Лекция на тему "Набухание и студнеобразование"

2.3. Набухание и студнеобразование

2.3.1. Набухание .

Под набуханием понимают начальный этап растворения высокомолекулярных веществ с линейными гибкими макромолекулами, во время которого имеет место самопроизвольное проникновение молекул низкомолекулярного растворителя в структуру высокомолекулярных тел. При этом целостность тела сохраняется при значительном увеличении объёма. Природа процесса - сложная, и в разных системах он протекает своеобразно, но во всех случаях для набухания характерны два явления (две формы связи влаги): адсорбционное связывание воды молекулами высокомолекулярного вещества, сопровождающееся тепловым эффектом, и диффузия воды во внутреннюю структуру набухающего вещества (осмотическая форма связи влаги), сопровождающаяся изменением энтропии системы. Оба явления имеют место с начала процесса набухания, хотя обычно адсорбционное связывание влаги макромолекулами, т.е. их гидратацию, выделяют в качестве первой стадии набухания.

Адсорбция влаги сопровождается выделением тепла и возможным понижением энтропии за счёт упорядочения молекул воды в адсорбционном слое. Вторая стадия процесса обусловлена энтропийными причинами, значение которых резко возрастает в результате смешения макромолекул набухающего тела с молекулами растворителя.

В пищевой практике процессы набухания высокомолекулярных веществ: полисахаридов, белковых и слизистых веществ - имеют место при замесе теста, клейстеризации крахмала, замачивании круп и бобовых и других процессах. Набухание может заканчиваться образованием раствора высокомолекулярного вещества - неограниченное набухание, присущее, например, слизистым веществам муки, или образованием студня - ограниченное набухание, характерное для клейковинных белков муки, а также желатина и агара при комнатной температуре. Ограниченное набухание или растворение высокомолекулярного вещества объясняется рядом причин. В одном случае оно может быть обусловлено особенностью физико-химического взаимодействия воды и высокомолекулярного вещества, например, в случае белков клейковины. В других случаях ограниченность растворения высокомолекулярных веществ объясняется наличием поперечных связей разной природы между макромолекулами вещества. Причем эти связи в определённых условиях могут плавиться, например, водородные связи между макромолекулами желатина или агара при повышении температуры, и ограниченное набухание вещества перерастает в неограниченное набухание, т.е. раствор. Если при повышении температуры связи не плавятся, то ограниченный характер набухания сохраняется, например, при набухании целлюлозы в воде. При описании сорбции влаги телом в зависимости от относительной влажности отмечалось, что слабосвязанную влагу практически невозможно ввести в продукт посредством его увлажнения в атмосфере насыщенного пара. В процессе набухания, вследствие повышения стерических возможностей молекул, их сегментов и ассоциатов, эффективность энтропийного связывания влаги возрастает, и соответственно увеличивается количество поглощаемой телом влаги. Следует отметить, что характер изменения термодинамических функций при набухании различных веществ весьма сложен, как и сам процесс набухания, который может включать переориентацию макромолекул, частичное растворение низкомолекулярной фракции, её адсорбцию на макромолекулах высокомолекулярной фракции и другие изменения.

