CC BY
25
УДК 541.64
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗ КЕРАТИНСОДЕРЖАЩИХ ДИСПЕРСИЙ И РАСТВОРОВ
12 3
© 2016 Е. Н. Розанова , И. Б. Кометиани , Н. А. Емельянов , О. Н. Лопухина4, Е. С. Соболева5, А. А. Еськова6
1 канд. хим. наук, доцент кафедры химии e-mail: rozanova. lena2012@yandex. ru
2'канд. биол. наук, доцент кафедры химии e-mail: ilona. kometiani@gmail. com 3 канд. физ.-мат. наук, старший преподаватель кафедры физики и нанотехнологий e-mail: [email protected] 4' 5' 6 студенты по направлению «Химическая технология», кафедра химии
Курский государственный университет
Получены кератинсодержащие дисперсии и растворы с использованием различных деструктирующих составов. Оптические характеристики дисперсий и растворов изучали на спектрофотометре «SHIMADZU UV-1800». Структуру поверхностей исследовали на электронном микроскопе «Quanta 650 FEG».
Ключевые слова: кератинсодержащие дисперсии, структура поверхности, деструктирующие агенты, сульфид натрия, сульфит натрия, медноаммиачный комплекс, аммиачный комплекс серебра, поверхностно-активные вещества.
Белковые полимеры широко используются в различных отраслях промышленности, в том числе пищевой, косметической, медицинской, легкой и т.д. В основном это пленочные или волокнистые материалы, которые могут быть получены либо из белкового сырья, либо из смесей белков с другими полимерами [А. с. СССР №63244, 1944; А.с. СССР №132364, 1966; Патент RU 2271411, 2006].
Продукты деструкции нативного кератина представляют собой белковые дисперсии в воде, содержащие наряду с биополимером деструктирующие агенты. Полностью очистить их от компонентов деструктирующих смесей не всегда возможно, а иногда и не нужно. В связи с тем что дальнейшая переработка белковых дисперсий включает процессы пленкообразования, формования волокон из растворов, необходимо знать, как формируется поверхность полимера, какова ее структура, какие факторы являются определяющими в формировании поверхности из белковых дисперсий.
Дисперсии представляют собой сложные коллоидные системы, состоящие из частиц полимерной фазы, покрытых защитным веществом, и распределенных в дисперсионной среде, содержащей растворимые и нерастворимые ингредиенты. Частицы дисперсий рассматриваются как основной структурный элемент дисперсий и пленок и представляются как клубок беспорядочно перепутанных макромолекул. Обычно частицы дисперсий коллоидного размера бывают шарообразной, в некоторых случаях эллиптической и неправильной формы. В соответствии с этим свойства дисперсий и процесс пленкообразования из этих систем определяются тремя основными факторами: структурой и строением частиц, природой и характером распределения на их поверхности защитных веществ, составом дисперсионной среды.
Роль каждого фактора в процессе пленкообразования и влияние этих факторов на свойства материалов и изделий определяются условиями переработки дисперсий. Исследование структурных превращений при формировании поверхностей из дисперсий обычно начинают с определения размера частиц в дисперсиях и пленках, а также плотности их упаковки [Зубов, Сухарева 1982].
В предыдущих работах для определения размеров частиц применялся метод турбидиметрии и электронной микроскопии. Было выявлено, что частицы дисперсий представляют собой сложные надмолекулярные образования, состоящие из более простых структурных элементов, характерных для аморфных и кристаллических полимеров [Розанова и соавт. 2015; Розанова и соавт. 2014в; Розанова и соавт. 2014б].
Кератин, являющийся основной составной частью пера, включает регулярные и беспорядочные конформации. Внутренняя часть на 79 % представлена упорядоченной структурой (41 % а - спирали, 38 % в - слоя), оставшиеся 21% - это аморфная структура. Для внешней части характерно содержание регулярной конформации 70 % (50 % а - спирали, 20 % в - листа), 30 % - беспорядочные структуры [Patent US W02005065301 A2. 2005].
Четвертичная структура нативного перьевого кератина может быть разрушена под действием детергентов, при изменении рН, повышении температуры и т.д. Денатурация, которая проявляется в нарушении вторичной и третичной структур без разрыва пептидных связей, происходит при аналогичных воздействиях: с повышением температуры выше 60°С; при рН<3-4 или рН>10; при ультразвуковой обработке; под действием ультрафиолетового излучения; при введении органических растворителей; при добавлении солей тяжелых металлов; при введении детергентов и т.д.
Денатурация сопровождается разворачиванием цепей полипептидов, при этом становятся доступными функциональные группы, заблокированные в нативном кератине. Целостность структуры нарушается, кератин диспергируется и даже растворяется в водных растворах при наличии деструктирующих химических агентов и физических воздействий.
