Что относится к коллоидным растворам
Что относится к коллоидным растворам
Выбор первичных средств замещения плазмы ограничен. Кровь и препараты крови имеются в ограниченном количестве. Все большее беспокойство вызывает опасность инфекционных и иммунологических заболеваний, продолжают увеличиваться затраты, связанные с получением, хранением, перекрестными пробами, обработкой и распространением крови и препаратов крови.
Заменители крови и плазмы являются экономически эффективной альтернативой препаратам крови.
Рекомендации по применению альбумина и небелковых коллоидных и кристаллоидных растворов приведены в таблице ниже.
Кристаллоиды
Растворы электролитов, содержащие натрий (такие кристаллоиды, как изотонический раствор и лактатный раствор Рингера), не обладают онкотическим давлением и поэтому относительно неэффективны с точки зрения увеличения объема крови.
Пониженное осмотическое давление благоприятствует движению жидкости в интерстициальное пространство, способствуя развитию интерстициального отека легких. После интраваскулярной инфузии эти препараты распределяются по всей внеклеточной жидкой среде.
Только около 25 % введенного объема остается внутри сосудов. Если их вводят отдельно для поддержания объема крови, они вызывают серьезную гипоальбуминемию. Для эффективного увеличения объема плазмы требуются большие объемы препаратов. Исследования, которые проводили Shoemaker и соавт., показали, что коллоидная терапия может улучшить сердечную деятельность и транспорт кислорода.
Shoemaker и соавт. полагают, что главным становится конечная цель, а не тип применяемой жидкости. Основная проблема заключается в том, как увеличить транспорт кислорода на клеточном уровне у тяжелобольного.
Цель — увеличить сердечный индекс на 50 % больше нормы (> 4,5 л/мин/м 2 ), поглощение кислорода на 30 % выше нормы (> 170 мл/мин/м 2 ), подачу кислорода выше нормы (>600 мл О2/мин/м 2 ) и увеличить объем крови на 500 мл относительно нормы (3,2 л/м 2 для мужчин и 2,8 л/м 2 для женщин). Wagner и D’Amelio представили обстоятельный обзор по этим темам.
Коллоиды
Применение синтетических коллоидов ограничено главным образом внутрисосудистым пространством, поскольку они содержат коллоидные осмотические частицы, которые из-за своих размеров в значительной степени удерживаются нормальными капиллярными эндотелиальными клетками в базальной мембране.
Вследствие осмотического давления, оказываемого молекулами через капиллярный эндотелий, раствор находится во внутрисосудистом пространстве. Эти коллоидные макромолекулы пребывают во взвешенном состоянии в электролитном растворе, концентрация натрия в котором близка к концентрации натрия в плазме.
Три основные группы синтетических коллоидов — декстраны, желатины и гидроксиэтиловый крахмал. Для медиков-токсикологов основные проблемы, возникающие вследствие применения плазмозаменителей, разделяются на 4 главные категории: анафилактоидные реакции, отек легких, почечная недостаточность и проблемы со свертываемостью крови.
Физиологические и химические свойства некоторых коллоидов приведены в таблице ниже.
Рекомендации Ассоциации университетских клиник по применению альбумина, небелковых коллоидов и кристаллоидных растворов
При начальной реанимации в первую очередь следует применять кристаллоиды. В отсутствие препаратов крови коллоиды могут быть применены в совокупности с кристаллоидами.
С точки зрения экономической эффективности*, небелковые коллоиды предпочтительнее альбумина, за исключением следующих случаев:
• если необходимо ограничить натрий, рекомендуется использовать 25 % альбумин, разбавленный до 5 % пятипроцентным раствором декстрозы;
• если небелковые коллоиды противопоказаны, рекомендуется использовать 5 % раствор альбумина**
В тех случаях, когда способность переноса кислорода подавлена и/или необходимо восполнить факторы свертывания крови или тромбоциты, кристаллоидные и коллоидные растворы нельзя рассматривать как заменители крови или компоненты крови.
Пациенты с симптомами шока в процессе гемодиализа также учтены в этом пункте рекомендаций и должны получать кристаллоидные растворы как наиболее предпочтительную реанимационную среду.
Эффективность коллоидных растворов при лечении сепсиса не установлена при проведении клинических испытаний; однако при капиллярном истечении с легочным или периферическим отеком или после того, как введение по меньшей мере 2 л кристаллоидного раствора оказалось безуспешным, можно применить небелковый коллоид.
Если небелковые коллоиды противопоказаны, можно использовать альбумин
В зависимости от функционирования оставшейся части печени и гемодинамического статуса целесообразно также применение небелковых коллоидных растворов и альбумина.
Если кристаллоиды не применяются, в качестве наиболее экономически эффективной альтернативы рекомендуются небелковые коллоиды.
Кристаллоидные растворы следует применять в начальном периоде реанимации, осуществляемой с введением жидкости (в течение первых 24 ч).
Коллоиды следует вводить в сочетании с кристаллоидами, если имеют место все три указываемых ниже обстоятельства:
• ожоги покрывают > 50 % поверхности тела пациента;
• с момента ожога прошло по меньшей мере 24 ч;
• с помощью кристаллоидной терапии не удалось скорректировать гиповолемию
Из соображений экономической эффективности рекомендуется применять небелковые коллоиды. Если последние противопоказаны, можно применять альбумин
Коллоидные растворы неэффективны, и их не следует применять при лечении ишемического инсульта или субарахноидального кровоизлияния.
От их применения по данным показаниям следует отказаться, за исключением тех случаев, когда гематокритное число у пациента при госпитализации ниже 40 %.
Пациенты, у которых при госпитализации было повышенное гематокритное число, должны получать кристаллоидные растворы для увеличения внутрисосудистого объема, при этом развивается состояние гиперволемии и гемодилюции (гематокритные показатели порядка 30 % обеспечивают максимальную церебральную перфузию).
В таких случаях может возникнуть необходимость в принятии дополнительных мер (например, кровопускание).
