Синерезіс гелів

Як показують численні дослідження, гелі з часом міняють свої властивості, тобто старіють. В процесі старіння на їх поверхні починають з'являтися крапельки рідини, які потім зливаються разом, утворюючи суцільну рідку фазу. Відбувається розділення студню на дві фази – дисперсіону і дисперсну, причому це розділення не є ні коацервацією, ні коагуляцією (висолюванням). Подібний мимовільно виникаючий процес старіння гелю одержав назву синерезісу або відмокання.

Рідка фаза, що виділяється при синерезісі, є нечистим розчинником, а дуже розбавленим розчином. Наприклад, сироватка, що утворилася при «відсіканні» кислого молока, містить солі і невеликі кількості колоїдів. Іншими словами, ця рідина по суті є золем даного колоїду, але дуже малої концентрації. Аналогічно цьому синерезісу дисперсна фаза, що виділяється при явищі, є лише більш концентрованим студнем, так званим «синергічеського згустку», тобто студень ще з досить великою кількістю розчинника.

Явище синерезісу вперше спостерігалося Гремом ще в 60-х роках минулого століття. Детальніше і всестороннє дослідження цього явища за останні 30 років було проведене радянськими ученими на чолі із С. М. Ліпатовим. Дослідження цих учених показали, що синерезіс можна спостерігати як у типових колоїдів, так і у холодців високомолекулярних сполук, наприклад крохмалю, желатину, кислого молока, каучуку, віскози, холодців деяких фарбників.

Синерезіс може протікати як самовільно, так і під впливом речовин, що знижують розчинність речовини дисперсної фази, наприклад електролітів. Так, холодці желатину синергують при додаванні до них ефіру, студні гераніну (органічний фарбник) синергують при додаванні NаС1 і т.п. Найбільший інтерес представляє самовільний синерезіс еластичних студнів, що є не чим іншим, як процесом їх старіння – автокоагуляції.

При синерезісі внаслідок збільшення числа контактів частинок дисперсної фази спостерігається зміцнення гелю з одночасним підвищенням його еластичності і пружності. При цьому відбувається стягання структурної сітки гелю, внаслідок чого гель вичавлює з себе значну частину імобілізованої рідини і зменшується в об'ємі. Вельми характерним є те, що гель при стисненні зберігає форму тієї судини, куди був налитий золь до його застуднення, наприклад форму конічної колби (рис. 4).

Таким чином, синерезіс виникає внаслідок зміни взаємного положення частинок дисперсної фази гелю. Звідси стає зрозумілим, чому електроліти-коагуляції, що збільшують сили тяжіння між частинками, сприяють синерезісу.

Рис. 4. Явище сінеразису: а – гель до синерезиса;

Б – розділення гелю на дві фази

У студнів високомолекулярних сполук процес синерезісу – оборотній. У ряді випадків досить простого нагрівання, щоб система, що зазнала синерезісу, повернулася в стан початкового студню. Цим прикладом широко користуються на практиці для освіження, наприклад, каш, пюре, хліба. У подібних випадках процес синерезісу не супроводжується якими-небудь хімічними перетвореннями компонентів системи. Іноді ж при старінні колоїдів виникають різні хімічні процеси, в цьому випадку сінерезис ускладнюється і його оборотність втрачається.

Швидкість синерезісу колоїдів різна. Вона зростає з підвищенням температури і збільшенням концентрації. Іноді збільшення концентрації гелю ослабляє процес синерезісу, що є характерним для крохмалю, ацетілцелюлози і віскози.

У студнів, утворених білками, швидкість синерезісу залежить також і від рН. Так, для желатину він найактивніший виявляється в ізоелектричній точці.

Практичне значення синерезісу велике. Частіше за все явище синерезісу в побуті і промисловості небажані. Наприклад, з синерезісом пов'язано черствіня хлібу та підсихання кондитерських виробів – мармеладу, желе, фруктових джемів, карамелі. Боротьба з черствим хліба представляє важливу народногосподарську проблему. Шкідлива дія надає синерезіс в промисловості штучного волокна, вибухових речовин, у виробництві багатьох фарбників. Прикладом позитивного синерезіса може служити самовільне відділення рідини від сиру в процесі дозрівання сиру і сироварінні.

Процес синерезісу має важливе біологічне значення. У процесі старіння колоїдів утворюється їх ущільнення, що не може не позначитися на проникність клітинних мембран і цитоплазми. Зниження проникності може порушити обмін речовин між кліткою і навколишнім середовищем. Учені довели в своїх дослідженнях, що при вікових змінах організму відбувається зменшення величини електричного заряду і ступеня гідратації колоїдних частинок. В результаті зменшується здатність колоїдів тканин і органів зв'язувати воду. Пізніші дослідження показали, що процеси старіння білків пов'язані не тільки із структурноутворенням в розчинах високополімерів, але і з явищами поволі протікаючої денатурації. Саме процесами синерезісу і дегідратації пояснюється поява у тканин із збільшенням віку організму нових якостей – більшої жорсткості і меншої еластичності.

Проте пояснювати причину старіння живого організму тільки старінням його колоїдів не можна. Як відомо, в організмі відбувається безперервний обмін речовин, процес асиміляції і дисиміляція, руйнування органічної субстанції і утворення її. І хоча протоплазма всіх організмів знаходиться в колоїдному стані, причини старіння їх криються не у фізико-хімічних, а складніших, біологічних процесах. Насправді, в будь-якому розчині того або іншого колоїду не спостерігається специфічного, властивого саме живим організмам обміну речовин і енергії, явищ асиміляції і дисиміляції. Якщо у колоїдів протоплазми в процесі її життєдіяльності і спостерігається поступове пониження водозв'язуючої здатності, зменшення стійкості і зміна інших властивостей, схожих із змінами колоїдних розчинів, то вони відбуваються в результаті направленої зміни хімічного складу колоїдів організму, визначуваних процесами обміну речовин.