CC BY
0
УДК 544.023.5
ОЦЕНКА ВЗАИМОСВЯЗИ СОДЕРЖАНИЯ ЩЕЛОЧНО-СОЛЕВЫХ СМЕСЕЙ В ГИДРОЛИЗУЮЩИХ РАСТВОРАХ И СТЕПЕНИ ДИСПЕРСНОСТИ
ГИДРОЛИЗАТОВ КЕРАТИНСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
© 2024 В. В. Яковлева1, Е. Н. Розанова2
1магистр 1 курса направления подготовки «Химия»
e-mail: viktoriaakramova541 @ gmail. com 2кандидат химических наук, доцент кафедры химии e-mail: rozanova.lena2012 @yandex.ru
Курский государственный университет
Турбидиметрическим методом была проведена оценка дисперсности гидролизатов кератинсодержащего сырья, полученных в присутствии щелочно-солевых систем, полученных в лабораторных условиях. Получены данные о размерах частиц и проведен сравнительный анализ дисперсности гидролизатов РКС и ППС в зависимости от компонентов загрузки.
Ключевые слова: гидролизаты кератинсодержащего сырья, рогокопытное сырье, пухоперовое сырье, щелочно-солевые системы, турбидиметрия, размеры частиц, дисперсность.
ASSESSMENT OF THE RELATIONSHIP BETWEEN THE CONTENT OF ALKALI-SALT MIXTURES IN HYDROLYZING SOLUTIONS AND THE DEGREE OF DISPERSION OF KERATIN-CONTAINING RAW MATERIALS HYDROLYSATES
©2024 V. V. Yakovleva 1, E. N. Rozanova 2
11st year master's degree in Chemistry e-mail: viktoriaakramova541 @gmail.com 2 Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor of the Department of Chemistry
e-mail: rozanova.lena2012 @yandex.ru
Kursk State University
The turbidimetric method was used to evaluate the dispersion of hydrolysates of keratin-containing raw materials obtained in the presence of alkaline-salt systems obtained in the laboratory. Data on particle sizes were obtained and a comparative analysis of the dispersion of RKS and PPS hydrolysates was carried out depending on the loading components.
Keywords: hydrolysate of keratin-containing raw materials, hornblende raw materials, powder raw materials, alkaline-salt systems, turbidimetry, particle sizes, dispersion.
Объектом исследования являются гидролизаты рогокопытного сырья (РКС), пухоперового сырья (ППС), полученные в присутствии щелочно-солевых систем.
Размер и форма частиц продуктов гидролиза кератинсодержащего сырья имеют ключевое значение, так как они прямо влияют на дисперсность готового гидролизата и, как следствие, на движение частиц в растворе, что очень важно в плане гомогенизации, очистки, фильтрования и применения продуктов переработки биополимеров [3]
Растворы белков обладают теми же коллоидно-химическими свойствами, что и растворы других ВМС. Дисперсность обуславливает свойства как отдельных элементов дисперсной системы, так и самой системы в целом. При уменьшении размера частиц в дисперсной системе становится все более заметно влияние поверхностных явлений. Это связано с тем, что доля частиц вещества, находящихся в поверхностном слое и, как следствие, в коллоидном (высокоэнергетическом) состоянии, возрастает. С увеличением дисперсности системы удельная поверхность также растет, что влечёт за собой увеличение кривизны поверхности и, как следствие, усиление поверхностной энергии на границе фаз. Это, в свою очередь, способствует ускорению химических и физических процессов, происходящих на поверхности системы [2; 4].
Методы проведения дисперсионного анализа очень разнообразны и, в свою очередь, подразделяются на прямые, с помощью которых происходит определение непосредственно размера частиц, и косвенные, которые позволяют измерить какой-либо параметр, зависящий от размера частиц.
Для оценки дисперсности использовался турбидиметрический метод исследования систем, не подчиняющихся закону Рэлея. Этот метод применяется в случаях, когда размер частиц превышает длину волны поглощаемого света. В таком случае используется эмпирическое уравнение Геллера, позволяющее изучать системы, размер частиц которых больше, чем при использовании закона Рэлея.
Исследуемые гидролизаты РКС и ППС были получены группой студентов, выполняющих по направлению кафедры исследования с использованием минеральных солей и гидроксидов натрия и кальция индивидуально и в смеси в различных соотношениях гидролизом при нагреве и комнатной температуре.
По применяемой ими методике измельченное РКС подвергалось обработке растворами реагентов индивидуально и в смеси, а также физическим воздействиям (нагрев, механическое перемешивание, в отдельных случаях ультразвуковой обработке), в результате под влиянием данных факторов в условиях эксперимента из нерастворимой формы твердого кератина получили гидролизаты, которые представляли собой окрашенные коллоидные системы. Гидролизаты ППС получали в менее агрессивной среде с добавлением щелочных реагентов при комнатной температуре.
В таблице 1 приведены примеры компонентной загрузки составов.