Из соображений экономической эффективности следует отказаться от коллоидных растворов (как небелковых, так и альбумина).
Альбумин не следует применять в качестве дополнительного источника белковых калорий для пациентов, нуждающихся в лечебном питании; однако для пациентов с диареей и непереносимостью энтерального питания введение альбумина может оказаться благоприятным, если имеют место все три указанных ниже условия:
• сильная диарея (> 2 л/день);
• уровень альбумина в сыворотке ниже 20 г/л (2,0 г/100 мл);
• диарея не прекращается, несмотря на применение короткоцепочечных пептидов и лекарств на основе отдельных элементов; следует рассмотреть возможность других причин диареи и исключить их
Использование небелковых коллоидов в дополнение к кристаллоидам можно рекомендовать в тех случаях, когда чрезвычайно важно избежать скопления интерстициальной жидкости в легких.
Для увеличения объема крови в послеоперационном периоде в первую очередь рекомендуется применять кристаллоиды, затем небелковые коллоиды и, наконец, альбумин.
Применение небелковых коллоидов целесообразно в том случае, если требуется уменьшить системный отек.
Альбумин нельзя применять в сочетании с фототерапией. Альбумин нельзя вводить до обменного переливания крови.
Альбумин с переменным успехом применяли в качестве адъюванта при обменных переливаниях крови, и его следует вводить только одновременно с переливанием крови.
Кристаллоиды и небелковые коллоиды не обладают билирубинсвязывающими свойствами, и их нельзя использовать в качестве альтернативных альбумину средств.
Альбумин, вводимый отдельно или в сочетании с модифицированной диетой и диуретиками, не следует использовать при лечении цирроза с удалением асцитической жидкости в объеме менее 4 л.
Наиболее предпочтительным вариантом является введение кристаллоидов, так как это позволяет предотвратить осложнения, связанные с парацентезом больших объемов, например такие, как пониженный эффективный объем плазмы и дисфункция печени.
Небелковые коллоиды и альбумин следует рассматривать как средства второго ряда, применяемые для предупреждения осложнений, обусловленных удалением 4 л или большего объема асцитической жидкости.
Нельзя считать окончательно установленной эффективность введения альбумина и/или небелковых коллоидов во время или после хирургической трансплантации почек.
Альбумин может быть полезен после пересадки печени как средство контроля асцитической жидкости и периферического отека, если справедливы все приводимые ниже условия:
• уровень сывороточного альбумина ниже 25 г/л (2,5 г/100 мл);
• давление заклинивания в легочных капиллярах ниже 12 мм рт.ст.;
• гематокрит больше 30 %
В этих случаях после трансплантации печени альбумин может также использоваться для возмещения потери асцитической жидкости через дренажные катетеры.
Применение альбумина при трансплантации печени не имеет достаточных документальных подтверждений в биомедицинской литературе.
Применение альбумина целесообразно в сочетании с плазмаферезом больших объемов.
Плазмаферез большого объема определяется как более 20 мл/кг за одну процедуру или более, чем 20 мл/кг в неделю при проведении повторных процедур.
При проведении плазмафереза в малом объеме экономически эффективными альтернативами являются кристаллоидные растворы и комбинации альбумина и кристаллоидов.
Гранулоцитоферез: небелковые коллоидные растворы пригодны в качестве осаждающих агентов при донорстве гранулоцитов и при острой редукции количества клеток в случаях хронической миелоидной лейкемии (хронической гранулоцитарной лейкемии).
Криоконсервация стволовых клеток: небелковые коллоидные растворы целесообразно использовать как часть криоконсервирующего раствора для хранения в замороженном виде гематопоэтических стволовых клеток:
• предварительная обработка дакроновых трансплантатов аорты: альбумин обеспечивает непроницаемость трансплантатов для крови перед пересадкой;
• отделение красных кровяных телец в случаях несовместимости основных групп крови при трансплантации костного мозга: показано применение небелковых коллоидов;
• тяжелый некротизирующий панкреатит: показано применение альбумина.
Тяжелая гипоальбуминемия; угрожающий почечно-печеночный синдром; возрастающая эффективность лекарственного средства; панкреатит без осложнений.
* Терапевтическая эквивалентность продуктов определялась в нескольких руководствах. В этих случаях продукты были рекомендованы на основании экономических соображений.
Так, небелковым коллоидам (которые в последнее время дешевле альбумина) отдавалось предпочтение при сопоставлении с альбумином. Изменения в относительной стоимости этих продуктов (например, альбумин становится менее дорогостоящим, чем небелковые коллоиды) должны находить отражение в новых редакциях этих руководств.
** Относительные противопоказания к использованию небелковых коллоидов включают следующие факторы (хотя число их, возможно, больше):
1) предшествующая сверхчувствительность к компонентам раствора;
2) расстройства, связанные с кровоточивостью;
3) риск серьезного внутричерепного кровоизлияния и
4) почечная недостаточность с олигурией или анурией.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Урок №13. Коллоидные растворы
Дисперсные системы
Чистые вещества в природе встречаются очень редко. Смеси разных веществ в различных агрегатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомогенные системы — дисперсные системы и растворы.
Дисперсными называют гетерогенные системы, в которых одно вещество в виде очень мелких частиц равномерно распределено в объеме другого.
И дисперсионную среду, и дисперсную фазу могут представлять вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях — твердом, жидком и газообразном.
В зависимости от сочетания агрегатного состояния дисперсионной среды и дисперсной фазы можно выделить 9 видов таких систем.
Уже беглое знакомство с дисперсными системами и растворами показывает, насколько они важны в повседневной жизни и в природе.
Судите сами: без нильского ила не состоялась бы великая цивилизация Древнего Египта; без воды, воздуха, горных пород и минералов вообще бы не существовала живая планета — наш общий дом — Земля; без клеток не было бы живых организмов и т. д.