В предыдущих работах такой подход был опробован с использованием следующих деструктирующих агентов: сульфида натрия [Розанова и соавт. 2015], сульфита натрия в присутствии медноаммиачного комплекса или аммиачного комплекса серебра и ПАВ [Розанова и соавт. 2014].
Кератинсодержащее сырье после очистки и измельчения обрабатывалось деструктирующими агентами, подвергалось физическим воздействиям (нагрев, механическое перемешивание, обработка ультразвуком) в разной последовательности. В результате получали частично или полностью растворимую форму кератина.
Составы, применяемые в исследованиях для деструкции кератинсодержаего сырья, включали поверхностно-активные вещества. Из анионных ПАВ были использованы додецилсульфат натрия (ДСН); Glydol №1003, Сульфонол АВС, Texapon №70, из неионных - Plantacar.
Известно, что поверхностно-активные вещества (детергенты) оказывают различное влияние на белки в зависимости от своей природы. При связывании белком ионных ПАВ, как правило, происходит нарушение третичной структуры белка. Анионные ПАВ оказывают на белки более сильное денатурирующее воздействие, неионные ПАВ не влияют на третичную структуру белка [Холмберг и соавт. 2007].
Обработку нативного кератина восстанавливающим агентом сульфидом натрия проводили по аналогии с методом получения растворимой или пластичной модификации кератина [А.с. СССР №102175, 1955]. Отличие состояло в
Розанова Е. Н., Кометиани И. Б., Емельянов Н. А., Лопухина О. Н., Соболева Е. С., Еськова А. А. Особенности формирования структуры поверхностей
из кератинсодержащих дисперсий и растворов количественных соотношениях сульфида натрия к кератину, использовании ПАВ и применении ультразвука.
В основе применяемого способа получения растворимой формы перьевого кератина под действием сульфита натрия с применением медно-аммиачного комплекса или аммиачного комплекса серебра лежит процесс, представленный в патенте [Patent US 7148327 B2. 2006]. В отличие от предлагаемых в этом патенте обработок, использовались приемы физических методов интенсификации химических процессов для сокращения длительности процесса и увеличения выхода диспергированного и растворимого белка.
Размер и форму частиц кератинсодержащих составов необходимо знать при получении пленочных и волокнистых материалов из дисперсий или растворов, при проведении вспомогательных операций фильтрования, очистки, гомогенизации.
В предыдущих исследованиях этих систем на электронном микроскопе были определены форма и размеры частиц комплексов белка с медью, высушенных при комнатных условиях [Розанова и соавт. 2014б]. По данным электронной микроскопии для кератинсодержащих композиций размер частиц больше, чем рекомендуемый при использовании закона Рэлея, частицы неоднородные по размеру.
В связи с этим был выбран турбидиметрический метод для определения размеров частиц систем, не подчиняющихся закону Рэлея, расчеты проводили с использованием уравнения Геллера. В исследовании применяли спектрофотометр «SHIMADZU UV-1800», который позволяет измерять оптическую плотность растворов в широком диапазоне длин волн. При использовании турбидиметрического метода для определения размеров частиц в содержащих кератин дисперсиях и растворах был выбран интервал длин волн от 240 нм до 800 нм. Отдельные результаты представлены в таблице.
По расчетным величинам диаметра статистического клубка, приведенным в таблице, были определены массы частиц по методике, предложенной в предыдущих исследованиях [Розанова и соавт. 2014в]. В результате предварительной оценки можно предположить, что в изученных растворах кератина находятся частицы, у которых размеры и масса соответствуют порядку величин, установленных для больших комплексов (характеристический размер диаметр сферы ~100 нм, молекулярная масса ~107 - 1012) [Кантор, Шиммел 1984].
Результаты расчета размеров частиц и их молекулярной массы в дисперсиях _перьевого кератина по турбидиметрическому методу_
Наличие поверхностно- Деструктирующий агент
активного вещества Сульфид натрия Сульфит натрия с Сульфит натрия с
медно-аммиачным аммиачным
комплексом комплексом серебра
d,нм Мч, Da d,нм Мч, Da d,нм Мч, Da
- 434,71 3,105 ■ 108 104,50 4,31-106 209,00 3,45-107
Plantacar 326,04 1,310108 284,24 8,68-107 242,44 5,39-107
Додецил сульфат натрия 434,71 3,105 ■ 108 254,98 6,27-107 246,62 5,67-107
Glydol №1003 428,44 2,972-108 229,90 4,59-107 280,06 8,30-107
Сульфонол АВС 405,45 2,519108 631,17 9,50-108 246,62 5,67-107
Texapon №70 376,19 2,012-108 125,40 7,45-106 280,06 8,30-107
Если сопоставить эти величины с размерами частиц на электронных снимках, приведенных на рисунках 1-6, то можно говорить о том, что исходная структура пера разрушена, потому что исходное волокно пера имеет однородный макроскопический диаметр приблизительно 5 мкм [Patent US W02005065301 A2. 2005].
