Получение и исследование химических свойчтв сорбционных комплексов на основе силикагеля

Одна из важных задач биотехнологии - разработка сорбционных материалов и дальнейшее их применение в медицине и медицинской промышленности в качестве материалов для сорбции.

Материалы, которые использовал человек в своей деятельности, всегда играли важную, а часто и определяющую роль в прогрессе цивилизации. История возникновения искусственных сорбционных материалов восходит к истокам цивилизации, когда человек начал сознательно конструировать новые полимерные материалы. Создание, изучение и использование полимерных сорбционных материалов — перспективная и бурно развивающаяся область современной биотехнологии.

Проблема, связанная с изучением структуры и сорбционных свойств биополимеров имеет актуальное значение. Актуальность определяет, во-первых, широким использованием биополимеров в химической, текстильной промышленности, а также в медицине и микробиологическом производстве. Во-вторых, фукоидан, казеин, хитин, целлюлоза воспроизводятся в природе, что делает их запасы неисчерпаемыми.

В связи с высокими требованиями к чистоте биотехнологических продуктов все более актуальной становится задача использования новых сорбционных материалов. Ключевым моментом в этом вопросе является создание механически стабильных сорбентов, способных обеспечивать высокий выход биологически активных целевых продуктов и обладающих способностью к многократному использованию. Энтеросорбенты, используемые для связывания метаболитов, токсинов и других веществ в пищеварительном тракте перспективны при решении проблем регулирования питания человека, для снижения поступления в организм экологически вредных веществ (в том числе радионуклидов, пестицидов, тяжелых металлов), профилактики и лечения ряда заболеваний.

В связи с этим актуальной является проблема создания эффективного и безопасного энтеросорбента, предназначенного для очищения организма от токсикантов лекарственных препаратов.

Цель работы и задачи исследования.

Целью настоящей работы является разработка сорбентов с заданными свойствами на основе природного полимера.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. синтезировать сорбенты на основе казеина и силикагеля с различным содержанием природного полимера;

2. изучить сорбционную емкость разработанных сорбентов относительно лекарственных веществ;

3. оптимизировать факторы: удельной поверхности носителя и массовой доли казеина, влияющих на адсорбционные свойства сорбентов;

4. рассмотреть возможности использования разработанных сорбентов в качестве основы для сорбции относительно избытка лекарственных препаратов, могущих вызывать отравления.

Для решения выше изложенных задач наиболее перспективными являются биосорбенты, например белки, которые в организме высших животных выполняют различные функции. Белки, являясь полисорбентами из-за присутствия большого числа возможных центров связывания, расположенных в боковых радикалах аминокислот обладают вместе с тем определенной специфичностью. Блокирование отдельных функциональных групп белков посредством использования растворов с блокираторами (ингибиторами или лигандами), а так же иммобилизация их на жесткой матрице позволит получить биосорбенты обладающие специфичностью, стабильностью и высокой сорбционной емкостью.

В качестве материалов используемых для синтеза сорбентов использовался силикагель, в качестве модификатора поверхности сорбентов использовались различные виды казеина.

Объектами исследования служили синтезированные сорбенты.

1. 1. История создания и развития сорбционных и полимерных материалов

Первые упоминания об сорбционных строительных материалах можно найти в Библии. Биофильтры и сорбенты - это большой класс препаратов, которые способны к выделению из организма самых различных токсических веществ. В Египте и Месопотамии строили речные суда из тростника, пропитанного битумом (прототип современных стеклопластиковых лодок и тральщиков). Изготовление мумий в Египте можно считать первым примером использования метода ленточной намотки (мумии обматывались лентой из ткани, пропитанной смолой). Все это происходило за тысячелетия до новой эры. Конечно же, здесь следует упомянуть и о природных сорбционных материалах, таких, как дерево, кости и прочие. Словом, история полимерных композитов чрезвычайно стара.

В 50-х годах наблюдался новый виток развития сорбентов. Этому предшествовали исследования греческих ученых, показавшие, что с помощью активированных углей можно эффективно выводить из организма, путем очищения крови, токсические продукты, которые образуются в организме в результате заболеваний (например, почек). Это дало толчок к развитию в области сорбентов. Однако настоящий бум в современном материаловедении возник в конце первой половины ХХ века, когда появились хорошие прочные и легкие стеклопластики и разнообразные полимерные материалы.

