СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕЖСТРУКТУРНЫХ РАССТОЯНИЙ В КОЛЛАГЕНЕ
METHOD TO IDENTIFY STRUCTURE-TO-STRUCTURE DISTANCES IN COLLAGEN

Изобретение относится к кожевенной промышленности и может быть использовано в любом производстве, даже в кустарной обработке коллагенсодержащего сырья, для определения межструктурных расстояний коллагена дермы.
Известны способы определения межструктурных расстояний с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и протонного магнитного резонанса (ПМР), в которых используется прецизионное оборудование (см. Б.В.Дерягин и др. Вода в дисперсных системах - М.: Химия, 1989. с.88); (см. Головтеева А.А. и др. Лабораторный практикум по химии и технологии кожи и меха: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Легпромбытиздат, 1987. - 312 с. ил.).
Известны способы определения межструктурных расстояний различных материалов, в том числе и коллагена, с использованием рентгенографии или электронографии и электронной микроскопии (см. А.Л.Зайдес. Структура коллагена и ее изменения при обработках - М.: 1960, 362 с.); (см. Головтеева А.А. и др. Лабораторный практикум по химии и технологии кожи и меха: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Легпромбытиздат, 1987. - 312 с. ил.).
Однако известные способы являются сложными в исполнении, а для их реализации необходимо прецизионное, дорогостоящее оборудование.
Известен также способ определения температуры сваривания коллагена, предназначенный для контроля процесса дубления. Его осуществляют с помощью специального прибора, оснащенного термометром, исследуемый образец коллагена закрепляют на термометре и наблюдают за состоянием образца. Скорость нагрева 1-2 градуса в минуту. За результат определения принимают температуру начала изменения длины образца (см. Головтеева А.А. и др. Лабораторный практикум по химии и технологии кожи и меха: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Легпромбытиздат, 1987. - 312 с. ил.).
Однако известным способом можно определить только температуру сваривания коллагена, а межструктурные расстояния в коллагене определить невозможно.
Недостатком известных способов является также использование технически сложной и дорогостоящей приборной базы.
Наиболее близкого к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату способа определения межструктурных расстояний в коллагене в научно-технической литературе и патентной документации авторами не обнаружено.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка простого и доступного способа определения межструктурных расстояний коллагена дермы в процессах ее выделки.
Технический результат изобретения заключается в возможности оценки межструктурного расстояния на молекулярном уровне в коллагене дермы в процессах ее выделки.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе определения межструктурных расстояний в коллагене, характеризующемся тем, что при сваривании коллагена линейные размеры кожевой ткани измеряют до и после сваривания коллагена, а межструктурное расстояние определяют по разности толщины образца после сваривания и расчетной толщины образца до сваривания, которую находят как произведение толщины образца до сваривания и коэффициента количества слоев, определяемое как частное от деления длины вытянутого образца к длине образца после сваривания.
Отличительная особенность предлагаемого способа определения межструктурных расстояний в коллагене объясняется тем, что при сваривании коллаген увеличивает свой объем пропорционально линейным размерам молекул, объем которых увеличивается при сваривании за счет увеличения диаметра молекулы без изменения длины молекулы. А молекулы при сваривании соединяются концами, за счет чего происходит усадка.
