Allgemeines
Damit ein Gel überhaupt entstehen kann, braucht es bestimmte Bedingungen. Einerseits ist ein Gelator notwendig. Ein Gelator ist eine Substanz, die ein Gel bilden kann. Dieser Gelator muss andererseits auch in einem dispersen System vorliegen. Auf der Teilchenebene lässt sich der Geliervorgang folgendermaßen betrachten:
In einem dispersen System gibt es zwei Phasen, die disperse Phase und das Dispersionsmedium. Die disperse Phase ist der Gelator. Der Gelator besteht oft aus Makromolekülen und liegt fein verteilt im Dispersionsmedium vor.
Das Dispersionsmedium ist bei Gelen ein Lösungsmittel, in dem die Makromoleküle verteilt sind. Die Geliermittel in Fruchtgummis sind sogennante Hydrogele. Das bedeutet, dass die flüssige Phase dort Wasser ist.
Vor dem Geliervorgang sind die Makromoleküle des Gelators fein im Dispersionsmedium verteilt. Diese Lösung wird auch als Sol bezeichnet. Die Gelbildungsphase (Gelierung) kann durch bestimmte Bedingungen eingeleitet werden, etwa die Temperatur, die Zufuhr von bestimmten Substanzen oder den pH-Wert.
Sobald der Geliervorgang eingeleitet wird, vernetzen sich die Makromoleküle und bilden ein Gerüst mit mehr oder weniger stabilen Strukturen. Dieses Netzwerk bildet auch Poren aus, welche Flüssigkeiten einschließen können. Die vernetzten Molekülketten werden durch zwischenmolekulare Kräfte zusammengehalten.
Sobald dieses Gerüst gebildet wurde, kann das Dispersionsmedium (Wasser) wie ein Schwamm eingeschlossen werden. Dabei können große Mengen an Wasser in die gebildete Struktur aufgenommen werden. Die Flüssigkeit ist durch den Einschluss in das poröse Netzwerk immobilisiert, ein Gel wurde gebildet. Dieses Gel ist auch auf der Makroebene erkennbar:
Links: Sol vor der Gelierung
Rechts: Gel
Gelatine
Gelatine ist ein Protein. Es besteht auf der Teilchenebene aus Aminosäureketten.
Gelatine bildet bei hoher Konzentration und schneller Abkühlung Strukturen, in denen sich große Mengen Wasser einlagern können.
Der Geliervorgang der Gelatine setzt ein, wenn das Sol abkühlt. Auf der Teilchenebene lagern sich gelöste Aminosäureketten aneinander und werden durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert. Die gelstabiliserende Wirkung kann nach Ende der Gelbindungsphase durch zusätzliche Wassermoleküle gestärkt werden. Diese Wassermoleküle können weitere Wasserstoffbrückenbindungen zu hydrophilen Aminosäuren, welche eine OH-Gruppe tragen, eingehen und somit das Gel zusätzlich stabilisieren.
Pektin
Die Gelbildung des Pektins wird durch die gegenseitige Annäherung der Pektinmoleküle auf der Teilchenebene ausgelöst, da dadurch ein Gelnetzwerk gebildet werden kann. Dieses Netzwerk bildet sich, wenn Pektin dehydratisiert wird. Die Dehydratisierung kann durch Zuckerzugabe ausgelöst werden. Durch das Vorhandensein vieler Hydroxidgruppen ist das Pektin in Lösung mit einer Hülle von Wassermolekülen umgeben. Zugesetzter Zucker wirkt als wasserentziehendes Mittel und entzieht den Pektinmolekülen deren Wasserhülle. Die Annäherung der Pektinmoleküle und weiterfolgend die Bildung eines Gelnetzwerks kann nun erfolgen.
Diese Gerüst wird zusätzlich durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert. Diese Wasserstoffbrückenbindungen können sich zwischen den Hydroxid- und Carboxylgruppen ausbilden. Zusätzlich kann das gebildete Gerüst das Dispersionsmedium Wasser einschließen und ein Gel bilden.
Modifizierte Stärke
In nativen Stärken ist die Amylose für die gelbildenden Eigenschaften verantwortlich. Durch die lineare Anordnung der D-Glucose-Einheiten neigen die Amylose-Moleküle dazu, Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden. Durch diese intermolekularen Bindungen entstehen lockere Zusammenlagerungen der Amylose-Moleküle. In konzentrierten Lösungen entsteht jedoch ein dreidimensionales Netzwerk in Form eines Gels. Das Dispersionsmedium Wasser wird in diesem Gerüst eingeschlossen und die Gelbildung findet statt. Herrscht kein großer Temperaturunterschied vor, bildet sich kein Gel.
Verhalten von Amylose-Molekülen beim Abkühlen einer konzentrierten wässrigen Lösung (Belitz et al., 2008, S. 326).