21

Производство клея и желатина

1. Ассортимент и требования к готовой продукции.

2. Механизм образования желатина. Студнеобразование. Механизм склеивания.

3. Технологический процесс.

1. Ассортимент и требования к готовой продукции

Промышленность вырабатывает клей костяной, получаемый из кости, и клей мездровый, получаемый из мягких тканей, со­держащих коллаген (преимущественно из подкожной клетчат­ки—мездры). Мездровый клей обладает несколько большей клеящей способностью, чем костяной.

Соответственно назначению и в зависимости от качествен­ных показателей различают пищевой, технический и фотожела­тин. Пищевой желатин применяют в качестве желирующего и вяжущего материала.

Главным свойством желатина является способность к обра­зованию легкозастудневающих растворов. От размеров и асим­метрии частиц зависят и другие свойства желатиновых раство­ров и студня: вязкость раствора, температура плавления и кре­пость студня, которые используют для суждения о качестве желатина. Вязкость раствора желатина принимается как один из важнейших качественных показателей продукта. Вязкость стандартного раствора желатина при 40° должна быть не менее 6°Э (стандартный раствор желатина содержит 17,75% товарно-сухого или 14,82% безводного и беззольного желатина).

Технический желатин применяют в полиграфической про­мышленности для изготовления типографской вальцовой массы и как составную часть красок. Вязкость стандартного раствора при 40 °С должна быть не ниже 3°Э, температура плавления студня не ниже 23 °С. рН растворов в пределах 5,0—6,5. Содер­жание золы допускается до 3%. Технический желатин выпуска­ют I и II сортов в виде листов или в дробленом состоянии.

Фотожелатин выпускают двух видов: эмульсионный и не­эмульсионный (баритажный). Эмульсионный желатин служит для изготовления светочувствительных эмульсий, фотопласти­нок, фотобумаги, кинопленок, аэрофотопленок, рентгенопленок и т. д. К фотожелатину предъявляются те же требования, что и к пищевому. Вязкость стандартного раствора фотожелатина не ниже 6°Э, температура плавления студня не ниже 20 °С, рН 5,5—7,0. Баритажный желатин в смеси с сульфатом бария при­меняют для образования на фотобумаге белого подслоя, на ко­торый наносят светочувствительную эмульсию. К баритажному желатину предъявляют менее жесткие требования, чем к фото­желатину.

2. МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ЖЕЛАТИНА.

СТУДНЕОБРАЗОВАНИЕ. МЕХАНИЗМ СКЛЕИВАНИЯ.

МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ЖЕЛАТИНА

Из схемы элементарной структуры коллагена следует, что расчленение его трехмерной структуры путем разры­ва водородных связей приведет к образованию плоскостной (двухмерной) структуры, в которой пептидные цепи связаны друг с другом солевыми мостиками и другими возможными связями (по-видимому, ковалентными, вероятнее всего, пептидными).

В свою очередь, разрушение солевых мостиков в такой плос­костной структуре без нарушения пептидных связей в главных цепях, должно иметь следствием ее распад на частицы, состоящие из нескольких полипептидных цепей, связанных друг с другом оставшимися ковалентными связями.

Такой продукт распада трехмерной структуры коллагена, состоящий из довольно круп­ных частиц (5—6 ковалентно связанных полипептидных це­пей, должен обладать идеальной способностью к студнеобразованию. Он получен экспериментально и называется глютином.

Однако под действием горячей воды в процессе выварки же­латина и клея расщепляются не только водородные связи и соле­вые мостики, но частично и пептидные связи в главных цепях. Иначе говоря, одновременно с образованием глютина, т. е. пептизацией коллагена, начинается его гидролиз до более низкомолекулярных веществ, получивших название желатоз или глютоз. При этом выход высокомолекулярных и низкомолекулярных про­дуктов распада зависит от соотношения скоростей пептизации и гидролиза. При температурах, близких к температуре сварива­ния коллагена, преобладает процесс пептизации и образуются преимущественно высокомолекулярные продукты распада коллаге­на, которые и составляют желатин. С повышением температуры отношение скоростей пептизации и гидролиза меняется в пользу последнего.

Размеры частиц желатина достаточно крупны для того, чтобы желатиновый бульон обладал высокой способностью к застудневанию, а полученные из него студни были прочны. Но он не обладает высокой клеящей способностью. Желатиновый раствор застудневает раньше, чем частицы прочно соединятся с поверхностью склеиваемого материала. Отсюда следует, что в составе продукта с хорошо выражен­ной клеящей способностью должно быть больше относительное количество менее крупных частиц, т. е. продуктов гидролиза глютина, чем в желатине. Но оно не должно быть чрезмерно большим, а размеры частиц слишком малыми, иначе резко уменьшится прочность связи частиц друг с другом в клеевом слое.