1. 2. Современные полимерные сорбционные материалы

Сорбенты выступают в роли универсального материала при одном и том же составе, выполняющем несколько функций. Если они несут какие-то биологические добавки (или природные компоненты), то их можно рассматривать как иммобилизованные лекарственные вещества. Если же эти добавки сидят прочно и работают только локально (это могут быть ферменты, белки, липиды, полисахариды), то относятся к биоматериалам.

Для получения сорбентов используется огромное число носителей, как органических, так и неорганических. Основные требования, предъявляемые к материалам, следующие: 1) достаточная химическая и биологическая стойкость; 2) механическая прочность; 3) достаточная проницаемость; 4)возможность получения в виде удобных в технологическом отношении форм (гранул, мембран и т. д. ); 5) гидрофильность; 6) невысокая стоимость.

Существующую в настоящее время классификацию органических полимерных носителей можно представить схематически следующим образом .

Рисунок 1 - Классификация органических полимерных носителей

К рассматриваемым носителям предъявляется ряд дополнительных требований, обусловленных методом иммобилизации, свойствами иммобилизируемого вещества и способом дальнейшего использования препарата.

Одно из основных направлений биотехнологии предусматривает разработку сорбционных материалов и дальнейшее их применение в медицине и медицинской промышленности в качестве материалов для энтеросорбции.

В зависимости от того, каким комплексом характеристик обладает тот или иной сорбент, проявляются его терапевтические свойства как энтеросорбента. Анализируя предъявляемые нормативными документами и клинической практикой требования к энтеросорбентам, можно выделить комплекс свойств, присущих как бы «идеальному» энтеросорбенту: полная безвредность и нетоксичность; высокая биосовместимость с тканями, кровью и другими биосубстратами организма; неповреждающее действие на слизистые оболочки ротовой полости, пищевода, желудочно-кишечного тракта; избирательная сорбция среднемолекулярных токсичных метаболитов; высокая адсорбционная емкость.

Энтеросорбенты — продукты, используемые для связывания метаболитов, токсинов и других веществ в пищеварительном тракте. Они перспективны при решении проблем регулирования питания человека, для снижения поступления в организм экологически вредных веществ (в том числе радионуклидов, пестицидов, тяжелых металлов), профилактики и лечения ряда заболеваний.

Тормозят клиническое использование энтеросорбентов их некоторые особенности. Типичным примером, демонстрирующим преимущества и сложности медицинского использования энтеросорбентов, является активированный уголь. Многие годы он известен как активный поглотитель различных химических соединений, лекарственных средств, продуктов метаболизма и токсических веществ. Исследована методом гемосорбции возможность использования гранулированного активированного угля для лечения больных с хронической почечной недостаточностью и острыми отравлениями. Однако, в 1965 году были обнаружены нежелательные последствия, которые возникают в результате применения угля: извлечение форменных элементов из крови. Более того, оказалось, что пылевые частицы, выделявшиеся из гранул угля, попадали в кровоток. Следствием этих побочных эффектов явилось почти полное отсутствие обстоятельных публикаций по клиническому применению гемосорбции на активированных углях после.

1. 3. Природные полимеры

Большое значение природных полимеров в качестве носителей для иммобилизации объясняется их доступностью и наличием реакционно-способных функциональных групп (в исходном или модифицированном препарате), легко вступающих в различные химические реакции, а также высокой гидрофильностью.

Очень часто для иммобилизации используют полисахариды, белки и их производные.

Полисахариды - это высокомолекулярные соединения, содержащие более 10 разнообразных моносахаридных или олигосахаридных остатков, соединенных О-гликозидными связями и образующих линейные или разветвленные цепи.

В зависимости от моносахаридного состава полисахариды делятся на классы: 1. Гомополисахариды состоят из мономеров одного типа; 2. Гетерополисахариды - из остатков различных мономеров.

В составе полисахаридов обнаружено свыше 20 различных моносахаридов: гексозы (глюкоза, галактоза, фруктоза), пентозы (ксилоза, арабиноза), аминосахара (глюкозамин, галактозамин), дезоксисахара (фукоза, рамноза), уроновые кислоты (глюкуроновая кислота).

Полисахариды - это аморфные, редко кристаллические вещества, не растворимые в спирте и неполярных органических растворителях. Растворимость в воде варьирует: некоторые линейные гомополисахариды (ксиланы, целлюлоза, хитин) в воде не растворяются из-за прочных межмолекулярных связей. Сложные и разветвленные полисахариды либо растворяются в воде (гликоген, декстраны), либо образуют гели (агар-агар, пектины, альгиновые кислоты). Полисахариды подвергаются кислотному или ферментативному гидролизу с образованием моно- или олигосахаридов.

