Модификация биологически активными системами синтетического полиизопрена

сульфгидрильная, или тиоловая SH-группа цистеина и дисульфидная S-S-группа

цистина. Это связано с высокой химической реакционной способностью этих

групп, легко вступающих в разнообразные реакции со многими типами

соединений, и может объясняться большим значением SH- и S-S-групп для

специфических функций ряда ферментов (как, например Ко-фермента) и других

биологически активных белков.

Использование серосодержащих аминокислот, таких как цистин, в

промышленном масштабе сопряжено с трудностями экономического характера. В

настоящее время проводятся изыскания технологий получения биологически

активных веществ, получаемых из отходов мясомолочной промышленности [36].

Поиск более дешевых и доступных модификаторов привел к изучению

возможности использования в качестве модифицирующей добавки гидролизата

кератинового белка (ГКБ) [37]. Содержания в нем серосодержащих аминокислот

доходит до 11%. Исследования модификации вводной дисперсии СКИ-3 ГКБ

показали, что в результате модификации происходит взаимодействие

кератинового белка с полиизопреновой дисперсией. Значительно улучшаются

физико-механические свойства пленок из модифицированного ДСКИ-3.

Механическое введение белка в матрицу синтетического полиизопрена

оказывает незначительное влияние на свойства смесей на его основе. Введение

1,6% мас. белка (количества, близкого к содержанию его в НК) вызывает

изменение структуры синтетического каучука, приближая ее к структуре

матрицы НК. Однако, последняя термодинамически более стабильная, чем

структура системы СКИ-3 – несвязанный белок.

В товарном НК белок можно разделить на три вида: белок, связанный с

молекулой каучука через пирофосфат в процессе синтеза, или продукт

ферментативного гидролиза белка, образующийся в процессе обработки НК;

белок, окружающий каучуковую глобулу и связанный с каучуком через посредник

– молекулу фосфолипида; белок серума, осажденный вместе с каучуком в

процессе коагуляции латекса, но химически с ним не связанный.

Первый вид белка смоделировать трудно, однако можно получить второй вид

белка, связанного с каучуком через молекулу фосфолипида. Источником

подобных комплексов могут стать микроорганизмы, содержащие подобные

комплексы (напрмер, липопротеины) в своих мембраннах, или синтетический

комплекс, причем вместо фосфолипидов могут выступать некоторые другие

ПАВ [38].

Известны работы [39] по иммобилизации липидов и их аналогов на

полимеры, при этом следует отметить возможность адсорбционной иммобилизации

липидов.

В работах проведенных в МИТХТ совместно с НИИШП было показано, что

добавки природных биополимеров в СКИ-3 придают последнему физико-

механические свойства, приближающиеся к свойствам НК [39].

На первом этапе работы был выполнен качественный анализ по веществам,

присутствие которых в латексе НК было достоверно установлено и строение

которых достаточно достоверно доказано. В качестве таких веществ были

выбраны: гидрофобный белок из латекса гевеи, растворимые белки серума того

же латекса, лецитины разного происхождения, синтетические

олигопренолфосфаты и пирофосфаты, а также гидрофобные белки и липидно-

белковые смеси микробиологического и животного происхождения.

Депротеинизацию торговых сортов НК (исходных, не подвергавшихся

пластификации) проводили в разбавленных растворах (растворители – гексан,

толуол) путем обработки активными добавками с последующим отделением

белковой компоненты методом препаративного ультрицентрифугирования, затем

депротеинизированный каучук выделяли сушкой под вакуумом в мягких условиях

[40]. О содержании белка судили по определению азота с использованием

прибора Кельдаля и анализу ИК-спектров.

Изомеризацию осуществляли в растворе толуола и в блоке путем обработки

каучука оксидом серы, варьируя длительность и температуру. Об изменениях

микроструктутры судили по появлению сигналов, соответствующих поглощению

протонов trans – конфигурации звена изопренов в спектрах ЯМР, прибор Bruker

– 500, ММР характеризовали методом ГПХ.

Кинетика кристаллизации является более медленной для фракции с низким

содержанием белка по сравнению с нефракционированными образцами [41].

Однако основное влияние на кинетику статической кристаллизации (полупериод

кристаллизации) оказывает не содержание белка, а содержание карбоновых

кислот.

Изучение кристаллизации показало, что депротеинизированные образцы

демонстрируют ориентационные эффекты при гораздо большем относительном

удлинении (500 – 700 % ) вместо 200 – 300 %для исходных, однако температура

плавления кристаллической фазы депротеинизированных образцов в опытах по

статической кристаллизации при этом практически не изменяется и составляет

Тпл = 10-12оС.

Кинетика кристаллизации образцов с меньшим содержанием белка является

более медленной, однако увеличение содержания белка выше 2–3 % масс. почти

не влияет в дальнейшем на кинетику кристаллизации.

