АДСОРБЦИОННЫЕ СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КОЛЛОИДНОЙ СТОЙКОСТИ

Вначале рассмотрим общую характеристику процессов адсорбции.

Для макромолекул характерна большая поверхность и соответ­ствующая ей энергия поверхностного натяжения. Если поверхность коллоидных частиц нельзя уменьшить, то энергию можно умень­шить путем их адсорбции на поверхности веществ, понижающих поверхностное натяжение, либо концентрированием этих частиц на поверхности жидкости.

В зависимости от природы сил различают физическую адсорб­цию и хемосорбцию.

Физическая адсорбция осуществляется обычными межмолеку­лярными силами, но действует между молекулами, находящимися в разных фазах. При этом взаимодействуют электронные оболоч­ки, а потенциал их взаимодействия складывается из энергии при­тяжения и энергии отталкивания. С полярными молекулами фи­зическая адсорбция на ионитах представляет собой дипольное взаимодействие, а адсорбция неполярных молекул осуществляет­ся под действием ван-дер-ваальсовых сил. Хемосорбция — это двумерная химическая реакция, не выходящая за пределы поверх­ностного слоя.

Важнейшая характеристика адсорбентов — пористость. Для сплошных частиц она представляет собой промежутки между зер­нами. Пористые частицы имеют зерна с внутренней поверхностью и у них кроме межзерновой есть внутренняя пористость. К первым относят сажу, ко вторым — силикагель (поликремниевую кислоту), активный уголь, пористые стекла, цеолиты.

Ионы внутренней поверхности адсорбентов связаны с каркасом решетки химическими связями. Ионы внешней поверхности — лю­бые по природе, энергия их взаимодействия с твердой фазой оказы­вается значительно меньше, чем энергия химических связей в твер­дых телах. Поэтому противоионы обладают значительной подвиж­ностью, они непрерывно обмениваются ионами в растворе. Основ­ные закономерности ионного обмена сохраняются с ростом дисперсности адсорбента, они характерны и для пористых адсор­бентов.

На внешней поверхности адсорбента противоионы удерживают­ся кулоновскими силами, прямо пропорциональными заряду иона и обратно пропорциональными квадрату расстояния от центра противоиона до центра тяжести — заряда аниона внутренней поверх­ности. Поэтому адсорбционная способность увеличивается с уве­личением заряда иона, а для равнозарядных ионов — с уменьшени­ем радиуса гидратированного иона.

Если вещество амфотерно, то изменение рН среды приводит к изменению отрицательного заряда поверхности на положительный через изоэлектрическую точку (ИЭТ). В кислой среде поверхность белков несет положительный заряд, обусловленный преимуще­ственной диссоциацией основных аминогрупп. Для большинства белков константа диссоциации СООН-групп превышает таковую для аминогрупп, и ИЭТ для них сдвигается в кислую область.

Адсорбционные способы стабилизации пива заключаются в уда­лении веществ, потенциальных образователей мути, посредством адсорбции их нерастворимыми в пиве адсорбентами. В качестве ад­сорбентов применяют как неорганические, так и органические со­единения природного и синтетического происхождения. В зависи­мости от направленности действия и свойств их целесообразно раз­делить на две группы: вещества, адсорбирующие преимущественно полипептиды, и вещества, адсорбирующие главным образом поли­фенолы.

Использование природных адсорбентов.Природными адсорбен­тами полипептидов являются диатомиты, перлит, бентониты, ак­тивный уголь, силикагели. Природные цеолиты адсорбируют как белки, так и полифенолы.

Диатомитовый (кизельгуровый) адсорбент в виде порошка полу­чают размалыванием прокаленной породы, состоящей из кремнис­тых панцирей одноклеточных диатомовых водорослей. По химическому составу он представляет собой гидратированный кремне­зем с примесью песка, гидроксида железа и органических веществ. Панцири полые внутри, благодаря чему диатомит обладает высокой пористостью и хорошими сорбирующими свойствами. Содержание диоксида кремния в нем составляет 55—95 %.

Диатомит по внешнему виду похож на кварцевый песок, но сложнее по структуре. Песок имеет простейшую шаровидную структуру. Размеры панцирей диатомита в 10 раз меньше самого тонкого мелкоизмельченного песка, поэтому их поверхность боль­ше и, следовательно, фильтрующий эффект выше. Диатомит добы- ^п вают, потом обрабатывают — кальцинируют сухим или мокрым способом с целью добиться инертности, дисперсности и стабиль­ной пропускной способности. В состав диатомита входят кремне­зем, а также оксиды Fe, Al, Ti, Ca, Mg и щелочных металлов. После обработки на поверхности минерала образуются силикат натрия, а также оксиды натрия, кремния, алюминия и железа (80—90 %). Большое количество алюминия нежелательно, так как силикаты алюминия имеют аморфный характер и ухудшают фильтрацион­ную проницаемость адсорбента. Преимущества диатомита — хоро­ший осветляющий эффект. Он дает микробиологическую чистоту при высокой скорости фильтрования и хороших экономических показателях процесса.