Таким образом, для получения хорошего желатина необходи­мы следующие условия:

ослабление связей, удерживающих полипептидные цепочки в структуре коллагена, без существенного нарушения пептидных связей в самих цепочках;

снижение температуры сваривания коллагена;

мягкий режим выварки при рН, близком к изоэлектрической точке коллагена.

При этих условиях готовый продукт состоит преимущественно из частиц с высокой молекулярной массой (от 10000 до 80000) и содержит незначительное количество низкомолекулярных фрак­ций, растворимых в воде при температуре ниже 20° С. Эти высокодисперсные фракции, играют роль стабилизирующего факто­ра в структуре студня.

Товарный желатин почти прозрачен, слегка желтоват. Он со­держит 11—16% воды. Плотность при содержании 13% влаги 1,37 г/см³. Изоэлектрическая точка желатина зависит от способа обработ­ки сырья: при щелочной обработке она лежит в границах рН 4,7—5,0, при кислотной—в границах рН 8—9.

Нерастворимая в холодной воде часть желатина набухает в ней, поглощая 5—15-кратное количество воды и образуя упру­гий студень. Гидратация желатина несколько меньше гидрата­ции коллагена. Максимумы набухания желатина - при рН 2,5 и 11,7. Гидрофильность желатина обнаружи­вается в воде; в неполярных жидкостях и при длительном кон­такте с воздухом поверхность желатина становится гидрофоб­ной. При повышении температуры студня желатин полностью растворяется.

Студнеобразование (желатинизация)

В растворе (бульоне) полярные группы частиц желатина об­разуют с диполями воды гидраты. Одновременно с возникнове­нием гидратов частицы ассоциируются в более крупные обра­зования - ассоциаты. Каждой температуре отвечает свое рав­новесное состояние между гидратами и ассоциатами. С понижением температуры оно сдвигается в сторону послед­них, а при достаточно низкой температуре, в зависимости от концентрации бульона и размеров частиц ассоциаты образуют сплошной пространственный тончайший каркас (сетку).

Каркас возникает благодаря взаимодействию центров коагу­ляции, распределенных по концам частиц и в местах изгибов, т. е. там, где имеются полярные группировки, и там, где сосре­доточен избыток поверхностной энергии. Такого рода коагуляционное структурообразование называется застудневанием (желатинизацией), а образующаяся дисперсионная система— лиогелем или студнем. Переход бульона в лиогель сопровож­дается изменением структурно-механических свойств системы: возникновением жесткости, прочности на сдвиг и характерной зависимости вязкости от величины действующего напряжения сдвига. Эти свойства обусловлены наличием в системе непре­рывного каркаса сравнительно небольшой прочности.

Структурный каркас лиогеля отличается от жидкой фазы упругостью формы, которая проявляется в способности его к обратимым деформациям при напряжениях сдвига меньше пре­дела упругости. Упругость формы обусловлена обратимой дефор­мацией тех участков цепей, которые не вступают во взаимодей­ствие друг с другом при возникновении каркаса. При напряже­ниях выше предела прочности структурный каркас испытывает необратимую деформацию в результате смещения частиц отно­сительно друг друга и контактов между ними.

Большая часть воды вместе с растворимыми в ней частицами низкомолекулярных фракций оказывается включенной (иммо­билизованной) в ячейках пространственного каркаса. Низкомо­лекулярные частицы, фиксируя своими полярными группами часть воды и взаимодействуя с полярными группами крупных частиц, обращенными внутрь ячейки, в свою очередь образуют еще более тонкую пространственную сетку внутри каждой ячейки. Другая часть воды удерживается как осмотически связанная, поскольку растворенные вещества создают повышенное осмоти­ческое давление. Благодаря этому вода, количество которой во много раз превышает количество сухого вещества, оказывается довольно прочно связанной в структуре студня. Лиогель жела­тина и клея изотропен. Это указывает на отсутствие в нем пре­имущественной ориентации частиц.

Чем больше длина частиц, образующих каркас студня, тем меньше локальных связей требуется для прекращения их пере­мещения. Поэтому желатиновые бульоны застудневают быстрее клеевых и при более низкой температуре, а сами студни — проч­нее. Температура, скорость застудневания и прочность студней - зависят от концентрации. Так, бульон с концентрацией 0,6% застудневает при 0° , 2-% ной концентрации -_ при 18—20° С, а 50%-ный при 35° С. Чем ближе рН бульона к изоэлектрической точке желатина или клея, тем быстрее застудневание. Его скорость зависит также от наличия в бульоне посторонних веществ. Так, сульфаты ускоряют, а хлориды замедляют ее, а в присутствии 5% солей кальция желатиновый бульон не застудневает вовсе.

С течением времени происходит «старение» студня вследст­вие изменения внутренних напряжений в системе, вызываемого перегруппировкой звеньев цепных молекул в каркасе студня. Наступает синерезис, т. е. самопроизвольное вытеснение воды в результате сокращения объема каркаса под действием сил сцепления непосредственно между частицами