Полисахариды выполняют в организмах важные функции. По биологическому значению их делят на:

1) Запасные или энергетические (крахмал, гликоген, инулин).

2) Конструктивные (целлюлоза или клетчатка образуют растительную стенку; муреин - это вещество, которое входит в состав стенки бактерий; хитин - входит в состав клеточной стенки).

3) Физиологически активные (гиалуроновая кислота, гепарин, фукоидан).

Целлюлоза отличается высокой степенью гидрофильности, а наличие большого числа гидроксильных групп дает возможность ее легко модифицировать путем введения различных заместителей.

Для увеличения механической прочности ее гранулируют путем частичного гидролиза, в результате которого разрушаются ее аморфные участки. Гранулированная целлюлоза благодаря простоте получения, сравнительно низкой стоимости относится к удобным носителям для иммобилизации.

Белки являются одним из важнейших классов соединений, компонентов клетки. С химической точки зрения белки представляют собой высокомолекулярные соединения, состоящие из (-аминокислот. В состав одной молекулы может входить несколько сотен или даже тысяч остатков аминокислот.

1. 4. Казеин – биополимер молока

Белки, являясь одним из важнейших классов соединений, с химической точки зрения представляет собой высокомолекулярные соединения, состоящие из (– аминокислот. Именно этот факт послужил основой для использования их в качестве компонента для модифицирования поверхности сорбентов. Решение этого вопроса основывается на применении казеина в качестве белкового компонента для иммобилизации на твердом носителе.

Казеин – белок молока, фосфопротеин. В чистом виде представляет собой белый аморфный гигроскопический порошок без запаха и вкуса. Казеин проявляет широкий диапазон функциональных свойств, например, термостабильность, способность связывать воду, коагулировать. Кроме того его адгезионные и поверхностно-активные свойства в большей степени обусловлены уникальным расположением гидрофобно-гидрофильных структур в молекуле белка, что играет существенную роль в вопросе иммобилизации.

Казеин состоит из смеси различных фракций, разделение которых осуществляют по степени растворимости в различных веществах при разной температуре, а также по электрофоретической подвижности.

Нефракционированный казеин - фосфопротеиды, осаждаемые из сырого молока при подкислении его до рН 4,6 при 20 (С. Содержит фосфор.

Группа (S-казеинов - основная группа белков казеина, осаждаемая в 0,4 М растворе CaCl2 при рН 7 и 0- 4 (С, нерастворима в 4,06 М растворе мочевины. Обладает наибольшей из всех фракций казеина электрофоретической подвижностью, подразделяется на (S1-,(S2- и (S0-казеины.

(-казеин - фракция растворима в 4,6 М растворе мочевины, но нерастворима в 3,3 М растворе мочевины при рН 4,6. В отличие от (S1- и (S2-казеинов эта фракция растворима при низких температурах и может в значительных количествах переходить из мицелл казеина в плазму. Это наиболее гидрофобная фракция казеина.

(-казеин - фракция растворима в 0, 4М растворе CaCl2 при рН 7,0 и температуре 0-4 (С. Отличительные свойства: имеет хорошую растворимость, не осаждается ионами кальция, что объясняется наличием в его молекуле большого количества –ОН групп.

Группа ( - казеинов - фракция растворима в 3,3 М растворе мочевины, но нерастворима в 1,7 М растворе мочевины при рН 4,7 после добавления (NH4)2SO4.

1. 5. Носители на основе кремнеземов

Минеральные носители, применяемые в адсорбции, катализе и хроматографии, весьма разнообразны по своим свойствам. Наиболее универсальны аморфные пористые кремнеземы, так как их структурные характеристики (величина поверхности, диаметр и объем пор, размер частиц и их прочность) можно изменять в широком интервале. Эти носители обладают рядом достоинств: механическая прочность и химическая инертность, наличие жесткого скелета, структура которого не зависит от природы растворителя, устойчивость к воздействию микроорганизмов, незначительная собственная каталитическая активность, что резко снижает вероятность протекания нежелательных побочных реакций на нем, легкость регенерирования, ненабухаемость в растворах. К аморфным кремнеземам относятся такие различные по строению дисперсные твердые вещества как силикагель, аэросил, аэросилогели, пористые стекла.