Диаметр частиц (d_3KB) < 2 мкм — 2—22 %, от 2 до 6 — 1,5—42 %, от 6 до 10 - 2-24 %, от 10 до 20 - 9-30 %, от 20 до 40 - 2-20 %, от 40 до 60-2-20%, > 60 мкм-0-10%; плотность 2-2,3 г/см³; на­сыпная масса 200 кг/м³.

Фильтрование через диатомит носит характер поверхностного механического фильтрования. При фильтровании коллоидная стойкость улучшается незначительно, нужно дополнение стабили­зирующими средствами.

Перлит имеет качественный состав, как у диатомита, но содер­жит преимущественно силикат алюминия; насыпная масса 80— 100 кг/м³, плотность 1,8—2,2 г/см³.

Бентонит представляет собой смесь минералов группы монтмо­риллонита и бейделлита. По составу это алюможелезомагниевые силикаты, обладающие пористостью, на их поверхности находятся гидроксильные группы кислотного и основного характера, а также обменные катионы. Для них характерно слоистое строение крис­таллической решетки, способность к обмену с основаниями и по­глощению воды, которое сопровождается резким увеличением объема минерала — набуханием. Он впитывает 16-кратное количе­ство воды.

Бентониты имеют возможность образовывать с водой студнеобразные массы и при сильном разбавлении очень стабильные сус­пензии, обладают также выраженными адсорбционными свойства­ми. Бентониты, как правило, активируются серной кислотой или щелочами. Чаще применяют Na-бентониты.

Механизм взаимодействия бентонита, так же как диатомита, с белковыми компонентами пива носит коагуляционный (флокуляционный) характер, не сопровождающийся химическими реакция­ми между частицами, и осуществляется главным образом за счет ад­гезии. При этом частицы минералов образуют с белками крупные агрегаты, представляющие собой послойные структуры, в которых второй и последующие слои возникают за счет сил когезии между одноименно заряженными частицами.

Недо­статками их использования являются следующие: необходимость вносить в пиво большие дозы минерала (100—300 г/10 дм³) для обеспечения существенного стабилизирующего эффекта, ухудше­ние цвета пива и стойкости пены. Кроме того, пиво, полученное с использованием бентонитов, может иметь землистый привкус, а из-за высокой набухаемости бентонита образуется осадок, возника­ют значительные потери (до 3 %) пива и оно обогащается избыточ­ным количеством катионов кальция и натрия.

С точки зрения химических свойств бентонит совершенно без­вреден для организма.

Силикагели чаще применяют при производстве стойкого пива. Эти адсорбенты не набухают и поэтому работать с ними легче, чем с бентонитами, но при дозировке они распыляются и стабилизиро­ванное силикагелями пиво обычно имеет пониженную пенистость. Силикагели адсорбируют в основном белковые соединения фрак­ций А и В. Применять их рекомендуют при дображивании, а также совместно с аскорбиновой кислотой в качестве антиокислителя или с протеолитическими ферментными препаратами. Например, ис­пользование протеолитического фермента 2,5 г/10 дм³ и силикагеля 30 г/10 дм³ позволяет достигнуть стойкости пива в течение 6—8 мес. Силикагельные адсорбенты повышают не только коллоидную, но и биологическую стойкость пива.

Силикагель — полимеризованная конденсированная кремние­вая кислота в виде гидрогеля. Его твердая фаза — скелет волокон поликремниевой кислоты, пространство между ними заполнено водой. Удалением воды силикагель активируют и получают порис­тый ксерогель, содержащий пустоты — поры. Диаметр пор 3— 20 нм, удельная поверхность 200—500 м²/г, удельный объем пор 0,4—1,2 см³/г, средняя плотность 300—1000 кг/м³. Поверхность гра­нул кремниевой кислоты покрыта гидроксильными радикалами. Их количество определяет адсорбционную способность силикагеля сорбировать высокомолекулярные продукты гидролиза белков.

При адсорбции на поверхности адсорбентов силикатного или алюмосиликатного типа вклад в адсорбционное взаимодействие вносит водородная связь между адсорбентом и адсорбатом:

Ионы в растворе — носители электрического заряда, поэтому их адсорбция сопровождается перераспределением зарядов, возникновением в области поверхностного слоя электрического поля. Возникает двойной электрический слой (ДЭС). Для силикагеля он образуется за счет поверхностной диссоциации вещества твердой фазы: Доза внесения силикагеля в пиво 50-250 г/дм³.