Таблица 1
Примеры компонентной загрузки составов_
Компоненты загрузки Продолжительность гид ролиза
Вода, г Щелочной агент Соль Измельченное кератинсодержащее сырье, г Температура
130 Ca(OH)2, 0,1 г Na2S, 6,9 г РКС, 43 г 80+2°С до 24 часов
130 NaOH, 3,1 г K2CO3, 17 г РКС, 43 г 80+2°С до 24 часов
50 NaOH, 1 г - ППС, 1 г 20+2°С до 1,5 месяца
50 - Na2S, 1 г ППС, 1 г 20+2°С до 1,5 месяца
Яковлева В. В., Розанова Е. Н. Оценка взаимосвязи содержания щелочно - солевых смесей в гидролизующих растворах и степени дисперсности гидролизатов кератинсодержащего сырья
В работе использовался турбидиметрический метод анализа коллоидных систем с использованием данных по оптической плотности разбавленных проб растворов гидролизатов. По полученным данным определяли коэффициенты, входящие в уравнение Геллера. Далее с помощью уравнения Геллера рассчитывали радиус, диаметр частиц, а затем степень дисперсности гидролизатов.
Полученные значения рассчитанных физико-химических параметров гидролизатов РКС и ППС позволяют оценить, к какому классу коллоидных систем и растворов белков относятся исследуемые гидролизаты (табл. 2).
Таблица 2
Классификация коллоидных систем по размеру частиц ё _и степени дисперсности Д__
Класс систем Размер частиц, d Д, м-1 Число атомов в одной единице, п
мкм м
Грубодисперсные >10 >10-5 <105 >1018
Среднедисперсные 0,1-10 10-7-10-5 105-107 >109
Высокодисперсные 0,001-0,1 10-9-10-7 107-109 109-103 и менее
Наноразмерные 1-10 10-9-10-8 108-109 десятки
Было установлено, что дисперсность изучаемых дисперсных систем -гидролизатов кератина - составляла в пределах от 3,74-105 до 3,7-107 м-1, следовательно, растворы гидролизованного кератина представляют собой среднедисперсные и высокодисперсные системы.
Частицы белка представляют собой фрагменты белковых молекул, большие и малые комплексы, ковалентные цепочки различных аминокислотных остатков, входящих в состав исходной белковой молекулы (табл. 3) [1].
Таблица 3
Характеристика классов белков__
Класс белков Диаметр сферы Дисперсность, м-1 Относительная Субъединицы, Число
d, нм молекулярная масса, Мч, Ба рассматриваемые при подробном описании субъединиц
Олигомеры 2 2-10-9 103 104 Атомы (или остатки) 102(или 10)
Малые белки 4 4-10-9 1044 105 Аминокислотные остатки 1024 103 (или 103 4 104)
Большие 7 7-10-9 Субъединицы или
белки 1054 107 ковалентные цепочки 10 4 102
Малые 20 2-10-8
комплексы
Большие 100 10-7 107 4 1012 Области, фрагменты, 10 4 102
комплексы компоненты
На основе степени дисперсности в работе дана оценка эффективности гидролиза в различных условиях (рис. 1). Было показано, что наиболее оптимальными составами для гидролиза являются гидроксид натрия (дисперсность 4,9-106 - 7,1-106 м-1), карбонат калия (дисперсность 4,38-106 - 1,45407 м-1) и сульфид натрия (дисперсность 1,7407 -2,42-106 м-1) индивидуально. С гидроксидом натрия зависимость степени дисперсности от массовых соотношений между гидролизующим реагентом и кератинсодержащим сырьем прямо пропорциональна: с увеличением массы реагента диаметр частиц уменьшается, а степень дисперсности увеличивается.
Рис. 1. Результаты исследования дисперсности изученных гидролизатов РКС и ППС
С увеличением массы загрузки сульфида натрия №28 дисперсность гидролизата повышается. Заметим, что использование сульфида натрия индивидуально (дисперсность свыше 3,5-107 м-1) значительно эффективнее щелочно-солевой системы с использованием смеси сульфида натрия и гидроксида кальция (дисперсность менее 7-105 м-1) в процессе гидролиза твердого кератина (рис. 2).
40000000
10000000 5000000
о
I
700000
600000
500000 л Н И 2 400000 0 8" В 300000 200000
100000
0
10.0rNa-S
12.5rNa-S
15.0rNa-S
Рис. 2. Зависимость степени дисперсности гидролизатов РКС от соотношения компонентов загрузки группы составов с сульфидом натрия индивидуально и смеси сульфида натрия с гидроксидом
кальция, полученных при температуре 80±2°С
Также было установлено (рис. 3), что при использовании щелочно-солевой смеси гидроксида натрия с карбонатом калия по сравнению с применением карбоната калия индивидуально привело к увеличению размера частиц и снижению степени дисперсности гидролизата (дисперсность уменьшилась с 1,45-107 до 6,88-105 м-1).