3
3
Способ основан на свойстве коллагена при сваривании увеличивать свой объем пропорционально изменению линейных размеров основной структурной единицы - молекулы коллагена и перемещении молекул относительно друг друга вдоль оси фибриллы до соприкосновения с концом другой молекулы и взаимодействия с ними при сваривании. Причем соприкасаются противоположно заряженные концы молекул коллагена, а это вызывает увеличение прочности, при этом модуль Юнга возрастает в несколько раз (см. Михайлов А.Н. Химия и физика коллагена кожного покрова: Монография.- М.: Легкая индустрия, 1980, 232 с., ил. с.45, 146). В результате экспериментов авторами выявлена интересная закономерность в сваривании коллагена образцов шкур с преимущественным горизонтальным направлением волокон, которые при сваривании сжимаются вдоль направления волокон, причем так, что усадка по величине практически не отличается от усадки изолированных волокон. А ширина не сваренного вытянутого по направлению волокон образца при сваривании практически не изменяется. И усадка происходит так, как будто бы слои молекул накладываются друг на друга при сваривании и этим увеличивают толщину образца. Причем, если сравнивать толщину образцов до и после сваривания, то получается так, будто бы при сваривании происходит наложение слоев молекул друг на друга, а сравнивая толщину сваренных образцов с толщиной суммы слоев не сваренного коллагена дермы можно видеть, что недостаток толщины кожевой ткани наложенных слоев составляет в процентах от толщины сваренной кожевой ткани такую величину, добавление которой к диаметру молекулы до сваривания дает межструктурное расстояние сваренного коллагена, по выражению авторов цитируемой далее книги, «материнский желатин» - 1,7 нм (17 Å) (см. Ф.О'Флаэрти, В.Т.Родди, Р.М.Лоллэр. Химия и технология кожи. Том 1. - М.: 1960, с.178). Диаметр молекулы коллагена в обводненном состоянии 1,4 нм (см. Михайлов А.Н. Химия и физика коллагена кожного покрова: Монография. - М.: Легкая индустрия, 1980, 232 с., ил. с.114); (см. Павлов С.А., Шестакова И.С., Касьянова А.А. Химия и физика высокомолекулярных соединений в производстве искусственной кожи, кожи и меха. Изд. 2-е, пер. и доп. Учебник для студентов вузов легкой промышленности. - М.: ЛИ. 1976, с.319). По нашим расчетам плотность коллагена 1047,79 кг/м соответствует диаметру молекулы коллагена в обводненном состоянии также в 1,4 нм, а расчетная плотность почти в точности соответствует значению найденному И.Г. Вудом экспериментальным путем 1,0475 г/см (см. Г.Вуд. Кожевенное производство. Обеззоливание и мягчение шкур. Мысль. Петроград. 1923. 184 с. ил. с.44). Проведенное нами определение диаметра молекулы с помощью предлагаемого способа также показывает близкое к указанному значение диаметра молекулы. Следовательно, с помощью предлагаемого изобретения можно провести оценку степени изменения диаметра молекулы в результате воздействия химических материалов на коллаген дермы в процессах выделки и этим контролировать процессы выделки.
Для выполнения предлагаемого изобретения - способа определения межструктурных расстояний в коллагене проводят измерения линейных размеров образцов кожевой ткани с помощью общедоступных измерительных инструментов, например, линеек штангенциркулей или микрометров и толщиномеров.
Способ определения межструктурных расстояний в коллагене выполняют следующим образом.
Из парного сырья или сырья после отмоки, или мокросоленого сырья вырезают образцы с помощью шаблона размером 10×1 см из участка с горизонтальным расположением волокон, например, из брюшной части, или пашины ближе к линии разреза шкуры, или с лапы вдоль направления роста волос. Длинную часть образца строго размещают в продольном направлении волокон. Вырезанный образец вытягивают по длине и замеряют длину в вытянутом состоянии и ширину в наиболее узком месте при вытягивании. Толщину образца измеряют толщиномером при небольшом прижиме. Затем образец сваривают в кипящей воде, при этом его удерживают в течение 30-60 сек с помощью пинцета, полностью погружая образец в кипящую воду. После сваривания измеряют его линейные размеры. Определяют количество возможных слоев с толщиной кожевой ткани до сваривания по отношению длины образца в вытянутом состоянии к длине сваренного образца. Далее рассчитывают межструктурные расстояния, для чего авторы приводят пример расчета в общем виде, в котором принимают следующие обозначения:
L - длина вытянутого образца до сваривания;
N - ширина вытянутого образца в наиболее узком месте до сваривания;
Н - толщина вытянутого образца в наиболее узком месте до сваривания;
I - длина после сваривания;
n - ширина после сваривания;
h - толщина после сваривания;
D=1,4 нм (см. стр.2 и 3) диаметр молекулы коллагена до сваривания;
d - диаметр молекулы коллагена после сваривания;
1
1
m - количество слоев с толщиной образца до сваривания получают из соотношения длины образца до сваривания к длине после сваривания, L/l. Следовательно, возможная толщина шкуры до сваривания с учетом слоев при длине образца 1 после сваривания будет Н×m=H. Величина толщины, недостающая до толщины после сваривания, составит h-H=U. Недостающая часть толщины в процентах составит U×100/h=F %. Величина, на которую увеличивается толщина, (диаметр) молекулы, составит F×D/100=d. Межструктурное расстояние после сваривания составит D+d=J.
Подтверждение сделанного вывода можно проиллюстрировать на ряде конкретных примеров выполнения способа определения межструктурных расстояний в коллагене.
Пример 1
Из брюшной части шкуры с помощью шаблона вырезают образец размером 10×1 см, вытягивают его. Измеряют линейкой длину и ширину образца. Длина образца после вытягивания L составила 117 мм. Ширина в узком месте N вытянутого образца - 5 мм. Толщина Н - 0,6 мм. Измеренный образец полностью погружают в кипящую воду, при этом его удерживают пинцетом в течение 30-60 секунд. После сваривания образец измеряют линейкой и толщиномером. Размеры образца после сваривания - l длина 46 мм, n ширина 5 мм, h толщина 2,0 мм. Затем рассчитывают межструктурное расстояние сваренного образца:
1
1
m=L/l - количество слоев с толщиной образца до сваривания получают из соотношения длины образца до сваривания к длине после сваривания 117/46=2,54. Следовательно, возможная толщина шкуры до сваривания с учетом слоев при длине образца l=46 мм будет Н×m=H или - 0,6×2,54 = 1,53 мм. Величина толщины, недостающая до толщины после сваривания h-H=U составит 2,0-1,53=0,47 мм. Недостающая часть толщины в процентах U×100/h=F % составит 0,47×100/2,0=23,69%. Величина, на которую увеличивается толщина, (диаметр) молекулы, F×D/100=d составит 23,69×1,4/100=0,33 нм. Межструктурное расстояние после сваривания D+d=J составит 1,4+0,33=1,73 нм.
Аналогично можно рассчитать по результатам сваривания значение диаметра молекулы коллагена, приняв за точку отсчета межструктурное расстояние элементов после сваривания 1,7 нм.
Пример расчета межструктурного расстояния между молекулами не сваренного коллагена. Величина, на которую уменьшается толщина, (диаметр) молекулы, составит 0,33 нм. Межструктурное расстояние до сваривания составит 1,7-0,33 = 1,37 нм.
Пример 2
Из брюшной части шкуры с помощью шаблона вырезают образец размером 10×1 см, вытягивают его. Измеряют длину образца. Длина образца после вытягивания L составила 127 мм. Ширина в вытянутом состоянии в узком месте N составила 6 мм. Толщина Н - 0,5 мм. Измеренный образец полностью погружают в кипящую воду, при этом его удерживают пинцетом в течение 30-60 секунд. После сваривания образец измеряют линейкой и толщиномером. Размеры образца после сваривания - l длина 45 мм, n ширина 6 мм, h толщина 1,7 мм. Затем рассчитывают межструктурное расстояние сваренного образца:
1
1
m=L/l - количество слоев с толщиной образца до сваривания получают из соотношения длины образца до сваривания к длине после сваривания, равным 127/45=2,822222. Следовательно, возможная толщина шкуры до сваривания с учетом слоев при длине образца I=45 мм будет Н×m=H или 0,5×2,822222=1,411111 мм. Величина толщины, недостающая до толщины после сваривания, h-H=U составит 1,7-1,411111=0,288889 мм. Недостающая часть толщины в процентах U×100/h=F % составит 0,288889×100/1,7=16,99347%. Величина, на которую увеличивается при сваривании толщина, (диаметр) молекулы, F×D/100=d составит 16,99347×1,4/100=0,2379 нм. Межструктурное расстояние после сваривания D+d=J составит 1,4+0,2379=1,6379 нм.
Аналогично можно рассчитать по результатам сваривания значение диаметра молекулы коллагена, приняв за точку отсчета межструктурное расстояние элементов после сваривания 1,7 нм.
Пример расчета межструктурного расстояния между молекулами не сваренного коллагена. Величина, на которую уменьшается толщина (диаметр) молекулы, составит 0,2379 нм. Межструктурное расстояние до сваривания составит 1,7-0,2379=1,4621 нм.
Пример 3
Из брюшной части шкуры с помощью шаблона вырезают образец размером 10×1 см, вытягивают его. Измеряют длину образца. Длина образца после вытягивания L составила 123 мм. Ширина в вытянутом состоянии N составила 7 мм. Толщина Н - 0,5 мм. Измеренный образец полностью погружают в кипящую воду, при этом его удерживают пинцетом в течение 30-60 секунд. После сваривания образец измеряют линейкой и толщиномером. Размеры образца после сваривания составили 1 длина 47 мм, n ширина - 7 мм, h толщина - 1,75 мм. Затем рассчитывают межструктурное расстояние сваренного образца:
1
1
m=L/1 количество слоев с толщиной образца до сваривания получают из соотношения длины образца до сваривания к длине после сваривания, равным 123/47=2,617021. Следовательно, возможная толщина шкуры до сваривания с учетом слоев при длине образца l=47 мм будет Н×m=H 0,5×2,617021=1,30851 мм. Величина толщины, недостающая до толщины после сваривания h-H=U составит 1,75-1,30851=0,44149 мм. Недостающая часть толщины в процентах U×100/h=F % составит 0,44149×100/1,75=25,228%. Величина, на которую увеличивается толщина F × D/100=d (диаметр) молекулы, составит 25,228×1,4/100=0,3531 нм. Межструктурное расстояние после сваривания D+d=J составит 1,4+0,3531=1,7531 нм.
