CC BY
175
УДК 661.183.1
Ю. А. Тунакова, Р. А. Файзуллина, Ю. А. Шмакова
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ СОРБЦИОННОЙ ЕМКОСТИ БИОПОЛИМЕРНЫХ СОРБЕНТОВ
Ключевые слова: биополимеры, сорбенты, металлы, модельные растворы.
В статье представлены возможности сравнения эффективности биополимерных сорбентов в отношении металлов на модельных растворах на основе молочной сыворотки.
Key words: biopolymers, sorbents, metals, modelling solutions.
The summary: In article opportunities of comparison of efficiency of biopolymeric sorbents are submitted concerning metals on modelling solutions on the basis of dairy whey.
Обширная литература о сорбционных материалах позволяет считать их использование в качестве элиминирующих загрязняющие вещества средств патогенетически обоснованным и очень важным, особенно в условиях постоянного техногенного загрязнения. Детоксикация достигается при этом за счет физико-химических свойств сорбирующего вещества, способного связывать и выводить из организма токсиканты. При выборе энтеросорбентов следует руководствоваться известными данными о высокой чистоте сорбента, степени его стандартизированности, технологичности, сорбционной ёмкости по отношению к различным веществам и доказанном клиническом эффекте [1-2].
Научные исследования по энтеросорбентам в сравнительном аспекте немногочисленны. Очень мало работ, посвященных оценке сорбционной ёмкости различных сорбентов по отношению к моно- и поликомпонентным средам, в частности растворам металлов. Исследование процессов сорбции в модельных условиях дает возможность определить сорбционную ёмкость по отношению к различным веществам и их смесям, оценить эффективность сорбентов в различных условиях и для различных сред.
Открытым остается вопрос об эффективности энтеросорбции металлов в условиях in vivo, так как модельные растворы, рекомендуемые для определения сорбционной ёмкости, представляют собой, как правило, водные или кислотные (моно-) поликатионные растворы, не учитывающие сложный состав гастродуоденального содержимого или сыворотки крови [3-6].
В качестве основы для растворов, моделирующих сложный состав внутренних биологических жидкостей организма, его гастродуоденальную среду, мы предлагаем использовать молочную сыворотку.
Молочная сыворотка является побочным продуктом при производстве сыров, одним из продуктов сепарации молока, после его сворачивания или добавления кислых веществ. В зависимости от способа ее получения подразделяется на подсырную, творожную и техническую (казеиновую) [7].
Растворимость в воде при температуре 40°С составляет: сухой подсырной сыворотки 93-100%, сухой творожной нейтрализованной - около 20, частично обессахаренной сухой сыворотки 76-90%. Общее количество сухого вещества в молочной сыворотке составляет около 6,5%. Содержание золы зависит от минерального состава сыворотки и времени года (самое высокое отмечается с февраля по апрель и с августа по октябрь). Содержание молочной кислоты и лактозы зависит в основном от процессов биологического окисления. Содержание сывороточного белка также подвержено сезонным влияниям, увеличиваясь с 7,3% (в расчете на сухое вещество) в июне до 10% в октябре - ноябре.
Белки молочной сыворотки — это глобулярные белки, представленные на 65 % Р-лактоглобулином, на 25 % а-лактальбумином и на 8 % альбумином сыворотки крови. Кроме
того, молочная сыворотка содержит лактозу, витамины и минеральные вещества, а также следы жиров [8]. В таблице приведен средний состав молочной сыворотки.
Таблица 1 - Состав молочной сыворотки
Вещество Содержание
Сухое вещество 5,3-6,5%
Белки 0,5-1,0%
Жиры 0,05-0,4%
Лактоза 4,0-4,8%
Зола 0,5-0,7%
Аскорбиновая кислота 4,7 мкг/кг
Тиамин 0,37-0,45 мкг/кг
Рибофлавин 1,8-2,5 мкг/кг
Пиридоксин 1,2-1,5 мкг/кг
Фолиевая кислота 0,2-0,8 мкг/кг
Никотиновая кислота 1,0-1,7 мкг/кг
Парааминобензойная кислота 0,1 мкг/кг
Пантотеновая кислота 2,9-4,4 мкг/кг
Холин 165-400 мкг/кг
Биотин 0,01-0,04 мкг/кг
Цианкобаламин 0,1-2,9 мкг/кг
Ретинол 0,02-0,11 мкг/кг
Токоферол 0,20-0,29 мкг/кг
Таким образом, молочная сыворотка является типичной биологической жидкостью, представляя собой сложную многокомпонентную матрицу, состоящую из воды, с растворенными в ней минералами и органической фракции (белки, углеводы, жиры и витамины). Это обстоятельство, а также доступность и дешевизна, делают молочную сыворотку идеальной основой модельных растворов для определения сорбционной ёмкости энтеросорбентов.