3. Объекты исследования

Натуральный каучук

[pic]

Натуральный каучук (НК) – биополимер изопреноидной природы, типичный

представитель широкого класса изопреноидов растительного происхождения, он

вырабатывается в растениях, произрастающих в разных регионах мира

(бразильская гевея, американская гваюла, среднеазиатский кок-сагыз) [1],

представляет собой на 98 – 100% стереорегулярный циз-полиизопрен.

Технические характеристики использованного в данной работе натурального

каучука представлены в таблице 3.1

Таблица 3.1

Технические характеристики НК RSS1

|Загрязнённость,|Начальная |Показатель |Содержание |Содержание |

|определённая на|пластичность |сохранения |летучих |золы, %, не |

|сите 45 мкм, %,|по Уоллесу, |пластичности |веществ, %, |более |

|не более |не менее |(ПСП), не |не более | |

| | |менее | | |

|0,5 |33-47 |40 |1,0 |1,0 |

| |тип 40 | | | |

СКИ-3

[pic]

Изопреновый каучук получают путем стереоспецифической полимеризации

изопрена в растворе на катализаторах Циглера-Натта при температуре 30-

50 оС. Структура и химический состав:

Содержание цис-1,4-звеньев

транс-1,4 - 0-4%

Содержание Звеньев 1.2 и 3.4 в сумме 1-5%

Общая непредельность - 94-98%

Средневязкостная масса М? – (350-1300)*103. Физические свойства СКИ подобны

свойствам НК. Изопреновый каучук кристаллизуется при -25оС. Наименьшее

относительное удлинение, при котором наблюдается образование

кристаллической фазы при 20оС, составляет 300-400%. Параметр растворимости

?р равен 16.8 (МДж/М3)1/2 [42]

Для изучения влияния биологически активных систем на комплекс свойств

синтетических каучуков и резин на их основе были выбраны следующие

продукты:

Липидный остаток биомассы Rhodobacter capsulatus

Из биомассы Rhodobacter сapsulatus (представитель аноксигенных

фотосинтезирующих микроорганизмов) направленно получают бактериопурпурин

для медицинских целей. Кроме того, биомасса Rhodobacter capsulatus может

быть источником других ценных биологически активных соединений.

Биотехнологический способ получения бактериопурпурина позволяет

получать это ценное вещество с выходом не превышающим 1% на сухую биомассу.

При этом образуются липидные отходы, которые не используются и могут быть

источниками ценных БАС, в частности, ВЖК (насыщенных и ненасыщенных).

После проведения качественного анализа липидного остатка, на основании

сравнения хроматографической подвижности, составляющих его веществ с

хроматографическими характкристиками стандартных образцов и с учетом

литературных данных, был сделан вывод о составе липидного отхода

биотехнологического процесса переработки биомассы Rhodobacter capsulatus.

Идентификацию компонентов в липидном остатке Rhodobacter capsulatus

проводили на основании результатов ТСХ в сравнении со свидетелями (образцы

свободных жирных кислот и ацилглицеридов, токоферола, фитола) и на

основании литературных данных.

На хроматограмме обнаружили: каротиноидные углеводороды, токоферолы,

кислотосодержащие каротиноиды, высшие жирные кислоты, высшие жирные спирты.

Для ТСХ анализа использовали систему петролейный эфир – этилацетат, 9:1.

Проведенное исследование, направленное на обнаружение полярных липидов

показало их отсутствие в составе липидного остатка, что подтверждает

гидролитическое расщепление фосфолипидов при щелочной обработке биомассы, в

ходе которой выделяется бактериопурпурин, где в качестве образца сравнения

использовали коммерческий лецитин, а детекцию проводили с помощью обработки

хроматограммы, молибденовым синим [43].

Для количественного анализа других компонентов липидного остатка было

проведено разделение компонентов смеси методом колоночной адсорбционной

хроматографии на силикагеле. При использовании в качестве элюента бензола

получили концентраты, обогащенные БАС различной природы.

Таблица 3.2

Процентный состав выделенных концентратов из липидного остатка биомассы Rh.

Cap.

|Состав концентратов |Содержание, % |

|каротиноидные углеводороды |3.9 |

|токоферолы |5 |

|кислородосодержащие каротиноиды и высшие жирные |65.5 |

|кислоты (ВЖК) | |

|ВЖК |5 |

|ВЖК и фитол |19.7 |

Далее проведенное при помощи ТСХ и ГЖХ фракционирование концентратов,

позволило установить преобладающие ВЖК после предварительной их

этерификации метиловым спиртом (табл. 3.3). На основании ГЖХ анализа можно

сделать вывод, что липидный отход обогащен ВЖК, состав которых после

переработки биомассы остался неизменным, а количество практически не

уменьшилось. Следовательно, липидный отход является ценным источником БАС.

