Введение к работе
Актуальность темы
Работа является развитием коллоидной химии высокомолекулярных соединений, основы которой заложены в трудах П.А.Ребиндера и В.Н.Измайловой, особенно того ее раздела, в котором выяснялась взаимосвязь объемных и поверхностных свойств низко- и высокомолекулярных поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Одной из актуальных проблем коллоидной химии белка является установление фундаментальных закономерностей, характеризующих особенности поведения нанодисперсных систем при их модификации. Это важно потому, что поверхностная активность и реологические свойства белков на границах раздела фаз лежат в основе получения устойчивых дисперсных систем. Особый интерес представляет модификация белковых макромолекул липидами, поскольку ассоциация этих природных веществ открывает возможность широкого варьирования их гидрофильно-олеофильного соотношения, что позволит расширить область практического использования таких систем.
В данной работе исследовалась закономерности образования, взаимосвязь объемных и поверхностных свойств белок-липидных ассоциатов для создания физико-химической модели образования лиофильных нанодисперсных супрамолекулярных систем, основанных на белках различной природы (глобулярных, фибриллярных и гибкоцепных полипептидах) и полярных липидах (фосфатидилхолинах и холестерине). Цель работы
Комплексное изучение обьемных и поверхностных свойств белок-липидных ассоциатов с целью создания методологии управления устойчивостью дисперсных систем, стабилизированных белок-липидными ассоциатами с широким спектром гидрофильно-олеофильного соотношения.
Научная новизна
Систематические исследования многофазных систем, содержащих белки различной природы (глобулярные, фибриллярные и гибкоцепной полипептид) и липиды (фосфотидилхолин и холестерик) позволили впервые дать комплексную оценку процессов образования белок-липидных ассоциатов, отличающихся от известных стехиометрических комплексов белок-ПАВ. Методами динамического светорассеяния, радиоактивных индикаторов, дифференциальной калориметрии и ИК-спектроскопии показано, что эти ассоциаты характеризуются широким распределением по размерам и соотношению компонентов.
Показано, что природа белковых макромолекул, а именно, содержание вторичных структур (а-спиралей, Р-складок и неупорядоченных участков), конформационное состояние макромолекул в целом, подвижность сегментов полимерных цепей, и липидов, отличающихся химическим составом полярной части и наличием сопряженных л-структур в гидрофобной части определяют состав и свойства образующихся ассоциатов.
Установлена связь между образованием ассоциатов белок-липид,
конформационным состоянием полимерной макромолекулы и
термодинамическими характеристиками структурных переходов полипептидной цепи.
Проведено комплексное исследование кинетики изменения межфазного натяжения на границе водный раствор белка - толуольный раствор липида и показано, что степень его изменения зависит от природы белка. В отличие от стехиометрических комплексов белок-ПАВ, белок-липидные ассоциаты имеют переменный состав, достигающий стационарных значений при выдерживании системы во времени.
По изменению параметров изотерм 2D пленок, сформированных из белок-липидных ассоциатов при варьировании природы белка и липида, показано, что при увеличении двумерного давления потеря устойчивости 2D пленок может быть вызвана фазовыми переходами в смешанных слоях и изменением состава белок-липидных ассоциатов. Впервые определены реологические параметры
межфазных адсорбционных слоев (MAC) белок-липидных ассоциатов методами Ребиндера-Трапезникова и осциллирующей капли и показано, что введение в систему липидов приводит к снижению значений реологических параметров MAC.
Впервые предложен новый подход к рассмотрению влияния процесса ассоциации белковых и липидных молекул на их эмульгирующую способность и устойчивость образующихся эмульсий. Он состоит в комплексной оценке изменения термодинамических характеристик MAC и реологических параметров структур, формируемых белок-липидными ассоциатами на границе раздела фаз.
Систематизированы уже имеющиеся знания в области образования белок-липидных ассоциатов и предложены новые подходы к управлению свойствами многофазных систем, содержащих белки и липиды различной природы.
