Кількісні характеристики процесу набухання

Тиск набухання

Якщо вихідну масу полімеру помістити у щільно закриту посудину з поруватим днищем, то під час дифузії молекул розчинника у середину полімеру та збільшення об’єму в системі виникає тиск.

Р = max - на початку набухання (десятки і сотні атмосфер);

Р↓ ‑ протягом набухання;

Р = 0 – при досягненні рівноваги між ВМС і розчинником.

Фізична природа набухання аналогічна явищу осмосу.

Тиск набухання можна розглядати як осмотичний тиск у насиченому розчині ВМС, а набухаючий полімер – осмотична чарунка, куди проникають молекули низькомолекулярної рідини.

Ступінь набухання (α)

(здатність полімеру до набухання у різних середовищах за різних умов).

Свідчить про відносне збільшення маси ВМС.

, або

m₀– маса ВМС до набухання;

m – маса ВМС після набухання;

m_р – маса розчинника, яку поглинув полімер.

α (білка) = 200%; α (крохмалю) < 10%.

Форми існування води у полімерах

Вільна вода (капілярна) як середовище

Зв’язана вода (гідратаційна) має обмежену рухомість (чим вищі гідрофільні властивості ВМС, тим більше зв’язаної води). Зв’язана вода відіграє головну роль у набуханні. Так, білки борошна при замішуванні та бродінні тіста поглинає і утримує більше200% води по відношенню до їх маси. При гідратації полярних груп білкових макромолекул поглинається близько ¼ всієї маси поглинутої води. Інша кількість зв’язаної води визначає набухання білків з утворенням клейковини.

• Коацервація – розшарування розчинів ВМС при нагріванні або збільшенні концентрації, пов’язане із формуванням асоціатів молекул і виділенням утвореної фази за рахунок злиття дрібних капель. В результаті коацервації система розділяється на дві фази: розчин ВМС в розчиннику і розчинник у ВМС (коацерват). Коацервація відбувається при зміні температури або складу розчину. Обумовлена зниженням взаємної розчинності компонентів розчину.

Коацервація спостерігається у водних розчинах желатину при додаванні спирту або сульфату натрію; у розчинах деяких білків, що добре розчиняється у спирті, внаслідок додавання води. При рН = 1,2 – 4,8 макромолекули желатину позитивно заряджені; при додаванні до такого розчину білка гуміарабіку з негативно зарядженими макромолекулами відбувається нейтралізація зарядів і розчинність желатину зменшується – в системі відбувається коацервація.

Розрізняють:

• комплексну коацервації (взаємодіють два ВМС);

• просту коацервації (взаємодіють ВМС і низькомолекулярна сполука) – спирт і желатин.

• Драглювання. Розчини ВМС та деякі колоїдні системи здатні за певних умов втрачати текучість і застигати, утворюючи драглі. В драглях частинки дисперсної фази зв’язані між собою у сітчастий каркас, дисперсійне середовище міститься в проміжках між ними.

Драглі ‑ це структуровані системи з властивостями еластичних твердих тіл. Драглеподібний стан речовини можна розглядати як проміжний між рідким та твердим станом.

Приклади драглів: харчові продукти (хліб, м’ясо, джем, желе, мармелад, кисіль, кисле молоко; нехарчові продукти (клей, каучук); драглеподібні осади гідроксидів феруму (ІІІ), алюмінію, оксиду силіцію (ІV).

Особливість драглів – вміст речовини, що утворює чарунку драглів, ‑ незначний порівняно з масою драглів. Наприклад, у водних драглях вміст води іноді перевищує 99%. За такої структури дифузія драглів при стиканні з розчином відбувається швидко як в чистій воді.

Відмінність дифузії в драглях від дифузії в рідинах полягає у відсутності перемішування і відсутності утворення конвекційних токів, що виникають у рідких розчинах. Як результат: у сусідніх ділянках драглів незалежно одна від одної можуть проходити хімічні реакції.

Коефіцієнт дифузії в драглях незначно відрізняється від коефіцієнту дифузії в чистому дисперсійному середовищі.

На швидкість дифузії іонів у драглях впливають:

• концентрація драглів – малі за розмірами молекули та іони дифундують швидко за умови відсутності взаємодії між іонами та ВМС драглів;

• розмір частинок, що дифундують – чим нижчий ступінь дисперсності частинок, тим нижча швидкість їх дифузії в драглях. Великі частинки практично нездатні до дифузії. На цій властивості базується драглеподібних напівпроникних мембран. Швидкість дифузії високодисперсних колоїдних систем, розчинів напівколоїдів і ВМС залежить від частоти сітки драглів і розміру дифундуючи частинок;

• природи дифундуючої речовини. Наприклад, в технології хлібопекарського виробництва харчові добавки сіль, цукор дифундують у желеподібні колоїди напівфабрикатів, впливають на їх гідрофільність, ступінь набухання.

