Студни, их характеристика, свойства, методы получения

Студень — гомогенная система, состоящая из ВМС и растворителя. При образовании студней между макромолекулами полимера возникают молекулярные силы сцепления, приводящие к образованию пространственного сетчатого каркаса, ячейки которого заполнены жидким раствором. Образование студня можно рассматривать как начальную стадию коагуляции или как начало процесса разделения раствора ВМС на две фазы. Студни преимущественно образуются высокополимерами с гибкими макромолекулами. Благодаря гибкости пространственной сетки студень при высушивании легко деформируется, сжимается, так что можно высушиванием получить совершенно сухой полимер, который сохраняет эластичность. Он снова способен набухать в подходящем растворителе. Процесс обратим и может быть повторен неоднократно. Студни и студнеобразование имеют большое практическое значение и играют важную роль в биологии, медицине, различных производствах. Живые организмы состоят из студней различной степени оводнения. Даже костная ткань имеет некоторую упругость и эластичность благодаря входящему в нее студню — оссеину. Кости становятся к старости более хрупкими из-за того, что в них увеличивается содержание твердых минеральных веществ. Важны студни в производстве продовольственных товаров, хлебопечении, сыроварении, кондитерском производстве. В изготовлении многих пищевых блюд студнеобразование — одна из стадий технологического процесса. Застудневание является важной стадией получения волокнистых материалов из растворов полимеров.

В отличие от студней, гели — это двухфазные гетерогенные системы, образованные из высокополимеров с жесткими макромолекулами. Благодаря жесткости частиц и всего каркаса геля его объем при высушивании сокращается сравнительно немного. По мере удаления растворителя макромолекулы сближаются, но до известного продела из-за большой жесткости. Постепенно растворитель в ячейках заменяется воздухом, после чего остается пористая масса, которая пронизана тончайшими капиллярами и полостями, заполненными воздухом — твердая пена. После высушивания гели теряют способность вновь образовывать растворы, т. е. являются необратимыми системами.

Значение гелей исключительно велико в процессах почвообразования и жизни почвы, так как часть почвы находится преимущественно в состоянии геля. К гелям относятся различные пористые и ионообменные адсорбенты (силикагель), ультрафильтры, искусственные мембраны.

Многие гели и студни под влиянием механических воздействий при перемешивании, встряхивании способны разжижаться, переходить в золи или растворы полимеров, а затем, при хранении в покое, опять застудневать. Подобное превращение может происходить несколько раз, оно протекает изотермически и называется тиксотропией.

Тиксотропия — одно из доказательств того, что структурообразование в студнях и гелях происходит за счет в основном сил Вандер-Ваальса, которые сравнительно легко разрушаются. Полная изотермическая обратимость перехода гель золь (студень раствор) — это то, что отличает тиксотропию от процессов застудневания и плавления, которые идут неизотермично, т. е. только при изменении температуры.

Тиксотропия играет отрицательную роль в земледелии, так тиксотропные почвы влагои воздухонепроницаемы, в них преобладают процессы восстановления. Улучшения таких почв можно достичь высушиванием и внесением коагуляторов (соли кальция и магния). При хранении гелей и студней, в системах происходят изменения, связанные с агрегацией частиц, В результате каркас студня постепенно сжимается в более плотную массу и отслаивается подвижная жидкая фаза. На поверхности студней вначале появляются отдельные капли жидкости, которые со временем превращаются в сплошную массу; сам же студень сокращается в объеме и становится менее эластичным. Такой процесс самопроизвольного расслаивания студней получил название синерзиса.

Для гелей синерзис — процесс необратимый, для студней повышением температуры можно приостановить синерзис и вернуть студень в исходное состояние.

Синерезис имеет практическое значение. Расслоение вискозы, черствение хлеба, разжижение киселя, крахмального клейстера, «отыскание» кондитерских изделий (мармелада, желе, джема) — все это примеры синерзиса. Существует определенная связь синерезиса с проблемой старения. Ткани молодого организма эластичны, содержат больше воды, а с возрастом эластичность и содержание воды в них уменьшаются.

Студни являются основой структуры ряда конфетных масс Студни являются основой структуры ряда конфетных масс: фруктово-желейных, сбивных, фруктово-грильяжны и др. Физико-химические свойства студней определяют режимы основных технологических процессов производства этих изделий. В свою очередь свойства студней обусловлены целым рядом факторов, основными из которых являются природа студнеобразователя, концентрация его, химическое строение растворителя и других компонентов студня. Студнеобразователем фруктово-желейных конфетных масс является пектин фруктово-ягодного сырья. Пектин — водорастворимый, частично метоксилированный полигалактоуронат, представляет собой в основном линейный полисахарид, содержащий от нескольких сот до тысячи звеньев в основной цепи, что соответствует молекулярной массе от 50 000 до 150 000. Основой молекулы пектина является D-галактуроновая кислота. Водорастворимая полигалактуроновая кислота частично этерифицирована метоксильными группами и способна образовывать студень при определенных условиях. Многие растения содержат достаточное количество пектина для того, чтобы быть потенциальным источником его получения. В настоящее время пектин получают в основном из яблочной мезги, содержащей 10—15% пектина, цедры цитрусовых (лимона, лаймы, апельсина, грейпфрута), содержащей 20—30% пектина. Пектин из этого сырья обладает высокой студнеобразующей способностью, при этом его легко отделить в промышленных условиях от целлюлозы, крахмала и красящих веществ. Свойства пектина зависят от степени метоксилирования уроновых групп. Пектины со степенью метоксилирования более 50% называют высокометоксилированными. Для студнеобразования такого пектина требуется минимальное количество сахара и значение рН 3,0. Студнеобразование низкометоксилированного пектина (<50%) осуществляется в присутствии ионов кальция и не требует сахара и кислоты. Пектины со степенью метоксилирования 75% характеризуются быстрым процессом студнеобразования, их можно получить только этерификацией натуральных пектинов. При степени метоксилирования менее 30% пектин слишком чувствителен к наличию ионов кальция, чтобы использовать его в производстве.