Классификация дисперсных систем и растворов
Взвеси
Взвеси — это дисперсные системы, в которых размер частиц фазы более 100 нм. Это непрозрачные системы, отдельные частицы которых можно заметить невооруженным глазом. Дисперсная фаза и дисперсионная среда легко разделяются отстаиванием. Такие системы разделяют на:
1) эмульсии (и среда, и фаза — нерастворимые друг в друге жидкости). Это хорошо известные вам молоко, лимфа, водоэмульсионные краски и т. д.;
2) суспензии (среда — жидкость, а фаза — нерастворимое в ней твердое вещество). Это строительные растворы (например, «известковое молоко» для побелки), взвешенный в воде речной и морской ил, живая взвесь микроскопических живых организмов в морской воде — планктон, которым питаются гиганты-киты, и т. д.;
3) аэрозоли — взвеси в газе (например, в воздухе) мелких частиц жидкостей или твердых веществ. Различают пыли, дымы, туманы. Первые два вида аэрозолей представляют собой взвеси твердых частиц в газе (более крупные частицы в пылях), последний — взвесь мелких капелек жидкости в газе. Например, природные аэрозоли: туман, грозовые тучи — взвесь в воздухе капелек воды, дым — мелких твердых частиц. А смог, висящий над крупнейшими городами мира, также аэрозоль с твердой и жидкой дисперсной фазой. Жители населенных пунктов вблизи цементных заводов страдают от всегда висящей в воздухе тончайшей цементной пыли, образующейся при размоле цементного сырья и продукта его обжига — клинкера. Аналогичные вредные аэрозоли — пыли — имеются и в городах с металлургическими производствами. Дым заводских труб, смоги, мельчайшие капельки слюны, вылетающие изо рта больного гриппом, также вредные аэрозоли.
Аэрозоли играют важную роль в природе, быту и производственной деятельности человека. Скопления облаков, обработка полей химикатами, нанесение лакокрасочных покрытий при помощи пульверизатора, распыление топлив, выработка сухих молочных продуктов, лечение дыхательных путей (ингаляция) — примеры тех явлений и процессов, где аэрозоли приносят пользу. Аэрозоли — туманы над морским прибоем, вблизи водопадов и фонтанов, возникающая в них радуга доставляет человеку радость, эстетическое удовольствие.
Для химии наибольшее значение имеют дисперсные системы, в которых средой является вода и жидкие растворы.
Природная вода всегда содержит растворенные вещества. Природные водные растворы участвуют в процессах почвообразования и снабжают растения питательными веществами. Сложные процессы жизнедеятельности, происходящие в организмах человека и животных, также протекают в растворах. Многие технологические процессы в химической и других отраслях промышленности, например получение кислот, металлов, бумаги, соды, удобрений, протекают в растворах.
Коллоидные системы
Коллоидные системы — это такие дисперсные системы, в которых размер частиц фазы от 100 до 1 нм. Эти частицы не видны невооруженным глазом, и дисперсная фаза и дисперсионная среда в таких системах отстаиванием разделяются с трудом.
Их подразделяют на золи (коллоидные растворы) и гели (студни).
Коллоидные растворы могут быть получены в результате химических реакций; например, при взаимодействии растворов силикатов калия или натрия («растворимого стекла») с растворами кислот образуется коллоидный раствор кремниевой кислоты. Золь образуется и при гидролизе хлорида железа (Ш) в горячей воде. Коллоидные растворы внешне похожи на истинные растворы. Их отличают от последних по образующейся «светящейся дорожке» — конусу при пропускании через них луча света.
Что относится к коллоидным растворам
а) Декстраны. В настоящее время широко применяют два раствора дек-страна: 6 % раствор со средней молекулярной массой 70 000 (декстран-70) и 10 % раствор со средней массой 40 000 (декстран-40, декстран с низкой молекулярной массой).
Величины молекулярной массы средние. Растворы декстрана содержат молекулы декстрана различных размеров. Коллоидное осмотическое давление 268 мм рт.ст. Патентованные названия — Rheomacrodex (декстран-40) и Macrodex (декстран-70). По сравнению с другими плазмозаменителями декстран отличается более низкой молекулярной массой и длительным действием.
б) Гидроксиэтиловый крахмал. Выпускаемые промышленностью растворы гидрокси-этил-крахмала (ГЭК, Гетастарч) представляют собой гетерогенный раствор молекул ГЭК со средней молекулярной массой 69 000, близкой к молекулярной массе альбумина. Размеры молекул варьируют от 1000 до 100 000. Гетастарч выпускается в США в виде 6 % раствора в 9 % хлориде натрия.
В Великобритании выпускается Пентостарч (средняя молекулярная масса 250 000) в виде 10 % раствора.
в) Альбумин. Альбумин для внутривенных вливаний выпускается в виде 5 % (50 мг/мл) и 25 % (250 мг/мл) растворов
г) Желатин. Желатин выпускается в Великобритании в виде 4 % раствора с электролитами. Две наиболее часто применяемые модификации желатиновых растворов — Haemaccel, в котором желатин перекрестно связан с мочевиной, и Gelofusin, в котором желатин перекрестно связан сукцинированием.
Первый содержит в 10 раз больше кальция и калия, чем второй. Повышенное содержание кальция может привести к свертыванию в обогревающих змеевиках при инфузии Haemaccel вместе с кровью.
II. Применение коллоидов. Плазмозаменители применяют для замещения плазмы, в качестве антитромбоцитного средства и для улучшения микроциркуляции крови. Изучалась также возможность использования декстранов в качестве эффективного средства при лечении миокардиальной и церебральной ишемии и заболеваний периферических кровеносных сосудов, а также для поддержания функционирования сосудистого трансплантата.
Перорально принимаемый декстран-сульфат (UADD1), декстран с низкой молекулярной массой (7000—8000), может проявлять антиретровирусную активность против вирусов иммунодефицита человека типа I.
III. Источник коллоидов:
а) Декстраны. Декстраны продуцируются специально полученным штаммом бактерии Leuconostoc mesenteroides. Этот штамм продуцирует очень крупные молекулы с молекулярной массой в несколько миллионов.