2.3.2. Студнеобразование

Наряду с набуханием студни могут быть также получены посредством изменения термодинамических параметров стабильных растворов студнеобразующих высокомолекулярных веществ: температуры, концентрации, давления. При этом изменение параметров стабильных растворов соответствующих высокомолекулярных веществ предусматривает снижение их растворимости, в результате чего они становятся 40 метастабильными, пересыщенными, а их последующее измене-ние в направлении достижения стабильности включает выделение растворенного вещества в виде трехмерной пространственной каркас-ной фазы студня. Например, для желатина температура 36...40 ⁰С является «критической» температурой, выше которой его растворы, независимо от концентрации и молекулярной массы, ведут себя как молекулярно-дисперсные системы, молекулы желатина присутствуют в них в конформации статистического клубка. Охлаждение растворов до температуры несколько ниже «критической» нарушает их термодинамическую устойчивость, и системы из молекулярнодисперсных переходят в метастабильное состояние (иными словами, в псевдорастворы со свойствами упруговязкой жидкости). Наличие измеримого предела упругости отличает их от жидкообразных систем, хотя вследствие незначительного по величине предела упругости при обычных условиях они форму не сохраняют, т.е. по агрегатному состоянию близки к жидкости. Свойства псевдорастворов обусловлены частичным конформационным переходом макромолекул желатина по типу «клубок - спираль» с образованием коллагеноподобных тройных спиралей и, соответственно, ассоциатов макромолекул. Дальнейшее охлаждение псевдорастворов желатина с концентрацией 1 % и выше приводит к нарастанию в них упругих свойств и затвердеванию всей системы в студень, обладающий четко выраженным пределом упругости. Образуется твердообразная система, сохраняющая приданную ей форму. Высокая активность перехода «клубок - спираль» отмечена в достаточно узком температурном интервале 17...20⁰C, после чего интенсивность образования тройных спиралей замедляется в силу возрастания вязкости системы. Узлы студней представляют собой коллагеноподобные тройные спирали различной протяженности. Причем для каждой полипептидной цепи характерно наличие не одного, а многих фрагментов (или сегментов), способных образовывать тройные спирали, что обуславливает возможность ее спирализации с несколькими макромолекулами. Итак, студнями называют такие системы, в которых линейные или разветвленные цепеобразные молекулы, или вторичные молекулярные структуры высокомолекулярных веществ прочно связаны между собой в относительно немногих точках химическими, водородными или иными молекулярными связями и образуют пространственную сетку, охватывающую своим объемом заключенный в ней растворитель или раствор низкомолекулярных фракций вещества. После застудневания система не достигает стабильного состояния. Последующие изменения включают в себя дополнительное образование коллагеноподобных тройных спиралей, а также их агрегацию в надмолекулярные (или вторичные молекулярные) структуры, вследствие чего прочность студней возрастает. Упорядочение структуры студней во времени может привести (сопровождаться) к синерезису, что в практике производства продукции массового питания наблюдается редко. Достижение равновесия в студнях затруднено по причине резкого снижения активности броуновского движения. Физической основой перехода типа «клубок - спираль» является тот факт, что состояние макромолекулы в конформации клубка выгодно энтропийно, тогда как состояние макромолекулы в конформации спирали с участием водородных связей более выгодно энергетически. В студнеобразующих системах свободные энергии этих двух состояний различным образом меняются при изменении температуры, состава растворителя (например, если его молекулы способны к образованию водородных связей с макромолекулами) или рН раствора (если ионизация мономерных единиц вносит дополнительный энергетический эффект). Температуре перехода соответствует равенство свободных энергий этих двух конформационных состояний. Кооперативный характер перехода, проявляющийся в узости его температурного интервала, обусловлен сильной 42 зависимостью изменения свободной энергии молекулы при образовании водородной связи в одной из мономерных единиц от наличия или отсутствия водородной связи в соседних с ней мономерных единицах. Эта кооперативность для полипептидов имеет, видимо, энтропийный характер. Общим условием студнеобразования для этого способа получения студней является ограниченная растворимость высокомолекулярного вещества или, вернее, его функциональных групп в данных условиях. Для полиэлектролитов, каковым является желатин, растворимость при постоянном растворителе определяется величиной молекулярной массы и заряда его молекул. Все факторы, изменяющие растворимость желатина, оказывают значительное влияние на свойства его студней. С увеличением молекулярной массы растворимость макромолекул желатина благоприятно снижается, возрастает стерическая возможность возникновения межмолекулярных связей, и студнеобразующая способность вещества повышается. Возможный в технологических процессах термолиз желатина по указанным выше причинам отрицательно сказывается на его студнеобразующей способности. Удаление из желатина его низкомолекулярных фракций посредством промывания оказывает положительный эффект на студнеобразующую способность вещества. Вблизи изоэлектрической точки, вследствие значительного снижения растворимости, агрегация макромолекул в процессе студнеобразования возрастает, особенно в отсутствие электролитов, но консистенция