Колоїдно-хімічні властивості високомолекулярних сполук (ВМС)

1. Класифікація та характеристика видів високомолекулярних сполук

Дисперсні системи є гетерогенними і складаються з двох фаз. Одна з них є суцільною і називається дисперсійним середовищем (ВМС), інша роздроблена і розподілена в першій фазі і називається дисперсною фазою.

Дисперсними системами є більшість продуктів харчування, сировина і напівфабрикати – сири, сухе молоко, соки, шампанське, цукерки, хліб, шоколад та ін. Частки речовин дисперсної фази можуть мати різні розміри і форму – сферичну, циліндричну, прямокутну або неправильну.

Дисперсійні системи класифікують за ступенем дисперсності: грубодисперсні, мікро гетерогенні, колоїдні.

Грубодисперсні системи – це системи з частками, розмір яких перевищує 10^{-3 см. Їх можна бачити візуально, коли вони в рідині осідають або підіймаються. М ікрогетерогенні системи мають розмір часточок у межах від 10-5} до 10^{-3 см, тобто від 0,1 до 10 мкм. Часточки такого розміру можна бачити тільки під мікроскопом. Г етерогенні системи мають розмір часточок від 10-7} до
10^{-5 см, тобто від 1 до 100 нм, і їх відносять до ультрамікрогетерогенних. Такі системи називають колоїдними. Часточки в колоїдних системах настільки малі, що речовина, з якої вони складається, майже цілком знаходиться у колоїдному стані, тобто практично містить тільки поверхневі атоми і молекули. Такі часточки у порівнянні з молекулою мають визначений агрегатний стан, якого не має молекула.}

Речовини, що мають молекулярну масу від 10000 до декількох мільйонів, називають високомолекулярними сполуками. Розміри макромолекул цих сполук у вилученому стані, у порівнянні з розмірами часток ультрамікрогетерогенних (колоїдних) дисперсних систем, можуть досягати 1000 нм і більше.

За агрегатним станом дисперсної фази і дисперсійного середовища, дисперсні системи класифікують, в залежності від трьох агрегатних станів, на тверді, рідкі і газоподібні.

Колоїдний стан характеризується визначеними розмірами часточок
(10^-7 – 10^{-5 см), гетерогенністю і багатокомпонентністю.}

Дисперсні системи з часточками колоїдів розмірів прийнято називати
золями, якщо в газовому дисперсійному середовищі – аерозолями, якщо у рідкому дисперсійному середовищі – ліозолями.

За розміром часточок золі займають проміжне місце між природними розчинами і грубодисперсними системами – порошками, суспензіями і емульсіями. Колоїдні системи утворюються двома шляхами: диспергуванням, тобто подрібненням великих часточок грубодисперсних систем до колоїдної дисперсності, і конденсацією – з’єднанням атомів, іонів або молекул у більш великі частки колоїдних розмірів. Диспергування використовують у консервній промисловості при гомогенізації плодово-ягідних пюре, при подрібнені зерна до борошна, какао-бобів – какао терте і какао-порошок, цукрі – у цукрову пудру та ін. Конденсація виникає в ректифікаційних апаратах при одержанні спирту, кристалізації цукру, випарюванні розчинів, оклеюванні вин та ін.

До мікрогетерогенних систем з розмірами часточок 10^-5 – 10^{-3 см відносять суспензії, емульсії, піни, аерозолі і порошки.}

Суспензії – це дисперсні системи з твердою дисперсною фазою і рідким дисперсійним середовищем. До них відносяться фруктові і овочеві пасти, помадні конфетки, какао терте та ін. Суспензії утворюються в процесі виробництва крохмалю, пива, вина та ін.