б) Гидроксиэтиловый крахмал. Крахмал — растительный полисахарид, сохраняющий энергию. Он функционально и структурно аналогичен гликогену, полисахариду животных, в котором аккумулируется энергия. Крахмал состоит из глюкозных полимеров двух типов: амилазы, линейной молекулы, и амилопектина, разветвленной молекулы, которая по своей структуре напоминает гликоген.
Амилопектин подвергается быстрому ферментативному гидролизу — при гидролизе амилазы период полужизни составляет всего около 20 мин. В 60-х годах молекула амилопектина была модифицирована таким образом, что ее устойчивость в плазме увеличилась. Это было осуществлено посредством введения гидроксиэтильных групп и получения гидроксиэтил-крахмала, однако его применение при тяжелых формах анемии оказалось неэффективным.
в) Желатин. Желатин готовят посредством гидролиза бычьего коллагена с последующим химическим модифицированием.
г) Перфторуглероды. Перфторуглероды представляют собой 8- и 10-углеродфторированные углеводороды. Установлена высокая растворимость кислорода в жидких перфторуглеродах. Полагают, что перфторуглероды можно использовать в качестве «искусственной крови».
д) Гемоглобин, свободный от стромы. Растворы человеческого гемоглобина как субстраты крови, переносящие кислород, были предметом исследований в течение примерно 70 лет. Изучалось их токсическое действие на почки, обусловленное стромальными компонентами эритроцитов в ранее готовившихся препаратах гемоглобина, а не самим гемоглобином. Это привело к получению растворов гемоглобина, свободных от стромы, с удаленными фрагментами мембран эритроцитов.
е) Альбумин. В качестве плазмозамещающих растворов используют растворы человеческого альбумина. Их готовят из смешанной крови, плазмы, сыворотки или плаценты, которые получают от здоровых людей-доноров.
Терапевтическая доза:
• Декстран-40 (10 % раствор): первоначальные внутривенные дозы составляют 500—1000 мл (50—100 г), вводятся быстро в течение 30—60 мин или, в некоторых случаях, в течение 4—6 ч. Последующие дозы равны 500 мл, вводятся через день. Грудным детям можно вводить 5 мл на 1 кг массы тела и детям постарше — 10 мл/кг.
• Декстран-70 (6 % раствор): первоначальные дозы составляют 500—1000 мл (30—60 г). 32 % раствор декстрана-70 закапывают в полость матки (в дозах 50—100 мл) в качестве промывающей и расширяющей жидкости при проведении воздушной гистероскопии.
• Гегастарч (6 % раствор): 500-1000 мл (30-60 г).
• Желатин (4 % раствор): дозы до 2000 мл (80 г) для взрослых или 30 мл на 1 кг массы тела для детей.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
ГК «Униконс»
Продвижение и реализация комплексных пищевых добавок, антисептиков и др. продукции.
«Антисептики Септоцил»
Септоцил. Бытовая химия, антисептики.
«Петритест»
Микробиологические экспресс-тесты. Первые результаты уже через 4 часа.
«АльтерСтарт»
Закваски, стартовые культуры. Изготовление любых заквасок для любых целей.
ВНИМАНИЕ: Уважаемые клиенты и дистрибьюторы!
5.4. ДИСПЕРСНЫЕ И КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ
Важная роль в пищевой технологии принадлежит дисперсным и коллоидным системам и их свойствам.
Дисперсные системы гетерогенны и состоят из двух фаз. Одна из них — сплошная, называется дисперсионной средой. Другая — раздробленная и распределенная в первой, называется дисперсной фазой.
Дисперсными системами являются большинство продуктов питания, сырье и полуфабрикаты: хлеб, мука, шоколад, сыры, творог, сухое молоко, соки, шампанское, пиво, конфеты и т. п.
5.4.1. Классификация дисперсных систем
Все дисперсные системы классифицируют по степени дисперсности.
Дисперсные системы с частицами, размер которых превышает 10
3 см, относятся к грубодисперсным системам. Эти частицы при распределении в жидкости или газе, где они постепенно оседают или всплывают, наблюдаются визуально.
Дисперсные системы классифицируются не только по размерам частиц, но и по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионнойсреды.
Сочетание трех агрегатных состояний (твердое, жидкое и газообразное) дает 9 типов дисперсных систем (см. табл. 3). Условно их обозначают дробью, числитель которой указывает на агрегатное состояние дисперсной фазы, а знаменатель— дисперсионной среды. Например, обозначение Г/Ж показывает, что система состоит из газообразной дисперсной фазы и жидкой дисперсионной среды (газообразное вещество в жидкости).
Типы дисперсных систем
5.4.2. Коллоидные системы
Дисперсные системы с частицами коллоидных размеров принято называть золями (от лат. solutio — раствор).
Системы с газовой дисперсионной средой независимо от природы газа называют аэрозолями. Системы с жидкой дисперсионной средой — лиозолями (от греч. lios — жидкость).
По размеру частиц золи занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами — порошками, суспензиями и эмульсиями.
Коллоидные системы образуются двумя путями.
При этом необходимыми условиями образования коллоидных систем являются нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде; достижение частицами дисперсной фазы коллоидной дисперсности; наличие стабилизатора, сообщающего коллоидной системе агрегативную устойчивость.
Стабилизаторами могут быть вещества, специально вводимые в дисперсионную среду, например, поверхностно-активные вещества или продукты взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой. Стабилизаторы создают вокруг коллоидных частиц адсорбционный защитный слой, препятствующий их агрегатированию.
В производстве различных пищевых продуктов диспергирование и конденсация занимают одно из ведущих мест. Это обусловлено особенностями вещества в дисперсном состоянии, которые обеспечивают удобства фасования, транспортирования, дозирования, способствуют увеличению скоростей химических и биохимических реакций и процессов растворения, сорбции, экстракции и других процессов.
Диспергирование используют при дроблении и измельчении зерна в муку, какао-бобов в какао тертое и какао-порошок, сахара в сахарную пудру, в консервной промышленности при гомогенизации плодово-ягодных пюре и т. п.