11,0гК;СО3
14,OrK;COj
17,ОгК;СО;
П.ОгК;СО, 3.5 г NaOH
14.0 г К;СО, 3.2 г NaOH
17.0 rKiCOj 3,1 г NaOH
Рис. 3. Зависимость степени дисперсности гидролизатов РКС от соотношения компонентов загрузки группы составов с карбонатом калия индивидуально и в смеси карбоната калия с гидроксидом
натрия, полученных при температуре 80±2°С
Яковлева В. В., Розанова Е. Н. Оценка взаимосвязи содержания щелочно - солевых смесей в гидролизующих растворах и степени дисперсности гидролизатов кератинсодержащего сырья
Увеличение количества фосфата натрия в гидролизующей смеси влияет на изменение дисперсности гидролизатов несущественно, закономерность в изменении значений не прослеживается (рис. 4). 1000000 900000
аооооо
700000
й $00000 Ё
& 500000 к
^ «оооо
300000 200000 юоооо
о
3,48 г Ха;РО, 3,43 г Ха;РОд 3,48 г N¡1^0, 6,91 г Ка;ТО4 б,91 г Ма-РО, 6,91 г
1,&2гХаОН 1.32 г ХаОН 1.32 г КаОН 2,ОЗгХаОН 2,031 КаОН 2,03 г КаОН
2,15 г РКС 4,ЗгРКС 3,6 г РКС 2,15гРКС 4,ЗгРКС 5,6гРКС
Рис. 4. Зависимость степени дисперсности гидролизатов РКС от соотношения компонентов загрузки группы составов в присутствии смеси гидроксида натрия с фосфатом натрия,
полученных при температуре 80±2°С
Данные о дисперсности составов, приготовленных с использованием различных соотношений гидроксида натрия, сульфита натрия и карбоната натрия и РКС, представлены на рисунке 5. Закономерности изменения дисперсности внутри группы составов не прослеживаются. Это связано с ненаправленным действием реагентов на дисульфидные и ионные связи внутри молекулы кератина. Помимо этого, вместе с процессом гидролиза протекает процесс частичной денатурации белка, также происходящей случайным образом.
& 600000
С[ 400000
О 1500000
9,5 г
2,03 г №ОН 8.6 г РКС
5,91г№2Э03 2,10 г №ОН 5.6 г РКС
Рис. 5. Зависимость степени дисперсности гидролизатов РКС от соотношения компонентов загрузки группы составов, полученных при температуре 80±2°С
Нами были исследованы гидролизаты ППС, полученные при гидролизе в присутствии гидроксида натрия, гидроксида кальция, сульфида натрия, при температуре 20±2°С (рис. 6). Так называемый «холодный» гидролиз ППС привел к получению гидролизатов с максимальной величиной дисперсности ~2,79-106м-1. Как показали исследования гидролизатов РКС, полученных при температуре 80±2°С в присутствии аналогичных щелочных реагентов, они характеризуется дисперсностью с максимальным значением -3,7-107 м-1. Предположительно это связано с меньшей степенью разрыва ионных связей внутри молекулы кератина. При более низкой температуре гидролиз ППС замедляется и требует большей длительности гидролиза,
что нерентабельно для производства белковых гидролизатов на основе кератинсодержащего вторичного сырья, но приемлемо при компостировании отходов ППС.
3000000
NaOH Са(ОНЬ Na2S
Рис. 6. Зависимость степени дисперсности гидролизатов ППС от природы применяемого в гидролизе щелочного реагента (температура 20±2°С)
Данные, полученные в ходе выполнения исследовательской работы, позволят в дальнейшем подобрать оптимальные условия гидролиза и компонентный состав загрузки для получения растворов кератина с требуемыми размером частиц и дисперсностью.
Библиографический список
1. Кантор, Ч. Биофизическая химия [Текст]: перевод с английского / Ч. Кантор, П. Шиммел. - Москва: Мир, 1984. - Том 1. - 336 с.
2. Папукова, К. П. Гидрофильные гетеросетчатые полиэлектролиты с варьируемым содержанием карбоксильных групп / К. П. Папукова, Е. С. Никифорова, А. А. Демин, А. Т. Меленевский, Е. Б. Чижова // Высокомолекулярные соединения. Серия А. - 2004. - - Том 46. - №9. - С. 1488-1492
3. Розанова, Е. Н. Использование турбидиметрического метода для определения размеров молекул белка и комплексов меди с кератином, полученных деструкцией пера составами на основе сульфита натрия / Е. Н. Розанова и др.. // Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. - 2014. - №4. - С. 2-3. -URL: https://api-mag.kursksu.ru/api/v1/get pdf/1302/ (дата обращения: 12.08.2024).
4. Ханова, Ш. Коллоидная химия: влияние поверхностных явлений на свойства материалов / Ш. Ханова, М. Гурбангелдиева, К. Сазаков // Всемирный ученый. - 2024. - №18.
