Поверхностное и межфазное натяжение водного раствора природной белковой системы

УДК 546.212

Вестник СПбГУ. Сер. 4, 2004, вып. 1

Н. Н. Кочурова, И. А. Медведев, М. В. Дмитровская, Т. Г. Мовчан*\ Л. С. Абрамова Н. Г. Абдулин

ПОВЕРХНОСТНОЕ И МЕЖФАЗНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ВОДНОГО РАСТВОРА ПРИРОДНОЙ БЕЛКОВОЙ СИСТЕМЫ

Введение. Исследование природной системы - икорного лососевого джуса, представляющего внутреннее содержание икринок, - диктуется необходимостью создания -на его основе биологически ценных пищевых продуктов. Биологическая ценность икры (и джуса) горбуши обусловлена хорошо сбалансированным аминокислотным составом белка. Кроме белков, икра и соответственно джус содержат жиры и воду. Роль пищевых эмульгаторов в обратных эмульсиях типа (В/М) выполняют обычно липидные компоненты: моно- и диглицериды, фосфолипиды, а в прямых (М/В) - белки сои, молока, молочных, подсырных и кровяных сывороток [1, 2]. В многокомпонентной системе, к которой относится икорный джус, имеются белки и липиды различной природы. Потому на основе джуса можно создавать как прямые, так и обратные эмульсии. Однако отсутствие данных о поверхностной и межфазной активностях компонентов такой системы затрудняет составление рецептур для изготовления стабильных концентрированных эмульсий. Поэтому возникает, потребность в экспериментальных данных, отражающих поведение адсорбционных слоев растворов джуса на различных границах раздела. '

Асимметричное расположение в белковых веществах неполярных олеофильных групп по отношению к полярным гидрофильным группам приводит к ярко выраженной поверхностной активности. В работах Шерага, Немети и др., как подчеркивается в [1], показано, что устойчивость структуры глобулярных белков в водных растворах^ обеспечивается теми же гидрофобными силами, которые вызывают мицеллообразова-ние в растворах поверхностно-активных веществ (ПАВ). Белки являются природными ПАВ. Как и для мицеллярных растворов ПАВ, для растворов белков характерно явление солюбилизации. Структурообразование и фазовые переходы часто усложняют рассмотрение поверхностных явлений в белковых системах. ' .

В настоящей работе исследованы равновесное и динамическое поверхностное натяжение водного раствора джуса с концентрацией 0,001-1% и межфазное натяжение на границе водный раствор джуса - гексан при различных значениях pH и температуре 20 °С. '

Экспериментальная часть. Основной состав джуса анализировали- следующим образом. Массовую долю белка определяли на автоматическом анализаторе «Kjeltec» модель 1003 (фирма «Tecator», Швеция) по методу Кьелдаля (ГОСТ 7636-85).

Для установления аминокислотного состава обезвоженный ацетоном и обезжиренный серным эфиром материал гидролизовали 6 н. раствором соляной кислоты в течение 24 ч при температуре 105 °С. Гидролизат упаривали на водяной бане досуха, сухой остаток растворяли в 0,02 н. HCl. Аминокислоты определяли на автоматическом аминокислотном анализаторе фирмы «Hitachi» (Япония) с последующей компьютерной обработкой данных по программе Мультихром для Windows.

*) Институт физической химии РАН.

**) Всероссийский институт океанографии и рыбного хозяйства. © Н. Н. Кочурова, И. А. Медведев, М. В. Дмитровская, Т. Г. Мовчан, Л. С. Абрамова, Н. Г. Абдулин, 2004

Общее содержание липидов находили экстракционным методом Фолча [3], их фракционный и жирнокислотный составы - по методикам, описанным в [4, 5].

Соотношение компонентов (в об. %) в природной системе - джусе лососевой икры - следующее: белки - 30,56, жиры - 4,08, вода - 56,25, КаС1 - 4,28, сорбиновая кислота - 0,13, другие вещества - 4,43. Таким образом, белки обладают поверхностно-активными свойствами.

Фракционный состав жиров в джусе составляют фосфолипиды (1,9%), стерины (5,7%), диглицериды (0,6%), свободные жирные кислоты (0,5%), триглицериды (88,8%), эфиры сте-ринов (2,5%). Среди липидов (поданным работы [6]) наиболее поверхностно-активными явля-. ются фосфолипиды. В составе джуса их содержание - около 2%; основную долю составляют менее активные ПАВ - триглицериды.