Выделение фракции, кислородосодержащих каротинойдов показало, что

преимущественно преобладают в липидном остатке сфероидены. Общий, выход

которого, от липидного остатка составил 14%.

Таблица 3.3

Данные ГЖХ анализа метиловых эфиров ВЖК липидного остатка биомассы

Rhodobacter capsulatus.

|№ |Обозначение |Название |Время |Содержание |

|пика|ВЖК |ВЖК |удерживания |ВЖК, %* |

| | | |мин | |

|1 |Cl4:0 |миристиновая |1.5 |0.98 |

|2 |С16:0 |пальмитиновая |3.7 |3.5 |

|3 |Cl6:l |пальмитолеиновая |5.2 |3.9 |

|4 |Cl8:0 |стеариновая |6.8 |2.2 |

|5 |C18:l |олеиновая |8.2 |90.1 |

*-Среднее из трех измерений

Выбор белковой компоненты для модификации синтетического полиизопрена

был обусловлен тем, что данные белки имеют состав и содержание аминокислот,

близкий к составу белка НК.

Соевый белковый изолят PROFAM 974

Профам 974 – изолированный соевый белок – растворимый диспергируемый

продукт, разработанный для использования в пищевых системах, где требуется

высокофункциональный белок.

Таблица 3.4

Химический состав соевого изолята PROFAM 974

| Химический состав, % |

|Влага, максимум |6,5 |

|Белок, минимум |90 |

|жир (по экстрагированию эфиром) |1 |

|зола, максимум |5 |

|рН (при диспергировании в воде 1:10) |6,8 - 7,3 |

Таблица 3.5

Микробиологический состав соевого изолята PROFAM 974

|Микробиологические данные |

|Общая бактериальная обсемененность, максимум |30000/г |

|Сальмонелла (класс П) |отрицательно |

|Е Coli |отрицательно |

Таблица 3.6

Основные аминокислоты соевого изолята PROFAM 974

|Аминокислоты (г/100г белка) |

|Лизин |6,4 |

|Треонин |4.4 |

|Лейцин |7,8 |

|Изолейцин |4,8 |

|Валин |4,9 |

|Триптофан |1,3 |

|Фенилаланин |5,1 |

|Тирозин |3,4 |

|Метионин |1,3 |

|Цистин |1,4 |

|Гистидин |2,7 |

Таблица 3.7

Минеральные вещества соевого изолята PROFAM 974

|Минеральные вещества (Мг/100г) |

|Натрий |1300 |

|Калий |150 |

|Кальций |100 |

|Фосфор |850 |

|Железо |15 |

|Магний |50 |

Мука соевая дезодорированная полуобезжиренная

Мука соевая дезодорированная полуобезжиренная (ГОСТ 3898-56)

производится из генетически немодифицированной сои, повышает биологическую

и питательную ценность любого продукта, обогащая его белками, витаминами A,

B1, B2, РР, жиром, лецитин. В пищевых системах соевая мука обладает

уникальными функциональными свойства и (образование эмульсий, сорбция жира

и воды, пенообразующая способность, гелеобразование).

Таблица 3.8

Химический состав соевой муки, %

|Белок (не менее) |43 |

|Жир (не более) |8 |

|Влага (не более) |9 |

|Углеводы (не более) |28 |

|Диетическая клетчатка |16 |

Таблица 3.9

Аминокислотный состав соевой муки

| Аминокислоты (г/100г протеина) |

|Лизин |6,2 |

|Треонин |4,3 |

|Лейцин |7,9 |

|Изолейцин |4,2 |

|Валин |4,6 |

|Триптофан |1,2 |

|Фенилалнин |5,1 |

|Тирозин |4,1 |

|Метионин |1,5 |

|Цистин |1,4 |

|Гистидин |2,4 |

Таблица 3.10

Количество изофлавонов в соевой муке

|Изофлавоны (мкг/г) |

|Дайдзеин |2100 |

|Генистеин |1850 |

|Глицетеин |221 |

Таблица 3.12

Микробиологический анализ соевой муки

|Микробиологический анализ |

|Станд. чашечный подсчет, max |25000/г |

|Сальмонелла |Отрицат |

|Е. Coli |Отрицат. |

Мука соевая дезодорированная полуобезжиренная зарегистрирован в Минздраве

РФ и имеет гигиенический сертификат.