Силикагель – это продукт поликонденсации ортокремневой кислоты, которая образуется из силиката натрия в момент его обработки водными растворами кислот (nSiO2·mH2O) при pH > 5—6. Процесс поликонденсации схематически можно представить следующим образом:

НО – Si – OH

H ортокремниевая силикагель кислота

Для увеличения пор в структуре силикагеля его подвергают гидротермальной обработке при различных температурах и давлении водяного пара. Силикагель представляет собой комплекс сферических частиц, от размера и плотности упаковки которых, в соответствии с корпускулярной теории строения силикагеля, зависит величина его удельной поверхности, объема пор и их размера. Отличительной особенностью силикагеля является непостоянство строения остова и структурных свойств поверхности, которые могут меняться в зависимости от условий и сроков хранения данных кремнеземов. Это связано с фактом старения силикагелей, которое сопровождается увеличением размера глобул и изменением пористости.

1. 6. Влияние тяжёлых металлов на биологические объекты

Проблема тяжёлых металлов в современных условиях глобальная и связана с загрязнением почвы и воды редкими и рассеянными элементами, обладающими биоцидным действием, например, ртутью, кадмием, свинцом, мышьяком и другими. Загрязнение ими почвы и воды обеспечивает их стабильную концентрацию в продуктах питания и кормах. Это приводит к накоплению тяжёлых металлов вдоль пищевой цепи, к тяжелым заболеваниям человека и животных. К тяжелым металлам относятся химические элементы (металлы) с атомной массой более 40, однако не все тяжелые металлы токсичны. Справедливо использовать понятие "тяжелые металлы", когда речь идет об опасных для человека концентрациях элемента.

Цинк (Zn) - один из главных микроэлементов: он входит в состав ферментов, обуславливающих и регулирующих многие жизненные процессы, принимает участие в биосинтезе РНК, хлорофилла, в углеводном и фосфатном обмене.

Главным симптомом отравления цинком является местное раздражение слизистой оболочки желудка (рвота, боли и др. ); дети особенно чувствительны к цинку, отравления у них протекают тяжелее.

При избыточном поступлении цинка в организм человека возможно канцерогенное влияние и, следовательно, возникновение раковых заболеваний внутренних органов; цинк оказывает также токсичное действие на сердце, печень и кровеносную систему.

Цинк плохо всасывается и оказывает в основном местное раздражающее действие на слизистую желудка. Симптомы отравления появляются очень быстро (от нескольких минут до 2—3 ч после поступления цинка) и проявляются в виде тошноты, рвоты, расстройства желудка. При воздействии на органы дыхания паров или частиц цинка возникает “литейная” лихорадка, признаками которой являются сладковатый вкус во рту, жажда, усталость, разбитость, тошнота и рвота, боли в груди, покраснение конъюнктивы и зева, сухой кашель. Через 2—3 ч появляется сильный озноб, температура поднимается до 38—40 °С, через несколько часов резко падает, сопровождаясь обильным потоотделением.

В тяжелых случаях могут развиться пневмония и отек легких. Попадание цинковых соединений через рот вызывает ожог слизистой оболочки рта и пищеварительного тракта, проявляющийся резкой болью в животе, упорной рвотой с примесью крови, судорогами икроножных мышц, признаками почечной недостаточности, коллапсом.

Избыточное поступление микроэлемента цинк может понизить общее содержание и поступление в организм такого важного элемента, как медь. Для человека ПДК цинка 545 (2725 мг/дм3). Порог токсичности для цинка составляет 600 мг/день.

Таким образом, обычные микроэлементы, когда их концентрация в организме превышает биотическую концентрацию, проявляют токсическое действие на организм. В связи с этим актуальна разработка сорбентов для нейтрализации больших концентраций тяжелых металлов при их попадании в организм человека.

ГЛАВА II. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2. 1. Организация работы и методы планирования эксперимента

Работа выполнялась на кафедре биологической и медицинской химии Ставропольского государственного университета. Для проведения работы была разработана схема проведения исследования

2. 2. Выделение казеина. .

2. 2. 1. Получение лимоннокислого казеина из сухого молока

100 г сухого молока растирают в 500 мл воды, где уже растворено 5 г лимонной кислоты. Раствор взбивают, затем центрифугируют. Так повторяют несколько раз (отмывка). Полученный осадок высушивают в сушильном шкафу. Оптимум внесения лимонной кислоты 0,542 % при t=250С, 0,452 % при t=40 (С и 0,362 % при температуре 55 (С. Дальнейшее увеличение внесения лимонной кислоты приводит к перезарядке мицелл казеина и переходу белка в сыворотку.