Конденсация возникает в ректификационных аппаратах при получении спирта, кристаллизации сахара, выпаривании растворов, оклейке вин и т. д.
Коллоидные системы обладают молекулярно-кинетическими свойствами, обусловленными самопроизвольным движением частиц. Это такие свойства, как диффузия, осмотическое давление и распределение частиц по высоте.
На коллоидные частицы, распределенные в дисперсионной среде, действуют две противоположно направленные силы: сила тяжести и сила диффузии. Под действием силы тяжести частицы стремятся осесть на дно — седиментировать (от латинского слова sedimentum — осадок). Силы диффузии же стремятся распределить частицы равномерно по всему объему системы. Таким образом, дисперсные системы способны сохранять определенное распределение частиц по объему. Эта способность называется седиментационной или кинетической устойчивостью.
Грубодисперсные системы кинетически неустойчивы, их частицы велики и поэтому под действием силы тяжести оседают на дно. Молекулярные системы (газы, растворы) обладают очень высокой кинетической устойчивостью. Кинетическая устойчивость коллоидных систем зависит от размеров их частиц: чем меньше размер частиц, тем более кинетически устойчива коллоидная система.
5.4.3. Микрогетерогенные системы
СУСПЕНЗИИ
Суспензии представляют собой дисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой. К ним относятся фруктовые и овощные пасты, помадные конфетные массы, какао тертое и др.
ЭМУЛЬСИИ
Дисперсные системы, состоящие из жидкой дисперсной фазы и жидкой дисперсионной среды, называются эмульсиями. Обязательное условие образования эмульсии — нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде.
Обычно эмульсии получают методом механического диспергирования. Для этого используют различные мешалки, смесители, гомогенизаторы, коллоидные мельницы и ультразвук.
Жидкости, из которых получают эмульсии, нерастворимы друг в друге и, следовательно, отличаются по своим свойствам. Практически одной из жидкостей всегда является вода, а другой — какая-либо неполярная, нерастворимая в воде жидкость, например, масло.
Эмульсии — неустойчивые системы. Неустойчивость этой системы проявляется в самопроизвольном слиянии капелек дисперсной фазы — коалесценции, что приводит к разрушению эмульсии и разделению ее на два слоя.
Устойчивость эмульсиям может придать только третий компонент — стабилизатор или эмульгатор. Роль эмульгатора в образовании устойчивой эмульсии заключается, во-первых, в том, что он адсорбируется на границе раздела фаз масло — вода (М/В) и снижает межфазное поверхностное натяжение, т. е. является поверхностно- активным веществом, а во-вторых, концентрируясь на поверхности капелек дисперсной фазы, эмульгатор образует механически прочный слой (пленку). Наличие такой защитной пленки на поверхности частиц дисперсной фазы препятствуют их слиянию, т. е. предохраняет эмульсию от коалесценции.
Природа эмульгатора определяет не только устойчивость, но и тип эмульсии. Эмульгаторы, растворимые в воде, способствуют образованию прямых эмульсий (М/В); эмульгаторы, растворимые в неполярных жидкостях, дают обратные эмульсии (В/М).
К представителям эмульсий относится ряд важнейших жиросодержащих продуктов, например, молоко, сливки, сливочное масло, сметана и майонез. Все это — эмульсии.
АЭРОЗОЛИ И ПОРОШКИ
Аэрозоли и порошки — это дисперсные системы, дисперсионной средой которых является газ (воздух), а дисперсной фазой могут быть твердые частицы или капельки жидкости.
Аэрозоли имеют большое практическое значение в ряде отраслей пищевой промышленности. К типичным аэрозолям относятся водяной туман, топочный дым, мучная и сахарная пыль. В ряде случаев в промышленности прибегают к искусственному получению аэрозолей. Так, для высушивания соки, пюре, молоко распыляют до мельчайших капелек в сухом горячем воздухе. Из образующегося аэрозоля благодаря его большой удельной поверхности испарение влаги идет очень интенсивно, и сушка заканчивается за 15-20 с.
Образование аэрозолей может привести к нежелательным и опасным последствиям. Так, пыль многих веществ — муки, сахара, крахмала, угля — образует с воздухом взрывоопасные смеси.
Порошки можно рассматривать как осажденные аэрозоли с твердыми частицами. Однако частицы в них могут быть более крупными и достигать в диаметре 1-2 мм. Размер частиц промышленных порошков определяется их целевым назначением и часто является одним из основных показателей качества продукта. Например, дисперсность и распределение частиц по размерам в какао-порошке влияют на вкусовые качества и пищевую ценность этого продукта. Степень помола зерна оказывает влияние на качество муки.
ПЕНЫ
Высококонцентрированные дисперсные системы, в которых дисперсионная среда — жидкость, а дисперсная фаза — газ, называются пенами.
Пузырьки газа в пенах имеют большие размеры, форму многогранников и отделены друг от друга очень тонкими слоями дисперсионной среды.
Для получения пен применяют диспергационные методы: интенсивное встряхивание или перемешивание жидкости.
Устойчивую пену можно получить только в присутствии стабилизатора — пенообразователя. Это связано с тем, что поверхность жидкости, соприкасающаяся с газообразной средой, находится в особых условиях по сравнению с основной массой жидкости. Эти условия возникают потому, что молекулы поверхностного слоя жидкости в отличие от молекул, находящихся в глубине, подвергаются неодинаковому притяжению молекул жидкости и газа. Каждая молекула внутри жидкости со всех сторон притягивается соседними молекулами, расположенными на расстоянии радиуса сферы действия межмолекулярных сил. В результате силы притяжения компенсируются, и равнодействующая этих сил равна нулю. У молекул поверхностного слоя часть сферы действия межмолекулярных сил находится в газовой фазе, плотность которой меньше плотности жидкости, поэтому равнодействующая всех сил притяжения будет направлена внутрь жидкости перпендикулярно к ее поверхности. Вследствие этого поверхностные молекулы жидкости всегда находятся под действием силы, стремящейся втянуть их внутрь. Это приводит к тому, что поверхность жидкости всегда стремится сократиться. Этим объясняются и шарообразная форма капли жидкости (шар имеет минимальную поверхность), и идеально гладкая поверхность жидкости в широком сосуде. При увеличении поверхности некоторое число молекул из глубины жидкости переходит на поверхность. Процесс переноса молекул из равновесного состояния в особое состояние молекул поверхностного слоя требует затраты внешней работы. Работа по увеличению площади поверхности жидкости переходит в потенциальную энергию молекул поверхностного слоя— поверхностную энергию. Последняя, в свою очередь, отнесенная к единице поверхности, называется поверхностным натяжением.