Показаны перспективные пути создания и использования новых ПАВ с широко варьируемым гидрофильно-олеофильным соотношением из природных источников (белки и липиды). Практическая значимость
Разработана методология создания диагностических тест-систем, термоустойчивых капсул и формирования защитных пленочных покрытий на поверхности мехового полуфабриката на основе использованием белок-липидных ассоциатов. Полученные в работе новые результаты по управлению коллоидно-химических свойств белковых систем послужили основой для расширения курса лекций по «Коллоидной химии» в МГУ имени М.В.Ломоносова, а также, курса лекций «Технология синтеза полимеров для медицины» в МИТХТ имени М.В .Ломоносова. Автор защищает:
Результаты комплексного изучения объемных свойств растворов белков и белок-липидных ассоциатов.
Характеристические свойства белок-липидных ассоциатов и их отличия от традиционных белок-ПАВ комплексов.
Влияние природы белка на строение и свойства белок-липидных ассоциатов.
Кинетические закономерности изменения поверхностных свойств белков и белок-липидных ассоциатов в зависимости от их химического состава.
Новые подходы к созданию эффективных высокомолекулярных ПАВ на основе белок-липидных ассоциатов.
Результаты изучения свойств 2D пленок, формированных из белков и белок-липидных ассоциатов на границе водной субфазы.
Закономерности влияния строения белка и белок-липидных ассоциатов на их эмульгирующую способность, устойчивость эмульсий и реологические свойства, полученных предельно концентрированных эмульсий.
Новые подходы к созданию диагностических тест-систем, термоустойчивых капсул и формированию защитных пленочных покрытий на поверхности мехового полуфабриката.
Приоритет результатов. Все полученные автором научные результаты, вынесенные на защиту, получены впервые. Апробация работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: Коллоидная химия в решении проблем охраны окружающей среды, Минск, 1994; 11 Международная конференция «Поверхностные силы», Москва, 1996; Международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике, Москва, 1998; Поверхностно-активные вещества и препараты на их основе. X конференция, Белгород 2000, 10 International Conference on Colloid and Interface Science. 2000. Bristol, UK.; "Коллоидная химия и физико-химическая механика природных дисперсных систем" (комплекс научных мероприятий стран СНГ), Одесса, 2001; 21-25 симпозиума по реологии Реология, 2002-2009; Международная конференция по поверхностным силам, 2002 ;ХVII Europian chemistry at interfaces conference (ECIC-XVII). 2005. Loughborough university, UK; Применение поверхностно-активных веществ в пищевой промышленности:
Материалы научной сессии РАН. Мурманск, 2008; "Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем", 2009, Звенигород; Поверхностно-активные вещества в технологических процессах. Научного совета по физической химии РАН. 2010 г., Москва.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 74 работ, в том числе: 49 статей в журналах рекомендованных ВАК, 24 статьи в других журналах и тезисов докладов на международных и российских конференциях.
Личное участие автора является основополагающим на всех стадиях работы и состояло в формировании научного направления, постановке задач и целей исследования, разработке экспериментальных и теоретических подходов при выполнении эксперимента и формировании выводов.
Структура и обьем работы.
Диссертация состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, результаты и их обсуждение, выводов, библиографии и приложения. Содержание работы изложено на 253 страницах, содержит 64 рисунка и 33 таблицы. Библиография включает 341 наименований литературных источников.
Литературный обзор посвящен систематизации существующих данных по физико-химическим закономерностям взаимодействия белков и липидов. Рассмотрены закономерности изменения объемных и поверхностных свойств белков различной природы (глобулярных и фибриллярных) и желатина, как представителя природных полипептпдных макромолекул. Особое внимание в анализе литературных источноков уделено вопросу управлению устойчивости дисперсных систем, стабилизированных белками и липидами.
В разделе «экспериментальная часть» приведены характеристики использованных в работе белков и липидов. Особое место занимает описание метода получения кератина из природного сырья, использованного для приготовления образцов кератина, исследованных в работе. Подробно описаны методики проведения исследования объемных и поверхностных свойств белков и белок-липидных ассоциатов.