Емульсії – це системи, що складаються з двох рідких фаз, одна з яких диспергована в іншій у вигляді крапель. Звичайно емульсії отримують методом механічного диспергування. Для цього використовують різні мішалки. гомогенізатори, колоїдні млини, ультразвук. Для отримання стійкої емульсії. необхідно щоб рідини. які утворюють емульсію, були нерозчинні. Розмір часточок дисперсної фази емульсії коливається в межах від 10^-7 до 10^{-5 м. Характерною рисою емульсії є те, що в залежності від умов і спрямованості отримання емульсії, дисперсійна фаза може перетворюватися в дисперсну. Наприклад, отримання вершкового масла з вершків.}

Аерозолі і порошки – це дисперсні системи, дисперсійним середовищем яких є газ (повітря), а дисперсною фазою можуть бути тверді часточки або крапельки рідини. Аерозолі за агрегатним станом поділяються на два види. Якщо аерозоль з рідкою дисперсною фазою, то її називають туманом, якщо з твердою – димом і пилом. Пил має розміри часточок у межах від 10^-5 до 10^{-2 см. До типових аерозолів відносяться водяний туман, топковий дим, борошняний і цукровий пил.}

2. Характеристика властивостей ВМС та їх зміни при технологічній
обробці

Внаслідок великої молекулярної маси і гнучкості ланцюгів, макромолекули високомолекулярних сполук (ВМС) і їх розчини володіють специфічними властивостями – здатністю утворювати волокна і плівки, еластичністю, набряканням, структуроутворенням. До найважливіших природних полімерів відносяться білки і полісахариди.

Набрякання – це процес поглинання низькомолекулярного розчинника високомолекулярною речовиною, який супроводжується збільшенням маси і об’єму.

Існує обмежене і необмежене набухання. При обмеженому набряканні об’єм і маса полімеру досягають визначених значень і подальший контакт полімеру з розчинником не призводить до подальших змін. Обмежено набряклий полімер називають студенем. При необмеженому набряканні відсутня межа набрякання. З плином часу полімер поглинає все більшу кількість рідини і набрякання переходить в розчинення.

Прикладом процесу набрякання є процес замісу і утворення тіста з пшеничного борошна. Борошно, що складається головним чином із сухих протеїнових гелів і крохмальних зерен, при взаємодії з водою проявляє колоїдні властивості. Білки здатні набухати у холодній воді і утримувати води у 2-2,5 рази більше своєї маси. При замішуванні тіста із пшеничного борошна, білки муки легко і швидко утворюють надзвичайно тонкі нитки і плівки, які зв’язують і склеюють між собою зерна зволоженого крохмалю. Завдяки цьому пшеничне тісто набуває пружно-в’язко-пластичних властивостей, якими не володіє тісто із інших злаків.

Тісто для мучних кондитерських виробів, крім муки і води, містить додатково цукор і жир, які впливають на набрякання колоїдів муки. При збільшенні кількості цукру, набрякання білків борошна зменшується, що пов’язано з значним зв’язування води цукром. Жир, адсорбуючись на поверхні білків, утворює плівки, які перешкоджають проникненню води до макромолекул білків, що призводить до зменшення пружності і збільшення пластичності тіста.

Колоїдні системи, частки яких знаходяться одна від одної на досить великій відстані і практично не взаємодіють між собою, називаються вільнодисперсними системами. Такі колоїдні системи схожі на звичайні рідини і їх в’язкість мало відрізняється від в’язкості дисперсійного середовища. Дисперсні системи. в яких часточки зв’язані між собою і не здатні до взаємного переміщування, називаються зв’язнодисперсними системами. У таких системах частки дисперсної фази утворюють просторову сітку або структурну.

Перехід колоїдного розчину з вільно дисперсного стану у зв’язано дисперсний називається гелеутворенням, а утворена при цьому структурована колоїдна система – гелем. Якщо колоїдні частки цілком втратять агрегативну стійкість, то вони будуть з’єднуватися у великі агрегати, утворюючи щільний осад – коагулят.

При механічному впливі, наприклад, при перемішуванні або струшуванні зв’язки між частками в коагуляційній сітці можуть бути зруйновані і гель перетворюється у текучий золь. Якщо знову утвориться не текучий гель, то ця властивість структурованих систем називається тиксотропією.

