1.10.1. Студни

Ограниченное набухание обычно заканчивается на стадии IIа или IIб, неограниченное — приводит к растворению полимера (рис. 124, III). Ограниченно набухший полимер называется студнем. Следует отметить, что студень можно получить и путем конденса­ции отдельных макромолекул в растворе, чаще всего посредством водородных связей.

Студни похожи по свойствам на гели, однако отличаются от них по строению тем, что сплошная пространственная сетка имеет в сечении молекулярные размеры и образована не вандерваальсовыми, а химическими или водородными связями. Таким образом, студни можно рассматривать как гомогенные системы, в отличие от гетерогенных гелей. Иная природа связей определяет и струк­турно-механические свойства: студни, в отличие от гелей, не тиксотропны^*. Действительно, если химические связи окажутся при механическом воздействии разорванными, то они уже не восстано­вятся, поскольку в местах разрыва изменится состав в результате взаимодействия с растворителем. Студни, образованные полиме­рами, не обладают пластическими свойствами, но по упругости и эластичности они сходны с гелями и влияние различных факторов на эти свойства аналогично рассмотренному выше для ненабухших полимеров и гелей.

Упругие и эластические свойства студней определяются прочно­стью и гибкостью макромолекулярной сетки, а также твердообразностью ориентированных слоев молекул растворителя. Особенно характерно это для полярных макромолекул в водной среде. Гидратные оболочки, окружающие полярные группы, создают упругую водную сетку. Таким образом, жидкость, заполняющую сетку студня и называемую интермицеллярной, можно условно разделить на две части: «свободную» и «связанную», входящую в состав сольватных оболочек.

Связанная вода обладает особыми свойствами: большей плот­ностью; пониженной температурой замерзания (до —15 °С и ниже); потерей растворяющей способности и т. д. Связанная вода студней и гелей играет большую роль в нашей жизни, ибо присут­ствие ее в почве, растениях, во всех живых организмах обеспечи­вает морозоустойчивость, поддерживает «водные запасы», опреде­ляет морфологические структуры клеток и тканей. В человеческом организме доля связанной воды составляет у младенца -~70%, снижаясь к старости до 40%.

Старение студней, как и гелей, проявляется в синерезисе — процессе постепенного сжатия сетки (матрицы). Спо­собность к синерезису зависит от способа получения студня. Ес­ли студень получен в результате набухания полимера, то синере­зис практически не наблюдается. Студень, полученный охлажде­нием раствора полимера, почти всегда подвержен синерезису. Очевидно, это связано с тем, что при образовании студня из рас­твора, система не успевает достигнуть состояния равновесия. Процесс установления связей между макромолекулами продол­жается и в студне, что ведет к дальнейшему уменьшению его объема и выделению избытка жидкости.

В большинстве случаев синерезис — нежелательное явление. Так, основной причиной черствения хлеба, выражающегося в из­менении физических свойств его мякиша, считают синерезис крах­мала, клейстеризованного в процессе выпечки. Нежелателен си­нерезис при получении мармелада. У мармелада в результате синерезиса может отделяться жидкая фаза, мармелад «намока­ет» и теряет свои товарные качества.

Синерезис имеет важное биологическое значение. Он является одной из причин появления у биологических тканей (с увеличением возраста организма) новых качеств — большей жесткости и меньшей эластичности. Положительным примером синерезиса может служить самопроизвольное отделение жидкости от творо­га в процессе созревания сыра.

Студни и процессы студнеобразования имеют большое значение в технике и биологии. Получение искусственных волокон, различных клеев, взрывчатых веществ — все эти производства связаны с образованием студней.

Многие производственные процессы пищевой технологии осно­ваны на студнеобразовании. Одним из наиболее типичных изде­лий пищевой промышленности со студнеобразной структурой яв­ляется мармелад. Он представляет собой студень какого-либо вы­сокомолекулярного вещества — студнеобразователя, в который добавлены сахар, кислоты и другие вкусовые и ароматизирующие вещества. Наиболее распространенными студнеобразователями, применяемыми в кондитерской промышленности, являются пек­тин, агар, агароид и окисленный крахмал. Они достаточно хорошо растворяются в горячей воде и при охлаждении их растворы пе­реходят в студни.

Пектин, содержащийся в зрелых плодах и ягодах, образует достаточно прочный студень только в присутствии кислоты и са­хара. Это объясняется тем, что в макромолекулу пектина входят карбоксильные группы, в воде они диссоциируют и макромолеку­ла пектина превращается в отрицательно заряженный макроион. Для ослабления сил электростатического отталкивания необходи­ма кислая среда, препятствующая диссоциации пектина. Сахар же уменьшает гидратацию молекул пектина, что также способ­ствует их соединению друг с другом при образовании трехмерной структуры студня.

Студнеобразователи агар и агароид, получаемые из водорос­лей и окисленный крахмал, дают хорошие прочные студни и для них не требуется добавка сахара и кислоты.

В производстве пастилы и зефира сбитую холодную пенооб­разную массу, состоящую из сахаро-паточного сиропа с пенообра­зователем, смешивают с горячим агаро-сахарным сиропом. При остывании происходит застудневание агарового раствора и обра­зуется студнеобразный каркас, окружающий воздушные пузырь­ки пены.

Хлебопекарное, макаронное тесто и тесто, используемое для мучных кондитерских изделий, представляет собой набухший в воде белок — концентрированный студень с включенными в него зернами крахмала.

Очень велико и биологическое значение студией. Основным содержанием любой живой клетки является протоплазма, которую можно рассматривать как весьма подвижный студень, построен­ный, в основном, из молекул белка.

Мы рассмотрели образование студней в процессе набухания. Дальнейшее развитие этого процесса — неограниченное набуха­ние—приводит к растворению, к образованию растворов ВМС. Рассмотрим свойства этих растворов — молекулярных коллоидов.