CC BY
112
УДК 544.776
ВЗАИМОДЕИСТВИЕ /-ЛИЗИНА С ДОДЕЦИЛСУЛЬФАТОМ НАТРИЯ
Россия, 308015 г. Белгород, ул. Победы 85
государственный
университет
С использованием кондуктометрического метода изучено поведение смесей L-лизина с анионным поверхностно-активным веществом додецилсульфатом натрия, обнаружено образование ассоциатов додецилсульфата и лизина по аминогруппе (^-комплекс) и по карбоксильной группе (Н-комплекс). Определены некоторые коллоидно-химические характеристики комплексов, установлено, что Н-комплекс более растворим при низкой температуре, чем ^-комплекс, а относительные количества ^-комплекса и Н-комплекса в системе зависят от соотношения алкилсульфат-лизина и от рН.
E-mail: [email protected]
Ключевые слова: поверхностно-активные вещества, алкилсуль-фаты, лизин, температура Крафта, критическая концентрация ми-целлообразования, электропроводность.
Введение
Биологическая ценность белка определяется количеством и соотношением отдельных аминокислот. Недостаток каждой из незаменимых аминокислот в пищевом или кормовом рационе приводит к нарушению обмена веществ, замедлению роста и развития. Сейчас в мире большую часть аминокислот производят на основе микробиологического синтеза [1]. Так, технология производства лизина (левовращающей формы Ь-лизина) основана на биосинтезе из мелассного, крахмального или другого вида сырья с последующей ионообменной очисткой препарата с получением кристаллического Ь-лизина. Ионообменная технология имеет ряд недостатков, поэтому актуальной является разработка альтернативных методов выделения аминокислот, например, с использованием поверхностно-активных веществ (ПАВ). Известно, что белки, протеины, а также входящие в их состав аминокислоты могут образовывать комплексы с анионными, катионными и неионными ПАВ [2-4]. Для разработки научных принципов извлечения аминокислот из смесей и их разделения с целью получения на их основе препаратов биологического, технического и медицинского назначения необходимо изучение взаимодействий в смесях ПАВ с аминокислотами.
Цель настоящей работы - изучение взаимодействия анионного поверхностноактивного вещества додецилсульфата натрия с Ь-лизином.
В работе использованы следующие вещества.
- Ь-лизин моногидрохлорид кристаллический - а,£-диаминокапроновая кислота, оптически активная левовращающая форма:
- Анионное поверхностно-активное вещество - додецилсульфат натрия CHз(CH2)llOSOзNa.
- Капроновая кислота СНз(СН2)£ООН.
Для изучения взаимодействия Ь-лизина с додецилсульфатом натрия использовали кондуктометрический метод, в частности, получали температурную зависимость электропроводности. Для этого при нагревании готовили растворы, содержащие ПАВ,
Экспериментальная часть
Н
I
NHjHCI
Ь-лизин или их смеси. Растворы охлаждали и выдерживали в течение суток при температуре, близкой к 0°С, для формирования кристаллогидратов. Образовавшуюся суспензию помещали в кондуктометрическую ячейку и измеряли электропроводность при нагревании со скоростью 0.3-0.5 град/мин. По политермам электропроводности определяли температуру начала мицеллообразования - температуру Крафта, а также отмечали особенности растворимости.
Поверхностное натяжение растворов измеряли методом отрыва кольца с помощью тензиометра «Kruss».
Результаты и обсуждение
На рис. 1 представлены политермы электропроводности водных растворов до-децилсульфата натрия при его постоянном содержании в системе (2%, т.е. 0,069
моль/л) с добавками лизина (от 0.2 до 3.2%) при рН=5.5.
Политерма 1, полученная для доде-цилсульфата натрия, имеет обычный вид, характерный для индивидуального ПАВ. На ней четко проявляется температура начала мицеллообразования, т.е. температура Крафта £кр2=12 °С. Все остальные политермы имеют вид, характерный для смесей ПАВ [5-7]. На них имеется несколько перегибов и «ступенек», что можно объяснить образованием двух видов ассоциатов, или комплексов ПАВ-лизин.
На всех политермах можно отметить начало заметного роста электропроводности при температуре около £кр1 = 6°С, что соответствует, по-видимому, растворению комплекса, образованного додецилсульфатом по карбоксильной группе лизина. Комплексу, образуемому по протонированной аминогруппе —^Нз+, тогда отвечает более высокая температура Крафта £крз=20°С. Температура ^р2, видимая на некоторых политермах, соответствует ^р самого додецилсульфата натрия.
Рис. 1. Политермы электропроводности водного раствора додецилсульфата натрия (С=0.0б9 моль/л) в присутствии L-лизина с концентрацией моль/л: 1 - о; 2 - 0.014; 3 - 0.028; 4 - 0.040; 5 - 0.068; 6 - 0.11; 7 - 0.136; 8 - 0.22. рН = 5.5.