Аналогично можно рассчитать по результатам сваривания значение диаметра молекулы коллагена, приняв за точку отсчета межструктурное расстояние элементов после сваривания 1,7 нм.
Пример расчета межструктурного расстояния между молекулами не сваренного коллагена. Величина, на которую уменьшается толщина, (диаметр) молекулы, составит 0,3531 нм. Межструктурное расстояние до сваривания составит 1,7-0,3531=1,3469 нм.
Пример 4
Из брюшной части шкуры с помощью шаблона вырезают образец размером 10×1 см, вытягивают его. Измеряют длину образца. Длина образца после вытягивания L составила 125 мм. Ширина в вытянутом состоянии N составила 6 мм. Толщина Н - 0,6 мм. Измеренный образец полностью погружают в кипящую воду, при этом его удерживают пинцетом в течение 30-60 секунд. После сваривания образец измеряют линейкой и толщиномером. Размеры образца после сваривания - l длина 50 мм, n ширина 6 мм, h толщина 2,0 мм. Затем рассчитывают межструктурное расстояние сваренного образца.
1
1
m=L/l количество слоев с толщиной образца до сваривания получают из соотношения длины образца до сваривания к длине после сваривания, равным 125/50=2,5. Следовательно, возможная толщина шкуры до сваривания с учетом слоев при длине образца l=50 мм будет Н×m=H 0,6×2,5=1,5 мм. Величина толщины, недостающая до толщины после сваривания h-H=U составит 2,0-1,5=0,5 мм. Недостающая часть толщины в процентах U×100/h=F % составит 0,5×100/2,0=25,0%. Величина, на которую увеличивается толщина F×D/100=d (диаметр) молекулы, составит 25,0×1,4/100=0,35 нм. Межструктурное расстояние после сваривания D+d=J составит 1,4+0,35=1,75 нм.
Аналогично можно рассчитать по результатам сваривания значение диаметра молекулы коллагена, приняв за точку отсчета межструктурное расстояние элементов после сваривания 1,7 нм.
Пример расчета межструктурного расстояния между молекулами не сваренного коллагена. Величина, на которую уменьшается толщина (диаметр) молекулы, составит 0,35 нм. Межструктурное расстояние до сваривания составит 1,7-0,35=1,35 нм.
Размеры сваренных и не сваренных образцов по испытаниям примеров 1, 2, 3, 4 сведены в таблицу 1.
Таблица 1
Размеры образцов для примеров 1, 2, 3, 4
№ Примера
До сваривания
После сваривания
Отношение длины до к длине после сваривания
Длина, мм
Ширина, мм
Толщина, мм
Длина, мм
Ширина, мм
Толщина, мм
1
117
5
0,6
46
5
2
2,54
2
127
6
0,5
45
6
1,7
2,82
3
123
7
0,5
47
7
1,75
2,61
4
125
6
0,6
50
6
2
2,5
Результаты расчетов межструктурных расстояний в коллагене после сваривания по результатам испытаний и расчетов в примерах 1, 2, 3, 4 сведены в таблицу 2.
Из полученных результатов таблицы 2 видно, что значение межструктурного расстояния очень близко к приводимому в литературе и соответствует действительности.
Результаты расчетов межструктурных расстояний в коллагене до сваривания по результатам испытаний и расчетов в примерах 1, 2, 3, 4 сведены в таблицу 3.
Предлагаемый способ определения межструктурных расстояний в коллагене прост в применении, не требует какой-либо сложной и дорогостоящей аппаратуры, позволяет провести оценку степени изменения диаметра молекулы в результате воздействия химических материалов на коллаген дермы в процессах ее выделки и контролировать процессы. Достаточно точно с его помощью можно определять межструктурные расстояния в коллагене.
Заявляемый способ определения межструктурных расстояний в коллагене может использоваться в любом производстве (даже кустарного типа) по переработке коллагенсодержащего сырья.