Равновесное поверхностное натяжение водного раствора джуса на границе с воздухом измерялось методом отрыва кольца при помощи прибора фирмы «Маркада» (Санкт-Петербург) с цифровым табло, показания которого фиксируются в момент отрыва кольца [7]. Перед началом измерений проводится градуировка прибора по поверхностному натяжению бидистил-лированной воды, этиленгликоля, изопропилового спирта и гексана. Градуировочный график имеет линейный характер и позволяет пересчитывать показания прибора на величину поверхностного натяжения. Погрешность измерений составляет. ±0,5 мН/м.

Динамическое поверхностное натяжение измерялось методом максимального давления в газовом пузырьке с использованием прибора Пугачевича ГАЗП-1КТ. Схема установки и методика измерений описаны в работе [8]. Погрешность измерений - ±0,3 мН/м.

Межфазное натяжение на границе водного раствора джуса с гексаном измерялось методом счета капель на автоматическом сталагмометре АЦЖ 2.784.001 конструкции НПО «Нефте-химавтоматика». Особое внимание уделялось созданию оптимальных условий для формирования отрывающейся капли и достаточно точного измерения ее объема. При работе обеспечивалось термостатирование. Погрешность измерений —. ±0,5 мН/м.

7, мН/м

65

60

55

50

45

На рис. 1 представлена зависимость равновесного поверхностного натяжения раствора джуса от концентрации. При увеличении концентрации раствора от 0,001 до 0,5% поверхностное натяжение уменьшается от 66,6 до 49,2 мН/м. Далее оно перестает снижаться и становится практически постоянным. Это свидетельствует о появлении в растворе агрегатов, не обладающих поверхностной активностью. Можно сказать, что при особой концентрации садг, составляющей

около 0,5%, по-видимому, возникает агрегация в растворе, как при критической концентрации мицеллообразования (ККМ). Очевидно, данный факт пред: ставляет значительный интерес и может послужить стимулом к исследованию образующихся агрегатов.

Измеренное нами при садг значение поверхностного натяжения, равное 49,2 мН/м, несколько больше известного из литературы (43 мН/м) [6] для фосфолипидов, выделенных из смеси с другими липидами на границе вода-воздух.

Одной из важнейших задач физикохимии белков является установление корреляции между поверхностной активностью и их конформацией. В этом отношении исследование не только величины равновесного поверхностного натяжения в зависимости от концентрации, но и кинетики его релаксации представляет значительный интерес. На

-4

-2 -1

о

л 1п с

Рис. 1. Зависимость равновесного поверхностного натяжения 7 от концентрации раствора с.

рис. 2, а-в приведены результаты измерений динамического поверхностного натяжения раствора джуса при 20 °С и концентрациях 0,5; 0,05 .и 0,01%.

7, мН/м 70

65

60

55

50

45

70

65

60

1

• 2

А . 3

• • АА А А

А а-  **

—1 55 5 1

1пт

5

1п г

70 г

65

Рис. 2. Зависимости динамического поверхностного натяжения 7 от времени г для растворов концентрации 0,5 (а), 0,05 (б) и 0,01% (в) при разных рН.

а: 1 - рН 1,85, 2- рН 10,85; б: 1 - рН 2,45, 2 - рН 11,2, 3 - рН 6,35; в: 1 - рН 2,3, 2- рН11,3, 3 - рН 6,41.

60

55

* •

\ А

> ••

6

1пт

Для каждой концентрации раствора измерялось значение рН. Оно оказалось равным 6,04 для первого раствора, 6,35 для второго и 6,41 для третьего. К сожалению, мутность первого раствора (с = 0,5%, рН 6,04) не позволила провести измерения предложенным нами методом максимального давления в газовом пузырьке. При добавлении НС1 и КОН меняли рН, мутность исчезала, и мы смогли провести измерения. На рис. 2, а представлены результаты для растворов концентрации 0,5% и рН 1,85 и 10,85 соответственно. В кислой области поверхностное натяжение 7 перестает меняться через 103 с. При этом Д7 составляет 7,5 мН/м. В щелочной области за 129 с величина 7 уменьшается на 3 мН/м, еще не достигая равновесного значения. Результаты для с = 0,05% без (рН 6,35) и с добавлением электролита (рН 2,45 и 11,2) сведены на рис. 2, б. За время измерения 50-90 с поверхностное натяжение почти не меняется во времени. Однако добавление электролита приводит к слабому увеличению 7: примерно на 1 мН/м. При уменьшении концентрации раствора до 0,01% (рис. 2, в) и добавлении электролита (рН 2,3 и 11,30) за время измерения 100-200 с поверхностное натяжение, практически остается постоянным.

