Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общэя характеристика процесса образования термообратимых гелей 10
Глава 2. Молекулярная структура анионных полисахаридов и ее связь с процессом гелеобразования. 12
Глава 3. Механизм геле образования сульфа тированных талавтанов 28
Глава 4. Существующие представления о природе гелеобразного состояния пектинов. 40
4.1. Характеристика молекулярной структуры пектина 40
4.2. Гелеобразное состояние высокоэтерифицироваяных пектинов 50
Раздел 1. Объекты и методы исследования
1.1. Объекты исследования
1.1.1. Пектины разной степени этерифинации 60
1.1.2. зе -каррагинан. 63
1.1.3. $урцелларан и % -фурцелларая 64
1.1.4. Мальтодекстрин 65
1.1.5. Желатина 65
1.2. Методы исследования. 65
1.2.1. Измерение кругового дихроизма 65
1.2.2. Поляриметри 67
1.2.3. Измерение светорассеяния 68
1.2.4. Кондуктометрическов титрование 69
1.2.5. Снектротурбидимвтрия 69
1.2.6. Исследование ползучести гелей 70
1.2.7. Определение температуры геле образования 71
1.2.8. Определение температуры плавления гелей 72
1.2.9. Щтематическая обработка результатов измерений 73
Раздел 2. Результаты и их обсуждение 74
Глава 1. Исследование структуры растворов пектина разной степени этерификации
1.1. Исследование структуры пектинов в разбавленных растворах методом упругого свето рассеяния. 74
1.1.1. Результаты измерений 75
1.1.2. Влияние гель-фракции 77
1.1.3. Степень полимеризации пектина разной степени этерификации 79
1.1.4. Зависимость второго вириального коэффициента от степени этерификации пектина 79
1.1.5. Жесткость цепи пектина и ее зависимость от степени этерификации 87
1.1.6. Выводы 94
1.2. Исследование структуры пектина в разбавленных и полуразбавленных растворах методом 94
1.2.1. Обзор литературы 94
1.2.2. Спектры ЦД разбавленных водных растворов. 94
1.2.3. Влияние вачвства растворителя на спевтры 101
1.2.4. Обсуждение 112
1.2.5. Выводы 117
1.3. Исследование структуры певтина в полуразбав-лвняых растворах методом еде в троту рбидиме дурий 119
1.4. Завлгочение. О роли степени этерифивации в ; процессе геле образования певтина 133
Глава 2. Структурирование в растворах зє -каррагшана 136
Сопоставление температурных областей существования гелеобразного состояния и спиральной вонформации мавромолевул 136
Глава 3. Исследование ползучести гелей анионных полисахаридов 152
3.1. Феноменологичесвие харавтеристиви процессаползучести гелей. 154
3.1.1. Параметры обратимой деформации гелей 159
3.1.2. Шраметры необратимой деформации гелей 172
3.2. Харавтерные черты релавсашюнных процессов в гелях 176
3.3. Термодинамичесвие параметры распада узлов сетки гелей 181
3.4. Кооперативный и невооперативный механизм геле образования 185
3.5. Общая харавтеристива процесса течения гелей 192
3.6. Выводы 193
Раздел 3. О практическом ишояьзовании результатов исследования 195
1. Вывод зависимости степени переохлавдения от параметров зародыша с квадратным поперечным сечением 201
2. Вывод уравнения для расчета теоретической зависимости молекулярной эллиптичности от рН 203
3 Метод расчета кулоновской составляющей второго вириального коэффициента растворов полиэлектролитов 204
4. Метод расчета энтропии распада узлов сетки термообратимых гелей. 207
5. Оптимизация процессов получения мармелада на основе высоко верифицированного пектина и фурцелларана 212
Библиография 223
- Гелеобразное состояние высокоэтерифицироваяных пектинов
- Исследование ползучести гелей
- Исследование структуры пектина в разбавленных и полуразбавленных растворах методом
- Харавтерные черты релавсашюнных процессов в гелях
Введение к работе
Большое теоретическое и практическое значение исследований гелеобразного состояния полимеров обусловлено в первую очередь тем, что в случав природных полимеров оно играет чрезвычайно важную роль в структурной организации и функционировании биологических тканей / 1, 2,3 /. Процессы получения и переработки технических полимеров часто связаны с переходом через это состояние /4/. Велика его роль при получении различного рода мембран, сорбентов, включая материалы для хроматографии и иммобилизации ферментов. Непосредственно с изучением гелеобразного состояния связаны многие вопросы традиционной пищевой технологии, а также проблема получения искусственной пищи /5/.
Разработка научных основ производства искусственной пищи связана с поиском универсальных методов регулирований свойств многокомпонентных водных систем. Один из основных методов, используемый также и в традиционной пищевой технологии, заключается в смешении пищевых веществ с геле обра зова гелем и переводе жидких систем в гелеобразное состояние как в объеме, так и на поверхности раздела фаз (при стабилизации эмульсий и пен).
Главная задача в этой области, с точки зрения обсуждаемой проблемы, заключается в разработке путей получений гелей с регулируемым составом, структурой, механическими, осмотическими и другими физико-химическими свойствами.
Основные требования, предъявляемые к пищевым гелеобразователям, сводятся к следующему /5 /: способность образовывать гели в присутствии большого числа пищевых веществ (в первую очередь, белков); способность образовывать гели различной природы (термооб- ратимые, ионообратимые и др.); низкая критическая концентрация гелеобразования и резкая зависимость свойств гелей от концентрации; благоприятное или, по крайней мере, отсутствие неблагоприятного действия на организм человека; низкая стоимость и широта сырьевой базы.
Среди известных галеобразователей, удовлетворяющих перечисленным требованиям, наибольшее практическое значение в отечественной пищевой промышленности приобрели анионные полисахариды (АПС), как природного происхождения (агар, агароид, пектин, фурцелларая), так и полученные искусственным путем (окисленный крахмал) ' ; за рубежом - также альгинаты, нарраги-наны, производные целлюлозы и различные камеди /5,7-9,10,11/.
Агар - один из классических гелеобразователей, который издавна используется в кондитерской промышленности, а также в микробиологии для получения микробных питательных сред. В последние года, ввиду истощения запасов водорослей, производство агара значительно снизилось, как в СССР, так и за рубежом. Дефицит агара при все возрастающем спросе остро ставит вопрос о замене его другими гелеобразоваталями.
К числу наиболее перспективных природных гелеобразователей можно отнэсти пектины различного происхождения, которые в настоящее время уже используются в фармацевтической и пищевой отраслях промышленности /6,1,9 711,1Z/. Интерес к пектинам обусловлен в значительной мере их способностью образовывать гели, обладающие широким набором физико-химических свойств (терйообратимые, ионообратимые, смешанного типа). Установлено благоприятное физиологическое действие пектина на организм человека /Н,12/.Ресурсы для производства пектинов практически неограничены, т.к. пектины явля« ются универсальными компонентами всех растительных тканей. За ш- - 8 -бежом пектины почти целиком вытеснили агар. Производство пектина в нашей стране явно недостаточно (особенно пектина "медленной садки" (степень этерификации 60-65$), пригодного для получения термообратимых гелей.
В СССР в кондитерской промышленности используются главным образом водорослевые гелеобразущие полисахариды - агароид и фур-целларан. Еаррагинаны в нашей стране не производятся и не используются. Однако, как показали работы Усова и сотр. / /3 /, в СССР имеются значительные ресурсы для их производства.
Использование в пищевой промышленности окисленного крахмала лимитируется низкой скоростью гелеобразования, а также нестабильностью структуры и свойств гелей во времени (старением).
Следует отметить, что практическое применение гелей АПС в различных отраслях промышленности (пищевой, косметической, фармацевтической, и др.) значительно опережает развитие теоретических представлений относительно природы гелеобразного состояния этих веществ. Между тем, способность образовывать гели - одна из важнейших функций АПС в природе.
Многие АПС находятся в биологических объектах в виде набухших сеток гидратированных цепей, например, в синовиальной жидкости и соединительных тканях животных, в клеточных стенках и срединных пластинках молодых растительных тканей, в бактериальных капсулах и т.д., определяя структурно-механические, осмотические и ионнообменные свойства биологических тканей.
Исследование природы гелеобразяого состояния АПС долгое время сдерживалось тем обстоятельством, что не были известны их химическое строение и пространственная структура. В последние десятилетия j благодаря успехам химии углеводов, нонфоршционного анализа, а также в связи с развитием физических методов анализа (рентгеноструктурного, ИК-, ЯМР- и масс-спектрометрии, спектропо- - 9 -ляриметрии и др.) были расшифрованы состав, конфигурации звеньев и конформации макромолекул некоторых полисахаридов //4-/7/. Это позволило приступить к исследованию взаимосвязи между молекулярной структурой АПС и их способностью к гелеобразованию» Успех в этой области в значительной мере связан с работами Риса и Морриса с сотр. / ^ /3 - 27 /и Смидсрёда с сотр. / 28 - Зі /. Ряд принципиальных вопросов, однако, остается нерешенным. Так важное значение имеет исследование взаимосвязи между параметрами молекулярной структуры АПС в растворе на разных уровнях ее организации и свойствами гелей.
Можно надеяться также, что исследование в этом направлении будет способствовать выяснению некоторых общих закономерностей образования термообратимых гелей полимеров.
В связи с вышесказанным, представляется необходимым изучение процессов геле образования и свойств гелей АПС, имея ввиду в качестве конечной цели разработку методов получения гелей с регулируемыми свойствами и оптимизацию технологических процессов их производства.
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИРОДА ТВРМООБРАТИМЫХ ГЕЛЕЙ АНИОННЫХ ПОЛИСАХАРИДОВ
Гелеобразное состояние высокоэтерифицироваяных пектинов
Процесс гелеобразования тесно связан со структурой полисахарида. Механизм этого процесса в случае высокоэтерифицироваиных пектинов и природа узлов сетки геля изучены недостаточно. Полагают, что некоторые особенности первичной структуры существенны для процесса геле образования пектина //49/: I) ограниченная гибкость цепи галактуронана; 2) экваториальное положение гидроксиль-ных групп в положенииС(2) и С(3) и карбоксильной группы у С(5), благоприятное для образования межмолекулярянх связей; 3) чередование регулярно построенных участков, обеспечивающих протяженность зон контактов, с нерегулярными, включающими остатки X -рамнозы ("изгибы") или же содержащими ответвления за счет арабана и галак-тана. Нерегулярные участки препятствуют чрезмерно плотной упаковке макромолекул / 21 /. Другим важным фактором, определяющим способность пектина к гелеобразованию, является степень этерификации карбоксильных групп (Е). В зависимости от Е пектины способны образовывать 2 типа гелей: 1) низкоэтерифицированные пектины (или низкометилированныа - НМЛ) (Е;-4Э$) образуют ионообратимые гели в присутствии ионов поливалентных металлов, точнее ионов с координационным числом больше I; 2) высокоэтерифицированные пектины (или высокометилированныв - БШІ) (Е i 40$) образуют тврмообратимыв гели. Экспериментально установлено, что для получения геля НШ необходимо ввести в систему вещество, сильно понижающее коэффициент активности воды (сахарозу, глицерин, этиленгликоль, сульфат аммония и др.), а также - кислоту для уменьшения отрицательного заряда и, следовательно, для снижения отталкивания одноименно заряженных молекул //№/ . Полностью этарифицированные пектины, на найденные в природе, образуют гели с сахарозой в отсутствие кислоты /153/, Если в ранних работах находили почти прямую зависимость между Е и гелеобразующей способностью пектина / 6 /, то позже было показано, что эта зависимость сложная и требует учета многих факторов (М, рН, общего числа и распраделения метоксильных групп в молекула и др.). Е влияет на температуру и скорость гелеобразования, значение оптимального рН растаора, прочность и упругость гелей. По температуре и скорости гелеобразования БМП распадаются на 2 группы: при одинаковых условиях пектины с Е = 45-70$ образуют гели при более низкой температура и более медленно, чем пектины с Е 70$ //54/. Соответственно в технологической практике первые называют пектинами "медленной садки", а вторые - пектинами быстрой садки". В работе /f 155/ исследована зависимость прочности геля цитрусового пектина от Е последнего. Показано, что при уменьшении Е от 73$ до 50$ Еремя гелеобразования возрастало.
Шксимальная прочность геля была получена при Е = 45$, но при этом не учиты- валось уменьшение рН, а также изменение молекулярной массы в ходе кислотной деэтерификации, использованной для получения образцов с различной В. По данным IHS/5S/ при рН 2,2 модуль сдвига гелей, полученных на основе пектинов разной В, проходил через максимум при В = 40-75$. В данном случае образцы были получены путем этерифи-кации исходного препарата диазометаном, т.е. в условиях, согласно /iSb/% обеспечивающих неизменность М. Вели причина количественных расхождений в В связана, ПО-ЕИ-димому, с условиями получения гелей, то экстремальный характер зависимости упругих и прочностных свойств гелей пектина от В не вызывает сомнения. Ацетилирование пектина по гидроксильным группам также сильно влияет на его гелеобразующуго способность //4 /5 /. Содержание АсО 4 2,5$ (т.е. I АсО на 8 уронидных звеньев) предотвращает ге-леобразование в случае пектина сравнительно высокой М. По-видимому, это происходит вследствие нарушения регулярности цепи. Однако из высокоацетилироваиного пектина можно получить термообратимый гель /143/Я/. Эти факты, а также "медленная садка" пектинов В = 45-70$ указывают на то, что для гелеобразования требуются многочисленные малые области упорядоточения (кристаллизации), каждая из которых включает несколько галактуронидных единиц, и что необходима определенная степень ориентации этих областей, чтобы они ассоциировали / 148 /. К аналогичному выводу приводят данные работы / -/5«?/, в которой показано, что прочность геля, полученного из препарата с блочным распределением Н30 выше таковой для препарата со статистическим распределением. Влияние степени этерификации на механизм гелеобразования и - 53 -свойства гелей может быть двоякого рода: 1) общее число и характер распределения мегоксильных групп в цепи может влиять на число и протяженность зон контактов макромолекул при образовании узлов сетки геля; 2) гидрофобные заместители могут влиять на характер взаимодействия полимер-растворитель. До настоящего времени не существует единой строгой теории геле образования пектина. Исследователи расходятся во взглядах на роль тех или иных функциональных групп в процессе гелеобразования, роль сахарозы и др.вещеетЕ, без которых невозможно образование гелей ШЇЇ, а следовательно - на механизм геле образования и природу узлов сетки геля. Причина этих разногласий кроется в отсутствии убедительных экспериментальных доказательств. Одной из первых гипотез, не утративших своей полезности до настоящего времени является гипотеза Олсена і4 8/ , которая содержит следующие основные положения: 1) функция сахарозы - дегидратация пектина; 2) функция кислоты - уменьшение отрицательного заряда макромолекулы, облегчающее коалесценцию; 3) достижение равновесия при дегидратации требует значительного времени (учитывая различия во времени и температуре садки пектинов); 4) скорость дегидратации и осаждения возрастает с уменьшением РН; 5) максимальная прочность геля достигается в равновесной системе ; 6) различные компоненты, добавленные в гелеобразующую систему (включая соли), могут менять скорость процесса геле образования или (и) смещать положение равновесия, т.е. вызывать изменение равновесной прочности геля. Гипотеза Олсена не включала положений о природе связей между молекулами пектина в геле. Решение этого вопроса тесно связано с представлениями о ЕЛИЯНИИ степени этерификации на растворимость пектинов.
Хинтон впервые попытался разделить роль термодинамических и кинетических факторов при гелеобразовании ВМП /159 / Он установил, что "характеристическая температура садки" (т.е. температура гелеобразования, полученная при экстраполяции к бесконечно малой скорости охлаждения) однозначно связана с изменением параметров системы, влияющих на растворимость пектина. По-видимому, правильнее было бы говорить о сродстве к растворителю. "Температура садки" возрастала с понижением растворимости (при понижении рН, увеличении концентрации пектина и сахарозы, изменения природы катионов буфферной соли). Хинтон / 160 / , а вслед за ним Хар-вей /161 / и Гровер / 16Z I развили концепцию геле образования ВМП, основанную на зависимости "температуры садки" от растворимости пектина в гелеобразующей системе. К сожалению, количественная интерпретация данных о зависимости механических свойств гелей от рН и В пектина базируется на малообоснованных допущениях. Данные о влиянии Е на растворимость пектинов довольно ограничены и противоречивы. Так известно, что пектовая кислота нерастворима в воде, но в результате частичной или полной этерификации по карбоксильным группам (метиловые, гликолевые зфиры) она приобретает растворимость / 6,155,158,166/. Этерификация по гид-роксильным группам при малых степенях замещения также приводит к повышению растворимости в воде. В этих случаях заместители по карбоксильной группе действуют, по-видимому, как внутренние пластификаторы, предотвращая агрегацию линейных молекул. Сильное замещение спиртовых групп (например, ацетилирование) приводит к понижению растворимости в воде, но увеличивает растворимость в органических растворителях. Помимо воды, пектины растворимы и в других полярных растворителях, таких как формамид, этилендиа-мин, диме тил сульфоксид, диметилформамид, теплый глицерин /6t і S3 /. Пектаты и пектинаты одновалентных металлов хорошо растворимы в воде.
Исследование ползучести гелей
Подготовку образцов исследование ползучести проводили согласно/Ш/. Оущность метода заключается в измерении деформации простого сдвига образна геля, помещенного между двумя рифлеными плоскопараллельными пластинами. Разделение обратимой и необратимой компонент податливости проводили следующим образом: образец нагружали в течение 3-х часов, снимали нагрузку и определяли равновесную остаточную податливость при упругом последствии. Допуская, что необратимая деформация развивается во времени линейно, т.е. в соответствии с законом Ньютона, строили кривую изменения во времени обратимой податливости, вычитая из общей податливости ее необратимую составляющую. Для достижения равновесной остаточной податливости при упругом последствии образец выдерживали при максимальной температуре опыта до тех пор пока не устанавливалось постоянное значение остаточной податливости. Чтобы убедиться в отсутствии изменения свойств гелей под действием температуры в ходе опыта, образцы в течение 6 часов периодически подвергали кратковременному нагружению при максимальной температуре испытаний. При этом величина условно-мгновенной деформации не менялась и сохранялась ее обратимость. Приготовление образцов. Водносахарозные и водноглицериновые гели готовили выпариванием растворов полисахарида в смеси воды с сахарозой или глицерином до содержания сухих веществ 70,0+0,5$, В случае гелей пектина подкисление 50 -ной ЛИМОННОЙ кислотой до рН 3,0 проводили на заключительной стадии процесса» Водные гели 2С -каррагинана и "3f -фурцелларана получали путем введения в раствор полисахарида при 80С раствора КСС (с постоянной малой скоростью) до требуемого соотношения эквивалентных концентраций Kt и полисахарида. Структурирование образцов протекало при 25+1,5С в условиях Ю0$-ной влажности. Для предотвращения высыхания в процессе опыта боковые поверхности образцов покрывали тонким слоем силиконового масла. 2.7. Определение температуры гелеобразования Температуру гелеобразования определяли на ротационном вискозиметре постоянных напряжений ВШ-2 (Специальное конструкторское бюро ин-та Нефтехимсинтеза им. А.В.Топчиева, Ж СССР, СССР).
От личительной чертой данного прибора является возможность проводить испытания без разрушения структуры системы, т.к. к образцу прикладывается постоянное, достаточно малое напряжение / 1841 /. Раствор зе -каррагинана выдерживали в ячейке вискозиметра при 80С в течение 10 минут, затем понижали температуру со скоростью 0,3 град»мин . Периодически к образцу прикладывали напряжение сдвига, равное 8,5 Ш и определяли вязкость системы. За температуру гелеобразования принимали температуру, при которой наблюдали разрыв на кривой х\ - Т, что соответствовало возникновению предельного напряжения сдвига. Для предотвращения высыхания образца в кольцевом зазоре вискозиметра, поверх расплава наслаивали тонкий слой силиконового масла. Температуру в ячейке регистрировали с помощью хромель-копелевой термопары с точностью +0,5. Воспроизводимость метода определения температуры гелеобра-зования составляла 4р,5. Второй метод определения температуры гелеобразования заключался в следующем: равные объемы раствора полисахарида в пробирках со стандартными размерами помещали в термостат. Понижение температуры осуществляли со скоростью 0,3 град-мин . За температуру гелеобразования принимали температуру, при которой раствор приобретал способность сохранять форму под действием собственного веса в течение 3-х минут. Этому качественному критерию гелеобразо-вания соответствовал предел текучести 20 Ш. 2.8. Определение температуры плавления гелей Определение температуры плавления гелей проводили по методике /щ/, заключавшейся в наблюдении за вытеснением расплава более тяжелой жидкостью, предварительно наслоенной на образец геля. В качестве такой жидкости ИСПОЛЬЗОБЭЛИ перфтордекалин J = 1,78« 10 ш м""3). Скорость нагрева составляла 0,3 град» -I мин . 2.9. Щтематическая обработка результатов измерений Линейные регрессии проводили по методу наименьших квадратов. Доверительная вероятность для доверительных интервалов везде 0,95. Расчет персистентной длины а0 макромолекул пектина выполнен методом итерации. I.I. Исследование СТРУКТУРЫ пектина в разбавленных растворах методом упругого светорассеяния Известно, что способностью образовывать термообратимые гели обладают лишь высокоэтерифицированные пектины (Е 40$), Температура и скорость гелеобразования растут с увеличением Е. Это может являться следствием различий как в гибкости макромолекул, так и в термодинамическом сродстве пектинов разной Е к растворителю.
Эти различия могут существовать уже в водных растворах или возникать при введении сора створите ля (сахарозы, глицерина и т.п.), резко понижающего коэффициент активности воды. Первое предположение согласуется с гипотезой о гидрофобной природе узлов сетки гелей высокоэтерифицированных пектинов /1 8 /. Влияние Е на указанные параметры до настоящего времени не исследовано. Имеющиеся в литературе сведения о структуре разбавленных растворов пектинов по данным светорассеяния в 0,5 М Mad и смесях воды с диметмсульфоксидом (10-60$ ДМСО) / 1ЧХ/, в 0,3 М ацетатном буфере при рН 5,22 /1ЧЪ /, в 0,5 М фосфатном буфере при рН 6,5, содержащем 0,005 М ВДТА / /47 /, однозначно указывают на то что молекулярная масса ( Mw ) составляет величину 10 . кД, а значение второго вириального коэффициента А2 0. Это может означать, что в растворе пектин присутствует в виде стабильных агрегатов, либо отрицательные значения к% являются следствием влияния на результаты измерений "гель-фракции". Цэлью данной работы было исследование состояния макромоле- кул пектина разной степени этерификации в водных растворах, В частности, представлял интерес Еопрос о влиянии Е на термодинамическое сродство полимера к растворителю и на равновесную гибкость макромолекулы пектина. Получение надежных результатов методом светорассеяния прямо зависит от возможности получения штически чистых растворов, В тот же время не существует объективных критериев очистки. Неудивительно, поэтому, что часто результаты измерении зависят от способа приготовления растворов. В настоящей работе приведены результаты 2-х серий измерений, отличающихся методом очистки растворов, I.I.I. Результаты измерений Данные измерений светорассеяния пектинов в 0,01 Ми 0,1 М ЯйСС, полученные на наших образцах в Институте Питания ІШ ГДР, приведены в табл. 6. Растворы обеспыливали фильтрованием под давлением через поливинилхлоридныи фильтр с порами диаметром 0,45мкм (""SartorLUS G bX, г). Как видно из табл. 6 пектин присут-ствует в растворе в виде частиц с Mw = 5» 10 - 1-Ю кД. Mw не зависит от ионной силы раствора и возрастает с увеличением В. Отрицательные значения А2 не согласуются с полиэлектролитной природой молекул пектина. Для карбоксиметилцеллюлозы и альгината натрия в 0,1 М JVQCC ,. имеющих близкую плотность заряда, А2 0 и составляет 3,0»Ю 3 моль.м кг 2 / iS6 /, Можно предположить, что в данном случав в рассеяние вносит вклад "гель-фракция", которую не удалось удалить путем фильтрования.
Исследование структуры пектина в разбавленных и полуразбавленных растворах методом
Известно, что пектиновые вещества обнаруживают положительный эффект Коттона с максимумом около 210 нм, отвечающий Л. -?л переходу карбоксильной группы //?9/. Отличают также появление отрицательной полосы при более низких значениях длин волн (А ) /201 /. Оптическая активность карбоксильного хромофора обусловлена асимметрией окружения /179/. Слвдовательно, хироптические свойства пектина в растворе зависят как от особенностей химического строения (индуцирование п Т\ перехода может быть следствием близости расположения карбоксильной группы к асимметрическим центрам пиранозно-го кольца), так и от факторов, влияющих на внутри- и межмолекуляр-ные взаимодействия и меняющих характер окружения хромофора. Ранее отмечалось, что определяющая роль в процессе гелеобразования пектина принадлежит таким факторам, как концентрация пектина, рН, степень этерификации, содержание веществ, понижающих коэффициент активности воды (сахарозы, глицерина и т.д.). Влияние этих факторов на хироптические свойства пектина в растворе систематически не исследовались. Показано лишь, что переход от пектовой кислоты к полностью метилированному пектину приводит к некоторому росту молекулярной эллитичности ( [0] ) и небольшому красному смещению полосы в области 210 нм /202/. Предпринимались попытки использовать хироптические методы для установления конформации пектинов Б растворе. Так, в работе /205/ показано, что пектовая кислота в воде имеет гладкую положи тельную кривую дисперсии оптического вращения (ДОВ), характер ко торой не изменяется в растворах с рН 1,0, 12,0 и в 7М мочевине. Хираи /138,159/, сопоставляя удельное оптическое вращение (10\) пектовой кислоты в воде с таковым в и 7М мочеви- не, установил, что конформационный вклад пектовой кислоты в оптическое вращение мал. На этом основании автор делает вывод о том, что пектовая кислота в воде имеет неупорядоченную конформа-цию. Этот вывод представляется неубедительным, так как наблюдаемый эффект может быть связан с незначительной ролью вторичных внутримолекулярных взаимодействий, в частности, водородных связей, в стабилизации упорядоченной конформации макромолекулы пектовой кислоты. В работе /2оЗ/ предпринята попытка использовать индуцированные эффекты Коттона комплексов пектовой кислоты с катионными красителями (метиленовым синим и рутениевым красным). Однако индуцированные эффекты Коттона не были обнаружены. В противоположность этому, по данным НаКОЦпа /Щ/, наблюдается мета хрома тиче с- кий сдвиг и дополнительный эффект Коттона при 510 нм для пекто-вой кислоты в присутствии толуидинового синего при нейтральном рН. При понижении рй раствора амплитуда эффектов Коттона уменьшается и эффекты полностью исчезают при рН 3,0 (Т = 295 К), Амплитуда эффектов Коттона уменьшается также при повышении температуры, падая до нуля при Т=353 К, Возможная причина расхождений в результатах работ /Ш/ и /Щ/ заключается в несовпадении условий получения комплексов полисахарида с красителем, поскольку эти комплексы весьма чувствительны к рН и температуре.
Следует заметить, что использование индуцированных эффектов Коттона для характеристики конформации АПС в растворе до последнего времени имеет ограниченное значение. На характер взаимодействия между красителем и полимером и на оптическую активность комплексов, по-видимому, влияют многие локальные факторы. По мере угулбления представлений о природе указанных факторов метод индуцированных эффектов Коттона станет эффективным средством исследования высшей структуры АПС /205/, В работе /Хоб/ получены спектры Щ водных растворов гомопо-лимерных олигогалактуронатов натрия и Д-галактуронанов со степенью полимеризации р =1-64, а также олигогалактуронатов кальция с р =1-5. Молекулярная эллиптичность [0] увеличивается с возрастанием р и при р 15 для натриевых солей асимптотически приближается к постоянной величине. [#] определяется суммой вкладов мономерных единиц, расположенных на концах цепи и в середине цепи. Следовательно, увеличение степени полимеразации олигогалак-туронана в указанных пределах не сопровождается изменением его конформации. Для НШ понижение температуры водного раствора от 90С до 25С вызывает лишь слабое увеличение [Ф] . В то же время, Б присутствии 70$ (по объему) этиленгликоля в растворе, понижение температуры в тех же пределах, сопровождающееся золь-гель переходом, вызывает значительное увеличение [9] без смещения по длине волны и изменения формы полосы /201,201 1081+ Настоящая работа посвящена исследованию влияния степени этерификации пектинов, а также состава растворителя на спектры Щ в области ґі Л перехода карбоксильной группы. При этом были поставлены следующие задачи: 1) определить влияние степени этерификации на конформацию макромолекулы пектина в разбавленном растворе; 2) оценить вклад факторов, влияющих на межмолекулярное взаимодействие в растворе, в спектр ІЩ пектинов. 1.2.2. Спектры Ш разбавленных водных растворов Исследование конформации макромолекул пектина в растворе Исследованные образцы пектина обнаруживали положительный эффект Коттона с максимумом, лежащим в интервале от 205 до 215 нм.
