρα με την ανάδευση σε ένα κλειστό δοχείο καθαρού νερού και ελαίου και την παρατήρηση των αλλαγών στην εμφάνιση του συστήματος με την πάροδο του χρόνου. Το αρχικά διαμορφωμένο αδιάφανο γαλάκτωμα διαχωρίζεται μέχρι μια στρώση ελαίου να εμφανιστεί στην επιφάνεια του νερού. Η προέλευση της αστάθειας αυτής αναδεικνύεται από τη σύγκριση της ελεύθερης ενέργειας ενός συστήματος αποτελούμενο από μια ελαιώδη και μια υδατική φάση, πριν και μετά την γαλακτωματοποίηση [4]. 21

22 Κινητική σταθερότητα Η σπουδαιότητα της επίδρασης της κινητικής σταθερότητας μπορεί να υπογραμμιστεί συγκρίνοντας γαλακτώματα μεγάλης χρονικά σταθερότητας με την ίδια σύσταση αλλά διαφορετικού μεγέθους σταγονιδίων. Το γαλάκτωμα που περιέχει τα μικρότερα σωματίδια έχει συνήθως περισσότερο χρόνο ζωής (μεγαλύτερη κινητική σταθερότητα) παρόλο που είναι περισσότερο θερμοδυναμικά ασταθές λόγω της μεγαλύτερης διεπιφάνειας. Παρόλο που τα γαλακτώματα βρίσκονται σε θερμοδυναμικά ασταθή κατάσταση, τα περισσότερα απ αυτά παραμένουν κινητικώς σταθερά για μήνες ή και για χρόνια. Η σταθερότητα αυτή μπορεί να αποδοθεί στην ενέργεια ενεργοποίησης (ΔG*), η οποία θα πρέπει να ξεπεραστεί πριν το γαλάκτωμα φτάσει στην περισσότερο επιθυμητή θερμοδυναμικά κατάσταση. Για να είναι το γαλάκτωμα κινητικά σταθερό θα πρέπει η ενέργεια ενεργοποίησης να είναι αρκετά μεγαλύτερη από την θερμική ενέργεια του συστήματος (kt) [4]. Βαρυτικός διαχωρισμός Τα σωματίδια ενός γαλακτώματος έχουν διαφορετική πυκνότητα από εκείνη του υγρού που τα περιβάλλει κι έτσι ασκείται σε αυτά εκτός από την βαρυτική δύναμη και η δύναμη της άνωσης. Εάν η πυκνότητα των σωματιδίων είναι μικρότερη από αυτήν του περιβάλλοντος υγρού τότε αυτά έχουν την τάση να κινούνται προς τα επάνω. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται κρέμωση. Αντίθετα, εάν η πυκνότητά τους είναι μεγαλύτερη από του υγρού, κινούνται προς τα κάτω και τότε το φαινόμενο καλείται κατακάθιση [5]. Οι πυκνότητες των περισσότερων ελαίων είναι χαμηλότερες από αυτή του νερού και έτσι τα μόρια των ελαίων έχουν την τάση να συγκεντρώνονται στο ανώτερο μέρος των γαλακτωμάτων. Κατά συνέπεια, τα σωματίδια σε ένα γαλάκτωμα ελαίου σε νερό (O/W) έχουν την τάση να κινούνται ανοδικά εμφανίζοντας το φαινόμενο της κρέμωσης ενώ τα σωματίδια σε ένα γαλάκτωμα νερού σε έλαιο (W/O) τείνουν να καθιζάνουν, εμφανίζοντας το φαινόμενο της κατακάθισης [5]. Το φαινόμενο του βαρυτικού διαχωρισμού επηρεάζει αρνητικά τόσο την ποιότητα όσο και την εμφάνιση των τροφίμων [4]. 22

23 Θρόμβωση Τα σωματίδια ενός γαλακτώματος βρίσκονται σε συνεχή κίνηση λόγω της επίδρασης της θερμικής ενέργειας, της βαρύτητας ή άλλων μηχανικών δυνάμεων. Καθώς κινούνται συγκρούονται με τα γειτονικά τους σωματίδια και είτε παραμένουν χωριστά είτε συσσωματώνονται. Θρόμβωση είναι η αντιστρεπτή διαδικασία κατά την οποία δυο ή περισσότερα σωματίδια ενώνονται σχηματίζοντας ένα συσσωμάτωμα χαλαρών δομών, διατηρώντας όμως την αρχική τους ταυτότητα [4, 9]. Ανάλογα με την φύση του τροφίμου, η θρόμβωση μπορεί να είτε επιθυμητή είτε επιζήμια για την ποιότητά του. Η θρόμβωση επιταχύνει το ρυθμό του βαρυτικού διαχωρισμού σε αραιά γαλακτώματα, κάτι που είναι ανεπιθύμητο καθώς μειώνεται ο χρόνος ζωής του τροφίμου. Επίσης προκαλεί αύξηση του ιξώδους του γαλακτώματος και μπορεί να οδηγήσει ακόμα και στο σχηματισμό πηκτής. Ορισμένα τρόφιμα θα πρέπει να έχουν χαμηλό ιξώδες, έτσι η θρόμβωση στην περίπτωση αυτή είναι επιζήμια. Σε άλλα όμως προϊόντα, μια ελεγχόμενου βαθμού θρόμβωση μπορεί να είναι επιθυμητή καθώς οδηγεί στην εμφάνιση της κατάλληλης υφής [4]. Η εμφάνιση, η υφή και η σταθερότητα των γαλακτωμάτων επηρεάζονται ιδιαιτέρως από τα χαρακτηριστικά των σχηματιζόμενων συσσωματωμάτων, όπως τον αριθμό τους, το μέγεθός τους και την ελαστικότητά τους. Η δομή και οι ιδιότητες των συσσωματωμάτων αυτών εξαρτώνται από την φύση των κολλοειδών και των υδροδυναμικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των σταγονιδίων καθώς επίσης και από τον μηχανισμό που ευθύνεται για την σύγκρουσή τους (κίνηση Brown, βαρύτητα, μηχανική ανατάραξη) [4]. Συνένωση Συνένωση είναι η μη αντιστρεπτή διαδικασία κατά την οποία τα σωματίδια ενός γαλακτώματος ενώνονται σχηματίζοντας ένα μεγαλύτερο σωματίδιο, με αποτέλεσμα να χάνουν την αρχική τους ταυτότητα. Αυτός είναι ο κύριος μηχανισμός μέσω του οποίου ένα γαλάκτωμα μεταβαίνει στην πιο σταθερή θερμοδυναμικά κατάστασή του, λόγω της μείωσης της επιφάνειας επαφής μεταξύ της υδατικής και της ελαιώδους φάσης [4]. Το φαινόμενο της συνένωσης προκαλεί την κρέμωση ή την κατακάθιση πιο γρήγορα, λόγω της αύξησης του μεγέθους των σωματιδίων. Στα γαλακτώματα 23

24 ελαίου/νερού, δημιουργείται ένα στρώμα ελαίου στο ανώτερο τμήμα τους, ενώ στα νερού/ελαίου συγκεντρώνεται η υδατική φάση στο κατώτερο μέρος τους [4]. Όσον αφορά το χρόνο ζωής ενός τροφίμου, η συνένωση αποτελεί μια περισσότερο σοβαρή μορφή αστάθειας απ ότι η θρόμβωση καθώς όταν γίνεται αντιληπτή από τους καταναλωτές κατά κανόνα θεωρείται ιδιαιτέρως μη αποδεκτή. Από την άλλη μεριά, η διαδικασία της συνένωσης παρουσιάζει σε ορισμένα τρόφιμα θετικά αποτελέσματα, καθώς εξασφαλίζει την απελευθέρωση της επιθυμητής γεύσης και αρώματος κατά την διάρκεια της μάσησης [5]. Ωρίμανση Ostwald Η αύξηση του μεγέθους των μεγαλύτερων σωματιδίων εις βάρος των μικρότερων λόγω της μεταφοράς μάζας της διαλυτής διεσπαρμένης φάσης διαμέσου του μέσου διασποράς, ονομάζεται ωρίμανση Ostwald. Αποτελεί ένα αμελητέο φαινόμενο εκτός εάν η διεσπαρμένη φάση είναι έστω και ελάχιστα διαλυτή στη συνεχή φάση του γαλακτώματος. Αναστροφή φάσεων Η μετατροπή ενός γαλακτώματος του τύπου έλαιο/νερό σε νερό/έλαιο ή αντιστρόφως ονομάζεται αναστροφή φάσεων. Στα τρόφιμα η διαδικασία αυτή δεν συμβαίνει συνήθως αυθόρμητα αλλά απαιτούνται μεγάλες ποσότητες μηχανικής ενέργειας. Αυτό συμβαίνει επειδή η αναστροφή δεν είναι μια απλή φυσική διαδικασία όπως η κρέμωση, η θρόμβωση ή η συνένωση, αλλά ένα πολυσύνθετο φαινόμενο που περιλαμβάνει τόσο όλες τις προαναφερθείσες διαδικασίες όσο και άλλες ακόμα πιο σύνθετες ενδιάμεσες κολλοειδείς καταστάσεις (αφροί, πολλαπλά γαλακτώματα) [5]. Η αναστροφή φάσεων συνήθως ενεργοποιείται από κάποια αλλαγή στην σύσταση ή στις περιβαλλοντικές συνθήκες ενός γαλακτώματος (κλάσμα όγκου διεσπαρμένης φάσης, τύπος γαλακτωματοποιητή, συγκέντρωση γαλακτωματοποιητή, θερμοκρασία ή μηχανική ανάδευση). Η αναστροφή φάσεων στα γαλακτώματα των τροφίμων μπορεί να χωριστεί σε κατηγορίες ανάλογα με την προέλευσή της: Αναστροφή φάσεων λόγω της επίδρασης των επιφανειοδραστικών ουσιών Ο τύπος αυτός συμβαίνει σε γαλακτώματα τα οποία σταθεροποιούνται από μικρού μεγέθους επιφανειοδραστικές ουσίες και προκαλείται καθώς αλλάζει η 24