Цеолиты (ЦТ) являются алюмосиликатами кристаллического строения, включающими полости и каналы, занятые катионами и молекулами воды. При нагревании ЦТ молекулы воды удаляются и получается тонкопористое активное тело, причем суммарный объем пустот (пор, каналов) часто достигает 50 % общего объема. Диаметры входных окон в пористую структуру имеют молекуляр­ные размеры, их величина и определяет способность ЦТ разделять смеси веществ в зависимости от геометрических характеристик мо­лекул.

Автором разработаны пути комплексного применения природ­ных цеолитов в производстве напитков с целью улучшения качества сырья, готовой продукции, интенсификации их производства, осо­бенно обеспечения гигиенической безопасности, стойкости при хранении.

Цеолиты как сорбенты можно использовать для повышения коллоидной стойкости и микробиологической чистоты.

Активный уголь как адсорбент кроме взаимодействия с поли-пептидами неселективно адсорбирует красящие и ароматические компоненты пива, поэтому при его применении могут обедняться вкус и аромат пива. Уголь в первую очередь фиксирует коллоидные компоненты пива с большой молекулярной массой, но не задержи­вает летучие продукты. Активный уголь адсорбирует азотистые ве­щества хуже бентонитов. Он извлекает из пива также полифенолы, горькие вещества.

Из природных полимеров, адсорбирующих полифенолы, ис­пользуют казеин, желатин.

Желатин — это водорастворимый продукт денатурации коллаге-новых волокон. Желатин — полиэлектролит, его используют для обратимых коллоидных помутнений, особенно при большом со­держании фенольных веществ. При добавлении диоксида кремния расход желатина уменьшается на 30 %.

Механизм удаления компонентов коллоидного помутнения из пива с применением белков заключается в следующем. Белки в кис­лой среде пива обладают свойствами поливалентных основании. Вследствие ионизации основных азотсодержащих групп частицы этого адсорбента в пиве заряжены положительно и вступают во вза­имодействие с полифенолами, в результате чего образуются плохо растворимые комплексные соединения различной степени замеще­ния Выпадение комплексов в осадок ускоряют присутствующие в пиве катионы кальция и особенно железа. Они укрупняют частицы за счет образования межмолекулярных мостиков в молекулах поли­фенолов, поэтому процессы агрегации комплексов и выпадения их в осадок ускоряются.

ПРИМЕНЕНИЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ АДСОРБЕНТОВ.

Полиамиды — это крис­таллические полимеры. Структурирование полипептидной связи с полифенолами происходит через водородные мостики, образую­щиеся между гидроксильными группами полигидроксифлавонов и пептидными связями полиамидов.

Полиамиды снижают в-пиве содержание преимущественно антоцианогенов, но частично извлекают горькие вещества. Доза вне­сения в пиво полиамида составляет 80—150 г/дм³.

Нейлон получают полимеризацией алифатической дикарбоновой кислоты с диамином, в частности конденсацией диамина с адипиновой кислотой. Он связывает в пиве окисляемые и конденсиру­емые фенольные соединения, особенно антоцианогены. Однако стоимость адсорбента достаточно высока и сложна его регенерация.

Поливинилпирролидон (ПВП) также имеет пептидную связь и взаимодействует с полифенолами, частично растворим в пиве; по­лучают также его нерастворимую форму (ПВПП), но он очень доро­гой. Его регенерируют NaOH.

ПВП является наиболее эффективным адсорбентом полифено­лов из пива. Его формула

Этот полимер обладает повышенной способностью к образова­нию водородных связей и поэтому вызывает осаждение веществ, имеющих подвижный атом водорода, в первую очередь соединений фенольной природы. Повышенная способность ПВП к образова­нию водородной связи объясняется тем, что функциональная груп­па этого полимера

ПВП осаждается и флокулирует под действием полифенолов по­добно белковым адсорбентам. Но при его использовании возникает опасность неполного удаления полимера из пива, поэтому пред­почтительнее использовать ПВПП.

Эффективность применения поливинилпирролидона в несколь­ко раз выше, чем полиамидов. Его доза составляет 10—50 г/дм³. Он реагирует прежде всего с простыми полифенолами, поэтому не вли­яет заметно на органолептические свойства пива. ПВП можно реге­нерировать, что значительно снижает стоимость способа обработки пива.

ПВПП существенно повышает стойкость пива к холодному по­мутнению и окислительным превращениям при удалении из пива до 70—80 % первоначальной концентрации антоцианогенов.

Адсорбент Sorsilen по структуре является полиэтилентерефтала-том. Сорбция полифенолов из пива происходит за счет связи с ароматическими ядрами адсорбента. В дозе 50—100 г/дм³ он использу­ется вместе с диатомитом.

Особенно эффективны адсорбенты полифенолов при совмест­ном использовании с ферментными препаратами — протеолити-ческими или амилолитическими. Самостоятельное применение ад­сорбентов не может в полной мере обеспечить требуемую коллоид­ную стойкость пива.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: