ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ АДСОРБЦИОННОГО СЛОЯ, ОБРАЗОВАННОГО РАСТИТЕЛЬНЫМ БИОПОЛИМЕРОМ В ВОДНОЙ СРЕДЕ

Трава растений зачастую обладает большим содержанием пектиновых веществ. Благодаря хорошей биодоступности природных полимеров, выделенных из растительного сырья, все больше исследований посвящено изучению их физико-химических свойств. Результаты таких исследований позволяют оценить возможности использования биополимеров и выбрать оптимальный технологический процесс.

Пектиновые вещества из трех сортов Космеи дваждыперистой (Cosmos bipinnatus Cav.) получали по методу Кочеткова [1].

Целью настоящего исследования явилось изучение поверхностных свойств водорастворимых пектиновых веществ на границе раздела фаз «раствор-воздух».

В ходе эксперимента из 1% водных растворов ПВ готовили серию разбавлений с концентрацией от 0,1% до 1%. Величину коэффициента поверхностного натяжения измеряли по методу отрыва капель (сталагмометрически). Капли образуются при вытекании из трубки очень малого диаметра под действием силы   тяжести   и   поверхностного   натяжения.   Из   вертикально   поставленной   трубки   с узким кап и лляр ным отверстием медленно вытекает жидкость и на  конце трубки образуется постепенно нарастающая по величине капля. Увеличиваясь в размере, эта капля отрывается тогда, когда ее вес становится равным сопротивлению разрыва поверхностной пленки, поддерживающей каплю.

Величину поверхностного натяжения (σ x) рассчитывали по уравнению:

где σx, σ0 – поверхностное натяжение раствора и дистиллированной воды (Н/м);

n₀, nx, – количество капель дистиллированной воды и раствора.

Зависимость между изменением свободной поверхностной энергии и концентрацией вещества в поверхностном слое выражена уравнением Гиббса:

где Г – поверхностный избыток адсорбированного вещества;

-∆σ/∆C – поверхностная активность;

R – газовая постоянная  (8,31103 Дж/кмоль*К);

T – абсолютная температура.

Результаты представлены в таблице 1,2 и 3.

Таблица 1 – Параметры поверхностных свойств ПВ, полученных из Космеи дваждыперистой сорта «Purity»

Таблица 2 – Параметры поверхностных свойств ПВ, полученных из Космеи дваждыперистой сорта «Rosea»

Таблица 3 – Параметры поверхностных свойств ПВ, полученных из Космеи дваждыперистой сорта «Dazzler»

Учитывая, что на границе раствор-воздух поверхностный слой ПАВ является мономолекулярным, определяли величину предельного поверхностного избытка (Г∞).

Построив график зависимости 1/Г от 1/С, по величине отрезка, отсекаемого прямой на оси ординат, определили 1/Г∞. (рис.1)

Рисунок 1 – Зависимость 1/Г от 1/С для водных растворов ПВ сорта «Purity»

Найденные величины предельного поверхностного избытка для пектиновых веществ сортов «Purity», «Rosea», «Dazzler» соответственно равны 33,3 , 5 и 25 кмоль/м2.

Пользуясь представлениями о плотной упаковке молекул в монослое при предельной адсорбции (Г∞), вычислили площадь, занимаемую одной молекулой (S), толщину(l) и объем поверхностного слоя(V).

где Г∞ – предельный поверхностный избыток;

NA – число Авогадро.

где M – молекулярная масса ПВ; ρ – плотность воды.

Объем поверхностного слоя вычисляли по формуле.

Результаты, представлены в таблицах 1-3. Наибольший объем в поверхностном слое занимают молекулы пектиновых веществ, полученных из Космеи дваждыперистой сорта «Rosea», что в два раза больше пектиновых веществ из сорта «Purity». Такое же соотношение отмечено и в отношении величин средней молярной массы веществ, определенных нами ранее вискозиметрическим методом. Их величины составили для пектиновых веществ сорта «Purity» - 10071, «Rosea» - 21612, «Dazzler» - 13713  (таблица 4).

По изотерме поверхностного натяжения (рис. 2) определяли поверхностную активность (g). Ее величину находили по тангенсу угла, образованного касательной, проведенной к изотерме поверхностного натяжения при С → 0. Тогда :

Таблица  4.  Соотношение  физико-химических   параметров  между пектиновыми   веществами, выделенными из Космеи дваждыперистой разных сортов.

Рисунок 2 – Изотерма поверхностного натяжения водных растворов пектиновых веществ, выделенных из травы Коcмеи дваждыперистой сорта «Rosea».

Результаты показали, что ПВ, выделенные из травы трех сортов Космеи дваждыперистой относятся к группе поверхностно-активных веществ. Благодаря немалому поперечному сечению молекулы (S) и высокой средней молярной массе, молекулы занимают большой объем на поверхности раздела фаз, что сказывается на величине поверхностной активности.

Полученные  расчёты  позволяют  сделать  вывод  о  том,  что  пектиновые  вещества  Космеи дваждыперистой разных сортов по величине поверхностной активности можно расположить в ряд: Сорт«Purity» (13,64*10-3)>Сорт«Dazzler» (8,19*10-3)>Сорт«Rosea» (6,18*10-3).

Отмечена также определенная корреляция между поверхностной активностью, молекулярной массой, объемом поверхностного слоя предельным поверхностным избытком молекул биополимеров пектиновых веществ (табл.4).

Чем меньше молярная масса, объем молекул в поверхностном слое, но больше предельный поверхностный избыток, тем больше способность пектиновых веществ снижать поверхностное натяжение растворителя. Возможно и биологическая активность у пектиновых веществ Космеи дваждыперистой сорта «Purity» окажется выше, что требует дальнейших исследований.

Выводы:

1.                   Установлено наличие поверхностно-активных свойств у пектиновых веществ, выделенных из травы Космеи дваждыперистой разных сортов;

2.                   Определены величины: поверхностного натяжения, размеры молекул пектиновых веществ в поверхностном слое, поверхностная активность;

3.                   Отмечена определенная корреляция между найденными величинами;

4.                   Показано, что наибольшей способностью  к снижению поверхностного натяжения растворителя обладают молекулы пектиновых веществ из Космеи дваждыперистой сорта «Purity».

Список литературы

1.                     Карпович, Н.С. Пектин. Производство и применение. / Н.С. Карпович, Л.В. Донченко. – Киев: Урожай, 1989. – 88 с.

2.                   Щукин, Е.Д. Коллоидная химия. / Е.Д. Щукин, А.В. Перцев, А.Е. Амалис. – М.: Высш. шк.,2006. – 444 с.

3.                   Абрамсон, А.А. Поверхностно-активные вещества. Свойства и применение / А.А. Абрамсон. – Л.: Химия, 1981. – 304 с.

4.                   Мыкоц, Л.П. Определение параметров адсорбционного слоя, образованного природным высокомолекулярным соединением на границе раздела фаз «раствор-воздух» / Л.П. Мыкоц, Н.Н. Богдашев, З.М. Нерсесян, Т.А. Савельева // Разработка, исследование и маркетинг новой фармацевтической продукции: Сб. науч. тр. – Пятигорск, 2009. – Вып. 64. – С. 194-196

5.                   Цветков, В.Н. Структура макромолекул в растворах / В.Н. Цветков, В.Е. Эскин, С.Я. Френкель. – М.: Наука, 1964. – 720 с.