При этом наблюдалось красное смещение полосы поглощения с уменьшением величины заряда макромолекулы пектина (увеличение степени этерификации, уменьшение рН), а также при возрастании ионной силы. Приводимые ниже значения молекулярной эллиптичности \д\ отвечают максимуму полосы поглощения. На рис. Щ приведены зависимости Мд от концентрации для пектинов разной степени этерификации при рН 7,5. Аналогичные данные были получены при рН 4,5. Прежде всего обращает на себя внимание, что Ид возрастает с увеличением степени этерификации. В области концентраций 0,025 - 0,15 lQ l -Consi. Все приводимые ниже данные относятся к области концентраций, в которой отсутствовала концентрационная зависимость молекулярной эллиптичности. На рис. 15 приведена зависимость [9]дот степени этерификации пектина. Линейную зависимость Мд пектина от Е можно объяснить, допустив, что [б]\ ионизованной и верифицированной карбоксильных групп различна и что вклады обоих хромофоров в молекулярную эллиптичность аддитивны. Для проварки этого предположения было выполнено спактрополя-риметрическоа титрование пектинов различной степени э"тарификации 0,Ш HCIO . Кривые титрования представлены на рисЛб. Точки на графиках соответствуют экспериментальным данным, а кривые рассчитаны теоретически по уравнению (вывод дан в приложении 2): где [Э]д - молекулярная эллиптичность при данном значении рН; Й» И б]д - молекулярные эллиптичности соответственно в полностью ионизированном и про тонированном состояниях, ІДІд была принята равной молекулярной эллиптичности пектата натрия при рН 7,5. [0J\ не могла быть определена экспериментально, т.к. при низких зшчаниях рН растворимость пектинов падает, что сопровождается увеличением мутности растворов. В соответствии С ЕЫС-казанным предположением, 1_Щд была принята равной L JA полностью верифицированного пектина. Значения р\аж взяты из работы /209/, Они приведены в табл.10 Для проверки корректности методики была получена кривая спектрополяриматрического титрования Д-галактуроновой кислоты /рис./6/. Полученное значение рКкаж, равное 3,42, совпадает с известным в литература /210/т Для оценки влияния температуры на конформацию пектинов разной степени этерификации в растворе получены спектры Щ пектата натрия, высокоэтарифицированного и полностью этарифицированного пектинов при нагревании и охлаждении растворов в линейном режиме. На рис.#сопоставлены спектры Ш пектата натрия и полностью этерифицироваыного пектина при 25 и 75С. Видно, что при повышении температуры [9] уменьшается, причем приблизительно в одинаковой степени для обоих образцов. При этом не наблюдается СДЕИГЭ максимума полосы поглощения карбоксильного хромофора. На рис.16 приведены зависимости М от температуры для пектата натрия, высокоэтерифицированного и полностью этерифицированного пектина. ( монотонно уменьшается при повышении температуры, что указывает на отсутствие кооперативных конформационных превращений в макромолекуле пектина по мере роста температуры. Уменьшение 1 связано, по-видимому, с дезориентирующей ролью теплового движения.
Харавтерные черты релавсашюнных процессов в гелях
Выше показано, что при комнатной температуре скорость релаксационных процессов в гелях всех исследованных АПС не зависит от концентрации полимера (рис. ВО), Аналогичный результат получен в работе Бикбова и др. / ZW /, посвященной исследованию релаксационных процессов в гелях глобулинов бобов сои. По мнению авторов, независимость скорости элементарных релаксационных процессов от концентрации полимера может быть объяснена, если предположить,что изученные гели представляют собой микронеоднородные системы, Б которых основная масса полимерного компонента локализована в элементах пространственной сетки (агрегатах или ассоциатах макромолекул). Действительно, увеличение содержания полимера в такой системе приводит к возрастанию лишь числа элементов, тогда как концентрация полимера в них остается неизменной. Соответственно не зависит от концентрации и эффективная локальная вязкость //30/ в ассоциатах, а следовательно и скорость медленных релаксационных процессов, наблюдаемых в опытах по ползучести. Очевидно, что микронеоднородность структуры раствора должна обуславливать независимость и других его интенсивных свойств от концентрации компонентов. Как показано в работе Юрьева и сотр. /1Ъ5/1 микронеоднородность растворов натриевых солей АПС (альги-ната натрия, пектинов разной степени этерификации и э?-каррагина-на), регистрируемая по независимости относительного коэффициента активности противоиона от концентрации полиэлектролита, проявляется при минимальной концентрации полимера 0,04-1,4$, По мнению Уистлера, микронеоднородность жидких растворов и гелей является общим свойством широкого класса природных полисахаридов, как полужесткоцепных полимеров, имеющих низкое сродство к растворителю (вода, водные растворы) / 25Z/. Формирование ассоциатов макромолекул ас-каррагинана как необходимое условие гелеобразоЕания продемонстрировано в ряде работ Риса с сотр. / 21\ іЬО / и нами (глава ) / 219 /. Относительный коэффициент активности - J Xce гДа Ку/а+и коэффициент активности + ионов натрия в раствора одинаковой эквивалентной концентрации соответственно полиэлектролита и J/aCt . Оле дует подчеркнуть, что утверждение о микронеоднородности жидких растворов и гелей анионных полисахаридов не тождественно утверждению об их гетерофазности.
В настоящее время нет данных, которые указывали бы на гетврофазную природу исследованных систем. Представление о микронеоднородной структуре гелей X -карра-гинана было положено в основу расчета энтропии распада узлов сетки (ем.ниже). Эта идея согласуется с концепцией Морриса и др. / Y30 J относительно доменной структуры этих гелей. Согласно выбранной структурной модели, пространственная сетка геля образована ассоциатами макромолекул, имеющих конформацию двойной спирали. Степень ассоциации макромолекул характеризуется коэффициентом параллельной укладки ( Р ). Шксимальное значение Р для L -каррагинана, установленное в работе / /30 / методом светорассеяния, равно 5. Для Х -каррагинана значение Р неизвестно, хотя авторы цитированной работы и предполагают, что они несколько выше, чем для і -каррагинана. Неоднородность распределения полимерного компонента обуславливает высокую локальную вязкость в ассоциагах макромолекул. В результате релаксационные процессы в геле протекают достаточно медленно и, как свидетельствует форма кривых обратимой ползучести (рис. 55Н550 развитое высокоэластическое состояние в условиях опыта, как правило, не достигается. В то же время по величине податливости гели анионных полисахаридов не отличаются от разбавленных каучукоподобных систем /526/. Характер зависимости скорости релаксационных процессов от температуры дает основания полагать, что концентрация полимера в ассоциагах существенно выше той, при которой происходит их стеклование при температуре опыта. В противном случав скорость релаксационных процессов лимитировалась бы свободным объемом в ассоциатах и зависимость параметра аг от температуры описывалась бы уравнением Вильямса-Ландела-Фзрри, а не уравнением Аррениуса / 254/. В действительности, однако уравнение Вильямса-Ландела-Ферри неприлошшо к исследованным системам. Величина кажущейся энергии активации процессов релаксации 3L (90-160 кДж-моль" 1) свидетельствует о кооперативной природе т -элементарных релаксационных процессов, включающих разрыв нескольких нековалентных связей в ассоциате макромолекул (см.ншке). 3.3. Термодинамические параметры распада узлов сетки гелей Для расчета энтальпии распада узлов сетки термообратимых гелей применяют методы, основанные на анализе зависимости температуры плавления гелей от концентрации или молекулярной массы /2М/ или же зависимости равновесного модуля упругости от температуры /255/,, Последний метод привел к неудовлетворительным результатам в работе /255/,, возможно, вследствие того, что использованные для расчета экспериментальные значения модулей упругости существенно отличались от равновесных. Наибольшее распространение получил метод определения энтальпий распада узлов сетки термообратимых гелей по уравнению /Я/і/1 где с - концентрация полимера. Важно отметить, что А п характеризует усредненную по исследованному диапазону концентраций энтальпию распада лишь наиболее прочных узлов сетки, не распадающихся при нагреве геля до его температуры плавления. Изучение упруговязких свойств термообратимых гелей также позволяет определить энтальпию распада узлов сетки. Во-первых, эта величина может быть определена по наклону графика зависимости to вт -/(т 1) . ВЕШЄ уже отмечалось, что сдвиг кривых обратимой ползучести вдоль оси податливостей при построении темпера-турно-инвариантной кривой отражает изменение с температурой равновесной податливости. Последняя величина в свою очередь обратно пропорциональна абсолютной температуре и концентрации узлов сетки геля.
Следовательно уравнение зависимости Ьт от температуры совпадает с уравнением изобары Зйнт-Гоффа для реакции распада узлов сетки геля и величина представляет собой энтальпию этой реакции /256/. Второй метод определения энтальпии распада узлов сетки из данных по исследованию упруговязких свойств гелей основан на измерении кажущейся энергии активации вязкого течения ( ЕЁ" ) Роговина и др. / 2.21 / непосредственно отождествляют эту величину с энтальпией распада узлов сетки геля. С позиций теории абсолютных скоростей реакции /25?/ энергия активации вязкого течения геля где 4 Н энтальпия активации вязкого течения геля. Последняя величина складывается из следующих основных компонент: I) А Щ - структурной энтальпии активации, требуемой для разрыва связи перемещающегося сегмента с окружающими его молекулами и сегментами при переходе в активированное состояние; предполагается, что структурная энтальпия активации равна энтальпии распада узла сетки геля; 2) лН - энтальпия процессов, связанных с изменением состояния среды, окружающей перемещающийся сегмент; 3) ДНх - энтальпии процессов перемещения сегмента. Последняя величина для исследованных жидкостей составляет лишь 2 кДж.моль""х / 25? /, поэтому значение д Н3 считали пренебрежимо малым, Вшяина лН в принципе должна вялкяать вклад взашодейст-БИЯ полимер-растворитель / 258/. Согласно данным / 259 /, это взаимодействие Б сильно сшитом гидрогеле целлюлозы приводит к повышению кажущейся энергии активации самодиффузии воды на 11,5 кДж.моль , т.е. на 56$. Для исследованных гелей вклад взаимодействия полимер-растворитель неизвестен и он не учитывается. COOTIE ветственно дН принимали равной энтальпии активации вязкого течения растворителя: где Eh - энергия активации вязкого течения растворителя Таким образом, Неучет взаимодействия полимер-растворитель может приводить к некоторому завышению значения Д Н, . В отличив от д Нг параметры А НІ и Д НТ являются характеристиками гелей одной определенной концентрации и относятся к температурному интервалу измерения упруговязких свойств. Концентрационные зависимости Tj. гелей представлены на рис. 66. Значения А М$ , А Н, и Д И\ гелей анионных полисахаридов приведены в табл.13 Для сравнения в этой же таблице указаны значения дН,, и дНг ДЛЯ ранее исследованных гелей мальтодекстрина /і 7? / и желатины. В после даем случав параметры рассчитаны по данным работ / 185, 1?$ /.
