На правах рукописи

КУКУШКИНА АНАСТАСИЯ НИКОЛАЕВНА

КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭМУЛЬСИОННЫХ СИСТЕМ,

СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСАМИ БЫЧЬЕГО

СЫВОРОТОЧНОГО АЛЬБУМИНА С НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫМИ

ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ

Специальность: 02.00.11 – коллоидная химия и физико-химическая механика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва 2009 2

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Мурманский государственный технический университет» («МГТУ») на кафедре химии.

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Деркач Светлана Ростиславовна

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Симакова Галина Александровна;

доктор химических наук, профессор Грузинов Евгений Владимирович

Ведущая организация: Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Защита состоится “23” апреля 2009 г. в 1500 на заседании диссертационного совета Д 212.120.04 в Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова по адресу: 119571, г. Москва, пр. Вернадского, д.

86, МИТХТ им. М.В. Ломоносова

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова по адресу: 119571, г.

Москва, пр. Вернадского, д. 86, МИТХТ им. М.В. Ломоносова Отзывы на автореферат можно направлять по адресу:

119571, г. Москва, пр. Вернадского, д. 86, МИТХТ, им. М.В.Ломоносова

Автореферат размещен на сайте www.mitht.ru “23” марта 2009 г.

Автореферат разослан “23” марта 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Доктор химических наук, профессор Грицкова И.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Создание высококонцентрированных эмульсионных систем, необходимых для производства на их основе разнообразных пищевых продуктов, является важной проблемой современной коллоидной химии. Обычно для стабилизации таких эмульсий используются высокомолекулярные поверхностноактивные вещества (ПАВ) – белки, в том числе альбумины, причем достаточно часто они применяются в смесях с низкомолекулярными ПАВ.

Однако способы получения высококонцентрированных эмульсий масло/вода и их свойства представлены весьма скудно, что связано как со сложностью самой системы, так и взаимосвязи факторов, обеспечивающих ее устойчивость. В связи с этим, актуальной задачей является определение путей оптимизации процессов получения высококонцентрированных эмульсий, стабилизированных комплексами БСА с низкомолекулярными ПАВ, в целях улучшения качества создаваемых пищевых продуктов.

Цель работы Получение высококонцентрированных эмульсий масло/вода, стабилизированных комплексами БСА с низкомолекулярными ПАВ различной природы, и изучение их устойчивости и реологических свойств.

Научная новизна - Впервые установлен интервал молярных соотношений альбумина и низкомолекулярного ПАВ различной природы, в котором наблюдается высокая эмульгирующая способность белка и обеспечивается устойчивость капель эмульсии к коалесценции.

- Получены значения чисел связанных молекул ПАВ, констант связывания и коэффициента кооперативности при комплексообразовании БСА с ионогенными (ДСН, ЦТАБ, ОДМАХ и ЦПХ) и неионными (Твин-80) ПАВ.

- Определены термодинамические параметры межфазных адсорбционных слоев комплексов БСА с низкомолекулярными ПАВ. Показана возможность регулирования коллоидно-химических свойств межфазных адсорбционных слоев комплексов путем варьирования концентрации компонентов в системе.

- Рассчитаны значения адсорбции, толщины и коэффициента преломления межфазного адсорбционного слоя при различных молярных соотношениях [ПАВ]/[БСА] и показано, что при комплексообразовании белка и ПАВ наблюдается уменьшение этих значений.

- Показано, что увеличение молярного соотношения [ПАВ]/[БСА] приводит к уменьшению прочности и упруговязких свойств межфазных адсорбционных слоев.

Найдено критическое молярное соотношение компонентов, при котором упругость и вязкость межфазных слоев уменьшается на 3-4 порядка.

- Показано, что комплексообразование БСА с низкомолекулярными ПАВ является фактором, регулирующим реологическое поведение высококонцентрированных эмульсий.

- Установлено, что при концентрации низкомолекулярного ПАВ выше критического значения в системе наблюдается коалесценция эмульсии вследствие уменьшения вязкости и изменения состава межфазных стабилизирующих слоев.

Практическая значимость работы Предложены новые рецептуры эмульсий рыбьего жира, которые используются для наполнения рыбных полуфабрикатов, позволяющие повысить потребительские качества конечного продукта.

