Исследование эффективности биополимерных сорбентов на основе пектина для выведения избыточного содержания металлов из организма

Ю. А. Тунакова, Е. С. Мухаметшина, Ю. А. Шмакова ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОПОЛИМЕРНЫХ СОРБЕНТОВ НА ОСНОВЕ ПЕКТИНА ДЛЯ ВЫВЕДЕНИЯ ИЗБЫТОЧНОГО СОДЕРЖАНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ ОРГАНИЗМА

Ключевые слова: биополимеры, сорбенты, металлы, модельные растворы.

Рассмотрены особенности строения, свойств, применения и результаты тестирования биополимерного сорбента на основе пектина для восстановления микроэлементного баланса в организме человека..

Key words: biopolymers, sorbents, metals, modelling solutions.

Features of a structure, properties, applications and results of testing of a biopolymeric sorbent are considered on the basis of pectin for restoration of microelement balance in an organism of the person.

Введение

Пектины - это полисахариды, входящие в состав клеточных стенок высших растений. Как рассматривалось нами в предыдущих публикациях, сорбционные свойства биополимеров в значительной мере обусловлены особенностями их строения [1-4].

По химической структуре пектины представляют собой макромолекулярные соединения и близки к гемицеллюлозам - коллоидным полисахаридам или гликополисахаридам растений. Как и другие полисахариды, пектины являются гетерогенными по химической структуре и молекулярной массе. Основой молекулы пектиновых веществ является цепь из остатков Б-галактуроновой кислоты, которые соединены а-(1-4) гликозидными связями в нитевидную молекулу полигалактуроновой кислоты (рис.1). В порошке пектина в малых количествах присутствуют остатки нейтральных моносахаридов Ь-арабинозы, Б-галактозы, Б-ксилозы, и фруктоза, которые присоединены к пектиновым молекулам в виде боковых цепей, а в главную цепь включается рамноза, являющаяся узлом изгиба молекулы пектина.

Обычно боковые цепи включают от 8 до 20 молекул нейтральных сахаров, и на их долю приходится 10-15% массы пектина. Кислотные группы полигалактуроновой кислоты частично этерифицированы метиловым спиртом. Степень этерификации (отношение метоксильных групп (-ОСН3) ко всем кислотным остаткам в молекуле) делит все промышленные виды пектинов на две группы: высокоэтерифицированные (яблочный, цитрусовый) и низкоэтерифицированные (свекловичный). Пектины со степенью этерификации, равной или более 50%, относят к высокоэтерифицированным. При повышении степени этерификации и уменьшении величины молекулы (уменьшении молекулярной массы) пектина его растворимость в воде увеличивается. Высокометаксилированные пектины более растворимы, чем пектины

низкометаксилированные. Полностью лишенные метоксильных групп пектиновые кислоты не растворяются в воде даже при небольшой их молекулярной массе. Наличие в молекуле пектина карбоксильных и гидроксильных групп

галактуроновой кислоты обусловлавливает хелатные свойства пектинов [6].

При добавлении к раствору пектина солей металлов образуются нерастворимые, устойчивые соединения - пектинаты металлов, которые не абсорбируются в кишечнике. Структура комплексов, образующихся при взаимодействии молекулы пектина с ионами металла, зависит от многих факторов: от природы полимера (наличие и

количество свободных и связанных карбоксильных групп, степень этерификации, стереохимии молекулы пектина), от природы иона металла (8, р, ^ элемент), а также от условий проведения реакций комплекса образования (РН, концентрация, температура и др.). Так активность и прочность образования хелатов зависит от степени этерификации пектинов, т. е. от соотношения между этерифицированными и свободными карбоксильными группами. Чем меньше этерифицирован пектин, чем больше свободных карбоксильных групп, тем легче образуются хелаты металлов [7].

Экспериментальная часть

Экспериментальным путем установлено, что пектин адсорбирует уксуснокислый свинец сильнее активированного угля. Установлено, что максимальное выведение свинца с мочой и калом и уменьшение содержания свинца в костях, достигается при степени этерификации пектина 50-60%. Пектин также обладает активной комплексообразующей способностью по отношению к радиоактивному кобальту, стронцию, цезию, цирконию, рутению, иттрию и другим металлам, образуя соли пектовой кислот. Исследования сорбционной способности пектовой кислоты показало, что катионы по активности взаимодействия располагаются в ряд: Мп2+>Си2+^п2+>Со2+>РЬ2+>М2+>Са2+>Мд2+>Ссг. Такая последовательность объясняется тем, что катионы двухвалентного марганца, меди, кобальта, никеля помимо соединений типа Я(СОО)2Ме, образует соединение другого вида за счет взаимодействия (кроме карбоксильных) с окси группами макромолекул или за счет образования соли типа Р(СОО)Ме(ООССН3) [8].

Попадая в желудочно-кишечный тракт, пектин образует гели. При разбухании масса пектина

обезвоживает пищеварительный канал и, продвигаясь по кишечнику, захватывает токсичные вещества. Низкоэтерифицированный пектин легко образует пектинаты металлов, в том числе и свинца, а высокоэтерифицированный

пектин обволакивает кишечную стенку и посредством механизма гель-фильтрация (неперемешанный слой воды) снижает всасывание малых молекул, таких, как тяжелые металлы и радионуклиды [9].

Связывание металлов в комплексное соединение привлекает к себе внимание специалистов в области детоксикации организма от накопленных в результате проживания в зонах с высокой антропогенной нагрузкой веществ, где предпочтение отдается веществам природного происхождения, не дающими побочных эффектов в организме человека. На основе биополимера пектина разработаны множество медицинских препаратов. Но для оценки его сорбционной емкости нами выбран энтеросорбент «Цитрусовый пектин», с наибольшим процентным содержанием метоксильных групп и отсутствием в составе компонентов, например, микроэлементов, которые могут исказить результаты эксперимента.

Для оценки сорбционной способности пектина по отношению к металлам нами в соотношении 1:1 готовилась серия модельных растворов солей на молочной сыворотке основных эссенциальных и токсичных металлов разной концентрации. Концентрации металлов в растворе были подобраны таким образом, чтобы охватить весь диапазон физиологических флуктуаций их концентраций в жидких средах организма человека. В связи с этим использовался ряд концентраций: 0,5; 1,0; 2,5; 3,5; 5,0 мг/л. Соотношение сорбент - раствор составляло 1:10. После этого суспензии фильтровались через фильтр «синяя лента» ТУ 6-091678-95, в фильтратах определялось остаточное количество металлов методом АА8. Подробно техника эксперимента, а также обработка результатов была приведена в более ранней публикации [10,11].

По полученным данным построены изотермы Ленгмюра (рис.1-4): зависимости между количеством адсорбированного металла (ось ординат) и равновесной концентрацией ионов металла в растворе (ось абсцисс).

Рис. 2 - Изотермы сорбции железа

Рис. 3 - Изотермы сорбции меди

Рис. 1 - Изотермы сорбции кадмия

Рис. 4 - Изотермы сорбции цинка

Характер изотерм схож для всех исследуемых металла. Установлено отклонение от классической изотермы адсорбции для всех четырех исследуемых металлов. На первом участке изотермы наблюдается прямо пропорциональная зависимость между концентрацией ионов металлов в растворе и количеством сорбируемого металла. С концентрации 3 мкг/мл сорбция возрастает. На изотермах отсутствует скачкообразный участок, параллельный оси ординат, показывающий быстрое насыщение сорбента. Цитрусовый пектин продемонстрировал высокую эффективность по всем исследуемым металлам, с диапазоном сорбционной емкости от 40 мкг/г в отношении кадмия до 63 мкг/г в отношении цинка. Выявленный диапазон сорбционной емкости позволит скорректировать применение данного биополимерного энтеросорбента для выведения избыточного содержания металлов из организма жителя урбанизированной территории.

Литература

1. ЮА. Іунакова, Е.С. Мухаметшина, Ю.A. Шмакова, Вестник казан. технол. ун-та, 14, 9, 74-79 (2011).

2. ЮА. Іунакова, Е.С. Мухаметшина, ЮА. Шмакова,

Вестник казан. технол. ун-та, 14, 10, 9б-102 (2011).

3. ЮА. Іунакова, Е.С. Мухаметшина, ЮА. Шмакова,

Вестник казан. технол. ун-та, 14,12, В2-Вб (2011).

4. ЮА. Іунакова, Е.С. Мухаметшина, ЮА. Шмакова,

Вестник казан. технол. ун-та, 14, 14, 141-149 (2011).

5. Chemistry and function of pectins, ed. by M. L. Fishman, J. J. Jen, Wash., 19Вб.

6. В. Н. Голубев, Н. П. Шелухина Пектин: химия,

технология, применение. A'lffi^, Москва,1995. 3В7 с.

7. Г.Б. Аймухамедова, Д.Э. Алиева, Н.П. Шелухина Свойства и применение пектиновых сорбентов. Фрунзе, ИЛИМ, 1984. 131 с.

8. Г.Н. Игнатьева, Т.И. Овсюк, Хран. и перераб.

Сельхозсырья, 8, 27-31 (2001).

9. В.И. Решетников Химико-фармацев. ж-л, 37,5, 28-32

(2003).

10. Ю.А. Тунакова, Р.А. Файзуллина, Ю.А. Шмакова,

Вестник казан. технол. ун-та, 14, 3, 80-86 (2011).

11. Ю.А. Тунакова, Р.А. Файзуллина, Ю.А. Шмакова,

Вестник казан. технол. ун-та, 14, 5, 57-61 (2011).

© Ю. А. Тунакова - д-р хим. наук, проф. каф. промышленной экология КНИТУ им. А.Н. Туполева; juliaprof@mail.ru; Е. С. Мухаметшина - асп. той же кафедры, ielnara@mail.ru; Ю. А. Шмакова - асп. каф. технологии пластических масс КНИТУ, kstu-material@mail.ru.

23б