Точка гелеобразования

Во время образования геля полимер подвергается переходу из жидкого состояния в гелеобразное. Переход золя в гель представляет собой точку, в которой один характеристический линейный размер резко изменяется. Этот переход является структурным преобразованием – в золе «мономерные» молекулы не связаны, тогда как в геле они находятся в связанном виде. Поэтому независимо от изучаемой системы или механизма процесса, гелеобразование – явление, для которого переходной переменной будет степень структурирования физических и химических связей. Гелеобразование требует для формирования структуры геля минимальной концентрации полимерных молекул (С₀). Если концентрация гелеобразующего полимера больше С₀, то под точкой гелеобразования можно понимать некоторый момент времени или определенной значение температуры. До достижения точки гелеобразования связанность мономерных молекул незначительна, и обычно релаксация системы происходит довольно быстро. Вблизи точки гелеобразования время релаксации резко возрастает и в точке гелеобразования оно стремится к бесконечности. После точки гелеобразования, если сеть достигает высокой степени структурирования, максимальное время релаксации окончательной сети будет очень коротким.

Гели в зависимости от дисперсионной среды подразделяются на:

- гидрогели - дисперсионная среда вода

- органогели – углеводородная дисперсионная среда

Процесс перехода золя или раствора высокомолекулярного соединения в гель – застудневание или желатинирование.

Системы, образующиеся из коллоидных растворов (частиц дисперсной фазы) - гели. Процесс – желатинирование.

Системы, образующиеся из растворов высокомолекулярных соединений (макромолекул, молекулярная масса 10⁴ - 10⁶) – студни. Процесс – застудневание.

Гелеобразователи:

- животного происхождения - желатин

- растительного происхождения:

• пектины,

• модифицированные целлюлозы,

• крахмалы,

• полисахариды морских растений (каррагинаны).

Товароведные свойства каррагинанов:

• Высокая водосвязывающая способность (до 25 частей воды на единицу собственной массы);

• отсутствие запаха;

• хорошее совмещение с другими ингредиентами;

• выдерживание высокой температуры стерилизации;

• способность стабилизировать консистенцию и увеличивать вязкость готового продукта.

Гелеобразующие биополимеры (гелеобразователи) можно разделить на две группы, основываясь на двух основных механизмах гелеобразования, а именно «холодного отвердения» и «горячего отвердения». В первой группе гелеобразование вызывается охлаждением. В нее входят биополимерные гели, которые встречаются в природе и формируют структуры в биологических системах. Во втором случае гелеобразование происходит при нагревании. К этой группе относятся системы, в которых гелеобразование происходит за счет денатурации биополимеров, например, глобулярных белков, разворачивающихся при нагревании. Разработана классификация гелей, основанная на степени упорядоченности макромолекул до формирования сети и во время него:

- гели, образующиеся из неупорядоченных биополимеров, таких как каррагинаны, пектины, крахмал, желатин;

- гели, структура которых возникает в результате специфического взаимодействия между более плотными и менее пластичными частицами; например, термически денатурированные глобулярные белки и белки, агрегированные в результате ферментативного или химического воздействия.

