Молекулярные коллоиды

(растворы высокомолекулярных соединений)

 

Вещества, имеющие молекулярную массу от 10000 до нескольких миллионов, называются высокомолекулярными соединениями (ВМС).

Вследствие большой молекулярной массы и гибкости цепей макромолекул ВМС и их растворы обладают специфическими свойствами: способностью образовывать волокна и пленки, эластичностью, набухаемостью, структурообразованием.

К важнейшим природным полимерам относятся белки и полисахариды.

Растворы ВМС по своим свойствам аналогичны коллоидным системам. Так же как и у коллоидных растворов, у них сравнительно невелика скорость диффузии, небольшое осмотическое давление, они не проходят через полупроницаемые мембраны.

В отличие от золей растворы ВМС образуются самопроизвольно и не нуждаются в стабилизаторе. Растворению ВМС предшествует набухание.

Набухание – это самопроизвольный процесс поглощения низкомолекулярного растворителя высокомолекулярным веществом, сопровождающийся увеличением массы и объема последнего.

Существует ограниченное (объем и масса полимера достигают определенных значений и дальше не изменяются) и неограниченное набухание (отсутствует предел набухания; с течением времени полимер поглощает все большее количество жидкости и набухание переходит в растворение).

Ограниченно набухший полимер называется студнем.

Причина набухания – диффузия молекул низкомолекулярного растворителя в высокомолекулярное вещество и сольватация макромолекул, т.е. взаимодействие молекул растворителя с молекулами полимера.

Процесс набухания можно разбить на 2 стадии.

На первой стадии низкомолекулярный растворитель, диффундируя в высокомолекулярное вещество, сольватирует его макромолекулы. Образование сальватной (гидратной, если средой является вода) оболочки молекулы полимера сопровождается выделением теплоты, поэтому первая стадия набухания характеризуется положительным тепловым эффектом. Вследствие сжатия растворителя в сольватных оболочках на первой стадии наряду с увеличением объема полимера происходит уменьшение суммарного объема всей системы. Сумма объемов полимера до набухания и поглощенной полимером жидкости больше, чем объем набухшего полимера. Это явление называется внутренним сжатием или контракцией.

На второй стадии набухания, идущей без теплового эффекта, а иногда и с поглощением теплоты, наблюдается обычно основное увеличение объема полимера. Молекулы жидкости на этой стадии набухания диффундируют в полимер, и происходит смешивание больших и гибких макромолекул с молекулами растворителя. Из-за односторонней диффузии, характеризующей эту стадию, ее называют осмотической.

Ограниченное набухание заканчивается на второй стадии, неограниченное приводит к растворению полимера.

Набухание полимера характеризуется степенью набухания

а=(m - m₀)/m₀

где m₀ и m – масса полимера до и после набухания

Степень набухания зависит от прочности и числа межмолекулярных связей в полимере. Чем прочнее межмолекулярные связи и чем их больше, тем хуже набухает полимер.

Если набухание высокомолекулярного вещества идет в каком-либо ограниченном пространстве, препятствующем увеличению объема, то возникает давление набухания, достигающее на начальной стадии набухания нескольких мегапаскалей. Оно может стать причиной разрыва емкостей, наполненных набухающими материалами. При хранении и перевозке многих пищевых продуктов, таких, как зерно, крупа, мука, необходимо учитывать возможность их набухания.

Чаще всего жидкой дисперсионной средой в пищевых производствах служит вода. При этом следует учитывать, что часть воды находится в свободном состоянии, а часть – в связанном, которая значительно отличается по своим свойствам от свободной воды. Ее нельзя использовать в качестве растворителя веществ, она не замерзает даже при «–70⁰С». Для связанной воды характерна пониженная электропроводность. Свободная вода служит реакционной средой и растворителем веществ, является активным участником биохимических реакций.