2. 2. 2. Получение нативного казеина методом флокуляции

К 500 мл обезжиренного молока с содержанием белка 3,5 %, кислотностью 18 (Т и температурой 40 (С добавили 150 мл 2 %раствора метилцеллюлозы, растворенной в дистиллированной воде при той же температуре. Смесь перемешивали 2 минуты, выдерживали для расслоения 10 часов при температуре 10-12 (С. Отделяли полученный белковый концентрат от полисахаридной фазы в делительной воронке.

2. 2. 3. Получение казеина кислотно-сычужным способом

Под влиянием фермента пепсина происходит створаживание молока, т. к. пепсин обладает способностью превращать казеиноген в казеин, кальциевые соли которого нерастворимы в воде. В колбу отмеривают 100 мл предварительно разведенного в 20 раз молока, добавляют 10 мл 1%-ного раствора пепсина и 10 мл 30-40%-ного раствора хлористого кальция и помещают на 10-15 минут в термостат при температуре 37-42 (С. По истечении указанного времени казеин выпадает в осадок. Готовый сгусток прессуют и оставляют на 1 ч для выделения сыворотки.

2. 2. 4. Получение солянокислого казеина

К 500 мл молока разбавляют 1 л дистиллированной воды. К раствору добавляют 6 мл соляной кислоты. Полученную сыворотку отфильтровывают, а белковую массу хорошо отжимают и несколько раз водой. Промытый казеин растирают в фарфоровой чашке с небольшим количеством 0,1% раствора NaOH. Кашицу нейтрализуют раствором уксусной кислоты, переносят в стакан и оставляют при комнатной температуре на 10-12 часов. Выступивший на поверхности жир отделяют, а казеин подкисляют уксусной кислотой (6-10 мл), осадок казеина отфильтровывают, промывают и высушивают.

2. 2. 5. Получение уксуснокислого казеина

К 100 мл молока разбавляют равным количеством дистиллированной воды и осаждают казеин 10 мл 10% раствора уксусной кислоты. Реакцию среды определяют на рН-метре (изоэлектрическая точка казеина рН = 4,7). Выделившийся в виде хлопьев казеин отфильтровывают через полотно и промывают дистиллированной водой 2-3 раза.

2. 2. 6. Получение сернокислого казеина

К 500 мл обезжиренного молока, нагретого до температуры 40—50 °С, при помешивании приливают медленной струёй разбавленную водой серную кислоту в соотношении 1 : 15 до тех пор, пока сыворотка не станет прозрачного цвета. Реакцию среды определяют на рН-метре (изоэлектрическая точка казеина рН = 4,7). Выделившийся в виде хлопьев казеин отфильтровывают через полотно и промывают дистиллированной водой 2-3 раза.

2. 3. Получение сорбентов

К 5 г силикагеля добавляли 50 см3 дистиллированной воды и 10 см3 растворителя, в котором предварительно растворен казеин. Смесь оставляли созревать при комнатной температуре в течение 24 часов. Затем термически обрабатывали ее при температуре 120 ºС и рассеивали сорбент через сита. Полученный таким образом сорбент пятикратно отмывали дистиллированной водой по 50 см3, до рН промывных вод 7-7,5. В качестве растворителя белкового комплекса казеина для получения сорбентов использовали 10% р-р гидроксида натрия.

2. 4. Приготовление «искусственного» желудочного сока

В колбу вместимостью 1000 мл количественно переносят 7,0 мл концентрированной соляной кислоты. Затем растворяют в ней 2,0 г хлорида натрия (NaCl) и объем раствора доводят дистиллированной водой до метки. pH = 1,20 0,05.

2. 5. Приготовление растворов металлов

Для приготовления раствора цинка растворяли 0,05 г цинка в 50% азотной кислоте. Готовили раствор концентрации 50 мг цинка в 100 мл раствора – 0,5 мг/мл. Для приготовления раствора 100 мл необходимо 50 мг металлического цинка поместить в мерную колбу на 100 мл, растворить цинк в 20 с3 50% азотной кислоты и довести до 100 мл азотной кислотой с концентрацией 1 моль/дм3.

2. 6. Определение сорбционной емкости

Сорбционная емкость исследовалась по количеству сорбированных ионов цинка из стандартных растворов. Сорбционную емкость рассчитывают по формуле: где Сихс и Сравн - исходная и равновесная концентрация ионов цинка, моль/л; V - объем раствора соли металла, мл; m - масса сухого вещества, г.