Подтверждением образования ассоциата лизина с анионным ПАВ по карбоксильной группе (Н-комплекса) является взаимодействие додецилсульфата с капроновой кислотой - структурным аналогом лизина. На рис. 2 приведена политерма электропроводности додецилсульфата в присутствии капроновой кислоты, излом на которой можно объяснить образованием комплекса по карбоксильной группе с температурой Крафта ^р=4-5о- Следует отметить также, что описано, например, образование молекулярных комплексов алкилсульфатов с длинноцепочечными спиртами [8].
Образование комплекса по аминогруппе (^комплекса) можно объяснить следующим образом. Изоэлектрическая точка лизина р1 = 9.6 [9], и при рН = 5 он существует в катионной форме. Группы -NHз+ взаимодействуют с анионом алкилсульфата, образуя соль додецилсульфат лизина, которую можно рассматривать как вариант по-
36 /К, мСм
верхностно-активного вещества с органическим гидрофобным противоионом. Такие
поверхностно-активные вещества составляют отдельную группу и имеют характеристики, отличные от ПАВ с неорганическим противоионом [з, іо].
Для смесей додецилсульфата натрия с лизином (см. рис. і) с увеличением содержания лизина электропроводность раствора возрастает, и становится все более выраженным излом при ^рз, то есть равновесие смещается в сторону образования N-комплекса.
Рис. 2. Политермы электропроводности: і - водного раствора додецилсульфата натрия (0.069 моль/л), 2 - раствора додецилсульфата на-трия(0,0з5 моль/л) в присутствии капроновой кислоты (0.017 моль/л).
Для установления коллоидно-химических характеристик комплексов додецил-сульфата с лизином их выделили из смеси следующим образом. Суспензию, содержащую 0.069 моль/л додецилсульфата и о.із6 моль/л лизина, которой соответствует политерма 7 на рис.1, разделили на осадок и раствор при температуре і2оС. Выделенные кристаллы высушили, методом двухфазного титрования определили содержание додецилсульфата в выделенных кристаллах и в фильтрате.
Построили изотермы поверхностного натяжения в зависимости от концентрации ПАВ (рис.з). Для сравнения приведена изотерма поверхностного натяжения самого лизина (кривая і). Кривая 2 -изотерма для раствора выделенных из смеси кристаллов, на ней отмечается небольшой минимум с последующим выходом на плато, и можно определить критическую концентрацию мицеллообразова-ния вещества (ККМ), равную 0.0025 моль/л (в расчете на додецилсуль-фат натрия), что в з раза меньше ККМ самого алкилсульфата. А вот изотерма фильтрата (кривая з), несмотря на большое содержание додецилсульфата натрия (0.087 моль/л, что в іо раз выше ККМ самого алкилсульфата) еще не выходит на плато, т.е. этой концентрации не достаточно для мицел-лообразования. На рис. 4 приведены соответствующие политермы электропроводности для кристаллов и фильтрата. По политерме 2 хорошо определяется температура Крафта Н-комплекса.
Рис. 4. Политермы электропроводности водных растворов: і - лизин гидрохлорида, С=0,іі моль/л; 2 -кристаллы, выделенные при l2 °С из смеси додецил-сульфат натрия/лизин 0,069+0,із6 моль/л, Сас-і2 =
0,0і моль/л; з - фильтрат после выделения кристаллов, Сас-і2 = 0,087 моль/л; 4 - додецилсульфата натрия С= 0,069 моль/л.
Рис. 3. Изотермы поверхностного натяжения водных растворов: 1 - лизин (треугольники - значения по литературным данным); 2 - кристаллы, выделенные при 12 °С из смеси додецилсульфат натрия/лизин 0,069+0,136 моль/л; з - фильтрат; 4 - додецилсульфат натрия.
Таким образом, можно сформулировать коллоидно-химические свойства двух комплексов додецилсульфата натрия с лизином (табл.).
Равновесие между ком-
Таблица
Коллоидно-химические характеристики комплексов, образуемых додецилсульфатом натрия с лизином
плексами додецилсульфат-лизин двух типов зависит от рН. На рис. 5 представлены политермы электропроводности додецил-сульфата в присутствии лизина при различных значениях рН - 5; 8.9; 11.5. При рН=5-6 в растворе сосуществуют оба комплекса: Н-комплекс с £кр=5оС, и ^комплекс с гкр=20°С. При рН=8.9, близком к изоэлектриче-скому значению, образуется, по-видимому, преимущественно Н-комплекс с небольшой примесью ^-комплекса (участок аб на политерме 2) в присутствии свободного
Комплексы ■Г о о °мин? мН/м ККМ, моль/л
^-комплекс 20 40 0.0025
Н-комплекс 5-6 <43 >0.087
додецилсульфата
12оС. При
Рис. 5. Политермы электропроводности додецилсульфата натрия в присутствии лизина (0.069 моль/л + 0.22 моль/л) при различных значениях рН: 1 - 5-5-6; 2 - 8.86; 3 - 11.5
рН=11.5 образуется, по-видимому, только Н-комплекс. При увеличении рН электропроводность возрастает, поскольку Н-комплексы более растворимы.