Автор защищает 1. Условия получения устойчивых высококонцентрированных эмульсий, стабилизированных комплексами БСА с низкомолекулярными ПАВ.

2. Результаты исследований объемных и поверхностных свойств смесей БСА с ионогенными и неионными ПАВ в широком интервале их молярных соотношений.

3. Данные по структурным и реологическим свойствам межфазных адсорбционных слоев комплексов БСА с низкомолекулярными ПАВ на жидких границах раздела 4. Результаты исследований реологического поведения высококонцентрированных эмульсий, стабилизированных БСА с ПАВ, проявляющегося при различных режимах сдвигового деформирования.

5. Закономерности изменения реологического поведения высококонцентрированных эмульсий вследствие уменьшения вязкости и изменения состава межфазных стабилизирующих слоев.

6. Разработку принципов создания рецептур эмульсионных систем, используемых в пищевой промышленности.

Апробация работы Результаты работы были представлены на ХХIII Симпозиуме по реологии (Валдай, 2006 г.), ХХIV Симпозиуме по реологии (Карачарово, 2008 г.); VI Международной конференции по лиотропным жидким кристаллам (Иваново, 2006 г.); Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам "Ломоносов-2006", "ЛомоносовМосква, 2006 г., 2007 г.); Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании» (Калининград, 2007 г., 2008 г.); Международной научнотехнической конференции «Наука и образование» (Мурманск, 2005 г., 2006 г., г.); Научно-технической конференции молодых ученых «Научно-практические проблемы химии и технологии комплексного использования минерального сырья Кольского полуострова» (Апатиты, 2007 г.); Научной сессии научного совета по коллоидной химии и физико-химической механике РАН «Применение ПАВ в пищевой промышленности» (Мурманск, 2008 г.); III Международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (Москва, 2008 г.).

Публикации По материалам диссертации опубликовано 6 статей (из которых статей в журналах из перечня ВАК) и 13 статей в материалах международных и российских конференций.

Структура и объем работы Диссертация изложена на 195 страницах машинописного текста и состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, результатов и их обсуждения, выводов, списка цитируемой литературы (277 наименований), приложения; включает 16 таблиц и 58 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разрабатываемой проблемы, сформулирована цель, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

Глава 1. В литературном обзоре проведен подробный анализ публикаций по реологическим свойствам концентрированных эмульсий и их устойчивости в системах, содержащих в качестве стабилизаторов белки и низкомолекулярные поверхностно-активные вещества. Рассмотрены результаты исследования реологических свойств межфазных адсорбционных слоев белков и их смесей с поверхностно-активными веществами и комплексообразования белков с ПАВ различной природы.

Глава 2. Объекты и методы исследования. Описаны вещества, материалы и методы исследования, использованные в работе. Бычий сывороточный альбумин (БСА) производства Sigma с содержанием белка 95 %. Катионные ПАВ: октадекенилбис-(2-гидроксоэтил)-метиламмоний хлорид (ОДМАХ), цетилтриметиламмоний бромид (ЦТАБ), цетилпиридиний хлорид (ЦПХ); анионное ПАВ: додецилсульфат натрия (ДСН); неионное ПАВ: полиоксиэтилен(20)сорбитан моноолеат (Твин-80).

Растворы готовили, используя бидистиллированную воду с удельной электрической проводимостью 6.7·10-6 Ом-1м-1 (при 22 °С). Смеси БСА с ПАВ получали смешением исходных водных растворов компонентов. В качестве антисептика добавляли азид натрия, 0.001 М.

Углеводородная фаза: толуол нормальный эталонный, ГОСТ 14710-78;

растительное масло, ГОСТ 1129.

Эмульсии получали диспергированием углеводородной и водной фазы при комнатной температуре с последующей седиментацией в течение 48 часов. Размер частиц дисперсной фазы измеряли с использованием оптического микроскопа Carlzeiss (Ergaval), снабженного фотонасадкой.