2. 7. Метод определения кажущейся плотности сорбента

Кажущаяся плотность (δ, г/см3) - вес единицы объем пористого материала или частичек сорбента. Определяется насыпным методом. Для этого в мерный, предварительно взвешенный цилиндр на 100 см3 свободно насыпают сорбент со стандартным уплотнением (засыпают отдельными порциями при легком постукивании по стенке цилиндра) до метки цилиндра. Затем цилиндр или высыпанный сорбент взвешивают с точностью до 0,01 г. Частное от деления массы сорбента (М) на объем (V) является кажущейся плотностью.

δ = М/V, г/см3, где М – масса сорбента, г; V – объем, который занимает сорбент в мерном цилиндре, см3.

2. 8. Определение микроэлементов атомно-абсорбционном методом анализа

Атомно-абсорбционный анализ является одним из наиболее распространенных методов аналитической химии. Пробы переводят в раствор, распыляют и подают аэрозолем в пламя. Растворитель испаряется; соли разлагаются, а металлы переходят в парообразное состояние, при котором, они способны поглощать излучение той длины волны, которую могли бы сами излучать при более высоких температурах. Луч света от лампы полого катода, излучающий дуговой спектр определяемого элемента, направляется через пламя на щель спектрометра, с помощью которого выделяется аналитическая спектральная линия и измеряется степень поглощения ее интенсивности парами определяемого элемента. Связь между оптической плотностью поглощающего слоя пламени (D) и концентрацией элемента в растворе (С) выражается зависимостью:

, где, Kλ- коэффициент, зависящий от длины волны света, l- длина поглощающего слоя. Концентрацию анализируемых растворов определяют, сравнивая их поглощение с поглощением стандартных растворов изучаемых элементов. При получении стандартного раствора используют тот же растворитель, как и при получении анализируемых растворов.

2. 8. 1. Определение цинка в растворе

Раствор вводят в воздушно-ацетиленовое пламя. При определении используют аналитическую линию цинка 2139 А. Запасной стандартный раствор цинка (раствор А) — в мерную колбу вместимостью 1 дм3 помещают 1 г гранулированного цинка и растворяют его в 7 см3 соляной разбавленной кислоты (1:1). Объем раствора до метки доводят дистиллированной водой. Полученный раствор содержит цинка 1 мг/см3. Рабочий стандартный раствор цинка (раствор Б) — в мерную колбу вместимостью 100 см3 помещают 2 см3 раствора А. Объем раствора доводят до метки соляной кислотой (1:15). Раствор содержит 20 мкг/см3 цинка.

2. 8. 2. Приготовление растворов сравнения

В пять мерных колб вместимостью 100 см3 помещают указанные в таблице 1 объемы раствора Б, объемы раствора до метки доводят разбавленной соляной кислотой (1:15). По результатам фотометрирования образцовых растворов строят градуировочный график. На оси абсцисс откладывают массовую концентрацию цинка в растворе сравнения (млн-1, мг/кг), соответствующую образцовому раствору, а на оси ординат - показания измерительного прибора.

Таблица 1 - Приготовление растворов сравнения. Приложение 3.

2. 8. 3. Проведение анализа

Атомно-абсорбционный спектрофотометр настраивают на определение цинка. Вводят в пламя первый и пятый образцовые растворы для установления размаха шкалы. Фотометрируют всю шкалу, а затем анализируемые растворы золы. После проведения 10-15 измерений корректируют настройку прибора, вводя в пламя первый и третий образцовые растворы. Используя градуировочный график, находят массовую концентрацию цинка в растительном материале (млн-1, мг/кг) по формуле:

Х = αМ-k, где, М — массовая концентрация цинка в растворе золы в пересчете на массовую долю цинка в исследуемом материале, найденная по градуировочному графику; α — коэффициент, учитывающий разбавление раствора золы перед анализом; k— массовая концентрация цинка в растворе контрольного опыта в пересчете на массовую долю меди в исследуемом материале, найденная по градуировочному графику.

ГЛАВА III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3. 1. Синтез сорбентов

В качестве основного компонента синтеза выбран силикагель - материал на основе кремния Si, поверхность которого содержит группы способные к участию в ковалентном связывании марки Л 5/40 ( для тонкослойной хроматографии Chemapol PRAHA и казеин, который, встречающейся в виде естественного компонента в молочных пищевых продуктах.

Казеин имеет уникальное расположение гидрофобно-гидрофильных структур, обусловливающих их отличие в поверхностно-активных свойствах этого белка от других, и обладает более слабым поверхностным натяжением, что способствует более полной адсорбции на поверхности.