Ингредиенты резиновых смесей:

Сера - основной вулканизующий агент. Представляет собой желтый порошок

высокой степени дисперсности, ?=3,0 кг/м3, tпл=114°C, ГОСТ 127-82

Оксид цинка. Белый порошок. Растворяется в минеральных кислотах, уксусной

кислоте, водных щелочах, не растворяется в воде. Является активатором

вулканизации. d=5,47-5,56 г/см , tпл=1800°С, М=80. ГОСТ 161-69

Стеариновая кислота (С17Н35СООН)

Порошок или хлопья белого, серого или светло-коричневого цвета в

зависимости от сорта: ?=1060-1100 кг/м3, tпл=324,4°C. Является активатором

вулканизации в комплексе оксидом цинка.

Для вулканизации резиновой смеси использовали серную

вулканизующую систему.

Сульфенамид Т (ТББС).

N-третбутил-2-бензтиазолсульфенамид.

Предназначен для использования в качестве ускорителя серной вулканизации.

Относительная молекулярная масса 238,39. Порошок светло-желтого цвета.

Температура плавления 109°С.

Для проведения ряда физико-химических исследований использовался

петролельный эфир – бесцветная, легковоспламеняющаяся жидкость,

представляющая собой самую низкокипящую фракцию бензина. Это смесь

углеводородов не содержащая ароматических соединений. Состав и свойства

непостоянны. Плотность около 685 кг/м3 ; плотность пара по воздуху около

2,5; в воде не растворим.

Ацетон - диметилкетон, пропанон . СН3СОСН3 – бесцветная

легковоспламеняющаяся жидкость с характерным запахом. Молекулярный вес

58,08; плотность 790,8 кг/м3; температура плавления -95,35оС; температура

кипения 56,24оС, растворимость в воде неограниченная.

Для вулканизации резиновых смесей использовали серную вулканизационную

систему. В качестве ускорителя применялся третбутил-2-

бензтиазолилсульфенамид(ТББС). Состав резиновой смеси приведен в табл.3.13

Таблица 3.13

Состав резиновой смеси, масс. ч. (ИСО 1658)

|Каучук |100 |

|Оксид цинка |6 |

|Стеариновая кислота |0,5 |

|Сера |3,5 |

|Сульфенамид Т |0,7 |

|БАС |переменно |

4. Методы исследования

Приготовление резиной смеси и вулканизация образцов.

Резиновую смесь готовили на лабораторных вальцах при температуре 50оС.

Вулканизацию проводили в прессе с электрообогревом при температуре 150оС.

Время вулканизации различно для каждой смеси и выбиралось в соответствии с

оптимумом вулканизации.

Стандартные методы исследования.

. Определение упруго-прочностных свойств каучуков, резиновых смесей и

вулканизатов при растяжении на динамометре INSTRON 1122 (ГОСТ270,

ГОСТ262)

. Определение прочностных свойств резин при растяжении (ГОСТ 270-75).

Испытания проводились на разрывной машине с малоинерционными

силоизмерителями (ГОСТ 7762-74).Верхний зажим разрывной машины связан с

силоизмерительным механизмом, нижний с электродвигателем, который

приводит зажим в движение. При испытании по ГОСТ 270-75 скорость движения

нижнего зажима составляет 500 мм/мин.

Образцы в виде лопаточек вырубались на вырубном прессе, при помощи

шанцевого ножа с шириной рабочего участка 6,2 и 4,0 мм. Затем лопаточки

маркировались и отмечался рабочий участок длиной l=20 мм, измерялась

толщина образцов а (мм). После этого образец закрепляли в зажимы разрывной

машины и снимали следующие характеристики: значение разрывной прочности,

значение нагрузки при различных удлинениях, относительное удлинение при

разрыве и остаточное удлинение.

Напряжение при удлинении вычисляется по формуле:

f = P/S ; [MПа]

где P – нагрузка при данном удлинении;

S = a b – площадь поперечного сечения образца;

b – ширина рабочего участка.

Прочность разрыва можно вычислить по формуле:

f = Pp/S ; [МПа]

где Рр – нагрузка при разрыве [44].

[pic]

Рис. 4.1 Разрывная машина INSTRON 1122

Определение динамических характеристик резиновых смесей проводилось на

вибрационном сдвиговом реометре фирмы "Монсанто" - роторном ODR. Применение

в этом приборе микропроцессорной и компьютерной техники, использование

высокочувствительных датчиков обеспечивает эффективный контроль качества и

свойств, его использование значительно сокращает продолжительность

проведения испытания, анализ и проведение расчетов.

Реомерт ODR

Тестируемый каучук помещают в уплотнение полости тестера, под начальное

прессование обслуживанием меняющейся температуры. Двуконусный диск залегает

среди пластов в тестируемом куске и вибрирует между малой амплитудой малого

ротационного типа. Эта акция усиливается со сдвиговыми усилиями,

направленными на исследуемый материал. И торсионная сила обуславливает

колебания диска, зависящего от подвижных, негибких свойств каучука.

Крутящий момент записывается автографически, как функция времени.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6