Дисперсии, полученные при использовании в качестве деструктирующего агента сульфида натрия, содержат частицы белка размером от 326,04 нм до 434,71 нм.
Применяемые поверхностно-активные вещества позволяют уменьшить размер частиц;
8 8
средняя масса частиц варьирует от 1,310-10 до 3,105• 10 Ба. В случае использования сульфита натрия с медно-аммиачным комплексом природа ПАВ является доминирующей, разброс значений размеров частиц от 104,50 нм до 631,17 нм; средняя масса частиц соответственно от 4,31-106 до 9,50-108 Ба. Аммиачный комплекс серебра в составе с сульфитом натрия позволил получить дисперсии с размерами в интервале от 209,00 нм до 280,06 нм; средняя масса частиц составляла от 3,45-107 до 8,30-107 Ба, влияние ПАВ сказывалось в увеличении частиц. В исследованных разбавленных растворах и дисперсиях кератина диаметр статистического клубка в разы меньше размеров частиц в сухом виде (рис. 1-6), предположительно вследствие агрегации.
Формирование поверхности для каждого из составов имеет свои характерные особенности, которые определяются в первую очередь природой деструктирующих агентов. Как показывает анализ электронных снимков поверхности покрытий, при использовании составов с сульфидом натрия - это наличие пористой аморфной пленки, имеющей сходство со строением кожи. Для составов с сульфитом натрия и медноаммиачным комплексом наблюдаются упорядоченные дендритные структуры, собранные из частиц глобулярной и цилиндрической формы. Использование аммиачного комплекса серебра в составах с сульфитом натрия предопределяет появление хаотично переплетенных палочковидных частиц с небольшим количеством глобул. Влияние природы ПАВ в большей степени проявляется с составами на основе сульфита натрия и медно-аммиачного комплекса.
Таким образом, можно предполагать, что свойства кератинсодержащих дисперсий и процесс пленкообразования из этих систем подчиняются известным закономерностям и определяются тремя основными факторами: структурой и строением частиц, природой и характером распределения на их поверхности защитных веществ, составом дисперсионной среды.
Соболева Е
С
Розанова Е. Н Еськова А. А.
, Кометиани И. Б., Емельянов Н. А., Лопухина О. Н., Особенности формирования структуры поверхностей из кератинсодержащих дисперсий и растворов
1 ъ ЗШ - „ Щ
шштшь
д
чЛ {•? г-.' ;
V/'-Ж
ЩшШШШ
а¿■■Щш ЧЛ-- Ж'*:.- ..•
Сзр, ■;
23 10 2015 ГЗеП - НУ ' глад □ БрО( \ftfD mode I
15:33:47 ЕГО 2.00 кУ 512 X 3.0 10.1 тт БЕ Г
чар -ЙА-^;"-"-
йШШг
гк Я
Ж]
23.10.2015 СИ НУ тад □ К* У№ I тоЬе -
15:40:31 ЕГО 1.70 кУ 24 886 X 3 0 10.0 тт| ЭЕ
А) деструктирующий агент сульфид натрия
Б) деструктирующие агенты: сульфит натрия и медноаммиачный комплекс
В) деструктирующие агенты: сульфит натрия и аммиачный комплекс серебра
Рис. 1. Структура поверхности и частиц кератина без использования ПАВ с применением различных деструктирующих агентов
А) деструктирующий агент сульфид натрия
02.12.20151 det HV mag □ I spot WD mode 15:30:00 ETDH.OOkV 1 500 x | 3.0 111.0 mm SE
Б) деструктирующие агенты: сульфит натрия и медноаммиачный комплекс
В) деструктирующие агенты: сульфит натрия и аммиачный комплекс серебра
Рис. 2. Структура поверхности и частиц кератина с использованием неионного ПАВ Иа^асаг с применением различных деструктирующих агентов
Розанова Е. Н., Кометиани И. Б., Емельянов Н. А., Лопухина О. Н., Соболева Е. С., Еськова А. А. Особенности формирования структуры поверхностей
из кератинсодержащих дисперсий и растворов
. J-
: ÜSSt \ '
23.10.2015 det HV mag □ spot WD mode ■ 100 цт -
15:44:18 ETD 1.70 kV 939 x 3.0 10.3 mm SE 24
А) деструктирующий агент сульфид натрия
Б) деструктирующие агенты: сульфит натрия и медноаммиачный комплекс
Щ
¡¿Щ&г
г
В) деструктирующие агенты: сульфит натрия и аммиачный комплекс серебра
Рис. 3. Структура поверхности и частиц кератина с использованием анионного ПАВ ДСН с применением различных деструктирующих агентов
А) деструктирующий агент сульфид натрия