25 γεωμετρία των επιφανειοδραστικών μορίων. Αυτού του είδους η αναστροφή είναι αναστρέψιμη διαδικασία, καθώς όταν το γαλάκτωμα ψύχεται ή μειώνεται η ιονική ισχύς, το νερό/έλαιο γαλάκτωμα που έχει προκύψει επανέρχεται στην αρχική μορφή έλαιο/νερό [4, 5]. Αναστροφή φάσεων λόγω κρυστάλλωσης του ελαίου Όταν ένα γαλάκτωμα ελαίου/νερού που περιέχει πλήρως υγρά σωματίδια ψύχεται σε θερμοκρασία όπου τα σωματίδια μερικώς κρυσταλλώνουν, τότε λαμβάνει χώρα αναστροφή φάσεων και το γαλάκτωμα μετατρέπεται σε νερού/ελαίου. Ο κύριος λόγος για τον οποίο συμβαίνει αυτό το φαινόμενο είναι η μερική συνένωση των σωματιδίων, σχηματίζοντας έτσι ένα συνεχόμενο δίκτυο κρυστάλλων λίπους στο οποίο παγιδεύονται τα σωματίδια του νερού. Η διαδικασία αυτή αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα βήματα στην παραγωγή μαργαρίνης και βουτύρου [4, 5]. Σχήμα 3.3: Τα γαλακτώματα μπορεί να γίνουν ασταθή μέσα από μια ποικιλία φυσικών μηχανισμών, συμπεριλαμβανομένης της κρέμωσης, της κατακάθισης, της θρόμβωσης, της αντιστροφής φάσεων, της συνένωσης καθώς και της ωρίμανσης Ostwald. 25

26 3.5 Χημική και βιοχημική σταθερότητα Μια από τις πιο κοινές μορφές χημικής αστάθειας στα τρόφιμα, τα οποία περιέχουν έλαια είναι η οξείδωση αυτών. Η οξείδωση οδηγεί στην εμφάνιση δυσάρεστων οσμών και γεύσεων καθώς και σε πιθανά προϊόντα τοξικών αντιδράσεων. Επιπρόσθετα, μπορεί να διευκολύνει και την φυσική αποσταθεροποίηση ορισμένων γαλακτωμάτων. Για παράδειγμα, πολλά από τα προϊόντα της αντίδρασης της οξείδωσης είναι επιφανειοδραστικά και είναι ικανά να αλληλεπιδράσουν με την διεπιφανειακή μεμβράνη που περιβάλλει τα σωματίδια, προκαλώντας τα έτσι να συνενωθούν. Γίνονται προσπάθειες να καθυστερεί η οξείδωση στα γαλακτώματα με την προσθήκη αντιοξειδωτικών ουσιών ή με τον έλεγχο των συνθηκών αποθήκευσης των τροφίμων [4]. 3.6 Συσσώρευση και αυτοσυγκρότηση Η διεπιφάνεια είναι μία στενή περιοχή που διαχωρίζει δύο φάσεις, οι οποίες μπορεί να είναι ένα αέριο και ένα υγρό, ένα αέριο και ένα στερεό, δύο μη αναμίξιμα υγρά, ένα υγρό και ένα στερεό ή δύο στερεά (Σχ.3.4α). Η περιοχή της διεπιφάνειας, η οποία διαχωρίζει την ελαιώδη από την υδατική φάση καταλαμβάνει μόνο ένα μικρό κλάσμα του συνολικού όγκου ενός γαλακτώματος, παρ όλα αυτά έχει άμεση επίδραση τόσο στις φυσικοχημικές όσο και στις οργανοληπτικές ιδιότητες των γαλακτωμάτων των τροφίμων, όπως ο σχηματισμός τους, η σταθερότητά τους, η ρεολογία και η γεύση τους [5]. Η εικόνα της διεπιφάνειας αποτελεί απλούστευση αφού αγνοούνται οι δυναμικές δράσεις των ουσιών που συμμετέχουν. Σε μοριακό επίπεδο, τα μόρια του νερού και του ελαίου ανακατεύονται μεταξύ τους σε αποστάσεις της τάξης μερικών διαμέτρων μορίων. Έτσι, η σύσταση του συστήματος δεν αλλάζει απότομα αλλά διαφοροποιείται ελαφρώς κατά μήκος της διεπιφάνειας (Σχ.3.4β) [4]. Τα μόρια του ελαίου δεν έχουν την ικανότητα να σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου με τα μόρια του νερού. Έτσι, η ανάμιξη ελαίου και νερού είναι ισχυρώς ανεπιθύμητη λόγω του υδροφοβικού φαινόμενου. Γι αυτό το λόγο, καθίσταται αναγκαία η προσφορά ενέργειας στο σύστημα ελαίου/νερού. 26

27 Η ποσότητα της παρεχόμενης αυτής ενέργειας είναι ανάλογη της αύξησης της επιφάνειας επαφής μεταξύ των μορίων του νερού και του ελαίου. Δίνεται από τη σχέση: Δ G Δ (1) όπου ΔG η ελεύθερη ενέργεια που απαιτείται για να αυξηθεί η επιφάνεια επαφής μεταξύ δυο μη αναμίξιμων υγρών κατά ΔΑ (σε σταθερή πίεση και θερμοκρασία) και γ η διεπιφανειακή τάση (McClements, 1999). Από αυτή τη σχέση προκύπτει ότι η δημιουργία της διεπιφάνειας είναι θερμοδυναμικώς μη σταθερή, λόγω της αύξησής της μετά την γαλακτωματοποίηση. Η αστάθεια αυτή μπορεί να καλυφτεί εν μέρη με την παρουσία ουσιών, οι οποίες εκδηλώνουν αλληλεπιδράσεις και με τα δυο είδη των υγρών. Οι ουσίες αυτές λέγονται επιφανειοδραστικές διότι συσσωρεύονται στη διεπιφάνεια μεταβάλλοντας έτσι τις ιδιότητές της, όπως είναι η επιφανειακή τάση. Πολλές σημαντικές μακροσκοπικές ιδιότητες των γαλακτωμάτων των τροφίμων εξαρτώνται από την διεπιφανειακή τάση, όπως είναι η τάση των σταγονιδίων να έχουν σφαιρικό σχήμα, η πυρηνογέννεση και ο σχηματισμός κρυστάλλων πάγου και λίπους [4]. Η αλλαγή στην ενέργεια αλληλεπίδρασης που προκαλείται σαν αποτέλεσμα της προσρόφησης προέρχεται από δύο πηγές, μια σχετιζόμενη με την ίδια την επιφάνεια και μια με το ίδιο το μόριο του γαλακτωματοποιητή [4]. Αρχικά, με την προσρόφηση σε μια διεπιφάνεια νερού ελαίου τα μόρια του γαλακτωματοποιητή μπορούν να απομονώσουν τα μόρια του ελαίου από του νερού. Η άμεση επαφή μεταξύ μορίων νερού και ελαίου αντικαθίσταται από επαφές μεταξύ των μη πολικών τμημάτων του γαλακτωματοποιητή και των μορίων ελαίου και μεταξύ των πολικών τμημάτων του γαλακτωματοποιητή και των μορίων νερού [4]. 27

28 Σχήμα 3.4: Η διεπιφάνεια θεωρείται ως επίπεδη επιφάνεια απειροελάχιστου πάχους (α), στην πραγματικότητα είναι δυναμική κι έχει συγκεκριμένο πάχος, εξαρτώμενο από τις διαστάσεις κι αλληλεπιδράσεις των μορίων (β). Καθώς τα μόρια του γαλακτωματοποιητή προσροφώνται σε μια διεπιφάνεια έχουν την ικανότητα να μεγιστοποιήσουν τον αριθμό των ενεργειακών προτιμητέων αλληλεπιδράσεων μεταξύ των πολικών τμημάτων και του νερού και ταυτόχρονα να ελαχιστοποιούν τον αριθμό των μη προτιμητέων αλληλεπιδράσεων μεταξύ μη πολικών τμημάτων και νερού (Σχ.3. ) [4]. Η κύρια κινητήρια δύναμη που ευνοεί την προσρόφηση ενός αμφιφιλικού μορίου με μια διεπιφάνεια είναι κατά συνέπεια το υδροφοβικό φαινόμενο. Παρ όλα αυτά, διάφοροι απλοί τύποι αλληλεπιδράσεων μπορούν να συνεισφέρουν στην δραστικότητα της επιφάνειας, οι οποίες μπορούν είτε να ενισχύουν είτε να αντιτίθενται στην προσρόφηση (π.χ. ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις, στερικές αλληλεπιδράσεις, δεσμοί υδρογόνου) [4]. Σχήμα 3.5: Επιφανειοδραστικά μόρια συσσωρεύονται στην διεπιφανειακή περιοχή ελαττώνοντας έτσι την ελεύθερη ενέργεια του συστήματος. 28

29 3.7 Επιφανειοδραστικές ουσίες Ορισμένες οργανικές ουσίες, όπως τα λιπαρά οξέα και οι αλκοόλες, έχουν την ικανότητα να διαλύονται τόσο στο νερό όσο και στο λάδι. Το υδρογονανθρακικό μέρος του μορίου διαλύεται στην ελαιώδη φάση, ενώ η πολική ομάδα του (-COOH ή -OH) διαλύεται στο νερό. Όταν τα μόρια αυτά βρεθούν στην διεπιφάνεια νερού/ελαίου, έχουν την τάση να προσανατολίζονται τοποθετώντας την υδρόφιλη ομάδα-κεφαλή στην υδατική φάση και την λιπόφιλη αλυσίδα-ουρά στην ελαιώδη φάση. Οι ουσίες που παρουσιάζουν αυτή την ιδιότητα, ονομάζονται επιφανειοδραστικές [9]. Η πλειονότητα των γαλακτωμάτων των τροφίμων περιέχουν σταγονίδια τα οποία επικαλύπτονται από ένα μείγμα διαφορετικών ειδών επιφανειοδραστικών συστατικών (πρωτεΐνες, πολυσακχαρίτες, φωσφολιπίδια) και όχι από ένα μεμονωμένο καθαρό χημικό τύπο. Η σύσταση της διεπιφάνειας καθορίζεται από τον τύπο και την συγκέντρωση των επιφανειοδραστικών συστατικών, την σχετική συνάφεια για την διεπιφάνεια, τη μέθοδο που χρησιμοποιήθηκε για την παρασκευή του γαλακτώματος και τις συνθήκες του διαλύματος (π.χ. θερμοκρασία, ph, ιονική ισχύς). Η σύσταση της διεπιφάνειας εξαρτάται από τους σχετικούς ρυθμούς προσρόφησης των διαφόρων τύπων επιφανειοδραστικών ουσιών κατά τη διάρκεια της διαδικασίας της ομογενοποίησης, καθώς και από κάθε αλλαγή που μπορεί να προκύψει μετά από αυτή. Αμέσως μετά την ομογενοποίηση τα σταγονίδια τείνουν να καλυφθούν από τα επιφανειοδραστικά μόρια τα οποία απορροφώνται από την διεπιφάνεια πολύ γρήγορα κάτω από τυρβώδεις συνθήκες. Παρ όλα αυτά, η σύσταση της διεπιφάνειας μπορεί να αλλάξει εξαιτίας κάποιων επιφανειοδραστικών μορίων που ήταν αρχικά παρόντα στην επιφάνεια του σταγονιδίου και αντικαταστάθηκαν από μόρια του διαλύτη τα οποία παρουσιάζουν μεγαλύτερη συνάφεια με την επιφάνεια. Η σύσταση της διεπιφάνειας εξαρτάται ακόμα από τη σχετική συγκέντρωση των διαφορετικών ειδών γαλακτωματοποιητών. Ένα μικρό επιφανειοδραστικό συστατικό μπορεί να καλύψει ένα σημαντικό ποσοστό της μεμβράνης ενός σταγονιδίου όταν τα σταγονίδια είναι μεγάλα (μικρή συνολική επιφάνεια), αλλά έχει αμελητέα συνεισφορά όταν τα σταγονίδια είναι μικρά (μεγάλη συνολική επιφάνεια) [4]. Οι προσροφημένες επιφανειοδραστικές ουσίες στην διεπιφάνεια ελαίου/νερού δρουν προστατευτικά με τους ακόλουθους τρόπους: 29