В кондитерской промышленности широко применяют в качестве студнеобразователей полисахариды.

Степень метоксилирования высокометоксилированных пектинов определяет скорость студнеобразования. Наилучшая способность к студнеобразованию характерна для пектина со степенью метоксилирования 55—75%. В настоящее время в кондитерской промышленности СССР применяют свекловичный пектин, имеющий степень метоксилирования 38—45%. В этом случае на студнеобразующую способность пектина оказывает влияние также присутствие ацетильных групп, причем с уменьшением их количества студнеобразующая способность возрастает. Поэтому для получения пектина из такого сырья, как свекловичный жом, необходимо применять дезацетилирование. В зависимости от типа пектина и оборудования, используемого для его растворения, можно получить раствор пектина с концентрацией до 12%· Добавление сахара или спирта к воде снижает растворимость пектина, при этом в присутствии определенного количества сахара происходит студнеобразование пектина, а в присутствии избытка спирта — осаждение. Обычно пектин растворяют при концентрации сахара до 25%. Пектин наиболее стабилен при рН 3—4. При более низком значении рН и при повышенной температуре возможно разрушение пектина в результате разрыва полисахаридной цепи и процесса деэтерификации, что приводит к ослаблению его студнеобразующей способности. При более высоком значении рН (около 5) и температуре ~ 100° С происходит расщепление полисахарида за счет реакции в-элиминирования. В кондитерской промышленности широко применяют в качестве студнеобразователей полисахариды, содержащиеся в красных водорослях. Наилучшим образом требованиям промышленности отвечает агар. Установлено, что агар является смесью полисахаридов агарозы и агаропектина, различающихся по содержанию сульфатных групп и некоторым другим показателям. Главный компонент — агароза — построена из D-галактозы и 3,6-ангидро-L-галактозы и является линейным регулярным частично сульфитированным полисахаридом, в котором остатки галактозы связаны попеременно в-1->4 и а-1->3 связями. Температура застудневания водно-сахарных растворов агара 38— 42° С. В связи с дефицитом этого ценного сырья в кондитерской промышленности в настоящее время применяют заменители агара— фурцелларан и агароид. Фурцелларан также выделяют из красных водорослей. Установлено, что фурцелларан содержит больше сульфатных групп в молекуле, чем обычный агар. И гидролизате фурцелларана обнаружено большое количество галактозы, немного глюкозы и ксилозы, а также следы фруктозы. Прочность студней из фурцелларана несколько меньше, чем студней агара. При этом скорость структурообразования студня, содержащего фурцелларан, велика, а температура застудневании 52—58° С.

Фруктовые и желеино-фруктовые конфеты Конфеты, обладающие студнеобразной структурой, подразделяют в соответствии с ГОСТ на фруктовые, желейно-фруктовые и желейные. Эти конфеты различаются как по рецептурному составу, так и по реологическим свойствам. Фруктовые конфеты готовят из фруктово-ягодного сырья и сахара с добавлением вкусовых и ароматизирующих компонентов. В этом случае студнеобразователем является пектин, содержащийся во фруктово-ягодном сырье. Влажность готовой фруктовой конфетной массы в зависимости от желирующей способности используемого сырья может изменяться в диапазоне 14,5— 22%. Конфетная масса, приготовленная из сахара и фруктовоягодного сырья, отличается высокой вязкостью, обладает упруго-пластичной консистенцией. Желейно-фруктовые конфеты готовят из сахара и фруктовоягодного сырья с добавлением студнеобразователя. Эти изделия имеют упруго-эластичную консистенцию. Влажность желейно-фруктовой конфетной массы обычно более высокая, чем фруктовой (20—28%). В рецептуре этих изделий содержится в 3—4 раза меньше фруктово-ягодного сырья, чем во фруктовых конфетах. Студнеобразователем в желейно-фруктовых массах являются пектин фруктового сырья и добавляемые агар, агароид, фурцелларан или модифицированный крахмал. В состав желейных конфет входит сахар и студнеобразователь (пектин, агар, агароид, фурцелларан). Они имеют влажность до 30%. По реологическим свойствам эти массы ближе всего к классическим студням, обладают упруго-эластичной консистенцией. Наиболее широко распространенными в кондитерской промышленности являлись фруктовые конфеты, однако при современном дефиците желирующего фруктово-ягодного сырья появляются новые изделия, включающие дополнительный студнеобразователь, т. е. желейно-фруктовые. Получили признание изделия, представляющие собой смесь фруктовой массы с влажностью 14—16% с добавлением дробленого ореха, цуката, глазированные шоколадом, так называемые фруктово-грильяжные конфеты.