Свойства гелей и студней

Все гели и студни обладают свойствами и твердого тела и жидкости. К свойствам, характерным для твердого тела, относятся прочность, упругость, эластичность, способность сохранять определенную форму.

Упругие и эластичные свойства студней проявляются при работе мышц человека. Мышцы состоят из волокон ткани, которые образуют студни. Под влиянием нервных импульсов и вследствие эластичности эти своеобразные студни способны сокращаться, совершать работу и обеспечивать двигательные процессы организма человека.

Структурно-механические свойства студней характеризуются определенной прочностью каркаса, состоящего из частиц золя или макромолекул ВМС. Разрушение студней и восстановление раствора ВМС достигается механическим воздействием (перемешиванием, встряхиванием, вибрацией). Подобный процесс обратим; в последующем раствор может вновь npeвратиться в студень. Поэтому студни относятся к тиксотропно-обратимым системам (cм. параграф 11.1). Застудневание после механического разрушения происходит в изотермических условиях, когда ДТ = 0. Тиксотропные изменения наблюдаются в отношении таких пищевых масс, как шоколад, маргарин, тесто.

Под действием механических усилий гели изменяются. В одних случаях, например для геля кремниевой кислоты, происходит необратимое разрушение; гель в данном случае относится к тиксотропно-необратимым системам. В других случаях, например для геля гидроксида алюминия, после разрушения структура восстанавливается. т. е. является тиксотропно-обратимой.

Студни, как и гели, обладают рядом коллоидно-химических свойств. Они способны рассеивать свет. Большое количество воды в студнях сообщает им свойства жидкости. В студнях могут протекать физико-химические процессы, которые свойственны жидкости, в том числе и диффузия макромолекул и ионов электролитов.

Скорость диффузии обычно пропорциональна градиенту концентрации коллоидных частиц или макромолекул ВМС; чем выше концентрация, тем значительнее диффузия. Коэффициент диффузии (см. параграф 9.3) ионов растворов электролитов в 10%-м студне желатина примерно в два раза ниже, чем в водных растворах этих же электролитов. В студнях и гелях по сравнению с водными растворами возрастает сопротивление самопроизвольному перемещению ионов, а следовательно, снижается интенсивность диффузии. На этом принципе основано использование гелей в качестве полупроницаемых мембран при ультрафильтрации и обратном осмосе (см. рис. 12.7).

Жидкость в студнях и гелях может находиться в двух состояниях: связанном и свободном. Связанная жидкость входит в состав сольватной, а в случае воды — гидратной оболочки. На рис. 19.6, а схематически показано формирование гидратных слоев 1, в которых участвуют полярные молекулы воды. По сравнению со свободной связанная вода обладает ограниченной подвижностью. Связанная вода замерзает при более низкой температуре, которая может достигать 258 К. Пониженная температура замерзания связанной воды в почве благоприятно влияет на урожай.

[Введите текст].

Количество связанной воды определяется степенью гидрофильности макромолекул ВМС. Чем выше сродство к воде макромолекул ВМС, т. е. чем они гидрофильнее, тем значительнее гидратация и больше содержание связанной воды. У желатина количество связанной воды в два раза больше массы сухого остатка, а у агар-агара — уже в четыре раза. Агар-агар более гидрофилен по сравнению с желатином.

Сольватная оболочка (см. рис. 19.6, а) собственно гелей возникает только на лиофильных (в отношении воды — гидрофильных) участках частиц дисперсной фазы. Размеры гидратной оболочки обычно уменьшаются по краям частицы.

Основная часть жидкости 6 (см. рис. 19.6, а) механически включена в каркас студня (геля) и не входит в сольватную (гидратную) оболочку; ее называют свободной или иммобилизованной. Механическое включение жидкости в ячейки структуры студня подобно удержанию воды, впитавшейся в губку. Свободная жидкость, которая находится в ячейках каркаса, обусловливает потерю подвижности дисперсионной среды, но в то же время она сообщает системе некоторые свойства жидкости.

При нагревании каркас в студне разрушается и за счет избытка жидкости система разжижается, образуя раствор; 6%-й студень желатина при 318—323 К переходит в раствор. Разжижение студня и выделение жидкости достигается также в результате механических воздействий.

Непрочное состояние жидкости в студнях и гелях обнаруживается в таком явлении, как синерезис. Синерезис заключается в сжатии каркаса студня или геля (см. рис. 19.6, а, б), изменении взаимного расположения частиц и выдавливании преимущественно свободной жидкости. Этот процесс на рис. 19.6, б показан стрелками. Вследствие синерезиса структура сжимается, сохраняя первоначальную форму. Жидкость, которая выделяется при синерезисе, помимо свободной может включать часть связанной воды, в которой попадаются даже частицы дисперсной фазы. Так, сыворотка, выделяющаяся после образования простокваши, является слабоконцентрированным золем.

Для студней ВМС процесс синерезиса может быть обратимым. Иногда достаточно простого нагревания, чтобы вернуть систему в первоначальное (до синерезиса) состояние. Этим приемом можно воспользоваться для освежения хлеба, каши, пюре и некоторых других блюд.

Синерезис характерен для таких кондитерских изделий как мармелад, желе, фруктовые джемы, карамель, а также для блюда, именуемого в обиходе холодцом. На этих продуктах образуются капельки воды, которые могут сливаться. В процессе созревания сыра самопроизвольное выделение воды сначала из творога, а затем из полупродукта определяется синерезисом. Мясо молодых животных сочнее и нежнее по сравнению с мясом старых животных, так как в последнем, склонном к синерезису, происходит потеря части свободной и даже связанной воды, что приводит к снижению качества продукта.

Коллоидно-химическими процессами, в том числе и синерезисом, объясняются повышенная жесткость и снижение эластичности ткани с увеличением возраста организма.

Таким образом, благодаря особому положению жидкости гели и студни обладают целым рядом свойств, которые присущи только им.