سیستم‎های کلوئیدی

در صنایع غذایی هیدروکلوئیدها با توجه به ویژگی‎های سطحی و رئولوژیکی خود نقش ایفا می‎کنند. ویژگی‎های سطحی، با سیستم‎های کلوئیدی در مواد غذایی مرتبط شده که می‎تواند به گروه‎های مختلفی، بر مبنای حالات ماده در فازهای پیوسته و پراکنده، طبقه‎بندی شود.

لازم به توضیح است که بیشتر مواد غذایی به فرم مخلوط‎ها هستند و مخلوط‎ها به دو صورت هموژن و هتروژن دیده می‎شوند. مخلوط‎های هموژن را محلول می‎نامند، در حالی که مخلوط‎های هتروژن به دو حالت کلوئیدی و سوسپانسیون وجود دارند. هر یک از محلول‎ها، کلوئیدها و سوسپانسیون‎ها می‎توانند به فرم مایع، جامد یا گاز وجود داشته باشند.

یک محلول عادی، متشکل از حلال و حل‎شونده است. ذرات حل‎شونده در یک محلول عادی، معمولا مولکول‎ها یا یون‎های نرمال هستند و اندازه آنها به‎طور کلی بین ۱-۰/۱ نانومتر است. سیستم‎های مختلفی وجود دارند که در آنها اندازه ذرات به‎طور قابل توجهی بزرگتر و در حقیقت دامنه‎ای از یک نانومتر تا چندین میکرون است. سیستم‎‏هایی که شامل محیطی با ذرات حل‎شده یا پراکنده که دارای اندازه‎ای از تقریبا ۱ نانومتر تا چندین میکرون هستند، کلوئیدها نامیده می‎شوند. ذرات کلوئیدی کوچک‎تر از ذرات درشت (coarse) بوده، قابل فیلتر هستند، اما بزرگتر از اتم‎ها و مولکول‎های کوچک می‎باشند.

 مخلوط‎های هموژن و هتروژن Mixtures

بر مبنای اندازه ذرات، سیستم‎های حاوی ذرات پراکنده می‎توانند به سه دسته تقسیم شوند:

محلول‎های حقیقی: محلول‎های حقیقی، مخلوط یا سیستم هموژن هستند که اندازه ذرات پراکنده در آنها کمتر از ۱ نانومتر است. ذرات حل‎شده موجود در یک محلول حقیقی، مولکول‎ها یا یون‎های واحد بوده و به‎طور همگنی در سراسر محلول‎ها توزیع شده‎اند.

این ذرات نامرئی بوده و حتی با میکروسکوپ نیز دیده نمی‎شوند. با توجه به اندازه بسیار کوچک ذرات پراکنده، محلول‏های حقیقی از کاغذ فیلتر معمول و همچنین از میان غشاهای حیوانی عبور می‎کنند. کلرید سدیم، شکر و غیره، محلول‎های حقیقی در آب تشکیل می‎دهند.

دیسپرسیونهای کلوئیدی: دیسپرسیون‎های کلوئیدی سیستم‎های هتروژن هستند که اندازه ذرات پراکنده در آنها بین ۱۰۰۰-۱ نانومتر است. بنابراین ذرات در یک دیسپرسیون کلوئیدی بزرگتر بوده و با عنوان ذرات کلوئیدی شناخته می‎شوند. گرچه ذرات کلوئیدی سایز بزرگتری دارند، اما هنوز به‎اندازه کافی بزرگ نیستند که با چشم غیرمسلح دیده شوند. با این حال می‎توان آن‎ها را به‎کمک الترامیکروسکوپ‎ها مشاهده نمود. دیسپرسیون‎های کلوئیدی از کاغذ فیلتر معمول عبور نموده اما قادر به عبور از غشای حیوانی نیستند. صمغ‎ها به‎هنگام حل شدن در آب، دیسپرسیون‎های کلوئیدی تشکیل می‎دهند. عبارت‎های “دیسپرسیون کلوئیدی” و “محلول کلوئیدی” بسیاری اوقات به جای یکدیگر به‎کار گرفته می‎شوند.

سوسپانسیون‎ها: سوسپانسیون‎ها نیز سیستم هتروژن هستند و ذرات بزرگتری دارند. اندازه ذرات یک سوسپانسیون بیشتر از ۱۰۰۰ نانومتر (۱ میکرون) بوده که با چشم غیرمسلح قابل رؤیت هستند. سوسپانسیون‎ها قادر به عبور از هیچ‎یک از غشاهای حیوانی و کاغذ فیلتر معمولی نمی‎باشند. دوغ، آبلیمو، شیرکاکائو، شربت خاکشیر و غیره، نمونه‎هایی از چند سوسپانسیون هستند.