Ярким примером процесса набухания высокополимеров служит процесс образования теста из пшеничной муки, ведущая роль в которой принадлежит гидратации (сольватации в водных растворах) ВМС муки. Мука, состоящая главным образом из сухих протеиновых гелей и крахмальных зерен, при замешивании теста (при взаимодействии с водой) проявляет коллоидные свойства.

Крахмал муки, смоченный водой при комнатной температуре, может адсорбционно связать 35-40% влаги. При более высокой температуре и достаточном количестве воды связывание крахмала с водой увеличивается, и при температуре 60⁰С и избытке воды происходит процесс клейстеризации крахмала, т.е. нарушение структуры крахмальных зерен и образование коллоидного раствора.

Крахмал, смоченный водой в любом соотношении и в любых условиях, не образует связного теста.

Ведущая роль в образовании теста принадлежит белкам пшеничной муки.

Белки способны набухать в холодной воде и удерживать воду в количестве в 2-2,5 раза больше своей массы. При замешивании теста из пшеничной муки белки при достаточном количестве воды легко и сравнительно быстро (через 3-5 мин) образуют тончайшие нити и пленки, связывающие и склеивающие между собой зерна увлажненного крахмала. Благодаря этому пшеничное тесто приобретает упруговязкопластичные свойства, каким не обладает тесто из других злаков.

Взаимодействие белков с водой состоит из 2 стадий, тесно связанных м/у собой.

1 стадия набухания состоит в связывании ничтожных количеств воды благодаря активности гидрофильных групп белков с образованием вокруг них сольватированных оболочек. На этой стадии значительного увеличения объема не происходит, так как количество связанной воды невелико – около 30%.

2 стадия протекает без выделения теплоты, но со значительным увеличением объема, так как количество воды, связанное белками на этой стадии, составляет свыше 200%.

Набухание пшеничной муки при низкой температуре (25-40⁰С) в основном протекает вследствие осмотического набухания белков, а при более высокой температуре (60⁰С) – в результате осмотического связывания воды крахмалом.

 

Схема образования теста

Белки (в пшеничной муке 10…20%), при температуре замеса около 30⁰С поглощают незначительное количество воды путем взаимодействия гидрофильных групп белка с водой, а значительное количество воды диффундирует внутрь белка в результате наличия в нем избыточного осмотического давления.

Крахмал (в пшеничной муке достигает 70%) при той же температуре теста поглощает до 30% воды благодаря активности гидрофильных групп. Так как крахмал количественно преобладает в муке, то содержание влаги, связанное крахмалом и белками клейковины, приблизительно одинаково.

При неограниченном оводнении коллоидов муки часть воды находится в свободном состоянии в капиллярах теста. Незначительная часть растворимых белков, а также сахара и неорганические соли находятся в растворе.

Набухшие белки во время замеса плотно соприкасаются друг с другом и образуют сплошную белковую сетку с адсорбционно связанными с ними, слабо набухшими крахмальными зернами. В белковую сетку, кроме того, входят другие нерастворимые вещества. Это приводит к образованию массы (теста), обладающей упруговязкопластичными свойствами.

Недостаточное количество воды при замесе теста приводит к получению несвязной массы увлажненного сырья. При избыточном количестве воды, добавляемой к муке, не образуется связного теста, а получается мучная болтушка, в которой частицы набухшего белка разделены водными оболочками, препятствующими соприкосновению их и образованию клейковинных нитей.

Тесто, используемое для мучных кондитерских изделий, - более сложный комплекс, т.к. в состав его кроме муки и воды входят и другие виды сырья, в первую очередь сахар и жир, влияющие на набухаемость коллоидов муки.

Сахар, присутствующий в кондитерском тесте в виде водного раствора, оказывает влияние на степень набухания белков клейковины. С увеличением концентрации сахара степень набухания белков снижается.

Жир, адсорбируясь на поверхности белков, образует пленки, препятствующие проникновению воды внутрь макромолекул белков, что ослабляет связь между ними, при этом уменьшается упругость и увеличивается пластичность теста.

Таким образом, регулируя количество сахара и жира можно получать тесто с определенными физическими свойствами.