«Спартака». Собаки против кошек. «Реал Мадрид» против «Барселоны». Как болельщики команд-противников садятся в разных секторах стадиона, так и молекулы двух жидкостей стремятся собраться в разных частях бутылочки, одна – сверху, а вторая – снизу. Тем самым они сводят к минимуму площадь поверхности, на которой им приходится соприкасаться. Представьте это себе так: если бы каждый болельщик «Локомотива» сел рядом с болельщиком «Спартака», всюду начались бы споры и драки. А вот если посадить всех фанатов «Локомотива» в одном секторе, а фанатов «Спартака» – в другом, риск конфликтов сохранится только на границе двух секторов. Мы свели к минимуму площадь поверхности, на которой им приходится взаимодействовать. Даже если у нас не выйдет идеального разделения на две части, все равно будет лучше, если удастся создать несколько небольших подсекций болельщиков двух команд. Площадь контактной поверхности все равно окажется меньше, чем если бы они полностью перемешались.

РИСУНОК 2

Хотя майонез кажется непрозрачным, мельчайшие капельки масла можно увидеть в микроскоп. В майонезе на этом снимке капельки масла имеют диаметр от 2 до 20 микрометров, то есть менее чем от 1/10 до 1/2 толщины человеческого волоса.

То же относится и к каплям в эмульсии. Если вы перемешаете эмульсию очень сильно, создав много мелких капелек, тогда – если их нечему остановить – они сольются друг с другом в капли побольше. Группы болельщиков «Спартака» на стадионе предпочтут праздновать вместе и держаться подальше от «паровозов», и наоборот. А в эмульсии из капелек растительного масла в воде более легкие капли масла будут всплывать к поверхности, а более тяжелые капли воды – опускаться ко дну. По дороге, если две капли одного вещества столкнутся друг с другом, они смогут слиться, образовав каплю покрупнее, – это называется коалесценцией. Коалесценция может быть очень быстрым процессом (скажем, две капли растительного масла в уксусе сливаются всего за несколько тысячных секунды). Даже если капли масла не столкнулись с другими на своем пути наверх, то, оказавшись на поверхности, они неизбежно начнут соприкасаться с соседними, так как вода будет стремиться вниз. Таким образом, процесс коалесценции будет повторяться снова и снова, пока две жидкости полностью не разделятся.

Как нам предотвратить эти слияния капелек? Если продолжить спортивную аналогию, мы не в состоянии заставить болельщиков «Локомотива» полюбить болельщиков «Спартака». Это просто невозможно. Единственный способ помешать болельщикам двух команд выискивать себе подобных – это создать между ними некий физический барьер, чтобы их не слишком смущало пребывание рядом друг с другом. Точно так же мы не можем заставить воду и растительное масло полюбить друг друга, но можем создать молекулярный разделитель, который помешает каплям сливаться. Представьте себе любителя футбола, которого не слишком интересуют «Локомотив» и «Спартак». Может, он вообще вырос за границей и сейчас здесь в отпуске. Ему могут нравиться обе команды, и он вполне нормально себя чувствует рядом с фанатами обеих. И что важно, если он будет сидеть между болельщиками команд-противников, его присутствие не даст им начать драку друг с другом. На самом деле болельщики рядом с ним могут быть вполне довольны его обществом и потому вряд ли станут пытаться найти своих друзей.

РИСУНОК 3

Оливковое масло и бальзамический уксус сами по себе разделятся на два слоя: масло – наверху, а уксус – внизу (вверху слева). Если смесь потрясти, два слоя смешаются и образуют гомогенный раствор (вверху справа). Однако относительно быстро две жидкости снова начнут разделяться: на снимке слева внизу показана заправка через 20 минут после встряхивания, когда мелкие капли слились в более крупные, видимые невооруженным глазом. И наконец, на снимке справа внизу, сделанном через 1 час после встряхивания, масло и уксус уже почти полностью разделились.

Фотографии Арвинда Сринивасана

РИСУНОК 4

Эмульсии разделяются на два слоя из-за слияния отдельных капелек в более крупные. Когда отдельные капельки находятся далеко друг от друга, они имеют сферическую форму. Сталкиваясь друг с другом, молекулы двух капелек начинают образовывать перемычку, которая в итоге приведет к слиянию. Переходная форма в виде гантели нестабильна, но молекулы ненадолго принимают ее, чтобы слиться в более крупную каплю, общая площадь поверхности которой будет меньше, чем у двух более мелких.

Молекулярный эквивалент такого человека называется эмульгатором, или поверхностно-активным веществом. Поверхностно-активное вещество устраивается на разделе двух фаз. Оно обволакивает капельки и тем самым заслоняет их друг от друга и предотвращает их слияние. Оболочки горчичных зерен содержат молекулы с такими свойствами, поэтому горчица стабилизирует соус винегрет. А вот соль и перец не являются поверхностно-активными веществами и не влияют на стабильность эмульсии. Чтобы подробнее поговорить об эмульгаторах, перейдем ко врезке.

ЭМУЛЬГАТОРЫ

Эмульгаторы (поверхностно-активные вещества) располагаются на границе между маслом и водой с четкой ориентацией: гидрофобные «хвосты» находятся в масле, а гидрофильные «головы» – в воде. Их главное назначение в том, чтобы обволакивать поверхности капелек масла и воды, тем самым увеличивая стабильность. Если эмульгатора в эмульсии слишком много и поверхностей для обволакивания не остается, лишние молекулы образуют собственные капельки. Они называются мицеллами и могут быть развернуты в любую сторону, в зависимости от того, которая фаза является постоянной: масло или вода. На картинке гидрофобные, любящие масло «хвосты» повернуты к центру мицелл, чтобы не контактировать с водой. Молекулы поверхностно-активного вещества постоянно курсируют между поверхностями капель и мицеллами, но общее количество молекул на поверхности соприкосновения в любой момент времени остается одним и тем же.

Эмульгаторы имеют различную форму, и это делает их более или менее подходящими для различных типов эмульсий. Например, если любящие воду «головы» шире «хвостов», поверхность станет изгибаться из-за скопления «голов». Такой тип эмульгатора предпочтителен для эмульсий масло-в-воде, где «головы» эмульгатора окажутся вне капелек. Наоборот, если «хвост» шире «головы», поверхность станет изгибаться «хвостами» наружу, что предпочтительно для эмульсий вода-в-масле, где «хвосты» располагаются снаружи капель.

Типы эмульгаторов

Возможно, вы удивитесь, узнав, что молекулярные медиаторы очень распространены, хотя механизмы их действия бывают различными. Эмульгаторы исходно присутствуют в самых разных кулинарных ингредиентах: чесноке, горчице, крахмале и множестве других. Говоря обобщенно, причина существования природных эмульгаторов в том, что у многих молекул в биологии есть причины быть как гидрофобными, так и гидрофильными. Вспомните, например, наш разговор в главе 3 о роли этих свойств в сворачивании белков. Чтобы показать разнообразие ингредиентов, действующих как стабилизаторы, давайте рассмотрим способы их работы.

Фосфолипиды

Фосфолипиды – это молекулы,