باتوجه به توضیحات بالا، دیسپرسیون‎های کلوئیدی حدواسط محلول‎های حقیقی و سوسپانسیون‎ها هستند. دیسپرسیون‎های کلوئیدی تنها توسط برخی مواد خاص ایجاد نمی‎شوند، بلکه می‎توانند از هر ماده‎ای با خردشدن یا تجمع ذرات آن ماده در محدوده اندازه ۱۰۰۰-۱ نانومتر شکل گیرند، و لذا در عمل، تمامی مواد می‎توانند در شکل کلوئیدی وجود داشته باشند. بنابراین به‎جای گفتن “دیسپرسیون کلوئیدی”، بهتر است که از “حالت کلوئیدی ماده” استفاده شود.

حالت کلوئیدی ماده: حالت کلوئیدی ماده، حالتی است که در آن اندازه ذرات، بین ۱۰۰۰-۱ نانومتر بوده و سیستم‎هایی که حاوی ذرات پراکنده در چنین محدوه اندازه‎ای هستند، “سیستم‎های کلوئیدی” نامیده می‎شوند.

 

ویژگی‎های مهم محلول‎های حقیقی، دیسپرسیون‎های کلوئیدی و سوسپانسیون‎ها

 ویژگیمحلول حقیقیدیسپرسیون کلوئیدیسوسپانسیون
1اندازه ذرهکمتر از 1 نانومتربین 1000-1 نانومتربیشتر از 1000 نانومتر
2ماهیتهمگنناهمگنناهمگن
3قابلیت دید ذراتنامرئیقابل دید با الترامیکروسکوپقابل دید با چشم غیرمسلح و میکروسکوپ
4ظاهرشفافبه‎طور کل شفاف اما ممکن است نیمه‎شفاف باشدمات
5قابلیت فیلتراسیونبه‎سادگی از کاغذ فیلتر معمولی و غشای حیوانی عبور می‎کندبه‎سادگی از کاغذ فیلتر معمولی عبور نموده اما از غشای حیوانی خیرنه از کاغذ فیلتر معمول و نه از غشای حیوانی، عبور نمی‎کند
6ته‎نشینی تحت جاذبهذرات ته‎نشین نمی‎شوندذرات کلوئیدی تحت جاذبه ته‎نشین نشده، اما می‎توانند تحت سانتریفیوژِ سرعت بالا ته‎نشین شوندذرات سوسپانسیون در حالت ایستا ته‎نشین می‎شوند
7پخش ذراتبه‎سرعت پخش می‎شوندبه‎آهستگی پخش می‎شوندپخش نمی‎شوند
8پراکندگی نور توسط ذرات (اثر تیندال)نور را پراکنده نمی‎کنندنور را پراکنده می‎کنندممکن است اثر تیندال را نمایش دهند

انواع دیسپرسیون‎های کلوئیدی

یک سیستم کلوئیدی متشکل از دو فاز است: فاز پراکنده یا ناپیوسته (dispersed phase) که همان ذرات یا قطرات کلوئیدی است، و محیط دیسپرسیون یا فاز پیوسته (dispersion medium) که دربرگیرنده ذرات یا قطرات کلوئیدی است. چندین سیستم کلوئیدی بسته به ماهیت فاز پراکنده و محیط دیسپرسیون وجود داشته که در جدول زیر آمده است:  

انواع دیسپرسیون کلوئیدی بر مبنای حالت فیزیکی

فاز پراکندهمحیط دیسپرسیونناممثال‎ها
جامدمایعسلمحلول صمغ‎ها
مایعجامدژلژل صمغ‎ها، پنیر، کره
مایعمایعامولسیونشیر، مایونز
گازمایعکفخامه زده، سفیده تخم‎مرغ زده
جامدجامدسل جامدآلیاژها، سنگ‎های قیمتی
جامدگازآئروسلدود، باکتری‎های هوا
مایعگازآئروسل مایعابر، مه
گازجامدکف جامدنان، بستنی، کیک، مارشمالو

کلوئیدهایی که در آن، فاز پراکنده مایع و محیط دیسپرسیون جامد است ژل نامیده می‎شود و دارای ساختار سفت‎تری هستند، مانند پنیر. بعضی از کلوئیدها نظیر صمغ‎ها (ژلاتین، پکتین، آلژینات و ..) می‎توانند به هر دو حالت سل و ژل رفتار ‎کنند. برای مثال، در دمای بالا و غلظت کم ژلاتین، دیسپرسیون کلوئیدی به شکل سل است، اما در دمای پایین و غلظت بالای ژلاتین، سیستم کلوئیدی از حالت سل به ژل تغییر پیدا می‎کند.