Пенообразующие вещества с длинной молекулярной цепью уменьшают поверхностное натяжение, облегчают образование пены и придают ей стабильность, так как они адсорбируются на границе вода-воздух и образуют высоковязкую структурированную пленку, препятствующую стеканию жидкости. В этом случае толщина слоя жидкости между пузырьками воздуха уменьшается медленно, и пена может существовать длительное время.
Пенообразование имеет важное практическое значение. В частности, многие продукты, такие как хлеб, ряд кондитерских изделий, имеют структуру пены, что определяет их вкусовые свойства и пищевую ценность.
5.4.4. Молекулярные коллоиды (растворы высокомолекулярных соединений)
Вещества, имеющие молекулярную массу от 10000 до нескольких миллионов, называются высокомолекулярными соединениями (ВМС). Размеры макромолекул этих соединений в вытянутом состоянии могут достигать 1000 нм и более, т. е. они соизмеримы с размерами частиц ультрамикрогетерогенных (коллоидных) дисперсных систем.
Вследствие большой молекулярной массы и гибкости цепей макромолекул ВМС га растворы обладают специфическими свойствами: способностью образовывать волокна и пленки, эластичностью, набухаемостью, структурообразованием.
К важнейшим природным полимерам относятся белки и полисахариды.
По химической структуре белки являются полиамидами, исходными мономерами для их синтеза служат а-аминокислоты.
Полисахариды представляют собой соединения, состоящие из многих сотен и даже тысяч моносахаридных звёньев. К наиболее важным полисахаридам относятся крахмал, целлюлоза, пектин и др.
Растворы ВМС по своим свойствам аналогичны коллоидным системам. Так же, как и у коллоидных растворов, у них сравнительно невелика скорость диффузии, небольшое осмотическое давление, они не проходят через полунепроницаемые мембраны.
В отличие от золей растворы ВМС образуются самопроизвольно и не нуждаются в стабилизаторе.
Растворению ВМС предшествует его набухание.
Набухание — это самопроизвольный процесс поглощения низкомолекулярного растворителя высокомолекулярным веществом, сопровождающийся увеличением массы и объема последнего. Набухание часто является начальным этапом растворения высокомолекулярных веществ.
Существует ограниченное и неограниченное набухание. При ограниченном набухании объем и масса полимера достигают определенных значений, и дальнейший контакт полимера с растворителем не приводит к каким-либо изменениям. Ограниченно набухший полимер называется студнем. У неограниченного набухания отсутствует предел набухания; с течением времени полимер поглощает все большее количество жидкости и набухание переходит в растворение.
Причиной набухания является диффузия молекул низкомолекулярного растворителя в высокомолекулярное вещество. Между макромолекулами полимера обычно имеются небольшие промежутки, размер которых соизмерим с размером молекул растворителя. Благодаря этому молекулы низкомолекулярной жидкости достаточно быстро проникают между макромолекулами, раздвигая молекулярные цепи.
Набухание включает не только простую диффузию, но и сольватацию макромолекул, т. е. взаимодействие молекул растворителя с молекулами полимера.
При взаимодействии высокомолекулярного вещества с полимером сольватируется не вся макромолекула. Если растворитель полярен, то сольватируются полярные группы, если неполярен — то сольватируются неполярные группы. В зависимости от того, каких групп в полимере больше, он будет быстрее набухать в полярном или неполярном растворителе. Обычно набухание — избирательное явление, так как полимер набухает в жидкостях, близких к нему по химическому строению. Так, углеводородные полимеры типа каучук набухают в неполярных жидкостях — бензине, бензоле. Полимеры, в состав молекул которых входят полярные группы, набухают в воде и спиртах.
Чаще всего жидкой дисперсионной средой в пищевых производствах служит вода. При этом следует учитывать, что часть воды находится в свободном состоянии, а часть — в связанном.
В системах, в состав которых входят биополимеры (высокомолекулярные природные соединения — белки, полисахариды), часть воды, прочно связанная с поверхностью этих макромолекул, образует гидратную оболочку. Например, 1 г яичного альбумина связывает 0,25 г воды, образуя гидратный слой толщиной 0,25 нм.
Свободная же вода служит реакционной средой и растворителем веществ. При участии гидролитических ферментов она вступает во множество реакций, в результате которых образуются новые вещества. Таким образом, свободная вода является и активным участником биохимических реакций.
Мука, состоящая главным образом из сухих протеиновых гелей и крахмальных зерен, при замешивании теста (при взаимодействии с водой) проявляет коллоидные свойства.
Крахмал муки, смоченный водой при комнатной температуре, может адсорбционно связать 35-40% влаги. При более высокой температуре и достаточном количестве воды связывание крахмала с водой увеличивается, и при температуре 60°С и избытке воды происходит процесс клейстеризации крахмала, т. е. нарушение структуры крахмальных зерен и образование коллоидного раствора.
Крахмал, смоченный водой в любом соотношении и в любых условиях, не образует связного теста.
Ведущая роль в образовании теста принадлежит белкам пшеничной муки.
Белки способны набухать в холодной воде и удерживать воду в количестве в 2-2,5 раза больше своей массы. При замешивании теста из пшеничной муки белки при достаточном количестве воды легко и сравнительно быстро (через 3-5 мин) образуют тончайшие нити и пленки, связывающие и склеивающие между собой зерна увлажненного крахмала. Благодаря этому пшеничное тесто приобретает упруговязкопластичные свойства, какими не обладает тесто из других злаков.