Таблица 1 - Характеристика гелеобразователей

Наименование	Источник получения	Характеристика гелеобразования	Область применения
Модифицированные крахмалы (Е 1410-Е 1451)	Кукуруза, картофель, др.	Крахмалы, содержащие амилозу, образуют термически необратимые непрозрачные гели	Молочные продукты, десерты, мучные изделия, супы, кондитерские изделия
Пектин (Е 440)	Кожура цитрусовых и яблочный жмых	Гели образуются при охлаждении, рН 3,0-4,5. В зависимости от химического строения образует термообратимые и нетермообратимые гели.	Джемы, кондитерские изделия
Агар (Е 406)	Красные водоросли Gelidium, Gelidiella, Pterocladia	При охлаждении до 400С образует мутные, хрупкие термообратимые гели, которые плавятся только при высоких температурах (около 850С)	Кондитерские изделия, молочные продукты, десерты
Каррагинаны (Е 407, Е 407а): Каппа-каррагинан Йота-каррагинан Лямбда-каррагинан	Красные водоросли Euchema cottonii, Chondus crispus Euchema spinosum Chondus crispus	При охлаждении до 40-600С образует термообратимые слегка мутные гели. Гелеобразованию способствует присутствие ионов калия. Плавление происходит при t на 5-200С выше t гелеобразования. Гели легко становятся хрупкими, поэтому их используют в сочетании с камедью плодов рожкового дерева, что повышает упругость и прозрачность, уменьшает синерезис. При охлаждении до 40-600С образует термообратимые гели, которые плавятся при t на 5-200С выше t гелеобразования.	Десерты, молочные и мясные продукты, кондитерские изделия, корма для домашних животных
Альгинаты (Е 401-Е 404)	Бурые водоросли Laminaria hyperborea, Macrocystis pyrifera	Гели образуютс при добавлении ионов кальция. Гели не плавятся при нагревании.	Десерты, молочные продукты, мучные изделия, кондитерские изделия, корма для домашних животных
Геллановая камедь (Е 418)	Микроорганизмы Sphingomonas elodia	При охлаждении и в присутствии электролитов образуются прозрачные гели. При низком содержании остатков карбоновых кислот получаются хрупкие и чаще всего термонеобратимые гели. Гели с высоким содержанием ацильных остатков упруги и термообратимы. Начинают плавиться при t около 70-800С.	Кондитерские изделия, желе, продукты переработки фруктов (джем, повидло)
Желатин	Соединительная ткань крупного рогатого скота, свиная шкура, костный рыбный остаток	При охлаждении образует термообратимые прозрачные гели, упругие и плавящиеся в полости рта	Кондитерские изделия, десерты, мясные и молочные продукты

Области применения гелеобразователей: мармелады, желе, варенье, фруктовые наполнители, жевательные конфеты, жевательная резинка, пралиновые и другие кондитерские массы, низкокалорийные продукты, кисломолочные продукты, какао и шоколадные напитки, молочно-фруктовые напитки, молоко, сливки, сгущенное молоко, мороженое, молочные десерты, пудинги, сыры (плавленые в том числе) и продукты их переработки, быстрозамороженные продукты, заливки для овощей, мяса или рыбы, мясные и рыбные фарши, новые продукты на основе эмульсий.

Типичные продукты сушки геля:

• непористая смола или стеклообразное тело – получается при осторожной сушке полимерных гелей (мармелад);

• твердая пена губчатого строения – при быстром удалении жидкости (кукурузные палочки, хлеб);

• ксерогель – пористое тело, частично сохраняющее трёхмерную структуру сети геля в сжатом или частично разрушенном виде (печенье, сухари);

• аэрогель – пористое тело, которое в основном сохраняет структуру сети (маленькая плотность, прозрачный) (зефир).

Классификация гелей по типу связей в разветвленных узлах трехмерной сети, которые несут ответственность за упругие свойства:

• Химические гели – связи ковалентные: полярные (ионные), неполярные – прочные, перманентные;

• Физические гели – связи слабые – водородные. Энергия связей сравнима с энергией теплового движения молекул – лабильные, подвижные связи.

Структурная классификация:

• 1 тип Физический гибкоцепный полимерный гель – построен из цепных макромолекул, связанных между собой через соединительные зоны (гель многих полисахаридов – амилоза крахмала, агароза, каррагинан, ольгенаты, пектаты и др.).

• 2 тип Гели, образуемые изометрическими частицами:

- молекулы жесткоцепного полимера – глобулярные белки – проламины, яичный альбумин, лактоглобулин, казеин – гибкоцепный низкомолекул

ярный белок молока.

• 3 тип Гели, образуемые анизометрическими (вытянутыми) частицами:

- гели фибриллярных белков (белки мышечных тканей) – миозин, миофибрин, актин.

• 4 тип Псевдогель гибкоцепного полимера – пластичное тело, получаемое при неограниченном набухании цепных полимеров (желатин).