сформированных в этих условиях студней очень слабая. Из-за повышенной светорассеивающей способности студни - мутные. Изменение величины рН среды в обе стороны от изоэлектрической точки белка (или белкового вещества) приводит к упрочнению студней. Следует отметить, что желатин вырабатывается кислотным и щелочным способом. Обычно работают с желатином щелочной выработки, изоэлектрической точке которого соответствует значение рН среды в интервале 4,7...5,0. Изоэлектрической точке желатина кислотной выработки соответствует значение рН среды в интервале 7,5..9,0. Неоднозначное влияние на свойства студней желатина оказывает сахароза, которая широко используется при производстве сладких желированных изделий на желатине. Сахароза понижает активность воды, поэтому при ее добавлении и одновременном возрастании в системе соотношения «желатин / вода» прочность студней увеличивается. Сахароза в концентрациях 25 % и выше оказывает на структуру студней разрыхляющий и пластифицирующий эффект. Если при концентрации сахара до 20…25 % студни желатина являются упруго-хрупкими системами, то при более высоких концентрациях сахарозы они становятся упруговязкопластичными системами с упругим последействием. Оптическая плотность студней при этом снижается. Застудневание желатина является фазовым переходом. Однако расслоения системы при этом ни происходит, так как желатин выделяется из раствора в микрообъёмах, поэтому к студням применимо определение как систем с незавершенным расслоением. Такой процесс возможен при условии, что в состав цепи макромолекулы вещества входят группы различной химической природы, главным образом, полярные и неполярные. Их разная парциальная растворимость приводит к тому, что часть макромолекулы вещества выделяется из раствора в микрообъёмах, а другая часть находится в растворенном состоянии. Рентгенографические исследования указывают на наличие в студнях желатина определенных областей упорядоченного расположения макромолекул, которые относят к вторичным молекулярным структурам с определенной степенью ориентации в них макромолекул, отличной, однако, от упорядоченности, характерной для кристаллических полимеров. Состав элементов структуры студней и их морфология зависят, в первую очередь, от скорости процесса студнеобразования. Высокая скорость процесса при резком охлаждении растворов желатина до низких температур 44 препятствует развитию полимолекулярных элементов структуры. Наоборот, при постепенном охлаждении раствора за счет лучшей упорядоченности структуры образуются студни с большей прочностью. Значительную роль во внутри- и межмолекулярном взаимодействии в студнях желатина играют водородные связи, которые ответственны за упругохрупкие свойства студней. Гидрофобное взаимодействие между неполярными группами макромолекул, участвующих в формировании структуры студня, обуславливают тиксотропные свойства студней, особенно при концентрациях ниже 3,0 %. Тиксотропность студней желатина и растянутость во времени перехода «статистический клубок - тройная спираль - агрегаты тройных спиралей» позволяют использовать слабо желированные студни для украшения банкетных блюд (например, желирующий майонез). Господствующая роль конденсационных структур в студнях агара и агароида препятствует их использованию подобным образом. Из высокомолекулярных веществ растительного происхождения, используемых в качестве студнеобразователей, можно отметить полисахариды морских водорослей (агар, агароид, фурцелларан, альгинат натрия) и полисахариды наземных растений: пектиновые вещества, крахмал и его производные, а также производные целлюлозы. Процесс студнеобразования для каждого из этих веществ имеет свою специфику. Процесс приготовления студней на основе агара, агароида, фур целларана сходен с процессом приготовления студней на основе желатина: жидкость с ограниченно набухшими полисахаридами нагревают до кипения, полученные молекулярно-дисперсные растворы при охлаждении образуют студни. Узлами трехмерной пространственной структуры являются двойные молекулярные спирали смежных макромолекул и их агрегаты. По студнеобразующей способности полиса-хариды могут быть расположены в ряд: агар фурцелларан агароид. В обратном порядке они стоят по содержанию в них сульфатных групп и, соответственно, их растворимости. 45 Альгинат натрия представляет собой натриевую соль альгиновой кислоты - полисахарида бурых морских водорослей, полимолекулярная цепь которого состоит из двух компонентов: маннуроновой и гулуроновой кислот в разных сочетаниях и расположении вдоль цепи. Альгинат натрия неограниченно набухает в воде и образует молекулярно-дисперсные системы, которые желируют при добавлении ионов кальция (растворимой соли кальция). Узлами трехмерной пространственной структуры студня являются сегменты смежных макромолекул, связанные между собой межмолекулярными координационными связями с участием ионов кальция, и их агрегаты. Повышенным сродством к кальцию обладает гулуроновый компонент кислоты. Активное связывание альгиновой кислотой тяжёлых металлов и радиоактивных продуктов обуславливает её использование в профилактическом и лечебном питании. Метилцеллюлоза неограниченно набухает в воде при комнатной температуре и образует молекулярно-дисперсные системы, которые создают студень при нагревании. Узлами трехмерной пространственной структуры служат гидрофобно-связанные сегменты различных макромолекул с повышенным содержанием метилированных мономеров. При охлаждении студень плавится. Структура студней пектиновых веществ имеет свою специфику в зависимости от степени метоксилирования полисахаридов. Узлы трехмерной