Крахмал муки состоит из двух основных фракций — амилозы и амилопектина. Амилоза содержится внутри крахмальных зерен, а амилопектин образует их наружную оболочку. Амилоза отличается меньшей величиной частиц и меньшей молекулярной массой (около 80000), а амилопектин — большей величиной частиц и большей молекулярной массой (115000). Это позволяет рассматривать зерно крахмала как осмотическую ячейку, внутри которой находится растворимая низкомолекулярная фракция — амилоза, обусловливающая избыточное осмотическое давление и приток воды внутрь ячейки.
Гидратация муки при разных температурах зависит от поведения белков и крахмала. В температурном интервале 25-40°С гидратация муки происходит преимущественно за счет белков клейковины. Повышение температуры до 60°С приводит к резкому усилению этого процесса в результате значительного увеличения гидратации крахмала при понижении этой способности у белков клейковины.
Таким образом, набухание пшеничной муки при низкой температуре (25-40°С) в основном протекает вследствие осмотического набухания бежов, а при более высокой температуре (60°С) — в результате осмотического связывания воды крахмалом.
В связи с этим схему образования теста можно представить в следующем виде.
Белки, содержание которых в пшеничной муке составляет 10- 20%, при температуре замеса около 30°С поглощают незначительное количество воды путем взаимодействия гидрофильных групп белка с водой, а значительное количество воды диффундирует внутрь белка в результате наличия в нем избыточного осмотического давления.
Крахмал, содержание которого в пшеничной муке достигает 70%, при той же температуре теста поглощает до 30% воды благодаря активности гидрофильных групп. Так как крахмал количественно преобладает в муке, то содержание влаги, связанное крахмалом и белками клейковины, приблизительно одинаково.
При неограниченном оводнении коллоидов муки часть воды находится в свободном состоянии в капиллярах теста. Незначительная часть растворимых белков, а также сахара и неорганические соли находятся в растворе.
Набухшие белки во время замеса плотно соприкасаются друг с другом и образуют сплошную белковую сетку с адсорбционно связанными с ними, слабо набухшими крахмальными зернами. В белковую сетку, кроме того, входят другие нерастворимые вещества. Это приводит к образованию массы (теста), обладающей упруговязкопластичными свойствами.
Недостаточное количество воды при замесе теста приводит к получению несвязной массы увлажненного сырья. При избыточном количестве воды, добавляемой к муке, не образуется связного теста, а получается мучная болтушка, в которой частицы набухшего белка разделены водными оболочками, препятствующими соприкосновению их и образованию клейковинных нитей.
Тесто, используемое для мучных кондитерских изделий, — более сложный комплекс, так как в состав его кроме муки и воды входят и другие виды сырья, в первую очередь сахар и жир, влияющие на набухаемость коллоидов муки.
Сахар, присутствующий в кондитерском тесте в виде водного раствора, оказывает влияние на степень набухания белков клейковины. С увеличением концентрации сахара степень набухания белков снижается.
Жир, адсорбируясь на поверхности белков, образует пленки, препятствующие проникновению воды внутрь макромолекул белков, что ослабляет связь между ними, при этом уменьшается упругость и увеличивается пластичность теста.
Таким образом, регулируя количество сахара и жира, добавляемых при замесе теста, можно получать тесто с определенными физическими свойствами.
5.4.5. Структурообразование в дисперсных системах
Одно из важных свойств дисперсных систем и растворов ВМС — способность их к структурообразованию.
Коллоидные системы, частицы которых удалены друг от друга на достаточно большое расстояние и практически не взаимодействующие между собой, называются свободнодисперсными системами. Такие коллоидные системы по своим свойствам похожи на обычные жидкости. Их вязкость очень мало отличается от вязкости дисперсионной среды.
Дисперсные системы, в которых частицы связаны между собой и не способны к взаимному перемещению, называются связнодис- персными системами. В таких системах частицы дисперсной фазы образуют пространственную сетку или структуру.
Рассмотрим процесс структурообразования на примере пектина при производстве фруктового желе.
Желеобразная консистенция фруктовых консервов достигается благодаря присутствию в сырье пектина, который образует в сахарокислотном растворе пространственную сетку. Пектин при нагревании образует коллоидные растворы. На поверхности молекул пектина адсорбированы молекулы воды, которые создают сольватную (водную) оболочку вокруг частиц пектина. Это препятствует соединению пектиновых молекул для образования пространственной сетки. Для формирования желе необходимо присутствие наряду с пектином Сахаров и кислот.
Сила притяжения частиц пектина сосредоточена по краям молекулы. Соединение частиц концами приводит к образованию пространственной сетки, которая охватывает весь объем продукта и служит каркасом студня (см. рис. 25). Укрепление сетки происходит за счет водородных мостиков, которые образуются между карбоксильными и гидроксильными группами соседних пектиновых молекул.
Образовавшиеся ячейки внутри заполнены жидким сахарокислотным раствором. По мере остывания студня тепловое движение замедляется и продолжается процесс укрупнения студня, т. е. сближение молекул и образование цепей. Чем выше концентрация пектина, тем легче сближение молекул и прочнее их сцепление и тем быстрее идет застудневание.
Механическое воздействие на студень при его остывании ослабляет его прочность. Но при нагревании структура студня может быть восстановлена. Это свойство пектиновых студней называется тиксотропией.
Пектино-сахаро-кислотный студень — упруго-эластичная система, в которой каждый компонент выполняет свои функции.
Схема сцепления частиц пектина в желе:
1 — концевые участки, свободные от зарядов; 2 — частицы пектина; 3 — соль- ватные оболочки;
4 — петли пектиновой сетки с дисперсионной средой.
Каркас студня составляет пектин, поэтому прочность студня будет зависеть от вида и качества пектина. Лучше и прочнее студень образуется в присутствии высокометоксилированного пектина, который имеет длинную цепочку с числом метоксильных групп более 70%. Значение имеет также общее содержание пектина в сырье и его природа. Наилучшей желирующей способностью обладает пектин яблок, крыжовника, черной смородины, кожуры цитрусовых. Концентрация пектина должна быть около 1%.