Для получения сорбента к 5 г силикагеля добавляли 50 – 100 мл дистиллированной воды и 5 –15%-ный раствор гидроксида натрия объемом 10-20 мл с растворенной в нем навеской казеина в различном количественном соотношении. Согласно физико-химическим свойствам, казеин является кислотным белком, поэтому хорошо растворяется в растворах щелочей с образованием казеинатов. При концентрации раствора гидроксида натрия ниже 5 % невозможно достичь полного растворения казеина, выше 15 % - может наступить необратимая денатурация белка.

Полученную суспензию оставляли созревать при температуре 20 ºС в течение 18 - 24 часов. Время созревания обусловлено протеканием процессов конденсации с участием групп силикагеля. Менее 18 часов не происходит полного вызревания гидрогеля, а более 24 часов наблюдаются процессы старения гидрогеля. Формирование жесткого остова сорбента проводят при тщательном перемешивании в течение 0,5-1,5 часов при температуре 100 – 130 ºС. При этих условиях происходит полное превращение гидрогеля в ксерогель. При этом объем гидрогеля уменьшается за счет действия капиллярных сил. Ниже 100 ºС не происходит полного формирования гранул ксерогеля. Повышение температуры выше 130 ºС приводит к разрушению белковой структуры казеина. Полученный сорбент просеивают через сито с размером ячеек 200-250 мкм, что объясняется максимально возможной рабочей поверхностью гранул.

Схема технологии получения сорбентов на основе казеина, иммобилизованного на силикагеле, представлена на рисунке 4. Приложение 4.

Рисунок 4 - Схема получение сорбента на основе казеина и силикагеля

В ходе эксперимента были приготовлены шесть серий сорбентов с различным процентным содержанием силикагеля и казеина, в качестве стандарта был взят чистый силикагель для сравнения. Данные представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Соотношение компонентов при получении сорбентов. .

На первоначальном этапе для получения сорбентов нами был использован казеин пищевой молотый ТУ 9229-001-15358584-97, Россия.

3. 2. Исследование сорбционной емкости полученных сорбентов

Целесообразным было оценить влияние массовой доли казеина в сорбенте на изменение сорбционной емкости. Проводилось исследование эффективность использования полученных сорбентов как средств, предназначенных для очищения организма от токсичных доз тяжелых металлов, в частности цинка.

Сорбенты залили раствором цинка по 10 мл, таким образом, в каждую пробу было внесено по 500 мкг цинка. После перемешивания сорбенты поставили в термостат при 37 (С на 2 часа, затем центрифугировали.

Количество сорбированного цинка в анализируемых сорбентах определяли на атомно-адсорбционном спектрофотометре. Данные представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Содержания цинка в пробах.

На основе полученных данных производился расчет сорбированного цинка на носителе. 50 мкг/мл – концентрация, объем 10 мл. Т. е. 50(10=500 мкг в каждой пробе.

Проба №1. В фильтрате 41,5 мкг/мл, учитывая объем 10 мл т. е. в 41,52(10 = 415 мкг цинка. Поглощенное количество цинка 500 – 416 = 84 мкг в %. Это составит 84(100 /500 = 16,8 %.

Проба №2. В фильтрате 39,3 мкг/мл, учитывая объем 10 мл т. е. в 39,3(10 = 393 мкг цинка. Поглощенное количество цинка 500 – 393 = 107 мкг в %. Это составит 107(100 /500 = 21,4 %.

Проба №3. В фильтрате 36,3 мкг/мл, учитывая объем 10 мл т. е. в 36,3(10 = 363 мкг цинка. Поглощенное количество цинка 500 – 363 = 137 мкг в %. Это составит 137(100 /500 = 27,4 %.

Проба №4. В фильтрате 35,4 мкг/мл, учитывая объем 10 мл т. е. в 35,4(10 = 354 мкг цинка. Поглощенное количество цинка 500 – 354 = 146 мкг в %. Это составит 146(100 /500 = 29,2 %.

Проба №5. В фильтрате 34,2 мкг/мл, учитывая объем 10 мл т. е. в 34,2(10=342 мкг цинка. Поглощенное количество цинка 500 – 342 = 158 мкг в %. Это составит 158(100 /500 = 31,6 %.

Проба №6. В фильтрате 32,9 мкг/мл, учитывая объем 10 мл т. е. в 32,9(10=329 мкг цинка. Поглощенное количество цинка 500 – 329 = 171 мкг в %. Это составит 171(100 /500 = 34,2 %.