طبقهبندی کلوئیدها بر اساس ماهیت برهمکنش بین فاز پراکنده و محیط دیسپرسیون

حالت سل-ژل یک دیسپرسیون کلوئیدی sol-gel formsسل‎های حلال‎دوست (Lyophilic sols): این اصطلاح به‎معنی مایع‎دوست است. موادِ دارای ابعاد کلوئیدی که تمایل پیوندی با مایعات خاص (محیط دیسپرسیون) داشته و به‎سادگی با آنها دیسپرسیون‎های کلوئیدی تشکیل می‎دهند، کلوئیدهای حلال‎دوست (Lyophilic colloids) نامیده شده و سل‎های ایجاد شده را، سل‎های حلال‎دوست می‎نامند. صمغ‎ها نمونه‎های متداول از کلوئیدهای حلال‎دوست‎اند. سل صمغ‎ها در آب، سل‎های پلیمرها در حلال‎های آلی و غیره، بعضی از نمونه‎های سل‎های حلال‎دوست می‎باشند. سل‎های حلال‎دوست پایدار بوده و به‎راحتی ترسیب نمی‎یابند. در حقیقت آنها به‎خودی خود پایدار هستند و نیاز به هیچ عامل پایدارکننده‎ای جهت حفظ و ثبات خود ندارند. یک ویژگی مهم این سل‎ها این است که اگر فاز پراکنده به‎نحوی از محیط دیسپرسیون جدا شود (با فرآیند تبخیر و خشک کردن)، فاز پراکنده دوباره می‎تواند به‎سادگی با اختلاط با محیط دیسپرسیون به حالت سل درآید. برای همین، سل‎های هیدروفیلیک یا آب‎دوست، با عنوان سل‎های برگشت‎پذیر (reversible sols) نیز شناخته می‎شوند. صمغ‎ها، مواد ماکرومولکولی در ابعاد کلوئیدی بوده که به‎دلیل داشتن تعداد زیادی گروه‎های هیدروکسیل، آمینو، کربوکسیلیک، و بسیاری گروه‎های قطبی یا یونی و هیدروفیلیک دیگر،  به‎راحتی با آب برهمکنش داده و در فاز آبی توزیع می‎شوند، از این‎رو آنها را پلیمرهای هیدروفیلیک یا به‎طور ساده‎تر “هیدروکلوئیدها” می‎نامند، که قادرند یک سیستم کلوئیدی برگشت‎پذیر (reversible colloid system) تشکیل دهند.

سل‎های حلال‎گریز (lyophobic sols): این اصطلاح به معنی مایع‎گریز است. موادی که تمایل پیوندی زیادی با محیط دیسپرسیون ندارند و به‎هنگام مخلوط شدن با محیط، به‎راحتی به حالت سل درنمی‎آیند، کلوئیدهای آب‎گریز (hydrophobic colloids) نامیده می‎شوند. سل‎های این‎گونه مواد با استفاده از تکنیک‎های خاصی آماده شده و آنها را سل‎های آب‎گریز (hydrophobic sols) می‎نامند. سل‎های فلزاتی مانند طلا، پلاتینیوم و غیره، و سل‎های مواد نامحلول نظیر سولفیدها و اکسیدهای فلزی، نمونه‎هایی از سل‎های حلال‎گریز هستند. سل‎های حلال‎گریز در مقایسه با سل‎های حلال‎دوست پایداری نسبتا کمتری دارند. آنها به‎سادگی با افزودن مقادیر کمی الکترولیت‎ها، همراه با گرمادهی یا هم‎زدن ترسیب می‎یابند (یا لخته می‎شوند). به‎علاوه، فاز پراکنده پس از ترسیب، نمی‎تواند به‎سادگی با اختلاط آن با محیط دیسپرسیون به حالت سل برگردد. برای همین سل‎های آب‎گریز تحت عنوان سل‎های برگشت‎ناپذیر (irreversible sols) نیز شناخته می‎شوند. سل‎های حلال‎گریز نیازمند عوامل پایدارکننده بوده تا بتوانند برای مدت طولانی در شکل سل باقی بمانند.