Гелі з часом зменшуються в об’ємі, виділяючи при цьому дисперсійне середовище. Це явище називається синерезисом. Число водневих зв’язків між частками протягом часу збільшується, що призводить до ущільнення структури і виділення дисперсійного середовища. У більшості випадків синерезис є небажаним явищем. Наприклад, в таких продуктах як кетчуп, куди додається крохмаль як згущувач.

Піна – це двофазна система, яка складається з газу і рідини. У даному випадку дисперсною фазою є газ або повітря, а дисперсійним середовищем – напіврідкий розчин суміші цукру, кислоти і пектину.

Під дією сили поверхневого натягу окремі кульки повітря в піні або жиру в емульсії прагнуть з’єднатися в одну масу і відбувається процес самоплинного руйнування піни або емульсії. Цей процес називається коалесценцією.

Щоб зробити піну або емульсію більш стійкою, додають різні стабілізатори – пектин, крохмаль, агар та ін., які перешкоджають процесу коалесценції.

3. Класифікація та характеристика структур дисперсних систем

Структура продукту характеризується внутрішньою будовою і характером взаємодії між окремими її частками. Вона визначається хімічним складом, біохімічними показниками, дисперсністю, температурою, агрегатним станом і низкою технологічних процесів та параметрів. Дисперсні системи можуть знаходитись у вільному стані – золь, коли окремі елементи не зв’язані або слабко зв’язані одні з одними, наприклад, молоко, і у зв’язаному стані – гель, наприклад, кисляк або кефір, коли часточки зв’язані одні з одними молекулярними силами і утворюють структуру, тобто просторовий каркас. У цих системах властивості залежать від об’ємного співвідношення дисперсної фази і дисперсійного середовища, яким є вода, характеру і міцності зв’язку між ними і від характеру і міцності зв’язку часточок фази між собою. В залежності від типу і енергії виникаючих зв’язків дисперсні системи поділяють на три типи: коагуляційні, конденсаційні і кристалізаційні, а також бувають змішані конденсаційно-кристалізаційні структури.

Коагуляційні структури утворюються в дисперсних системах шляхом взаємодії між часточками і молекулами через прошарки дисперсійного середовища за рахунок сил зчеплення Ван-Дер-Ваальса. Вони мають здатність до самоплинного відновлення після руйнувань, тобто здатністю до тиксотропії і під дією напруг виявляють властивості в’язко-пластичних тіл. До таких систем відноситься сирий ковбасний фарш та ін. При утворенні коагуляцій них структур у м’ясних продуктах, істотну роль відіграють поверхнево активні речовини і розчинені у воді білки, що використовують в якості емульгаторів і стабілізаторів м’ясних систем.

Конденсаційні структури утворюються з коагуляційних структур внаслідок видалення з них частки рідкої фази, що супроводжується виникненням більш міцних зв’язків між частками. Міцність цих зв’язків поступово збільшується до певної межі, а потім залишається постійною. Після руйнування конденсаційні структури не відновлюються. Наприклад, фарш готових варених і сирокопчених ковбас.

Кристалізаційні структури утворюються шляхом зрощення часточок або молекул при активній участі хімічної взаємодії з розплаву при охолодженні і з розчину при підвищенні його концентрації або охолодженні. Вони характеризуються наявністю просторової кристалічної решітки. Міцність якої залежить від форми кристалів.

Конденсаційно-кристалізаційні структури властиві натуральним продуктам, вони також можуть утворюватися з коагуляційних структур при видаленні дисперсійного середовища або при зрощенні часточок дисперсної фази в розплавах чи розчинах. Ці структури мають велику міцність у порівнянні з міцністю коагуляцій них структур, що обумовлено великою міцністю контактів між часточками, велика крихкість і пружність через жорсткість кістяка структури. Наприклад, тваринні і рослинні тканини, а також деякі продукти тваринного і рослинного походження з клітинною будовою за своїми властивостями наближаються до конденсаційно-кристалізаційних структур.