PHYSIKALISCHE UND CHEMISCHE EIGENSCHAFTEN FÜR GELATINE
Gelatine ist nahezu geschmacks- und geruchlos. Es ist ein glasiger, spröder Feststoff von schwach gelber Farbe. Gelatine enthält 8-13% Feuchtigkeit und hat eine relative Dichte von 1,3-1,4. Wenn Gelatinegranulate in kaltem Wasser eingeweicht werden, hydratisieren sie zu diskreten, gequollenen Partikeln. Beim Erwärmen lösen sich diese gequollenen Partikel zu einer Lösung auf. Dieses Verfahren zur Herstellung von Gelatinelösungen wird bevorzugt, insbesondere wenn hohe Konzentrationen erwünscht sind. Das Verhalten von Gelatinelösungen wird durch Temperatur, pH-Wert, Aschegehalt, Herstellungsverfahren, thermische Vorgeschichte und Konzentration beeinflusst.Gelatine ist in wässrigen Lösungen mehrwertiger Alkohole wie Glycerin und Propylenglykol löslich. Beispiele für hochpolare, wasserstoffbindende organische Lösungsmittel, in denen sich Gelatine auflöst, sind Essigsäure, Trifluorethanol und Formamid. Gelatine ist in weniger polaren organischen Lösungsmitteln wie Benzol, Aceton, primären Alkoholen und Dimethylformamid unlöslich.
Gelatine, die in luftdichten Behältern bei Raumtemperatur gelagert wird, bleibt über lange Zeiträume unverändert. Wenn trockene Gelatine an Luft bei relativ hoher Luftfeuchtigkeit (über 60 % RH) auf über 45 °C erhitzt wird, verliert sie allmählich ihre Quell- und Auflösungsfähigkeit.
Sterile Gelatinelösungen sind bei kalter Lagerung unbegrenzt haltbar; aber bei erhöhten Temperaturen sind die Lösungen anfällig für Hydrolyse.
Zwei der nützlichsten Eigenschaften von Gelatine, die Gelstärke und Viskosität, werden bei längerem Erhitzen in Lösung über ungefähr 40 °C allmählich geschwächt. Der Abbau kann auch durch extreme pH-Werte und durch proteolytische Enzyme, einschließlich solcher, die aus der Anwesenheit von Mikroorganismen resultieren, hervorgerufen werden .
Kollagen kann als Anhydrid von Gelatine angesehen werden. Die hydrolytische Umwandlung von Kollagen in Gelatine liefert Moleküle unterschiedlicher Masse: Jedes ist ein Fragment der Kollagenkette, von der es abgespalten wurde. Daher ist Gelatine keine einzelne chemische Einheit, sondern eine Mischung von Fraktionen, die vollständig aus Aminosäuren besteht, die durch Peptidbindungen verbunden sind, um Polymere mit einer unterschiedlichen Molekülmasse von 15.000 bis 400.000 zu bilden.
Gelatine besteht in Bezug auf die Grundelemente aus 50,5% Kohlenstoff, 6,8% Wasserstoff, 17% Stickstoff und 25,2% Sauerstoff.
Da sie aus Kollagen gewonnen wird, wird Gelatine richtigerweise als abgeleitetes Protein klassifiziert. Es gibt typische Proteinreaktionen und wird von den meisten proteolytischen Enzymen zu seinen Peptid- oder Aminosäurekomponenten hydrolysiert.
Die verschiedenen Aminosäuren, die aus einigen Gelatinen durch vollständige Hydrolyse erhältlich sind, in Gramm pro 100 Gramm trockener Gelatine, sind in Tabelle . aufgeführt
TABELLE 1. AMINOSÄUREZUSAMMENSETZUNG VON GELATINEN
Amphotere Eigenschaften – Gelatine in Lösung ist amphoter und kann entweder als Säure oder als Base wirken. In sauren Lösungen ist Gelatine positiv geladen und wandert als Kation in einem elektrischen Feld. Gelatine ist in alkalischen Lösungen negativ geladen und wandert als Anion. Der pH-Wert des Zwischenpunktes, an dem die Nettoladung null ist und keine Bewegung stattfindet, wird als isoelektrischer Punkt (IEP) bezeichnet. Gelatine vom Typ A hat einen breiten isoelektrischen Bereich zwischen pH 7 und 9. Typ B hat einen engeren isoelektrischen Bereich zwischen pH 4,7 und 5,4.
Gelatine in Lösung, die keine anderen nicht-kolloidalen Ionen als H+ und OH- enthält, wird als isoionische Gelatine bezeichnet. Der pH-Wert dieser Lösung ist als Isoionischer Punkt (pl) bekannt. Diese Lösungen können unter Verwendung von Ionenaustauscherharzen hergestellt werden.
Chemische Derivate – Gelatine kann chemisch behandelt werden, um signifikante Veränderungen ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften zu bewirken. Diese Veränderungen sind das Ergebnis struktureller Modifikationen und/oder chemischer Reaktionen. Typische Reaktionen sind Acylierung, Veresterung, Desaminierung, Vernetzung und Polymerisation sowie einfache Reaktionen mit Säuren und Basen.