30 Μειώνουν τη διεπιφανειακή ενέργεια του συστήματος. Δημιουργούν ένα ανθεκτικό και ιξώδες φράγμα στη διεπιφάνεια, εμποδίζοντας έτσι την συνένωση των σταγονιδίων κατά τη σύγκρουσή τους. Τα ιονικά επιφανειοδραστικά μόρια προσδίδουν ένα φορτίο στη διεπιφάνεια οπότε τα σταγονίδια, ως ομώνυμα φορτισμένα, απωθούνται ενισχύοντας με τον τρόπο αυτό τη σταθερότητά τους [9]. Τα χαρακτηριστικά μιας επιφανειοδραστικής ουσίας εξαρτώνται από τη φύση της ομάδας-κεφαλής και της ομάδας-ουράς. Η ομάδα-κεφαλή μπορεί να είναι ανιονική, κατιονική, μη ιονική ή αμφι-ιονική. Στην βιομηχανία τροφίμων χρησιμοποιούνται επιφανειοδραστικά κυρίως μη ιονικά (μονοακυλογλυκερόλες), ανιονικά (λιπαρά οξέα) ή αμφι-ιονική (λεκιθίνη). Η ομάδα-ουρά συνήθως αποτελείται από μία ή περισσότερες υδρογονανθρακικές αλυσίδες, με 10 έως 20 άτομα άνθρακα ανά αλυσίδα. Οι αλυσίδες αυτές μπορεί να είναι κορεσμένες ή ακόρεστες, ευθύγραμμες ή διακλαδισμένες, αλειφατικές ή αρωματικές. Τα περισσότερα επιφανειοδραστικά που χρησιμοποιούνται στα τρόφιμα έχουν είτε μία είτε δύο ευθύγραμμες αλειφατικές αλυσίδες, οι οποίες μπορεί να είναι κορεσμένες ή ακόρεστες [4, 8]. 3.8 Γαλακτωματοποιητές και μηχανισμός δράσης τους Ο κύριος ρόλος των επιφανειοδραστικών ουσιών είναι να ενισχύουν το σχηματισμό και την σταθερότητα των γαλακτωμάτων. Μπορούν όμως να μεταβάλλουν τις ιδιότητες τους με διάφορους τρόπους, όπως αντιδρώντας με πρωτεΐνες ή πολυσακχαρίτες, σχηματίζοντας επιφανειοδραστικά μικκύλια ή αλλοιώνοντας τη δομή των κρυστάλλων λίπους. Ως γαλακτωματοποιητές ορίζονται οι ουσίες εκείνες, οι οποίες διευκολύνουν το σχηματισμό ενός γαλακτώματος συμβάλλοντας ταυτόχρονα και στη σταθεροποίησή του. Για να δράσει μια ουσία ως γαλακτωματοποιητής, απαραίτητη προϋπόθεση είναι η παρουσία, στο μόριό της, τόσο υδρόφιλων όσο και υδρόφοβων ομάδων, πρέπει δηλαδή να έχει αμφιφιλική δράση. Ο μηχανισμός δράσης των γαλακτωματοποιητών στηρίζεται στην ικανότητά τους να προσροφώνται στη διεπιφάνεια ελαίου νερού αντικαθιστώντας έτσι την άμεση και ανεπιθύμητη επαφή των μορίων του ελαίου με τα μόρια του νερού με την έμμεση επαφή από τη μία των μορίων του ελαίου με τις υδρόφοβες ομάδες του 30

31 γαλακτωματοποιητή και από την άλλη των υδρόφιλων ομάδων του γαλακτωματοποιητή με τα μόρια του νερού. Οι αλληλεπιδράσεις αυτού του τύπου είναι ενεργειακά πιο επιθυμητές από τις πρώτες. Ο βαθμός προσρόφησης ενός γαλακτωματοποιητή στη διεπιφάνεια είναι καθοριστικής σημασίας για το σχηματισμό και τη σταθεροποίηση ενός γαλακτώματος. Παράγοντες όπως η τιμή ενεργού οξύτητας (ph), η θερμοκρασία, η ιονική ισχύς, το ιξώδες, καθώς και η συγγένεια του γαλακτωματοποιητή με τη διεπιφάνεια, επηρεάζουν το βαθμό προσρόφησης αυτού. Υπάρχουν πολλοί γαλακτωματοποιητές οι οποίοι κατατάσσονται στις εξής δύο βασικές κατηγορίες: α) τους γαλακτωματοποιητές χαμηλού μοριακού βάρους (surfactants), και β) τις πρωτεΐνες,. Ανάλογα με τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες και τη μοριακή δομή τους, εμφανίζουν διαφορετικό μηχανισμό προσρόφησης. 31

32 4. Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΠΡΩΤΕΙΝΩΝ ΣΤΑ ΓΑΛΑΚΤΩΜΑΤΑ Οι πρωτεΐνες είναι απαραίτητα συστατικά για κάθε ζωντανό οργανισμό που χρησιμεύουν στο σχηματισμό και την αναγέννηση των ιστών, ή δρουν ως βιοκαταλύτες (ένζυμα, ορμόνες). Εκτός από τη πολύ μεγάλη τους διατροφική αξία χρησιμοποιούνται στα τρόφιμα γιατί προσδίδουν σε αυτά επιθυμητές φυσικοχημικές ιδιότητες [10]. Το σύνολο αυτό των φυσικοχημικών ιδιοτήτων που μπορεί να παρουσιάζει ένα σύστημα, εξαιτίας της παρουσίας των πρωτεϊνών, αναφέρεται ως λειτουργικότητα των πρωτεϊνών. Σε αυτές ανήκουν η διαλυτότητα, το ιξώδες, η ικανότητα συγκράτησης νερού και σχηματισμού πηκτών και η ικανότητα των πρωτεϊνικών μορίων να προσροφώνται σε διεπιφάνειες, σχηματίζοντας ένα ιξωδοελαστικό υμένιο, γεγονός που οδηγεί στη δημιουργία σταθερών γαλακτωμάτων. Στη λειτουργικότητα των πρωτεϊνών οφείλεται η χαρακτηριστική υφή, το χρώμα, η γεύση, η οσμή καθώς και οι ρεολογικές ιδιότητες που παρουσιάζει ένας μεγάλος αριθμός προϊόντων όπως η μαγιονέζα, οι κρέμες κ.α. [5, 11]. Για να χρησιμοποιηθεί μια πρωτεΐνη στην παρασκευή τροφίμων θα πρέπει να πληροί κάποιες προϋποθέσεις: να μην είναι τοξική, να είναι εύπεπτη, να βρίσκεται σε αφθονία, να έχει μεγάλη θρεπτική αξία και τέλος να φέρει τις κατάλληλες κάθε φορά λειτουργικές ιδιότητες ανάλογα με το τρόφιμο. Οι πρωτεΐνες περιέχουν στο μόριό τους υδρόφοβες και υδρόφιλες ομάδες, με αποτέλεσμα να έχουν τη δυνατότητα να μεταναστεύουν εξαιρετικά γρήγορα στη διεπιφάνεια αέρα - νερού ή ελαίου - νερού. Η μετακίνηση αυτή των πρωτεϊνών στη διεπιφάνεια, είναι ενδεικτική μιας κατάστασης χαμηλότερης ελεύθερης ενέργειας [12-14]. Σε αντίθεση με τους γαλακτωματοποιητές μικρού μοριακού βάρους, οι πρωτεΐνες έχουν την ικανότητα να σχηματίζουν στη διεπιφάνεια ένα ισχυρό ιξωδοελαστικό υμένιο, με αποτέλεσμα τα γαλακτώματα να εμφανίζουν μεγαλύτερη σταθερότητα και ανθεκτικότητα σε τυχόν αλλαγές που λαμβάνουν χώρα στις συνθήκες που επικρατούν κατά την παρασκευή και την αποθήκευσή τους. Για το λόγο αυτό, άλλωστε, οι πρωτεΐνες χρησιμοποιούνται σε μεγαλύτερο βαθμό απ ότι οι γαλακτωματοποιητές μικρού μοριακού βάρους. Παρά το γεγονός ότι όλες οι πρωτεΐνες εμφανίζουν αμφιφιλική δράση, διαφοροποιούνται σημαντικά ως προς την επιφανειοδραστικότητά τους, με 32