пространственной структуры в студнях высокометоксилированных пектинов - сегменты различных макромолекул с высоким содержанием метоксилированных мономеров, связанные между собой гидрофобным взаимодействием и водородными связями. Размер зон взаимодействия и свободная энергия студнеобразования пропорциональны квадрату степени метоксилирования полисахарида. Условия студнеобразования для высокометоксилированных пектинов предусматривают наличие в системе 60- 65 % сухих веществ (обычно сахара) и кислотности среды в пределах значения рН среды от 2,8 до 3,5. При значении рН среды более 3,5 46 высокометоксилированные пектины студней не образуют, при значении рН среды менее 2,8 часто наблюдается синерезис. Узлами трехмерной пространственной структуры в студнях низкометоксилированных пектинов являются сегменты различных макромолекул с высоким содержанием неметоксилированных мономеров, связанные между собой межмолекулярными кооординационными связями с участием ионов кальция, и их агрегаты. Условия студнеобразования для них предусматривают наличие в системе ионов кальция в количестве 30-40 мг на 1 г пектина, избыток солей кальция может привести к синерезису или высаливанию полисахарида. Оптимальная кислотность соответствует значению рН среды 3,3. Возможные колебания - в пределах 2,6-6,5. Наличие сахара не обязательно. Принято пектиновые вещества со степенью метоксилирования более 50 % (обычно около 70 %) относить к высокометоксилированным, пектиновые вещества со степенью метоксилирования менее 50 % (чаще около 30-40 %) - к низкометоксилированным. Степень метоксилирования 50 % - это граница, при которой заметно меняется сродство пектина к ионам кальция. Специфика образования крахмальных студней состоит в следующем. На первом этапе набухания крахмальных зерен имеют место адсорбционнокапиллярные формы связи влаги, общее количество которой составляет до 40 % от массы зерен. Поглощение влаги не влечет за собой заметных изменений в структуре зерен и обратимо, если температура системы не превышает температуры клейстеризации крахмала, которая, например, для картофельного крахмала составляет около 55 0С. При достижении температуры клейстеризации и последующем нагревании внутри- и межмолекулярные связи полисахаридов в зерне плавятся, и интенсивность процесса набухания резко возрастает. Значительно увеличивается объём крахмальных зерен, растворимая фракция амилозы переходит в водную фазу. Если процесс на этом заканчивается, то каркас образованного студня состоит из набухших крахмальных зерен, вкрапленных в трехмерную молекулярную сетку амилозы. Фактически такая картина не наблюдается по ряду причин: во- первых, из-за наличия в крахмале разрушенных зерен; во-вторых, вследствие высоких концентраций крахмальных систем, с которыми имеет дело практика; в третьих, образование трехмерной молекулярной сетки амилозы с вкрапленными в неё набухшими зёрнами крахмала зависит от температурного и временного факторов. Все эти причины могут влиять на структуру крахмальных студней порознь или совместно. Наличие в крахмале разрушенных зерен обуславливает присутствие в дисперсионной среде наряду с амилозой амилопектина и «оболочек» крахмальных зерен. При высоких концентрациях крахмала набухшие крахмальные зерна могут заполнить весь объём системы. Избыточное температурное воздействие может привести к разрушению набухших зерен, что обычно наблюдается в картофельном крахмале и сопровождается разжижением системы. Таким образом, в структуре крахмального студня могут участвовать макромолекулы амилозы, амилопектина, набухшие крахмальные зерна, а также их «оболочки» в разрушенном состоянии. Взаимосвязь между элементами структуры осуществляется за счет водородных связей, гидрофобного и молекулярного взаимодействия (прямые контакты и вандерваальсовы силы). Гидрофобное и молекулярное взаимодействие обуславливают тиксотропные свойства крахмальных студней. Упорядочение структуры студней в процессе хранения (старение студней) включает процесс ретроградации амилозы, который заключается в снижении ее растворимости и выделении из раствора в спиралевидной нативной форме. Процесс ретроградации амилозы может привести к выделению ее в виде хлопьев или к образованию в системе трехмерной сетки из ретроградированной амилозы, которая способна укрепить ранее существовавшую структуру или быть её основой. Посредством выдерживания крахмальных студней при температуре порядка 80 0С или разогревания охлажденных студней ретроградацию амилозы можно предотвратить или обратить, т.е. перевести ретроградированную амилозу в растворимое состояние. Амилопектин ретроградации не подвергается. Упорядочение структуры крахмальных студней во времени может привести к синерезису. Несмотря на высокую активность воды в системах, которая, например, в мясном и рыбном желе близка к единице, она достаточно прочно удерживается в структуре студней и в обычных условиях из неё не выделяется. Хотя в результате электронно-микроскопических исследований в структуре студней желатина установлены микрополости с размером около 0,5 мкм, а в студнях альгината натрия - с размером 20 - 80 нм, что на несколько порядков превышает размеры молекул воды, одновременно имеются данные, что в результате механического воздействия на студни агара и в ходе ультрацентрифугирования студней желатина часть влаги из них может быть выделена. Подобное поведение воды в студнях объясняют, с одной стороны, гидравлическим сопротивлением каркаса студня, а с другой - её связанностью и структурированием каркасом студня в такой степени, что она ведет себя как твердое вещество, сохраняя давление пара обычной воды.