Количество сахара, которое требуется для образования студня, зависит от свойств и количества применяемого пектина. Чем больше пектина и выше его желирующие свойства, тем больше требуется сахара для студнеобразования. Максимальное количество сахара, которое может быть использовано для образования студня, — показатель «сахароемкости» пектина. Он определяет студнеобразующую способность и измеряется в градусах. Это масса сахара, приходящаяся на единицу массы пектина. Для пектина средней студнеобразующей способности содержание сахара должно быть близким к насыщенному раствору при комнатной температуре, т. е. 65%.
Еще один компонент пектинового студня — кислота. Она определяет рН студня. Чем больше диссоциирована кислота, тем более она способствует образованию агрегатов пектиновых молекул, так как при диссоциации кислоты в растворе появляются свободные положительно заряженные ионы водорода (Н + ). Они взаимодействуют с отрицательно заряженными молекулами пектина, нейтрализуют их заряд и способствуют сближению и агрегатированию. Полиметилга-лактуроновая кислота может находиться в виде слаборастворимых солей калия или натрия. Ионы водорода вытесняют и замещают катионы калия и натрия из солей пектиновых кислот, а пектиновые кислоты имеют лучшую студнеобразующую способность, чем их соли. После полного замещения катионов ионами водорода добавление кислоты не оказывает влияния на студнеобразующую способность и прочность студня.
Хорошее желирование пектиновых веществ достигается при рН среды 3,0-3,4 и титруемой кислотности 1%. Чем ниже рН, тем быстрее идет студнеобразование и меньше требуется пектина. Например, при рН 3,1 концентрация пектина в студне должна быть не менее 0,7%, при рН 3,-0,8%, при рН 3,-0,9%. При рН более 3,5 студень образуется непрочный.
Используя способность ВМС к образованию студней, можно получить более сложные дисперсные системы, например, пенообразные кондитерские массы (пастилу). Эти изделия являются в основном агаровым студнем. Он имеет пористую структуру с ячейками микроскопических размеров (до 20 мкм).
В пастильном студне распределены мелкие воздушные пузырьки, и готовая сухая пастила напоминает по своей структуре твердый крем. В производстве пастилы процесс обычного студнеобразования мармелада сочетается с процессом пенообразования (сбивания) яблочно-сахарной смеси.
При сбивании пастилы путем продолжительного встряхивания яблочно-сахарной смеси происходит вспенивание ее, т. е. масса насыщается воздухом; при этом воздух захватывается яблочно-сахарной массой и дробится на мелкие частички. По мере увеличения скорости механического взбалтывания степень раздробленности воздуха увеличивается, размеры пузырьков воздуха уменьшаются, а вязкость массы повышается. Постепенно образуется густая пена, состоящая из мелких пузырьков воздуха, затянутых в тонкую пленку из окружающей полужидкой яблочно-сахарной смеси.
В физико-химическом смысле пена представляет собой двухфазную систему газ-жидкость. В данном случае дисперсной фазой является газ-воздух, а дисперсионной средой — полужидкий раствор сахара, кислоты и пектина. Этот раствор образует оболочку дисперсных частиц газа (воздуха), которая несет на себе поверхностный пограничный слой, отделяющий одну фазу от другой.
В процессе образования пены происходит сильное развитие поверхности раздела на границах газообразной и жидкой фаз. Увеличение поверхности раздела зависит от размеров образующихся воздушных ячеек. Чем меньше размеры последних, тем больше эта поверхность, тем больше сила поверхностного натяжения o.
Сила поверхностного натяжения всегда стремится сократить до минимума общую поверхность раздела всей системы, сделать ее наименьшей. В данном случае она стремится сократить до возможных пределов общую сумму поверхностей отдельных капелек, образующих пенную эмульсию. При действии этой силы отдельные пузырьки воздуха в пене стремятся соединиться в одну массу. Пленка капелек прорывается, отдельные капельки, постепенно сливаясь (агрегируясь) друг с другом, образуют новые пузырьки — капли более крупных размеров, степень дисперсности уменьшается, пена «опадает». Процесс самопроизвольного разрушения пены и эмульсии называется коалесценцией.
В пенах процесс коалесценции идет весьма интенсивно благодаря близкому расположению капелек по отношению друг к другу.
Чтобы сделать пену более устойчивой, стабилизировать ее, в качестве пенообразующего средства (ПАВ) при сбивании пастилы обычно используют белок куриного яйца, который, располагаясь в поверхностном слое пленки пузырьков пены, увеличивает механическую прочность этого слоя и тем самым препятствует прорыванию пленки пузырьков и агрегированию последних.
Механизм совмещения студневой и пенной структур при смешивании сбитой массы с агаровой (или мармеладной) можно представить так: при смешивании с холодной сбитой массой горячая масса агарового сиропа или мармелада заполняет воздушные пространства между пузырьками сбитой массы, вытесняя оттуда воздух (см. рис. 26).
При этом прочность пленки структурных элементов массы значительно увеличивается. Последняя возрастает благодаря тому, что температура всей массы поднимается до 50°С и адсорбированный альбуминовый гель пленки при указанной температуре, близкой к свертыванию альбумина, фиксируется в ней в виде плотного коагулята. Одновременно же по мере остывания массы в пространстве между пузырьками происходит формирование прочного агарового (или пектинового) студня. Смешивание сбитой массы с горячей желейной (или мармеладной) массой создает, таким образом, необходимые условия для образования структуры пастилы.
Схема совмещения пенной и студневой структур пастилы:
1 — агаро-сахаро-водный студень; 2 — воздух; 3 — пектино-белково-сахаро- водная пленка.
После остывания массы получается характерный пастельный студень, который отличается от мармеладного только пористой структурой благодаря мельчайшим воздушным включениям, равномерно распределенным в его массе.