Електрична провідність драглів залежить від здатності до дифузії іонів у дисперсійному середовищі: чим більша швидкість дифузії іонів у драглях, тим вища електрична провідність драглів. Наприклад, агар-агар використовують у гальванічних елементах.

У драглях можливі реакції осадження, але швидкість їх набагато нижча, ніж у рідкому середовищі. В результаті реакцій осадження осади виділяються окремими кільцями, розділеними прозорими проміжками драглів (кільця Лізеганга, 1896р.).

Драглювання та драглі широко застосовуються у:

• виробництві віскозного, ацетатного, мідноаміачного шовку; різних типів штучної шкіри, гумових виробів з синтетичного латексу і розчинів каучуків, матеріалів з пластифікованих полімеризаційних пластиків;

• у хлібопеченні, сироварінні, кондитерському виробництві, консервуванні плодів і ягід, виготовленні страв – драглеутворення є однією з стадій технологічного процесу (пектинові речовини, агар-агар, агароїд, желатин).

Пектинові речовини можуть утворювати драглі у водних розчинах тільки в присутності цукру і кислоти. Чим більший вміст пектину, тим більшу кількість цукру необхідно додавати для утворення драглів. Від надлишку цукру продукт стає еластичнішим, на зламі більш крупнозернистим, але слабкішим (цукор ‑ дегідратуюча речовина). Кислота витісняє іони металу з солей пектину. Частково звільнені від іонів металу карбонільні групи слабкої пектинової кислоти утворюють міжмолекулярні водневі зв’язки, за рахунок яких утворюється структурний каркас, всередині якого знаходиться розчин сахарози і кислоти. Завдяки цьому підвищуються драглеутворюючі властивості пектинового розчину і поліпшується якість драглів.

У виробництві харчових продуктів широке використання знаходять гідрофільні властивості білків, тобто їх здатність до набухання і утворення драглів; стабілізації суспензій, емульсій і пін. Сильно гідратовані драглі – сира клейковина, що виділена з пшеничного тіста, містить близько 65% води. Гідрофільність клейковинних білків – одна з ознак, що характеризують якість зерна пшениці та борошна з неї.

• Живі організми складаються з драглів різного ступеня обводнення. Тіло медузи є драглями з великим ступенем обводнення (до 90% води), а рогова тканина містить дуже мало води (десяту частку відсотка). Кістки мають деяку пружність та еластичність завдяки драглистій речовині – осеїну. З віком кістки стають більш крихкими тому, що в них збільшується вміст твердих мінеральних речовин. М’ясо молодих тварин більш соковите, ніж старих: з віком тканини тварин внаслідок синерезису та дегідратації втрачають здатність утримувати воду, стають більш твердими, сухими.

• Харчові продукти (хліб, м’ясо, джем, желе, мармелад, кисіль, кисле молоко, різні сорти сиру) – драглі різного ступеня обводнення; Білки яйця – концентровані колоїдні розчини (золі), в результаті денатурації утворюють гель, здатний утримувати воду. Білки зернобобових знаходяться у вигляді сухих гелів, алейронових зерен. При тепловій обробці зернобобових відбувається набухання білків, виділення рідини (збільшення маси бобових, круп, утворення клейковини борошна), яка не переходить в середовище, так як зразу поглинається крохмалем (клейстеризація);

• Крохмальні золі та гелі є основою для виготовлення киселів різної в’язкості. Залежно від співвідношення крохмалю і води одержують. Крохмальні золі – основа киселів рідкої і середньої консистенції (ω крохмалю =2-5%), солодких супів, соусів (ω=2%). Клейстер у вигляді гелю утворюється, якщо крохмальні пухирці тісно зв’язані між собою внаслідок майже повного поглинання ними води. Утворюються щільні гелі в киселях (ω крохмалю 6-8%), при варінні круп, бобових, макаронних виробів, картоплі, коли крохмаль поглинає максимальну кількість води.

При зберіганні у холодному стані виробів і страв, що місять оклейстеризований крохмаль, відбувається зменшення вмісту розчиненої амілози, що викликає зниження вмісту розчинних речовин, і вироби черствіють.

Старіння або синерезис крохмальних золів (гелів) спостерігається в кашах, макаронних стравах через дві години після приготування (частково зворотний); в киселях (не зворотний);

• черствіння хліба та хлібобулочних виробів. На перших стадіях черствіння хліба маса його не змінюється. Отже, черствіння відбувається не за рахунок випаровування води. Оклейстеризований крохмальний гель «відмокає», з нього виділяється вода і сам він стає твердим. При нагріванні зачерствілого хліба відбувається часткове повернення втраченої свіжості, що свідчить про оборотність процесу синерезису в драглях типових органічних ВМС.

• при „відмоканні” мармеладу, желе, фруктових джемів, карамелі; при виробництві молочного сиру (відокремлення сироватки);