Свойства студней

Все студни (и гели) обладают свойствами и твёрдого тела и жидкости. К свойствам, характерным для твёрдого тела, относятся прочность, упругость, эластичность, способность сохранять определённую форму. Упругость студней определяется прочностью и гибкостью макромолекулярной сетки в них, а также свойствами ориентированных молекул растворителя. Особенно это характерно для полярных макромолекул в водной среде. Гидратные оболочки, окружающие полярные группы, создают упругую водную сетку студня.

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 зависят от прочности каркаса, образованного макромолекулами. Если в студне каркас образован за счёт прочных химических связей или водородными связями, то при механическом воздействии на такие студни структура разрушается и такие студни не восстанавливают свою структуру. Однако, если связи между макромолекулами слабые, имеют малую прочность, то после механического воздействия структура студня восстанавливается. Такие студни являются тиксотропно-обратимыми.

Тиксотропия – это обратимое изменение физико-механических свойств полимерных и дисперсных систем при механических воздействиях на эти системы в изотермических условиях.

Примерами могут служить такие продукты как кефир, маргарин, тиксотропными свойствами обладают тесто, строительные растворы и т.д. Тиксотропными свойствами обладают и студни желатина и агар-агара.

[Желатина – продукт денатурации коллагена – белка соединительной ткани. Получают вывариванием костей, хрящей, сухожилий. Применяют в пищевой промышленности.

Агар (агар-агар) смесь двух полисахаридов, содержащихся в клеточных стенках красных водорослей. Растворяется в горячей воде, при охлаждении образует плотный студень. Применяется в кондитерской промышленности, вы биологии как основа питательных сред для выращивания клеток и микроорганизмов].

Жидкость, заполняющую сетку студня, часто называют интермицелярной, её можно разделить на свободную, которая механически включена в каркас студня и не входит в сольватную оболочку, и связанную. Количество связанной воды в студне зависит от степени гидрофильности макромолекулы: чем больше количество гидрофильных групп, тем больше связанной воды в студне.

Связанная вода обладает особыми свойствами: большой плотностью, пониженной температурой замерзания и т.д. Связанная вода студней играет большую роль в природе: её присутствие в почве, растениях, во всех живых организмах обеспечивает морозоустойчивость, поддерживает “водные запасы”, определяет морфологические структуры клеток и тканей. В человеческом организме доля связанной воды у младенцев составляет примерно 70%, а у пожилых людей – до 40%, что обусловливает появление морщин, дрялость кожи.

При старении студни теряют гомогенность. Это явление называют синерезисом. Синерезис сопровождается уплотнением пространственной структурной сетки и уменьшением объёма студня за счёт выделения жидкой фазы. Примеры синерезиса – отделение сыворотки при свёртывании крови, при скисании молока и т.д. В человеческом организме синерезис идёт достаточно медленно и скорость его индивидуальна. Следует отметить, что при синерезисе вначале выделяется свободная вода, а затем, частично, связанная. Студни не способны восстанавливать свою структуру.

Для студней амфотерных белков наибольший синерезис осуществляется в изоэлектрической точке. С отклонением рН среды в ту или другую сторону от изоэлектрической точки синерезис уменьшается, так как фрагменты макромолекулы приобретают одноименный заряд, что приводит к взаимному отталкиванию цепочек макромолекул друг от друга. Это в свою очередь вызывает увеличение объёма студня, а следовательно, и уменьшение синерезиса. Влияние низкомолекулярных электролитов на синерезис различно, но, как правило, электролиты, способствующие набуханию, уменьшают синерезис.

Из-за наличия пространственной сетки в студнях отсутствуют перемешивающие конвекционные потоки. Поэтому в них реагирующие вещества соприкасаются в результате медленной диффузии. Поэтому химические реакции, протекающие в студнях, имеют свои особенности. Например, если в студень желатины заранее ввести некоторое количество дихромата калия, а потом добавить более концентрированный раствор нитрата серебра, то возникает окрашенный осадок дихромата серебра:

K₂Cr₂O₇ + 2AgNO₃ → Ag₂Cr₂O₇↓ + 2KNO₃.

При стоянии в результате диффузии нитрата серебра осадок распространяется вглубь студня, но не сплошной массой: возникают периодические зоны осадка (кольца Лизеганга) отделённые друг от друга совершенно прозрачными промежутками. Эти реакции получили названия периодических. Их впервые наблюдал немецкий химик Р. Лизеганг (1886), отсюда и название «кольца Лизеганга»..

Периодическими реакциями объясняют сложное распределение окраски многих минералов, генерацию нервных импульсов, мышечные сокращения, сложное строение камней, образующихся в почках, печени и желчном пузыре.

На механические свойства студней сильно влияет концентрация ВМС в студне. Если в студне в единице объёма малое число постоянных межмолекулярных связей, то такой студень весьма эластичен. Студни с большим числом связей между макромолекулами малоэластичны, у них достаточно жесткая образовавшаяся сетка из макромолекул.

Коацервация. При нарушении устойчивости раствора белка или полисахарида возможно образование коацервата – новой жидкой фазы, обогащённой биополимером. Коацерват может выделяться в виде капель или образовывать сплошной слой, что приводит к расслаиванию системы на две фазы. Одна из фаз представляет собой раствор ВМС в растворителе, а другая – раствор растворителя в ВМС.

Коацервацию можно вызвать изменением температуры, рн среды или введением низкомолекулярных веществ.

Наиболее изучена коацервация белков и полисахаридов в водных растворах. Академик Л.И. Опарин считал, что коацерваты сыграли большую роль в процессах происхождения жизни на Земле.

Коацервацию используют при микрокапсулировании лекарственных веществ. Для этого лекарственное вещество диспергируют в растворе полимера. В результате на поверхности лекарственного вещества формируется оболочка из адсорбированных капелек коацервата полимера. Капельки сливаются в сплошной слой на поверхности частиц лекарственного вещества и специальной обработкой переводятся в твёрдое состояние. Образовавшаяся твёрдая оболочка обеспечивает устойчивость, увеличивает длительность действия и устраняет неприятный вкус лекарственного вещества.