Проба №7. В фильтрате 43,8 мкг/мл, учитывая объем 10 мл т. е. в 43,8(10 = 438 мкг цинка. Поглощенное количество цинка 500 – 438 = 62 мкг в %. Это составит 32(100 /500 = 12,4 %.

Таким образом, как следует из полученных данных, в ходе модификации силикагеля казеином при увеличении массовой доли силикагеля в сорбенте происходит повышение сорбционной емкости до определенного предела. Следовательно, наилучшими соотношениями силикагель : казеин для адсорбции по цинку являются соотношения 95%:5% (далее образец 1) и 90%:10% (далее образец 2) соответственно.

3. 3. Влияния способа выделения казеина на сорбционную емкость

Нами была поставлена задача исследования влияния способа выделения казеина на сорбционные свойства разработанных комплексов. Были получены следующие шесть видов казеина

Для дальнейшего исследования были взяты все образцы полученных видов казеина для приготовления сорбентов в соотношении силикагель : казеин как 95%:5% соответственно.

Таблица 4 –Выделения казеина различными способами.

На рисунке 6 представлены данные по сорбционной емкости по цинку сорбентов на основе силикагеля и разных видов казеина относительно друг друга.

Анализ результатов исследования позволяет сделать вывод, максимальная адсорбция цинка происходит на комплексе силикагель : нативный казеин, что можно объяснить как наличием остаточного количества метилцеллюлозы, так и тем, что в нативном состоянии в казеине имеется достаточно большое число центров связывания, входящих в состав боковых радикалов аминокислот, составляющих молекулы казеина. Примером таковых могут служить фосфатные группы, связанные с серином в форме моно-ортофосфатного эфира.

3. 4. Исследование процессов десорбции в среде «искусственного» желудочного сока

Расщепление белков в ЖКТ начинается с действия протеолитического фермента желудка – пепсина. Для оценки безопасности использования сорбентов в качестве средств, применяемых при передозировке тяжелыми металлами исследованы процессы десорбции в среде «искусственного» желудочного сока, для того, чтобы избежать вторичной интоксикации тяжелых металлов.

Для этой цели 0,5 г полученного сорбента, с сорбированным цинком заливали 3 см3 раствора «искусственного» желудочного сока (1%-ный раствор пепсина в 0,5%-ной соляной кислоте). Все перемешивали и термостатировали в течение 12 часов при температуре 37 (С. По истечении этого времени смесь фильтровали и в надосадочном растворе проводили количественное определение цинка. Процент десорбированного иона цинка по отношению к адсорбированному по формуле:

гдеСZn - концентрация ионов цинка после десорбции, моль/л; Сихс и Сравн - исходная и равновесная концентрация, моль/л.

Данные по исследованию процессов десорбции в среде «искусственного» желудочного сока представлены в таблице 5.

Таблица 5 – Показатели величины десорбции цинка сорбентом на основе силикагеля с массовой долей казеина 5% в среде «искусственного» желудочного сока

Параметр, характеризующий процесс сорбции Прошедшее время, часы

1 час 2 часа 6 часов 12 часов

Десорбция, %/г сорбента 2,9 6,8 12,3 15,4

Полученные данные свидетельствует о незначительной десорбции цинка, средний процент десорбции составил 7,48 %. Исходя из этого, можно исключить возможность повторной интоксикации вследствие десорбции металла в желудке.

Синтезированы образцы сорбентов на основе силикагеля и казеина. Содержание казеина составило 5, 10, 15, 20, 25 и 50 мас. %.

Изучена сорбционная емкость сорбентов относительно тяжелых металлов на примере цинка.

Проведена оптимизация факторов: способа получения казеина и массовой доли казеина, влияющих на адсорбционные свойства сорбентов. Установлено, что наилучшее соотношение силикагель : казеин для адсорбции аспирину 95%:5% соответственно, оптимальный способ получения казеина для последующего синтеза сорбента – выделение нативного казеина с помощью метилцеллюлозы.

В среде «искусственного» желудочного сока изучены процессы десорбции избыточных доз цинка. Полученные данные свидетельствует о незначительной десорбции цинка, средний процент десорбции составил 7,48 %. Исходя из этого, можно исключить возможность повторной интоксикации вследствие десорбции в желудке комплекса сорбент - металл.

Планируется исследовать в дальнейшем:

1. Изменение удельной активности полученных сорбентов при их многократном использовании.

2. Сохранение удельной активности полученных сорбентов в зависимость от длительности хранения.

3. Исследовать процессы десорбции в условиях «искусственного» кишечного сока.