33 αποτέλεσμα να εμφανίζουν διαφορετικό βαθμό προσρόφησης. Οι διαφορές αυτές οφείλονται στη δευτεροταγή, τριτοταγή αλλά και τεταρτοταγή δομή τους και πιο συγκεκριμένα στην ελαστικότητα του πρωτεϊνικού μορίου, καθώς και στην κατανομή και αναλογία των υδρόφοβων και υδρόφιλων ομάδων της πρωτεΐνης στην επιφάνεια του μορίου. Γενικά, μια πρωτεΐνη για να εμφανίζει ικανοποιητική επιφανειακή δράση, θα πρέπει να φέρει τα εξής χαρακτηριστικά: να προσροφάται γρήγορα στη διεπιφάνεια, να ξεδιπλώνεται και να επαναοριοθετείται γρήγορα σε αυτήν, και να αλληλεπιδρά στη διεπιφάνεια με γειτονικά μόρια, σχηματίζοντας ένα ισχυρό και συνεκτικό ιξωδοελαστικό υμένιο, ανθεκτικό στη θερμική και μηχανική κίνηση των πρωτεϊνικών μορίων. Το πόσο γρήγορα θα προσροφηθεί μια πρωτεΐνη στη ανασχηματισμένη διεπιφάνεια εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του μορίου της και πιο συγκεκριμένα από τον τρόπο κατανομής των υδρόφοβων και υδρόφιλων ομάδων στην επιφάνεια του. Αν η επιφάνεια είναι εξαιρετικά υδρόφιλη και δεν περιέχει διακριτές υδρόφοβες περιοχές, η πρωτεΐνη εμφανίζει μικρή πιθανότητα προσρόφησης, καθώς η ελεύθερη ενέργειά της είναι χαμηλότερη στην υδατική φάση από ότι στη διεπιφάνεια. Όσο ο αριθμός των υδρόφοβων περιοχών στην επιφάνεια του πρωτεϊνικού μορίου αυξάνει, τόσο αυξάνει και η πιθανότητα της γρήγορης προσρόφησής του στη διεπιφάνεια. Κατά την προσρόφηση μιας πρωτεΐνης σε μια διεπιφάνεια, το μεγαλύτερο τμήμα του μορίου της παραμένει στη συνεχή φάση και μόνο ένα μικρό τμήμα αυτού «προσροφάται» σε αυτή. Το αν η πρωτεΐνη θα παραμείνει ή όχι προσροφημένη στη διεπιφάνεια εξαρτάται από τον αριθμό των υδρόφοβων περιοχών του μορίου της που είναι «προσροφημένες» στη διεπιφάνεια. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των προσροφημένων υδρόφοβων περιοχών τόσο πιο ισχυρή είναι η δέσμευση του πρωτεϊνικού μορίου στη διεπιφάνεια και άρα και το υμένιο που σχηματίζεται. Τέλος, ο σχηματισμός τόσο υδρόφοβων και δισουλφιδικών δεσμών όσο και δεσμών υδρογόνου, ενισχύουν τη μηχανική ισχύ και τις ιξωδοελαστικές ιδιότητες του διεπιφανειακού υμενίου συμβάλλοντας έτσι στη σταθερότητα του συστήματος. 33

34 Όπως προαναφέρθηκε, εκτός από τη δομή του μορίου και άλλοι παράγοντες όπως η θερμοκρασία, η συγκέντρωση της πρωτεΐνης, η ενεργός οξύτητα κ.α., επηρεάζουν τη σταθερότητα του υμενίου. Σε χαμηλές συγκεντρώσεις πρωτεΐνης η προσρόφηση πραγματοποιείται με το σχηματισμό ενός μονοστρωματικού υμενίου. Σε υψηλότερες συγκεντρώσεις, ανάλογες με αυτές που χρησιμοποιούνται κατά την παρασκευή των γαλακτωμάτων, έχουμε σχηματισμό περισσότερων στρωμάτων πρωτεΐνης με αποτέλεσμα να αυξάνεται σημαντικά η συγκέντρωσή της στη διεπιφάνεια. Αυτή η πολυστρωματική προσρόφηση δεν προκαλεί περαιτέρω μείωση της διεπιφανειακής τάσης σε σχέση με αυτή της μονοστρωματικής, η οποία συμβάλει στην αύξηση του πάχους του υμενίου και άρα στη σταθεροποίηση του συστήματος λόγω στερεοχημικών παρεμποδίσεων (Σχ.4.1). Σχήμα 4.1: Αναπαράσταση της πρωτεϊνικής δομής στην διεπιφάνεια για μια ελαστική, τυχαίας διαμόρφωσης πρωτεΐνη (α) και μια σφαιρική με υψηλή οργάνωση ως προς τη δομή (β). Η φορά του βέλους δηλώνει αύξηση της συγκέντρωσης της πρωτεΐνης. 34

35 5. ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ ΓΑΛΑΚΤΟΣ Από όλες τις πρωτεΐνες που χρησιμοποιούνται στα τρόφιμα, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η μελέτη των πρωτεϊνών του γάλακτος, λόγω της χρήσης τους σε ένα μεγάλο αριθμό προϊόντων, όπως γαλακτώματα, προϊόντα κρέατος και αρτοποιίας κ.α. Τo γάλα περιέχει πρωτεΐνες υψηλής διατροφικής αξίας σε συγκέντρωση g/l. Οι πρωτεΐνες του γάλακτος χωρίζονται σε δυο κατηγορίες, τις καζεΐνες (caseins) και τις πρωτεΐνες ορού γάλακτος (whey proteins). Στον Πίνακα 5.1 δίνεται η % σύσταση του γάλακτος σε πρωτεΐνες. Πίνακας 5.1: Πρωτεϊνική σύσταση του γάλακτος (%). Πρωτεΐνες γάλακτος (100%) Καζεΐνες (80%) Πρωτεΐνες ορού γάλακτος (20%) Πρωτεΐνες αίματος Πρωτεΐνη Συγκέντρωση (g/l) Συνολική πρωτεΐνη % α s1 - Καζεΐνη α s2 - Καζεΐνη β - Καζεΐνη γ - Καζεΐνες κ - Καζεΐνη α - Λακταλβουμίνη 1-1,5 4 β - Λακτογλοβουλίνη Πρωτεάσες - Πεπτόνες 0,6-1,8 4 Αλβουμίνη σερίνης 0,1-0,4 1 Ανοσογλοβουλίνη 0,6-1,0 2 35

36 5.1 Καζεΐνες Οι καζεΐνες αποτελούν το 80% των συνολικών πρωτεϊνών του γάλακτος (Πίνακας 5.1 ). Ο διαχωρισμός τους από τις υπόλοιπες πρωτεΐνες που περιέχει το γάλα γίνεται με τη μέθοδο της ισοηλεκτρικής καταβύθισης (pi 4.6). Η τριτοταγής δομή των καζεϊνών δεν είναι γνωστή. Παρ όλα αυτά, η γνώση της πρωτοταγούς δομής τους παρέχει τη δυνατότητα εξαγωγής πολλών πληροφοριών σχετικά με τις φυσικοχημικές και λειτουργικές τους ιδιότητες [15]. Μελέτες, ως προς την αλληλουχία των αμινοξέων των καζεϊνών, έδειξαν την παρουσία πολλών υδρόφοβων αμινοξέων στο μόριό τους, γεγονός που δικαιολογεί τη μεγάλη σταθερότητα της δομής τους σε υψηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον, η κατανομή των υδρόφοβων και υδρόφιλων ομάδων αποκάλυψε ένα ακόμα μοναδικό χαρακτηριστικό των καζεϊνών. Τόσο τα υδρόφιλα όσο και τα υδρόφοβα αμινοξέα βρίσκονται συγκεντρωμένα σε ξεχωριστές ομάδες στην πρωτοταγή δομή τους, με συνέπεια το σχηματισμό ευδιάκριτων υδρόφιλων και υδρόφοβων περιοχών. Οι περιοχές αυτές θεωρούνται υπεύθυνες για τον ισχυρά πολικό και αμφίφιλο χαρακτήρα των καζεϊνών, στον οποίο αποδίδεται και η υψηλή γαλακτωματοποιητική ικανότητα τους. Ένα ακόμα χαρακτηριστικό των καζεϊνών είναι ότι εμφανίζουν στην τιμή ενεργού οξύτητας του γάλακτος (ph 6.8) υψηλό αρνητικό φορτίο και άρα υψηλή διαλυτότητα. Αυτό οφείλεται στο ότι η πλειοψηφία των πολικών περιοχών του μορίου αποτελούνται από φωσφορυλιωμένες σερίνες. Τέλος, η ύπαρξη στο μόριο τους, σε μεγάλο ποσοστό του αμινοξέος προλίνη, έχει ως αποτέλεσμα οι δευτεροταγείς διαμορφώσεις των καζεϊνών να διακόπτονται, και οι καζεΐνες να μην εμφανίζονται οργανωμένες με τη μορφή τριτοταγών και τεταρτοταγών διαμορφώσεων, αλλά αντίθετα να υιοθετούν τη δομή πολυπεπτιδίων τυχαίας διαμόρφωσης. Αυτό έχει σαν συνέπεια το μόριο να εμφανίζει μια ιδιαίτερα ανοιχτή και ευέλικτη δομή, γεγονός που το καθιστά ικανό να προσροφάται στη διεπιφάνεια με τη μορφή «συρμών» και «βρόγχων», να σχηματίζει δηλαδή διεπιφανειακά υμένια (Σχ.5.1). Επιπλέον, η ιδιαιτερότητα αυτή της δευτεροταγούς δομής, φαίνεται ότι συμβάλει σημαντικά στη μεγάλη σταθερότητα των μορίων των καζεϊνών σε υψηλές θερμοκρασίες [5, 16]. 36

37 Σχήμα νερού..1: Δομή προσροφημένων μορίων πρωτεϊνών στη διεπιφάνεια ελαίου- Οι καζεΐνες, λόγω της φωσφορυλιωμένης και αμφιφιλικής τους δομής, εμφανίζουν την τάση να αλληλεπιδρούν σε υδατικά διαλύματα, παρουσία 2+ Ca, σχηματίζοντας ενυδατωμένα σφαιρικά συστήματα, γνωστά ως μικκύλια. Οι δυνάμεις που συγκρατούν τα διάφορα είδη καζεϊνών ενωμένα σε αυτή τη δομή είναι κυρίως υδρόφοβες. Το γεγονός, όμως, ότι σε χαμηλές θερμοκρασίες η δομή των μικκυλίων δεν καταστρέφεται είναι ενδεικτικό ότι και άλλα είδη δεσμών συμμετέχουν στο σχηματισμό τους. Η παρουσία στην επιφάνεια των σχηματιζόμενων μικκυλίων της κ-καζεΐνης εμποδίζει τη συσσωμάτωσή τους λόγω στερεοχημικών παρεμποδίσεων. Επιπλέον, οι καζεΐνες που βρίσκονται με τη μορφή μικκυλίων εμφανίζουν εξαιρετική θερμική σταθερότητα σε σύγκριση με την πλειοψηφία των πρωτεϊνών που χρησιμοποιούνται στα τρόφιμα. Στο εμπόριο κυκλοφορούν διάφορα προϊόντα καζεϊνών (Πίνακας 2) οι ιδιότητες των οποίων διαφέρουν λόγω της διαφορετικής μεθόδου παραλαβής τους. Η επιλογή του κατάλληλου κάθε φορά προϊόντος γίνεται σύμφωνα με τις λειτουργικές ιδιότητες που απαιτούνται κατά την παρασκευή ενός συγκεκριμένου τροφίμου. Σχήμα 5.1: Μοντέλο καζεϊνικού μικκυλίου και υπομικκυλίου. 37