50

Влияние рН раствора обычно связывают с изменением конформации белков. Так, в [2] говорится о том, что при рН 4-10 третичная структура сывороточных альбуминов стабильна, а при рН 2-3 приобретает другую конформацию. Именно изменением структуры белков под влиянием электролитов и переходом к другим значениям рН раствора объясняют неодинаковое изменение поверхностного натяжения растворов сывороточного альбумина при отклонении рН растворов в кислую и щелочную области. В рассматриваемом случае разная скорость релаксации при с = 0,5% и различных рН, по-видимому, свидетельствует о неодинаковой структуре белков при рН 1,85 и 10,85. При меньших концентрациях раствора (0,05 и 0,01%) такое явление при измерениях динамического поверхностного натяжения не наблюдается, что и следовало ожидать при измерении равновесного поверхностного натяжения (см. рис. 1). При концентрации около 0,5% возникает агрегация в растворе. Очевидно, изменение рН среды будет иметь наибольшее влияние именно в этом случае.

На рис. 3 показано, как изменяется величина межфазного натяжения на границе водный раствор джуса - гексан. Электролит при этом не добавлялся, температура составляла 17 °С. При концентрации 0,01% межфазное натяжение равно 49,8 мН/м, при дальнейшем ее увеличении оно уменьшается и при с = 1% составляет 38,4 мН/м. 7,мН/м Таким образом, межфазная адсорб-

55 г ционная активность оказывается больше

поверхностной, что согласуется с представлениями, изложенными в [2]. Действительно, на границе раствора джуса с гексаном возможна солюбилизация, т.е. 45 [- растворение гексана в джусе, что приво-

дит к увеличению адсорбции-в межфаз-

ном слое и уменьшению межфазного на-  ' тяжения. При с ~ 0,5% происходят ста-

билизация адсорбции джуса в межфазном слое й стабилизация межфазного натяжения, которое на 11 мН/м меньше поверхностного натяжения (49 мН/м). _4 -3-2-1 о Согласно работе [б], межфазное на-

. 1п с тяжение на границе гептан - раствор

_ ' нейтральных фосфолипидов, к которым

Рис. 3. Зависимость межфазного натяжения -

можно отнести большинство из состава на границе водный раствор джуса - гексан от тт, „

джуса, составляет 35 мН/м, что близко концентрации раствора. . ' ' '

к полученному нами значению.

Заключение. Были определены равновесное и динамическое поверхностное натяжение водного раствора икорного лососевого джуса, а также межфазное натяжение этого раствора на границе с гексаном при концентрациях 1-0,001%. Установлено, что при концентрации около 0,5% поверхностная активность становится постоянной, это, по-видимому, свидетельствует об образовании при некоторой концентрации садг поверхностно-инактивных агрегатов. Измерения показали, что адсорбция на межфазной границе больше, чем на границе с воздухом, вследствие, вероятно, солюбилизации гексана. Значительная адсорбционная активность водного раствора джуса позволяет надеяться на возможность осуществления эмульгирования при создании концентрированных эмульсий на его основе. Полученные результаты могут быть использованы при приготовлении пищевых продуктов с указанной белковой системой.

40

35

30

Работа выполнена при финансовой поддержке Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002 - 2006 годы» (проект № 326.48) и программы Президента Российской Федерации для поддержки ведущих научных школ (грант № НШ-789. 2003). х

Summary

Kochurova N. N., Medvedev I. A., Dmitrovskaya M. V., Movchan T. G-, Abramova L.S., Abdulin N. G. Surface and interface tension of aqueous solutions of natural albumen's system.

In this work the investigation of equilibrium, dynamic and interface tension of solutions of natural albumen's system - juice - is presented. Solutions are investigated with concentrations 1-0,001% and at different values of pH. From experimental results we can see, that at concentration

0.5% surface active aggregates appears.

Литература

1. Измайлова В. H.; Ребиндер П. A. Структурообразование в белковых системах. М., 1976. 2. Измайлова В. Н., Ямполъская Г. П., Сумм В. Д. Поверхностные явления в белковых системах. М., 1988. 3. Folch J., Lees M., Sloane-Stanley G. H. /./ J. Biol. Chem. 1957. Vol. 226. P. 497-507. 4. Кейтц M. Техника липидологии. M., 1985. 5. Ржевская Ф.М. Жиры рыб и морских млекопитающих. М., 1976. 6. Жуков И. Н., Ушакова 3. В., Богданова Е. И., Ремизов Ю. В. /./ Коллоидн. журн. 1992. Т. 54, № 3. С. 49-52. 7. Абдулип Н.Г., Кочурова Н.Н., Русанов А. И. //Коллоидн. журн. 1997. Т. 59, № 6. С. 725-728. 8. Пчелинцева M. Н., Кочурова H. Н., Петцолъд Г., Лунквиц К. // Коллоидн. журн. 2000. Т. 62, № 5. С. 672-677.

Статья поступила в редакцию 11 июня 2003 г.