Б) деструктирующие агенты: сульфит натрия и медноаммиачный комплекс
В) деструктирующие агенты: сульфит натрия и аммиачный комплекс серебра
Рис. 4. Структура поверхности и частиц кератина с использованием анионного ПАВ 01уёо1 №1003 с применением различных деструктирующих агентов
Розанова Е. Н., Кометиани И. Б., Емельянов Н. А., Лопухина О. Н., Соболева Е. С., Еськова А. А. Особенности формирования структуры поверхностей
из кератинсодержащих дисперсий и растворов
А) деструктирующий агент сульфид натрия
Б) деструктирующие агенты: сульфит натрия и медноаммиачный комплекс
В) деструктирующие агенты: сульфит натрия и аммиачный комплекс серебра Рис. 5. Структура поверхности и частиц кератина с использованием анионного ПАВ Сульфонол АВС с применением различных деструктирующих агентов
А) деструктирующий агент сульфид натрия
В) деструктирующие агенты: сульфит натрия и аммиачный комплекс серебра Рис. 6. Структура поверхности и частиц кератина с использованием анионного ПАВ Texapon №70 с применением различных деструктирующих агентов
Розанова Е. Н., Кометиани И. Б., Емельянов Н. А., Лопухина О. Н., Соболева Е. С., Еськова А. А. Особенности формирования структуры поверхностей
из кератинсодержащих дисперсий и растворов Библиографический список
Далматов В.А., Порошин К.Т., Вайсберг И.Е., Вулах М.Г. А.с. СССР №63244, 1944. Способ получения искусственных волокон. Заяв. 13.03.1941 г.
Курильчиков А.А., Уханова З.В. А.с. СССР №132364. Способ получения химического волокна из смесей белков и поливинилового спирта. Заяв.17.11.1960 г.
Ли Гуаньци (CN) Патент RU 2271411. Протеиновое синтетическое волокно и способ его получения. Заяв. 31.12. 2002.
Зубов П.И., Сухарева Л.А. Структура и свойства полимерных покрытий. М.: Химия, 1982. 2S6 с.
Берлин А.А. А.с. СССР № 10217S. Способ получения растворимой или пластичной модификации кератина. Заяв. 07.06.19SS г.
Patent US W0200S06S301 A2. Polymer composites containing keratin. Barone Justin R., Shmidt Walter F. 21.07.200S.
Patent US 7148327 B2. Production of soluble keratin derivaties. Robert James Kelly, Gillian Helen Worth, Alisa Dawn Roddick-Lanzilotta. Keratec Limited. 12.12. 2006.
Кантор Ч., Шиммел П. Биофизическая химия. Т. 1-3: пер. с англ. М.: Мир, 1984
Розанова Е. Н. Влияние сульфида натрия в присутствии ПАВ на нативную структуру перьевого кератина / Е.Н. Розанова, И. Б. Кометиани, А. А. Еськова, О.Н. Лопухина, Е.С. Соболева // Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 201S. № 2 (06). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/006-003.pdf (дата обращения: 13.12.201S).
Розанова Е. Н. Получение растворимой формы белка перьевого кератина с помощью сульфита натрия в присутствии Cu2+ и различных ПАВ / Е.Н. Розанова, И.Б. Кометиани, А.А. Еськова, О.Н. Лопухина, Е.С. Соболева // 21 век: фундаментальная наука и технологии: сб. материалов IV Междунар. науч.-практич. конф., 16-17 июня 2014 г. North Charleston, USA, 2014а. С. 187-189.
Розанова Е.Н. Влияние ПАВ на морфологию комплексов меди и кератина, полученных деструкцией пера составами на основе сульфита натрия / Е.Н. Розанова, И.Б. Кометиани, А.А. Еськова, О.Н. Лопухина, Е.С. Соболева // Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2014б. № 3(3). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/003-004.pdf (дата обращения: 21.01.2016).
Розанова Е.Н. Использование турбидиметрического метода для определения размеров молекул белка и комплексов меди с кератином, полученных деструкцией пера составами на основе сульфита натрия / Е.Н. Розанова, Е.В. Грехнева, О.Н. Лопухина, Е.С. Соболева, А.А. Еськова // Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2014в. № 4(4). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/004-006.pdf (дата обращения: 29.01.2016).
Холмберг К. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах / К. Холмберг, Б. Йёнссон, Б. Кронберг, Б. Линдман; пер. с англ. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. S28 с.