Gelstärke – Die Bildung von thermoreversiblen Gelen in Wasser ist eine der wichtigsten Eigenschaften von Gelatine. Wenn eine wßrige Gelatinelösung mit einer Konzentration von mehr als ungefähr 0,5% auf ungefähr 35 bis 40ºC abgekühlt wird, nimmt ihre Viskosität zuerst zu und bildet dann später ein Gel. Die Steifheit oder Festigkeit des Gels hängt von der Gelatinekonzentration, der intrinsischen Festigkeit der Gelatine, dem pH-Wert, der Temperatur und der Anwesenheit jeglicher Additive ab. Die intrinsische Stärke von Gelatine ist eine Funktion sowohl der Struktur als auch der Molekularmasse.
Der erste Schritt der Gelierung ist die Bildung von lokal geordneten Regionen, die durch die teilweise zufällige Rückkehr (Renaturierung) von Gelatine zu kollagenartigen Helices (Kollagenfalte) verursacht wird. Als nächstes bildet sich im gesamten System ein kontinuierliches fibrilläres dreidimensionales Netzwerk aus gefransten Micellen, wahrscheinlich aufgrund einer unspezifischen Bindungsbildung zwischen den stärker geordneten Segmenten der Ketten. An der Querbindung können hydrophobe, Wasserstoff- und elektrostatische Bindungen beteiligt sein. Da diese Bindungen beim Erhitzen zerstört werden, ist das Gel thermoreversibel. Die Bildung der Crossbonds ist der langsamste Teil des Prozesses, so dass unter idealen Bedingungen die Festigkeit des Gels mit der Zeit zunimmt, wenn mehr Crossbonds gebildet werden. Der Gesamteffekt ist eine zeitabhängige Zunahme der durchschnittlichen Molekülmasse und in Ordnung.
Die Gelbildungsqualität von Gelatine ist ein signifikanter physikalischer Qualitätsparameter. Die Messung dieser Eigenschaft ist sowohl vom Standpunkt der Kontrolle als auch als Hinweis auf die für eine bestimmte Anwendung erforderliche Gelatinemenge sehr wichtig. Die Abbildungen 2 – 6 veranschaulichen das Verhalten von Gelatinegelen unter Einfluss von Zeit, Konzentration, pH und Temperatur (40).
Viskosität – Die etablierte Methode zur Bestimmung der Viskosität umfasst die Messung der Ausflusszeit von 100 ml einer Standardtestlösung aus einem kalibrierten Pipettenviskosimeter. In bestimmten Fällen wird die Viskosität bei Konzentrationen bestimmt, bei denen die Gelatine verwendet werden soll.
Die Molekulargewichtsverteilung scheint bei der Wirkung auf die Viskosität eine wichtigere Rolle zu spielen als bei der Gelfestigkeit. Einige Gelatinen mit höherer Gelstärke können niedrigere Viskositäten aufweisen als Gelatinen mit niedrigerer Gelstärke.
Die Viskosität von Gelatinelösungen nimmt mit steigender Gelatinekonzentration und mit sinkender Temperatur zu; Am isoionischen Punkt ist die Viskosität minimal.
7 veranschaulicht das Viskositätsverhalten für Gelatinen mit niedrigem, mittlerem und hohem Bloom als Funktion der Konzentration bei 60°C.
Kolloidale Schutzwirkung – Gelatine ist ein typisches hydrophiles Kolloid, das eine Vielzahl von hydrophoben Materialien stabilisieren kann. Die Wirksamkeit von Gelatine als Schutzkolloid wird durch ihre Zsigmondy-Goldzahl demonstriert, die die niedrigste aller Kolloide ist. Diese Eigenschaft ist besonders wertvoll für die fotografische und galvanische Industrie.
Koazervation – Ein mit Kolloiden verbundenes Phänomen, bei dem sich dispergierte Partikel aus der Lösung trennen, um eine zweite flüssige Phase zu bilden, ist die Koazervation. Mit Gelatine wurden umfangreiche Koazervationsstudien durchgeführt.
Eine übliche Anwendung der Koazervation ist die Verwendung von Gelatine und Gummi Arabicum zur Herstellung ölhaltiger Mikrokapseln für die Selbstdurchschreibepapierherstellung (46-48). Koazervation ist auch in der fotografischen Industrie nützlich.
Farbe – Die Farbe der Gelatine hängt von der Art des verwendeten Rohstoffs ab und davon, ob die Gelatine eine erste, zweite oder weitere Extraktion darstellt. Schweinehautgelatinen haben normalerweise eine geringere Farbe als solche aus Knochen oder Haut. Im Allgemeinen beeinflusst Farbe weder die Eigenschaften von Gelatine noch verringert sie ihre Brauchbarkeit.
Trübung – Trübung kann auf unlösliche oder Fremdstoffe in Form von Emulsionen oder Dispersionen, die durch die schützende kolloidale Wirkung der Gelatine stabilisiert wurden, oder auf eine isoelektrische Trübung zurückzuführen sein. Diese Trübung ist am isoelektrischen Punkt in etwa 2%igen Lösungen maximal. Bei höheren Konzentrationen oder anderen pH-Werten wird die Trübung merklich geringer sein.
Asche – Der Aschegehalt von Gelatine variiert mit der Art des Rohstoffs und der Verarbeitungsmethode. Schweinehautgelatinen enthalten geringe Mengen an Chloriden oder Sulfaten. Ossein- und Hautgelatinen enthalten hauptsächlich Calciumsalze jener Säuren, die nach dem Äschern bei der Neutralisation eingesetzt werden. Eine Ionenaustauschbehandlung kann zum Entmineralisieren oder Entaschen von Gelatinen verwendet werden.