38 5.2 Πρωτεΐνες ορού γάλακτος Οι πρωτεΐνες ορού γάλακτος (whey proteins) αποτελούν τη δεύτερη μεγάλη κατηγορία πρωτεϊνών που περιέχονται στο γάλα, στο οποίο βρίσκονται σε ποσοστό 20% (Πίνακας 5.1). Λόγω της υψηλής περιεκτικότητάς τους σε θειούχα αμινοξέα είναι ιδιαίτερα επιθυμητές ως θρεπτικά συστατικά. Παραλαμβάνονται από τη συμπύκνωση ή την υπερσυμπύκνωση του τυρογάλακτος, προκύπτοντας το συμπυκνωμένο (whey protein concentrate, WPC) και το υπερσυμπυκνωμένο κλάσμα (whey protein isolate, WPI) με 9-80% και 80 92% πρωτεΐνη επί ξηρού, αντίστοιχα. Το κλάσμα των πρωτεϊνών τυρογάλακτος περιλαμβάνει σε μεγάλο ποσοστό τις σφαιροπρωτεΐνες β-λακτογλοβουλίνη και α-λακταλβουμίνη, οι τρισδιάστατες δομές των οποίων είναι γνωστές και φαίνονται στο Σχ..2 [15]. Σχήμα 5.2: α) Τρισδιάστατη δομή της σφαιροπρωτείνης β-λακτογλοβουλίνη. και β) τρισδιάστατη δομή της σφαιροπρωτείνης α-λακταλβουμίνη. Οι πρωτεΐνες ορού γάλακτος, σε αντίθεση με τις καζεΐνες, εμφανίζουν μια ομοιομορφία ως προς την κατανομή των υδρόφοβων και υδρόφιλων περιοχών στην επιφάνεια των μορίων τους, με τις υδρόφιλες να υπερτερούν έναντι των υδρόφοβων. Απόρροια του παραπάνω φαινομένου είναι οι πρωτεΐνες ορού να έχουν την ικανότητα να αναδιπλώνονται στο χώρο σχηματίζοντας τρισδιάστατες δομές, στο εσωτερικό των οποίων είναι θαμμένες οι υδρόφοβες ομάδες. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τα πρωτεϊνικά μόρια να εμφανίζουν έντονα την τάση να αλληλεπιδρούν με υδρόφοβα μόρια μικρού μοριακού βάρους (π.χ αυτά των οσμηρών πτητικών συστατικών των τροφίμων), ενώ η μεταξύ τους αλληλεπίδραση, προς σχηματισμό συσσωματωμάτων, είναι σημαντικά μειωμένη [18]. 38

39 Όπως οι καζεΐνες, έτσι και οι πρωτεΐνες ορού, εμφανίζουν μεγάλη διαλυτότητα στην τιμή ενεργού οξύτητας του γάλακτος. Αυτό οφείλεται στο υψηλό αρνητικό φορτίο που παρατηρείται στην επιφάνεια των μορίων τους, εξαιτίας της ιδιαιτερότητά τους ως προς την κατανομή των υδρόφοβων και υδρόφιλων ομάδων. Επιπλέον, στην ιδιαιτερότητά τους αυτή οφείλεται και το μοναδικό χαρακτηριστικό τους να παραμένουν ευδιάλυτες ακόμα και στο ισοηλεκτρικό τους σημείο (pi ), καθώς λόγω του αυξημένου αριθμού υδρόφιλων ομάδων εμφανίζουν, ακόμα και στο ισοηλεκτρικό σημείο, ένα μεγάλο αριθμό φορτισμένων υδρόφιλων αμινοξέων. Έτσι, η ενυδάτωση αυτών των πολικών ομάδων δημιουργεί απωστικές δυνάμεις ικανές να εμποδίσουν τη συσσωμάτωση των μορίων λόγω υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων. Σε αντίθεση με τις καζεΐνες, οι πρωτεΐνες ορού εμφανίζουν μειωμένη σταθερότητα, ως προς τη δομή τους, σε υψηλές θερμοκρασίες. Γενικά, η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί μη αντιστρεπτές μεταβολές στη δομή των μορίων, με αποτέλεσμα να εμφανίζονται στην επιφάνεια υδρόφοβες ομάδες, το ποσοστό των οποίων αυξάνει σημαντικά σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Αυτό έχει ως συνέπεια την ανάπτυξη υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων, οι οποίες οδηγούν στο σχηματισμό συσσωματωμάτων και σε μείωση της διαλυτότητάς τους. Οι πρωτεΐνες ορού είναι, λοιπόν, ιδιαίτερα επιρρεπείς στην αποδιοργάνωση της δομής τους και για το λόγο αυτό είναι απαραίτητος ο προσεκτικός χειρισμός τους κατά το στάδιο της παραλαβής τους. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, [15, 17], η γαλακτωματοποιητική ικανότητα των πρωτεϊνών ορού βελτιώνεται αν λάβει χώρα μερική αποδιοργάνωση της δομής τους, κάτι που οφείλεται στο γεγονός ότι οι πρωτεΐνες αυτές στερούνται της αμφιφιλικής δομής των καζεϊνών. Μεγαλύτερη βελτίωση παρατηρείται κατά την περίπτωση που η αποδιοργάνωση της δομής της πρωτεΐνης συμβεί στο τελικό προϊόν και όχι στο στάδιο παραλαβής. Αυτό πιθανόν οφείλεται στο ότι κατά το ξεδίπλωμα της δομής του πρωτεϊνικού μορίου έρχονται στην επιφάνεια ελεύθερες υδρόφοβες ομάδες ικανές να προσροφηθούν στη διεπιφάνεια και να βελτιώσουν τη σταθερότητα ενός γαλακτώματος. 39

40 6. ΣΥΝΘΕΤΙΚΟΙ ΓΑΛΑΚΤΟΜΑΤΟΠΟΙΗΤΕΣ Οι συνθετικοί γαλακτωματοποιητές είναι επιφανειοδραστικές ουσίες χαμηλού μοριακού βάρους. Συγκεκριμένα είναι μικρά αμφίφιλα μόρια, τα οποία φέρουν μια υδρόφιλη ομάδα στο ένα άκρο («κεφαλή») και μια υδρόφοβη ομάδα στο άλλο άκρο («ουρά»). Το υδρόφοβο τμήμα τους αποτελείται συνήθως από μια ή περισσότερες ανθρακικές αλυσίδες 10 έως 20 ατόμων άνθρακα. Οι αλυσίδες αυτές μπορεί να είναι είτε κορεσμένες είτε ακόρεστες, ενώ συνήθως είναι αλειφατικές. Το υδρόφιλο τμήμα τους διαφοροποιείται και, ανάλογα με τη φύση του, οι γαλακτωματοποιητές χαμηλού μοριακού βάρους διακρίνονται σε ανιονικούς, κατιονικούς και ουδέτερους. Οι λειτουργικές ιδιότητες κάθε γαλακτωματοποιητή μικρού μοριακού βάρους καθορίζονται από τη χημική του δομή, η οποία είναι χαρακτηριστική για τον καθένα. Για το λόγο αυτό, είναι απαραίτητη η επιλογή του καταλληλότερου κάθε φορά γαλακτωματοποιητή ανάλογα με τη χρήση για την οποία προορίζεται. Η πλειοψηφία των γαλακτωματοποιητών χαμηλού μοριακού βάρους δεν εμφανίζει μεγάλη διαλυτότητα ούτε στο νερό ούτε στη φάση του ελαίου. Αντίθετα, εμφανίζουν μια βέλτιστη διαλυτότητα όταν βρίσκονται σε ένα μερικώς υδρόφιλο και μερικώς υδρόφοβο περιβάλλον όπως είναι αυτό της διεπιφάνειας ελαίου νερού. Σε υδατικά διαλύματα βρίσκονται με την μορφή μικκυλίων, σχηματίζουν δηλ. μια υδρόφιλη επιφάνεια και μια υδρόφοβη κοιλότητα που συμβάλλουν στη ελάττωση των απωστικών αλληλεπιδράσεων με τα μόρια του διαλύτη (Σχ.6.1). Οι δομές αυτές είναι θερμοδυναμικά σταθερές, ενώ το σχήμα τους εξαρτάται από την πολικότητα του γαλακτωματοποιητή, καθώς και από τη μοριακή γεωμετρία του. Οι αλληλεπιδράσεις που σταθεροποιούν αυτές τις δομές είναι σχετικά ασθενείς σε σχέση με τη θερμική ενέργεια, με αποτέλεσμα οι διαμορφώσεις αυτές να είναι ιδιαίτερα ευέλικτες αλλά και ευαίσθητες σε αλλαγές των συνθηκών του περιβάλλοντός τους, όπως η θερμοκρασία, η ενεργός οξύτητα, η ιονική ισχύς κ.α. 40

41 Σχήμα 6.1: Τυπικές δομές μικκυλίων λόγω αλληλεπίδρασης των μορίων του γαλακτωματοποιητή χαμηλού μοριακού βάρους μεταξύ τους. Απαραίτητη προϋπόθεση για το σχηματισμό των μικυλλίων είναι η συγκέντρωση. Για κάθε γαλακτωματοποιητή χαμηλού μοριακού βάρους υπάρχει μια συγκεκριμένη τιμή συγκέντρωσης, γνωστή ως κρίσιμη συγκέντρωση μικυλλίων (critical micelle concentration, CMC). Κάτω από την τιμή αυτή τα μόρια του γαλακτωματοποιητή βρίσκονται σε διασπορά με τη μορφή μονομερών. Αντίθετα, όταν η συγκέντρωση του γαλακτωματοποιητή υπερβεί την τιμή αυτή κάθε επιπλέον μόριο συμμετέχει στο σχηματισμό μικυλλίων, ενώ η συγκέντρωση των μονομερών παραμένει σταθερή. Οι φυσικοχημικές ιδιότητες των μονομερών είναι διαφορετικές από αυτές των μικυλλίων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να παρατηρείται μια ξαφνική μεταβολή των φυσικοχημικών ιδιοτήτων των υδατικών διαλυμάτων των γαλακτωματοποιητών χαμηλού μοριακού βάρους, όταν η συγκέντρωση υπερβεί την τιμή CMC. Έτσι, όταν οι γαλακτωματοποιητές βρίσκονται στο διάλυμα με τη μορφή μονομερών εμφανίζουν, λόγω της αμφιφιλικής τους δομής, υψηλή επιφανειακή δράση. Αντίθετα, τα μικύλλια εμφανίζουν μειωμένη επιφανειοδραστικότητα επειδή η επιφάνεια τους είναι καλυμμένη με υδρόφιλες ομάδες. Αυτό έχει ως συνέπεια η επιφανειακή τάση να μειώνεται όσο αυξάνεται η συγκέντρωση του γαλακτωματοποιητή μέχρι την τιμή CMC, και στη συνέχεια να παραμένει σταθερή για κάθε επιπλέον αύξηση της συγκέντρωσης [4]. Η γαλακτωματοποιητική ικανότητα των μορίων αυτών οφείλεται, όπως και στην περίπτωση των πρωτεϊνών, στην αμφιφιλική τους δομή. Παρ όλα αυτά, όμως, ο μηχανισμός προσρόφησης των γαλακτωματοποιητών μικρού μοριακού βάρους 41

42 στη διεπιφάνεια, είναι διαφορετικός από αυτόν των πρωτεϊνών. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, στην περίπτωση των γαλακτωματοποιητών μικρού μοριακού βάρους, οι υδρόφιλες και υδρόφοβες ομάδες βρίσκονται στα άκρα των μορίων σε αντίθεση με τις πρωτεΐνες που βρίσκονται σε όλο το μόριο. Για το λόγο αυτό δεν υφίστανται παρεμποδίσεις στην προσρόφηση με αποτέλεσμα να προσροφόνται με τη μορφή ενός μονομοριακού στρώματος στο οποίο η υδρόφιλη «ουρά» εκτείνεται προς την υδατική φάση ενώ το υδρόφοβο τμήμα προς τη φάση του ελαίου (Σχ.6.2) [19]. Σχήμα 6.2: Σχηματική αναπαράσταση προσρόφησης διαφόρων γαλακτωματοποιητών στη διεπιφάνεια ελαίου-νερού. 1) σάππωνας, 2) Tween, 3) μακρομόριο, 4) σφαιρο- πρωτεΐνη. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση των ανεπιθύμητων αλληλεπιδράσεων, καθώς και τη μείωση της διεπιφανειακής τάσης, γεγονός που διευκολύνει το σχηματισμό του γαλακτώματος. Μετά την προσρόφηση στη διεπιφάνεια, ο γαλακτωματοποιητής πρέπει να σταθεροποιήσει το σύστημα εμποδίζοντας τη συσσωμάτωση των λιποσφαιριδίων. Ο τρόπος με τον οποίο επιτυγχάνεται αυτό διαφοροποιείται ανάλογα με την κατηγορία στην οποία ανήκει ο γαλακτωματοποιητής. Έτσι, μπορεί να σταθεροποιεί το γαλάκτωμα είτε με το να παρέχει σε όλα τα λιποσφαιρίδια το ίδιο ηλεκτρικό φορτίο (ανιονικός), είτε με το σχηματισμό ενός πολυστρωματικού διεπιφανειακού υμενίου (αντί ενός μονοστρωματικού), είτε λόγω στερεοχημικών αλληλεπιδράσεων και άλλων απωστικών δυνάμεων (ουδέτερος). Οι γαλακτωματοποιητές χαμηλού μοριακού βάρους χωρίζονται σε δυο μεγάλες κατηγορίες, τους φυσικούς γαλακτωματοποιητές, όπως είναι τα 42

43 μονογλυκερίδια, τα φωσφολιπίδια, οι σάπωνες και στους συνθετικούς γαλακτωματοποιητές, όπως π.χ τα Tweens, τα Spans, κ.α. Τα Tweens διαφοροποιούνται κάπως από τα υπόλοιπα ως προς το υδρόφιλο τμήμα το οποίο περιέχει τρεις ή τέσσερις αλυσίδες πολυοξυαιθυλενίου, μήκους πέντε περίπου μονομερών. 7. ΕΔΩΔΙΜΑ ΛΙΠΗ ΚΑΙ ΕΛΑΙΑ 7.1 Ορισμοί και σύσταση των λιπών και ελαίων Εδώδιμα λίπη και έλαια χαρακτηρίζονται όλα τα εξευγενισμένα προϊόντα φυτικής ή ζωικής προέλευσης, τα οποία περιέχουν γλυκερίδια διαφόρων λιπαρών οξέων καθώς και μικρές ποσότητες άλλων λιποειδών, όπως φωσφατίδια, στερόλες, ελεύθερα λιπαρά οξέα, κα. Με τον τρόπο αυτό μπορούν και φέρονται στο εμπόριο ώστε να χρησιμοποιηθούν στη διατροφή του ανθρώπου, σύμφωνα με τις αγορανομικές διατάξεις [20]. Σχήμα 7.1: Μορφές εδώδιμων λιπών και ελαιών Τα λίπη και τα έλαια είναι και τα δυο εστέρες που σχηματίζονται από μια γλυκερόλη και τρία λιπαρά οξέα. Σε θερμοκρασία δωματίου τα έλαια είναι υγρά και τα λίπη είναι στερεά ή αλοιφώδης. Αυτό συμβαίνει, λόγω του μήκους της ανθρακικής αλυσίδας των λιπαρών οξέων καθώς και στην παρουσία πολλαπλών δεσμών. Η αύξηση του μήκους της ανθρακικής αλυσίδας μειώνει και το σημείο 43

44 τήξεως του μορίου ενώ ο κορεσμός (διπλοί δεσμοί) βοηθάει στην καλύτερη ευθυγράμμιση των μορίων άρα και στην πήξη [21]. Τα λίπη και τα έλαια ανάλογα με την προέλευση τους διακρίνονται σε φυτικά και ζωικά και ανάλογα με το είδος του φυτού ή του ζώου διακρίνονται διάφορες κατηγορίες προέλευσης. Π.χ στην ομάδα των φυτικών λιπών ανήκουν: το ελαιόλαδο, το φοινικέλαιο, το αραβοσιτέλαιο, το ηλιέλαιο, κ.α. Στην ομάδα των ζωικών λιπών ανήκουν: το λαρδί (χοίρειο), το στέαρ (βόειο, πρόβειο), τα ιχθυέλαια, τα ηπατέλαια κ.α. Παράγωγα των λιπών και των ελαίων είναι οι μαργαρίνες κα τα μαγειρικά λίπη τα οποία χαρακτηρίζονται και ως τεχνητά λίπη [20]. Ένας σημαντικός διαχωρισμός των ελαιών αφορά των τρόπο παραλαβής τους. Η πιο γνωστή κατηγορία είναι τα έλαια, τα οποία παραλαμβάνονται με έκθλιψη των ελαιούχων καρπών, με ποιο γνωστό το ελαιόλαδο. Ένα άλλο σημαντικό είδος είναι τα σπορέλαια, τα έλαια τα οποία λαμβάνονται με έκθλιψη ή με εκχύλιση των σπερμάτων διαφόρων φυτών, και τα οποία διατίθενται στην κατανάλωση μετά από κατάλληλη επεξεργασία, εξευγενισμό κλπ. Τα σπορέλαια διατίθενται στο εμπόριο με υποχρεωτική την ονομασία προέλευσης τους και τον εξευγενισμό τους π.χ. «εξευγενισμένο αραβοσιτελαιο» κλπ. Τα σπορέλαια που διατίθενται ως εδώδιμα έλαια είναι συνήθως τα ακόλουθα: αραβοσιτέλαιο, σογιέλαιο, σησαμέλαιο, βαμβακέλαιο, ηλιέλαιο, καπνέλαιο κ.α. Αναφορικά με τη σύσταση, τα τριγλυκερίδια (triacylglecerols, TG) είναι το κύριο συστατικό των λιπών και ελαίων, σε ποσοστό συνήθως 9-99%. Άλλα συστατικά είναι τα ελεύθερα λιπαρά οξέα, τα οποία συνιστούν τη φυσική οξύτητα του ελαίου, σε ποσοστό 0. - % (και σε μερικές περιπτώσεις μέχρι και 8% ή και περισσότερο) καθώς και σε αναλογία μικρότερη του 1% διάφορες φαινολικές ενώσεις και η βιταμίνη Ε που δρουν ως αντιοξειδωτικά, φωσφατίδια, φυτοστερόλες και ποικίλα ποσά βιταμίνης Α και D. Επίσης, υπάρχουν και μονογλυκερίδια (monoglycerides, MG) και διγλυκερίδια (diglycerides, DG) συνήθως σε ποσοστό ανάλογο της οξύτητας. Τα τριγλυκερίδια των λιπών και ελαίων είναι μικτοί εστέρες της γλυκερόλης με ανώτερα λιπαρά οξέα. Τα λιπαρά οξέα αποτελούνται από 14 έως 20 άτομα άνθρακα και μπορεί να είναι κορεσμένα ή ακόρεστα. 44

45 Τα φυτικά έλαια περιέχουν τριγλυκερίδια κυρίως με λιπαρά οξέα με ευθείες αλυσίδες C12 έως C18 ενώ τα ιχθυέλαια περιέχουν και μεγαλύτερες αλυσίδες C20 έως C22. Τα φυτικά και ζωικά λίπη έχουν ως κύρια συστατικά των τριγλυκεριδίων τους τα κορεσμένα παλμιτικό C16 και στεατικό C18 οξύ [20]. Σχήμα 7.2: Μια τυπική δομή τριγλυκεριδίου 7.2 Ελαιόλαδο Ελαιόλαδο είναι το έλαιο της ελιάς, δηλαδή του καρπού του ελαιόδενδρου, της ελαίας της ευρωπαϊκής (Olea europaea) [20]. Το ελαιόλαδο αποτελεί την κύρια πηγή διαιτητικού λίπους στις χώρες της Μεσογείου και αυτό το γεγονός σύμφωνα με πολλές μελέτες που έγιναν ευθύνεται για τη χαμηλή συχνότητα διαφόρων χρόνιων νοσημάτων. Αν και υπάρχουν διαιτητικές παραλλαγές μεταξύ των μεσογειακών χωρών, ένα κοινό χαρακτηριστικό τους είναι η υψηλή κατανάλωση ελαιολάδου, είτε ως προστιθέμενο χωρίς να μαγειρευτεί σε σαλάτες, όσπρια και σε άλλα τρόφιμα είτε ως την κύρια πηγή μαγειρικού λίπους. Σχεδόν το μισό από την ολική ποσότητα λίπους που καταναλώνεται στις μεσογειακές δίαιτες προέρχεται από το μαγείρεμα με ελαιόλαδο [22]. Τα τριγλυκερίδια του ελαιολάδου αποτελούνται κυρίως από ελαϊκό οξύ, ένα μονοακόρεστο λιπαρό οξύ, που κυμαίνεται μεταξύ του 6 με 84% των συνολικών λιπαρών οξέων και από το λινελαϊκό οξύ, ένα πολυακόρεστο λιπαρό οξύ σε συγκεντρώσεις μεταξύ 3,5-21% [23]. Το ελαιόλαδο θεωρείται μοναδικό λόγω της υψηλής περιεκτικότητας του σε ελαϊκό οξύ σε αντίθεση με την πλειοψηφία των σπορέλαιων, τα οποία αποτελούνται κυρίως από πολυακόρεστα λιπαρά οξέα, συμπεριλαμβάνοντας και το απαραίτητο ω-6 λιπαρό οξύ, το λινελαϊκό οξύ. Συγκρινόμενο με τα πολυακόρεστα λιπαρά οξέα, το ελαϊκό οξύ έχει μόνο ένα διπλό δεσμό, που σημαίνει ότι είναι λιγότερο ευαίσθητο στην οξείδωση και συνεισφέρει 45

46 στην αντιοξειδωτική δράση, στην υψηλή σταθερότητα και στον μεγάλο χρόνο ζωής του ελαιολάδου [22]. Επιπλέον, το ελαιόλαδο περιέχει όλα εκείνα τα λιπαρά οξέα όπως τo λινολενικό και το αραχιδονικό οξύ, τα οποία είναι απαραίτητα για την ανάπτυξη και την υγεία του ανθρώπινου οργανισμού. Είναι αξιοσημείωτο, ότι η σχέση του λινολεϊκού οξέος προς το α-λινολενικό οξύ στο ελαιόλαδο είναι άριστη και προσομοιάζει το λίπος του μητρικού γάλακτος. Η σύσταση του ελαιολάδου σε λιπαρά οξέα [25], η οποία διαφέρει ανάλογα με την γεωγραφική προέλευση του ελαίου, δίνεται στο Πίνακα 7.1. Πινάκας 7.1: Σύσταση ελαιολάδου σε λιπαρά οξέα Κοινή ονομασία Συμβολισμός % Περιεκτικότητα Μυριστικό 14:0 0,0-0,05 Παλμιτικό 16:0 7,5-20,0 Παλμιτελαϊκό 16:1 0,3-3,5 Μαργασικό 17:0 0,0-0,3 Δεκαεπτανοϊκό 17:1 0,0-0,3 Στεατικό 18:0 0,5-5,0 Ελαϊκό 18:1 55,0-83,0 Λινελαϊκό 18:2 3,5-21,0 Α-Λινολενικό 18:3 0,0-0,9 Αραχιδονικό 20:0 0,0-0,6 Εικοσενοϊκό 20:1 0,0-0,4 Βεχενικό 22:0 0,0-0,2 Λιγνοκερικό 24:0 0,0-0,2 Το ελαιόλαδο αποτελεί μια πλούσια πηγή από βιταμίνες και αντιοξειδωτικές ουσίες. Είναι μοναδικό γιατί αποτελεί πηγή σκουαλενίου, μια πρόδρομο ουσία των στερολών και γνωστό αντιοξειδωτικό που δεν υπάρχει στα σπορέλαια. 46

47 7.3 Αραβοσιτέλαιο Το αραβοσιτέλαιο ή καλαμποκέλαιο είναι φυτικό έλαιο, φθηνότερο από το ελαιόλαδο και τα περισσότερα άλλα φυτικά έλαια, που λαμβάνεται (40-0%), με πίεση ή εκχύλιση, από τα φύτρα του αραβοσίτου, Zea mais. Το καλαμπόκι έχει περιεκτικότητα 2,8% κατά βάρος σε αραβοσιτέλαιο. Είναι πλούσιο σε πολυακόρεστα περιέχοντας 57% λινελαϊκό οξύ και χαμηλή περιεκτικότητα σε α-λινολενικό οξύ. Το καλαμποκέλαιο είναι πλούσιο σε τοκοφερόλες. Είναι ένα σταθερό λάδι, γι αυτό χρησιμοποιείται συχνά στο μαγείρεμα και στην παραγωγή μαργαρίνων [24]. Πίνακας 7.2: Σύσταση αραβοσιτελαίου σε λιπαρά οξέα Κοινή ονομασία Συμβολισμός % Περιεκτικότητα Παλμιτικό 16:0 11 Στεατικό 18:0 2 Ελαϊκό 18:1 29 Λινελαϊκό 18:2 57 Α-Λινολενικό 18: Σησαμέλαιο Το σησαμέλαιο είναι ένα φυτικό έλαιο που λαμβάνεται (47-6%), με ψυχρή και θερμή πίεση από τους καρπούς διαφόρων ποικιλιών του σουσαμιού, Sesamum orientale. Στην Νότια Ινδία χρησιμοποιείται ως μαγειρικό λάδι και στην Κινέζικη, Ιαπωνική, Κορεάτικη και Ταϊλανδέζικη κουζίνα ως ενισχυτικό γεύσης. Το σησαμέλαιο χρησιμοποιείται ως φάρμακο στην Ινδία, όπου πιστεύεται ότι έχει θεραπευτικές δράσεις σε πολλές ασθένειες. Αποτελεί ένα από τα αρχαιότερα φυτικά έλαια που παρασκευάστηκαν και σήμερα η παραγωγή του είναι περιορισμένη λόγω της δύσκολης διαδικασίας καλλιέργειας και παραγωγής. Περιέχει ίσες ποσότητες μονοακόρεστων και πολυακόρεστων λιπαρών οξέων (κυρίως λινελαϊκό οξύ και μικρές ποσότητες α-λινολενικού οξέος) και 15% κορεσμένα λιπαρά [24]. 47

48 Πίνακας 7.3: Σύσταση σησαμελαίου σε λιπαρά οξέα Κοινή ονομασία Συμβολισμός % Περιεκτικότητα Παλμιτικό 16:0 7,0-12,0 Παλμιτελαϊκό 16:1 0,0-0,5 Στεατικό 18:0 3,5-6,0 Ελαϊκό 18:1 35,0-50,0 Λινελαϊκό 18:2 35,0-50,0 Α-Λινολενικό 18:3 0,0-1,0 Εικοσενοϊκό 20:1 0,0-1,0 Βεχενικό 22:0 0,0-0,2 7.5 Φοινικέλαιο Είναι το λίπος, το οποίο λαμβάνεται (60-6 %) από το καρπικό σάρκωμα του ελαιοφοίνικα (Elaeis guinensis). Έχει κοκκινωπό χρώμα λόγω της υψηλής περιεκτικότητας σε β-καροτένιο. Το φοινικέλαιο έχει σημαντικό ποσοστό στη παγκόσμια παραγωγή ελαίων, με τη Μαλαισία και την Ινδονησία να είναι οι κύριες χώρες με τη μεγαλύτερη παραγωγή του. Το φοινικέλαιο έχει ίσες ποσότητες σε κορεσμένα και ακόρεστα λιπαρά οξέα. Η σύσταση του μοιάζει όμως περισσότερο με εκείνη του ζωικού λίπους παρά με αυτή του φυτικού ελαίου, καθώς περιέχει κορεσμένο λίπος σε ποσοστό περίπου 48%.Με το δεδομένο αυτό θα περιμέναμε αρνητικές επιπτώσεις στην υγεία αλλά οι έρευνες δεν είναι επαρκείς για να διεξάγουμε ασφαλή συμπεράσματα [24]. Πίνακας 7.4: Σύσταση φοινικέλαιου σε λιπαρά οξέα Κοινή ονομασία Συμβολισμός % Περιεκτικότητα Μυριστικό 14:0 1,0 Παλμιτικό 16:0 43,5 Στεατικό 18:0 4,3 Ελαϊκό 18:1 36,6 Λινελαϊκό 18:2 9,1 48

49 7.6 Χημικές αλλοιώσεις των λιπών και ελαίων Οι πλέον συνήθεις χημικές αλλοιώσεις των λιπών και ελαίων οφείλονται στους παράγοντες: 1) Επίδραση του φωτός 2) Επίδραση της μακροχρόνιας παραμονής π.χ. κατά την αποθήκευση 3) Επίδραση της θερμότητας π.χ. κατά το τηγάνισμα ή το μαγείρεμα 4) Επίδραση του εξευγενισμού 5) Επίδραση άλλων παραγόντων [20]. Οι χημικές αυτές αλλοιώσεις που παρουσιάζονται στα έλαια είναι: Η μεγάλη οξύτητα από φυσική προέλευση ή λόγω υδρόλυσης των τριγλυκεριδίων. Η τάγγιση, που οφείλεται κυρίως σε εμφάνιση πλευρικών κετονικών ομάδων λόγω οξείδωσης των αλυσίδων άνθρακα των λιπαρών οξέων των τριγλυκεριδίων. Η οξύτητα και η τάγγιση αυξάνουν κατά την επίδραση φωτός, κατά την παραμονή και κατά την θέρμανση και συνήθως συμβαδίζουν αλλά όχι και απαραίτητα δηλ. ένα έλαιο μπορεί να εμφανίζει τάγγιση χωρίς να έχει ιδιαίτερα μεγάλη οξύτητα. Επίσης προκαλούν και αλλοίωση των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών του ελαίου, όπως γεύση και οσμή. Η ανάπτυξη συζυγιακών διπλών δεσμών λόγω οξείδωσης των αλυσίδων άνθρακα των λιπαρών οξέων των τριγλυκεριδίων. Η αλλοίωση αυτή προκαλείται ή επαυξάνεται κυρίως κατά τα στάδια αποχρωματισμού και της απόσμησης κατά τον εξευγενισμό, αλλά μπορεί να προκληθεί και φυσιολογικά στα έλαια λόγω της επίδρασης του φωτός [20]. 49

50 8. ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΗ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ ΠΕΔΙΟΥ 8.1 Εισαγωγή Από τις αρχές του 20 ου αιώνα, όπου πρωτοεισήχθη η τεχνική της χρωματογραφίας από τον Ρώσο επιστήμονα Michail Tswett [26], έγιναν πολλές επεκτάσεις με στόχο την καλύτερη αξιοποίηση της τεχνικής σε ένα πιο στενό και παράλληλα συγκεκριμένο είδος αναλύσεων. Με τον όρο Χρωματογραφία, εννοούμε μια ομάδα παρόμοιων διαχωριστικών και αναλυτικών τεχνικών. Η βασική ιδέα της τεχνικής αφορά τις σχετικές ταχύτητες των συστατικών ενός μείγματος, το οποίο ρέει κατά μήκος μιας στήλης με τη βοήθεια ενός διαλύτη. Για να επιτευχθεί αυτό θα πρέπει τα συστατικά του μίγματος να αλληλεπιδράσουν με ένα είδος στατικής φάσης με αποτέλεσμα τη διαφορετική συγκράτηση του κάθε ενός. Οι διαφορετικές ιδιότητές τους (φυσικές ή χημικές) οδηγούν εν τέλει στον διαχωρισμό και στη ανάλυσή τους σύμφωνα πάντα με το κατάλληλα θεωρητικό μοντέλο ανάλυσης που εφαρμόζεται. Οι δύο πιο κοινοί τύποι διαχωρισμού αφορούν ανάλογα με το αν έχουμε προσρόφηση των ουσιών πάνω στην ακίνητη φάση ή κατανομή των ουσιών ανάμεσα στην ακίνητη και την κινητή φάση. Μια διαφορετικής φύσεως χρωματογραφική τεχνική, προτάθηκε από τον καθηγητή J. Calvin Giddings, του Πανεπιστημίου Utah των Η.Π.Α., το 1966 και είναι ευρέως γνωστή σήμερα ως Μονοφασική Χρωματογραφία Πεδίου [27-29]. Σύμφωνα με τη βασική ιδέα της χρωματογραφίας, την έννοια της στατικής φάσης πλέον την αναλαμβάνει ένα εξωτερικά ασκούμενο πεδίο, που δρα σε κάθετη διεύθυνση ως προς το επίπεδο της στήλης [30]. Με τον τρόπο αυτό, το πεδίο επεμβαίνει στη χωροθέτηση του εκάστοτε συστατικού, του αναλυόμενου μίγματος, ως προς τη κατακόρυφο, σε οποιοδήποτε σημείο της στήλης. Έτσι, υπεύθυνο για τον διαχωρισμό και τη περαιτέρω ανάλυση των συστατικών είναι το παραβολικό μέτωπο ροής του διαλύτη που σχηματίζεται μέσα στη στήλη, το οποίο διαχωρίζει τα συστατικά βάσει το σημείου που έχουν συγκεντρωθεί ως προς τη κατακόρυφο. 50

51 Αναφορικά με την οργανολογία, στις περισσότερες περιπτώσεις, η στήλη διαχωρισμού της Μονοφασικής Χρωματογραφίας Πεδίου (Μ.Χ.Π.), η στήλη διαχωρισμού δημιουργείται στην ενδιάμεση περιοχή μεταξύ δύο παράλληλων και επίπεδων πλακών από συγκεκριμένο υλικό. Το μέσο της κάθε πλάκας παρουσιάζει εγκοπή, έτσι ώστε όταν αυτές ενωθούν και σφραγισθούν, για αποφυγή διαρροών, να σχηματισθεί στην ενδιάμεση αυτή περιοχή ένα σχεδόν ορθογώνιο σχήμα με στενεμένα άκρα που χρησιμεύουν στην είσοδο και στην έξοδο του διαλύτη. Από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά εκείνο που παρουσιάζει τις μεγαλύτερες διακυμάνσεις είναι το μήκος L που μπορεί να κυμαίνεται στα cm. Το πλάτος b είναι περίπου 1 2 cm, ενώ το πάχος w περίπου 0,1 0,25 cm. Το γεγονός ότι το πλάτος είναι μεγαλύτερο του πάχους καθιστά επιτρεπτή τη χρησιμοποίηση της θεωρίας των παράλληλων πλακών, για τη περιγραφή της συμπεριφοράς της έκλουσης κατά μήκος της στήλης. Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, η συγκέντρωση και η ταχύτητα ενός σημείου εγκαρσίως της στήλης, παρουσιάζεται ως ανεξάρτητη του πλάτους, και η οποία είναι παράλληλη προς τις δύο πλάκες. Σχήμα 8.1.: Σχηματική αναπαράσταση μιας χρωματογραφικής στήλης ΜΧΠ. 8.2 Γενικές αρχές της Μονοφασικής Χρωματογραφίας Πεδίου Η Μονοφασική Χρωματογραφία Πεδίου (Μ.Χ.Π.), η οποία καλείται επίσης και «χρωματογραφία μίας φάσης» [31, 32] αποτελεί μια απλή και εύχρηστη μέθοδο έκλουσης διαχωρισμού και ανάλυσης των συστατικών, όπως συμβαίνει και στην κλασική χρωματογραφία. Η περιοχή δειγμάτων της μεθόδου εξαρτάται από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της στήλης και καταλαμβάνει ένα εύρος 51

52 ανάλυσης από 1nm έως 100μm. Δεδομένου αυτού, έχουμε την εφαρμογή της σε μια μεγάλη κλίμακα μακρομορίων, κολλοειδών και δειγμάτων ιδιαίτερης βιομηχανικής και περιβαλλοντικής αξίας καθώς επίσης και σε βιοϊατρικά και βιολογικά δείγματα [33]. Η Μ.Χ.Π. διαχωρίζει τις ουσίες με βάση το μοριακό βάρος, το μέγεθος, το συντελεστή διάχυσης ή το ηλεκτρικό τους φορτίο. Συγχρόνως, με το διαχωρισμό μετρούνται φυσικοχημικές ιδιότητες των συστατικών, όπως η μάζα, το μέγεθος, η πυκνότητα, το φορτίο, η διάχυση και η ηλεκτροφορητική κινητικότητα [34]. Επίσης, βάση κατάλληλης μαθηματικής ανάλυσης είναι δυνατόν να υπολογισθεί η αποτελεσματική σταθερά Hammaker, μέσω των προσδιορισθέντων δυνάμεων αλληλεπίδρασης Van der Waals, η οποία αποτελεί μια καθοριστικής σημασίας παράμετρο για την απόδοση του βαθμού στον οποίο αλληλεπιδρούν δυο υλικά. Όπως προαναφέρθηκε, κατά τη λειτουργία της μεθόδου επιτυγχάνεται διαχωρισμός των προς ανάλυση σωματιδίων βάση της διασποράς τους, κατά μήκος της διατομής της στήλης. Αυτό οφείλεται στη κατάληψη μιας στατικής ζώνης από το εκάστοτε χημικό είδος, στο παραβολικό μέτωπο ροής του διαλυτή. Η διευθέτηση αυτή δημιουργείται από δυο αντίθετες και διαφορετικής φύσεως αλληλεπιδράσεις, της διάχυσης και του εξωτερικά εφαρμοζόμενου πεδίου. Ο παρατηρηθείς χρόνος συγκράτησης συσχετίζεται με τη διευθέτηση του είδους, κατά μήκος της διατομής της στήλης, σε συνδυασμό με το παραβολικό μέτωπο ροής. Από τη μέτρηση των τιμών του, μπορούμε να προσδιορίσουμε τις φυσικοχημικές ιδιότητες του κάθε συστατικού. Σχήμα 8.2: Σχηματική αναπαράσταση του τρόπου διαχωρισμού των ουσιών εντός μιας χρωματογραφικής στήλης Μ.Χ.Π. 52

53 Αναλυτικότερα, πάνω σε κάθε σωματίδιο επενεργούν δυο δυνάμεις, η μια είναι αυτή του εφαρμοζόμενου πεδίου, η οποία ωθεί τα σωματίδια προς το τοίχωμα της στήλης, ενώ η δεύτερη είναι η διάχυση, η οποία έχει αντίθετη διεύθυνση από την πρώτη και απωθεί τα σωματίδια από τα τοίχωμα (Σχ.8.3). Στη κατάσταση ισορροπίας, η συγκέντρωση των σωματιδίων του δείγματος αφορά τη συγκέντρωση ισορροπίας στη ζώνη στατικής κατάστασης. Ο ρυθμός ροής των σωματιδίων της διεσπαρμένης ουσίας, κατά τη διεύθυνση εφαρμογής του εξωτερικού πεδίου, J(x), ανά μονάδα επιφάνειας και χρόνου, κάθετα στον άξονα x, θα δίνεται από την διαφορά ροής, η οποία οφείλεται στην επίδραση της διάχυσης και στη ροή λόγω εφαρμογής του πεδίου. Ο αριθμός των σωματιδίων, που διασχίζουν μία επιφάνεια Α στη μονάδα του χρόνου, είναι ο αριθμός αυτών των σωματιδίων που περιέχονται σε όγκο UA, f όπου U f η ταχύτητα των σωματιδίων. Αν C είναι η συγκέντρωση των σωματιδίων σ αυτόν τον όγκο, τότε ο αριθμός τους θα είναι μοναδιαία επιφάνεια (Α = 1), ο αριθμός των σωματιδίων γίνεται Uf A C. Για μία όμως Uf C, που είναι ο παράγοντας συγκέντρωσης. Σύμφωνα με τα παραπάνω ο ρυθμός ροής θα έχει τη μορφή: dc J x D Uf C (2) dx Λόγω ότι έχουμε κατάσταση ισορροπίας, ο καθαρός ρυθμός ροής των σωματιδίων, πεδίου και διάχυσης. J x, θα ισούται με μηδέν, εξαιτίας των αντισταθμιστικών δράσεων Σχήμα 8.3: Σχηματική αναπαράσταση του τρόπου διαχωρισμού των ουσιών εντός μιας χρωματογραφικής στήλης ΜΧΠ. 53