Студни и студнеобразование

Ограниченное набухание приводит к образованию студней. Они во многом схожи с гелями (см. параграф 14.2): и те, и другие являются структурированными системами, содержат связанную и свободную воду или другую жидкость, обладают признаками жидкости и твердого тела и проявляют специфические свойства, к числу которых относится синерезис. Студни получаются из растворов ВМС, а гели — из золей, т. е. коллоидных растворов. Эти системы включают каркас, который состоит из частиц коллоидных размеров или макромолекул ВМС.

В зарубежной и отечественной научной литературе не делают различий между гелем, полученным из золя, и студнем, сформированным из макромолекул ВМС. Термин «студень» широко применяется в обиходе.

В табл. 19.1 приведена характеристика студней и гелей, полученных из растворов ВМС и золей. Структура гелей формируется из частиц дисперсной фазы (золей), а студней — из макромолекул ВМС различной формы.

Образование гелей и переход золя коллоидного раствора в гель определяются рядом причин. Увеличение температуры и перемешивание препятствуют образованию геля. С увеличением концентрации частиц дисперсной фазы и увеличением дисперсности интенсивность гелеобразования растет. Иными словами, чем больше частиц в единице объема и меньше их размер, тем быстрее золь переходит в гель.

Таблица 19.1 Характеристика студней и гелей

Гель может образовываться при сравнительно небольших концентрациях частиц дисперсной фазы. Так, золь кремниевой кислоты переходит в гель, когда ее массовая концентрация в растворе составляет всего 3%. Переход золь — гель зависит от формы частиц. Частицы оксида ванадия (V₂O₅) имеют палочкообразную форму и образуют гель при концентрации, равной 0,01%.

Студни могут образовываться не только в результате набухания, но и из твердых ВМС, а также из их растворов. Схематически студнеобразование можно представить следующим образом:

Ограниченное набухание было рассмотрено ранее.

Застудневание — это процесс фазового перехода из жидкого в твердое состояние. Образование студня происходит в результате взаимодействия между макромолекулами ВМС. Макромолекулы неоднородны и имеют лиофильные (по отношению к воде — гидрофильные) и лиофобные (гидрофобные) участки. У гидрофильных групп макромолекул (-NH2, -СО, =NH, -ОН, -СООН) образуются гидратные слои. Эти слои экранируют отдельные участки макромолекул. Гидрофобные группы (например, -СН2- боковых звеньев белков) неспособны формировать подобные слои. Наличие свободных, не защищенных сольватной (гидратной) оболочкой участков макромолекул при определенных условиях, в частности при росте концентрации ВМС, приводит к возникновению взаимодействия между этими участками; в результате образуется структура, т. е. каркас (сетка) из макромолекул ВМС, а раствор ВМС переходит в студень.

Застудневание может происходить самопроизвольно под действием электролитов и при изменении температуры. Так, 30—34%-й раствор желатина застудневает при 303 К, а 10%-й раствор — при более низкой температуре, равной 295 К.

На застудневание требуется определенное время, которое зависит от температуры, природы и концентрации ВМС и может колебаться от нескольких минут до недель.

В обыденной жизни понятие о студнях ассоциируется с такими блюдами, как холодец и кисель. Фактически студни имеют большее распространение. К собственно студням можно отнести мармелад и различные желе. При замешивании муки, увлажнении хлеба, сухарей и печенья также образуются студни. Студни имеют большое значение в жизни растительных и животных организмов; они определяют структуру клеток, водообмен и другие свойства организма. Вода входит в состав геля почвенного комплекса. Вода в этой форме, совместно с другими факторами, определяет влагостойкость почвы. При пахоте и под воздействием других механических усилий гели разрушаются, а затем могут вновь восстанавливаться.

Студни, которые содержат небольшое количество (менее 1%) сухого вещества, называют лиогелями. Типичным живым лиогелем является медуза; при ее высыхании получается ничтожный осадок. Кисель, простокваша, мясные и рыбные студни — это лиогели. Кроме того, существуют сухие студни, обедненные водой. Их называют ксерогелями. К числу ксерогелей относятся сухой листовой желатин, крахмал, столярный клей в плитках. Сухари и печенье можно рассматривать как сложные ксерогели.