Стандартная схема определения емкости сорбентов заключается в следующем. На дистиллированной воде готовится серия модельных растворов солей металлов разной концентрации. После обработки модельных растворов адсорбентом и достижения сорбционного равновесия (через 2-3 сут.) [9-11], либо навески сорбентов заливают растворами металлов при раздельном и совместном их присутствии в растворе. Концентрации подбирают исходя из аналитических условий, но обычно от 0,05 до 1,0 ммоль/л. Соотношение сорбент: раствор составляет 1:10. Суспензии взбалтывают 1 час, затем оставляют на сутки. После этого суспензии фильтруют через фильтр «синяя лента» ТУ 6-09-1678-95, в фильтратах определяют остаточное количество металлов [12-13].
По полученным данным строят изотермы Ленгмюра: зависимости между количеством адсорбированного металла и равновесной концентрацией растворов.
Теория Ленгмюра позволяет учесть наиболее сильные отклонения от закона Генри (величина адсорбции при малых концентрациях вещества в растворе прямо пропорциональна концентрации), что связано с ограничением адсорбционного объема или поверхности адсорбента. Ограниченность этого параметра приводит к адсорбционному насыщению
поверхности адсорбента по мере увеличения концентрации распределяемого вещества. Ленгмюр предположил, что при адсорбции происходит квазихимическая реакция между распределяемым компонентом и адсорбционными центрами поверхности:
A + B = AB ,
где А - адсорбционые центры поверхности; В - распределенное вещество; АВ -образующийся комплекс на поверхности.
С
Константа равновесия процесса: К = _ ав—,
С • С
а в
где сав = А - величина адсорбции; са = А0 = А« - А,
где А«, - емкость адсорбционного монослоя или число адсорбционных центров, приходящихся на единицу поверхности или единицу массы адсорбента; А0 - число оставшихся свободных адсорбционных центров, приходящихся на единицу площади или единицу массы адсорбента; св - концентрация распределенного вещества.
Подставляя величину концентрации в уравнение константы, получим выражения
u- A
K =-, св = с,
(A «- Д)с
А Кс
А = А«Кс - АКс, А = —--для жидкостей;
1 + Кс
Это выражение - уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра. К и Кр в уравнении характеризуют энергию взаимодействия адсорбента с адсорбатом. Адсорбционное уравнение часто представляют относительно степени заполнения поверхности, т.е. как отношение А/А«:
А = Кс = с А« = 1 + Кс ~ К7 + с ,
К' = I
К
Экспериментальные результаты по определению изотермы адсорбции обычно обрабатывают с помощью уравнения, записанного в линейной форме; 1111
— =--1----, т.е. уравнение типа y = b + ax.
А А« А«К с' '
Такая линейная зависимость позволяет графически определить А« и К. Если с^ 0, тогда уравнение примет вид:
А=А«Кс; — = Кс; А = КгС, 0 =Кс,
А«
т.е. при с^ 0 уравнение Ленгмюра переходит в уравнение Генри.
Если с^го, тогда А = А« , А/А« = 1. Это случай предельной адсорбции. Пусть адсорбция идет из смеси компонентов, в этом случае уравнение Ленгмюра записывается следующим образом [14]:
0 = —KÍÍEJ—.
1 + ¿K,P,
1
При оценке растворов металлов уравнение адсорбции Ленгмюра принимает вид: C/Q= 1 / (Q max K)+(1/Qmax)C, где С - равновесная концентрация элемента в растворе; Q - количество поглощенного элемента на единицу массы сорбента; Qmax - сорбционная ёмкость сорбента; K -коэффициент отражающий прочность связи между элементом и реакционными центрами сорбента [12].
С целью определения сорбционной ёмкости различных, зарекомендовавших себя в клинической практике, энтеросорбентов по отношению к солям металлов, мы предлагаем использовать их растворы в молочной сыворотке.
Навески сорбентов (2 г, либо отобранные в соответствии с его рекомендуемым суточным количеством приема) заливаются раствором солей металлов в молочной сыворотке. Рекомендуется использовать подсырную молочную сыворотку, объем раствора должен соответствовать 10-ти кратному (по весу) количеству сорбента (т.е. на 2 г сорбента 20 мл раствора). Полученные смеси выдерживаются на встряхивателе в течение 1 часа, отстаиваются в течение суток и отфильтровываются через беззольный фильтр «синяя лента». В фильтратах измеряется конечная концентрация металлов методом AAS.
При подготовке модельных растворов мы рекомендуем руководствоваться следующими положениями: для анализа использовать азотнокислые соли Zn, Си, Ре, Со, СС, РЬ, Мп, N - как наиболее распространенных эссенциальных и токсичных элементов. При подготовке растворов использовать государственные стандарты (ГСО 7877-2000 (РЬ), 78742000 (Сс1), 7837-2000 ^п), 7873-2000 (Ы1), 6073-91 (Си), 7834-2000 (Мп)) разведенные в подсырной молочной сыворотке. Применять стандартную стеклянную лабораторную посуду: пробирки и мерные цилиндры ГОСТ 1770-74.