Реологические параметры высококонцентрированных эмульсий измеряли в условиях сдвиговой деформации с использованием реометра RheoStress 1 (Haake), измерительная ячейка «конус-плоскость», диаметр ячейки 60.002 мм, угол между образующей конуса и плоскостью 1.989 град, зазор между усеченной частью конуса при его вершине и плоскостью 0.104 мм.

Измерение реологических параметров межфазных адсорбционных слоев на границе раздела вода/воздух и вода/углеводород проводили на поверхностном эластовискозиметре. Межфазное натяжение измеряли методом Вильгельми.

Адсорбцию, толщину и коэффициент преломления межфазных адсорбционных слоев определяли методом эллипсометрии на эллипсометре (Optrel). Взаимодействие БСА с ПАВ в объеме водной фазы изучали методом флуоресценции с использованием спектрофлуориметра Элюмин-2М.

Глава 3. Результаты и их обсуждение 1. Взаимодействие БСА с ПАВ в объеме водной фазы Исследования взаимодействия БСА с низкомолекулярными ПАВ в объеме водной фазы проводили в широком диапазоне молярного соотношения компонентов [ПАВ]/[БСА]. Метод флуоресценции широко применяется для изучения избирательного связывания белками различных веществ. БСА, как и многие белки, содержит флуорофоры: два триптофана (Trp135, Trp214). Триптофан весьма чувствителен к полярности окружения, и спектры флуоресценции могут дать информацию о процессе связывания молекул ПАВ и конформационных изменениях белка.

На рис. 1 представлены зависимости относительной интенсивности флуоресценции БСА I /I0 (где I0, I – интенсивность флуоресценции БСА в отсутствие и в присутствии тушителя (ПАВ), соответственно) от концентрации ПАВ при постоянной концентрации белка в растворе CБСА=210-5 М. Относительная интенсивность флуоресценции резко уменьшается в определенном диапазоне концентраций ПАВ, что свидетельствует о сильном тушении флуоресценции БСА в присутствии ионогенных и неионных ПАВ и, соответственно, о связывании белком молекул ПАВ.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что наиболее эффективным тушителем является катионное ПАВ ЦПХ (кривая 3). Так, при низких концентрациях ЦПХ (1.0·10-4 М) до ККМ интенсивность флуоресценции составляет 60% от исходного значения интенсивности, соотношение компонентов при этом равно 5 молекул ЦПХ на макромолекулу белка. В качестве сравнения необходимо отметить, что в случае неионного ПАВ Твина-80 (кривая 2) изменение интенсивности флуоресценции БСА наблюдается лишь в области больших концентраций ПАВ (выше ККМ).

Полученные экспериментальные данные (рис. 1) в области низких концентраций ПАВ проанализированы в рамках уравнения Штерна-Фольмера где I0, I – интенсивность флуоресценции флуорофора (БСА) в отсутствие и в присутствии тушителя (ПАВ), соответственно; [Q] – концентрация тушителя (ПАВ); KSV – константа Штерна-Фольмера (константа тушения); kq – константа скорости реакции тушения; 0 – время жизни флуоресценции в отсутствии тушителя.

Определено истинное время жизни флуоресценции БСА 0, оно равно 3.910-9 с и не зависит от концентрации ПАВ, что свидетельствует о тушении по статическому механизму. Эти результаты совпадают с литературными данными. Линейный характер зависимостей интенсивности флуоресценции БСА от концентрации ПАВ (в рамках уравнения 1) свидетельствует об образовании комплекса БСА-ПАВ. При этом (в случае статического механизма тушения) константа Штерна-Фольмера KSV представляет собой константу равновесия образования комплекса (таблица 1).

Экспериментальные данные по тушению флуоресценции позволяют построить изотермы связывания и рассчитать максимальное число (n) молекул ПАВ, связанных одной молекулой белка, с учетом кооперативности процесса где - мольное соотношение [ПАВ]/[БСА], n – максимальное число лигандов (молекул ПАВ), связанных одной молекулой белка, K – константа связывания ПАВ белком, nН коэффициент кооперативности, [S] – концентрация лиганда (ПАВ).

Таблица 1. Параметры связывания ПАВ альбумином (БСА), рассчитанные по уравнению Штерна-Фольмера и по изотермам связывания, рН 5.7-6. При низких концентрациях ПАВ комплексообразование характеризуется