Таким образом, образование ^-комплекса по аминогруппам происходит в области рН меньше изоэлектрической точки, а образование Н-комплекса происходит преимущественно в области рН>9, то есть по карбоксилатной группе, но и нейтральная карбоксильная группа способна образовывать Н-комплекс. Этот вывод подтверждается экспериментальными данными о взаимодействии алкилсульфатов с капроновой кислотой, которые описаны выше, а также соответствует имеющимся литературным данным -так, в работе [11] при исследовании ионного взаимодействия катионных ПАВ с анионным полэлектролитом - полиакриловой кислотой отмечается, что к такому взаимодействию способны не только частицы, несущие отрицательный заряд в щелочной среде, но и нейтральные.
Заключение
На основании исследования модельной системы додецилсульфат натрия/Х-лизин установлено, что лизин образует с алкилсульфатом комплексы двух типов - по аминогруппам ^-комплекс) и по карбоксильной (карбоксилатной) группе (Н-комплекс), отличающиеся по растворимости. Относительные количества ^-комплекса и Н-комплекса в системе зависят от соотношения алкилсульфат-лизин и от рН. С увеличением содержания лизина равновесие смещается в сторону образования ^-комплекса. В то время как комплекс по аминогруппам образуется при рН <9 (изоэлектрическая точка), Н-комплекс образуется в широком интервале рН, в том числе и в нейтральной изоэлектрической области. Таким образом, можно подобрать ПАВ и такие условия, которые будут избирательно образовывать преимущественно целевой комплекс.
Работа выполнена в рамках исполнения субподрядного договора по договору 13G.25.31.00069 от 22.10.10 за счет субсидии.
Список литературы
1. Попова Т.И. Развитие биотехнологии в СССР.- М.: Наука, 1988. - 200 с.
2. Мицеллообразование, солюбилизация и микроэмульсии / Под ред. К.Миттела.- М.: Мир, 1980. - 598 с.
3. Холмберг К., Йёнссон Б., Кронберг Б., Линдман Б. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. - 528 с.
4. Schwuger, M.J. Uber die Wechselwirkung zwischen Proteinen und Tensiden an der Modell-substanz Zein // Kolloid - Z.Z. fur Polym. - 1969. - Bund. 233. - № 1-2. - S. 898-905.
5. Schwuger, M.J. EinfluB von Gegenionen auf die Krafft-Punkte und die Adsorption von n-Tetradecylsulfaten / / Kolloid - Z.Z. fur Polym. - 1969. - Bund. 233. - № 1-2. - S. 979-985.
6. Гермашева, И.И. Параметры точки Крафта: методы определения, влияние структуры ПАВ и растворителя, практическое значение // Успехи коллоидной химии / Под ред. А.И. Русанова. - СПб.: Химия. - С. 82-107.
7. Глухарева Н.А., Плетнев М.Ю. Точки Крафта некоторых смесей на основе индивидуальных натриевых мыл // Коллоидн. журн. - 1995. - Т.57. - №2.- С. 272-274.
8. Гермашева И.И., Малкина В.В., Нисиневич Л.С. й-комплексы алкилсульфатов как новые ПАВ // Поверхностно-активные вещества и сырье для их производства. Сборник тезисов докладов IX конференции. - Белгород, 1996. - С. 24-25.
9. Органическая химия: Учебн. для вузов: В 2 кн. / В.Л. Белобородов, С.Э. Зурабин, А.П. Лузин, Н.А. Тюкавкина / Под. ред. Н.А. Тюкавкиной. - М.: Дрофа, 2002. - Кн. 1: Основной курс. - 640 с.
10. Alehyen S., Bensejjay F., Achouri M.El, Perez L., Infante M.R. Study of the Interaction Between Methyl Orange and Mono and Bis-Quaternary Ammonium Surfactants // J. Surfact. Det. -2010. Vol. - V. 13. - №2. - P. 225-231.
11. Kogei, K., Theunissan Е., Reynaers H. Effect of polyion charge density on the morphology of nanostructures in polyelectrolyte-surfactant complexes // Langmuir. - 2002. -Vol. 18. - № 23. -P.8799-8805.
THE INTERACTION OF L-LYSINE AND SODIUM DODECYLSULFATE
The behavior of mixtures of L-lysine and a surfactant sodium dodecylsulfate has been studied using conductometry. This method has helped to reveal the formation of associates of dodecylsulfate and lysine via amine group (W-complex) and carboxyl group (ff-complex). Some colloid characteristics of the complexes were determined, in particular, ff-complex was found to be more soluble at low temperature in comparison with W-complex. Relative quantities of both complexes in the system depend on the ratio alkylsulfate-lysine and pH.
Key words: surfactants, alkylsulfates, lysine, Kraft temperature, critical concentration of micelle formation, electroconductivity.
I.I. Germasheva N.A. Glukhareva G.V. Prokhorova
Belgorod State University
Pobedy St., 85, Belgorod,
308015, Russia
E-mail: glukhareva@bsu. edu.ru