Концентрации металлов в растворе должны подбираться таким образом, чтобы охватить весь диапазон физиологических флуктуаций их концентраций в жидких средах организма человека. Исключением являются типичные тяжелые металлы (например, РЬ, СС, Ы1), так как нормальные их концентрации в организме очень низки, поэтому при их определении возможно сформировать ряд модельных растворов с условными концентрациями. Таким образом, начальные концентрации металлов в модельных растворах предлагается приводить к: 0,5; 1,0; 2,5; 3,5; 5,0 мг/л.
В качестве примера, на рисунке 1 приведены изотермы сорбции Ленгмюра, построенные в результате исследования сорбционной ёмкости энтеросорбента АУВМ «Днепр».
Рис. 1 - Изотермы сорбции металлов, построенные в результате исследования энтеросорбента АУВМ «Днепр»
Литература
1. Щербаков, П.Л. Сравнительная эффективность энтеросорбентов при диарее у детей / П. Л. Щербаков, В. А. Петухов //Вопросы современной педиатрии: сб.научн. тр./М., 2005. - Т. 4. - № 4. - С. 86-90.
2. Беляков, Н.А. Альтернативная медицина./Н.А. Беляков// Немедикаментозные методы лечения: сб. научн. тр./ Архангельск:, Сев.-Зап. изд-во, 1994.-462 с.
3. Решетников, В.И. Оценка адсорбционной способности энтеросорбентов и их лекарственных форм/В.И. Решетников // Химико-фармацевтический журнал. - 2003. - Т. 37. - №5. - С. 28-32.
4. Веприкова Е.В. Получение энтеросорбентов из отходов окорки берёзы/ Е.В.Веприкова, М.Л. Щипко, С. А. Кузнецова //Химия растительного сырья. - №1. - 2005. - С. 65-70.
5. Беляков, Н.А. Энтеросорбция - механизм лечебного действия / Н.А.Беляков, А.В. Соломенников //Эфферентная терапия. - 1997. - Т. 3. - № 2.
6. Коваленко, Г.А. Адсорбция антисептиков (фурацилина, хлоргексидина) и витамина Е на углеродсодержащих энтеросорбентах / Г.А. Коваленко, Е.В. Кузнецова // Химико-фармацевтический журнал-2000-Т. 34-№6- С. 45-49.
7. Храмцов, А.Г. Использование депротеинизированной подсырной сыворотки для производства напитков/ А.Г.Храмцов, О.А.Суюнчев, А.С. Рудаков и др./ Вестник СевКавГТУ.-№1(7).-2004 г.
8. Постолова, М.А. Разработка и исследование технологии быстрорастворимого гранулированного черничного киселя на основе молочной сыворотки: Дис. ... канд. техн. наук / М.А. Постолова. -Кемерово, 2003 163 с. РГБ ОД, 61:04-5/311-4.
9. Гельфман, М.И. Коллоидная химия/ М.И. Гельфман, О.В. Ковалевич, В.П. Юстратов -СПб.: Издательство «Лань», 2003. - 336 с.
10. Фадеева, В.И. Основы аналитической химии/ В.И. Фадеева, Т.Н. Шеховцова, В.М.Иванов и др. Практическое руководство: учеб. пособие для вузов / под ред. Золотова Ю.А. - М.: Высш. шк., 2001. -463 с.
11. Шилина, А. С. Сорбционная очистка природных и промышленных вод от катионов тяжелых металлов и радионуклидов новым типом высокотемпературного алюмосиликатного адсорбента/ А.С. Шилина, В.К. Милинчук //Сорбционные и хроматографические процессы. - 2010. - Т. 10. -Вып. 2. -C.237-245.
12. Водяницкий, Ю.Н. Применение уравнений Лэнгмюра и Дубинина - Радушкевича для описания поглощения меди и цинка дерново-карбонатной почвой/ Ю.Н. Водяницкий, О.Б. Рогова, Д.Л. Пинский // Почвоведение. - 2000. - № 11. - С. 1391-1398.
13. Самохин, А.П. Изотермы адсорбции цинка, меди и свинца черноземом обыкновенным при монометалльном и полиметалльном загрязнении/ А.П. Самохин, B.C. Крыщенко, Т.М. Минкина, А.А. Сшатовой // Докл. II Межд. научно-практ. конф. 'Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде". Т. 1. Семипалатинск: СГУ им. Шакарима, 2002. -С. 365-369.
14. Бабкина, С. С. Адсорбция ионов свинца(11) и кадмия(11) на поверхности нитроцеллюлозной мембраны, модифицированной денатурированной дезоксирибонуклеиновой кислотой/ С.С.Бабкина, Н.А. Улахович, Ю.И. Зявкина, Е.Н. Моисеева // Ж. физ. химии. - 2003. - № 5. - С. 90-894.
© Ю. А. Тунакова - д-р хим. наук, проф. каф. промышленной экологии КГТУ им. А.Н. Туполева; [email protected]; Р. А. Файзуллина - д-р мед. наук, зав. каф. пропедевтики детских болезней и факультатской педиатрии с курсом детских болезней КГМУ, [email protected]; Ю. А. Шмакова - асп. каф. технологии пластических КГТУ, [email protected].
