Изучение процессов набухания для высокомолекулярных соединений биологического происхождения

Среди многочисленных веществ, встречающихся в природе, резко выделяется группа соединений, отличающихся от других особыми физическими свойствами, высокой вязкостью растворов, способностью образовывать волокна, пленки и т. д.

К этим веществам относятся целлюлоза, лигнин, пентозаны, крахмал, белки и нуклеиновые кислоты, широко распространенные в растительном и животном мире, где они образуются в результате жизнедеятельности организмов.

Общая формула белков

Высокомолекулярные соединения получили свое название вследствие большой величины их молекулярного веса, отличающие их от низкомолекулярных веществ, молекулярный вес которых лишь сравнительно редко достигает нескольких сотен. В настоящее время принято относить к ВМС вещества с молекулярным весом более 5000.[1]

По происхождению высокомолекулярные соединения делят на природные, или биополимеры (например, белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды), и синтетические (например, полиэтилен, полистирол,).

Структурная формула полиэтилена (—СН 2 —СН 2 —) n .

• - сн_? - сн - CH - CH-CH, - CH -

• 6 6 6

Структурная формула полистирола

В зависимости от расположения в макромолекуле атомов и атомных групп различают:

• 1)    линейные высокомолекулярные соединения, макромолекулы которые представляют собой открытую, линейную, цепь (например, каучук натуральный) или вытянутую в линию последовательность циклов (например, целлюлоза)

• 2)    разветвленные высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых имеют форму линейной цепи с ответвлениями (например, амилопектин);

• 3)    сетчатые высокомолекулярные соединения - трехмерные сетки, образованные отрезками высокомолекулярных соединений цепного строения (например, вулканизирванный каучук).

По химическому составу макромолекулы различают гомополимеры (полимер образован из одного мономера, например полиэтилен) и сополимеры (полимер образован по меньшей мере из двух различных мономеров, например бутадиенстирольный каучук). [2]

Макромолекулы одного и того же химического состава могут быть построены из различных стереоизомеров звена.

Сополимеры в зависимости от характера чередования различных звеньев в макромолекуле делят на регулярные и нерегулярные. В регулярных макромолекулах наблюдается определенная периодичность распределения звеньев.

H    H   H    HH

I                                    I                                  I                               II

-CH3-C- CH2-C-CH2-C-CH2-C-CH2-C-

I                              I                            I                          II

CH3 CH3 CH3 CH3 CH3

Полипропилен регулярной структуры.

Для нерегулярных сополимеров характерно случайное распределение звеньев; оно наблюдается у многих синтетических сополимеров.

H    СНз СНз   H    СНз

-СН2-С-СН2-С-СВ2-С-СН2-С-СН2-С -

СНз НН   СНз Н

Полипропилен нерегулярной структуры.

В белках нерегулярные последовательности звеньев задаются генетическим кодом и определяют биохимическую и биологическую специфичность этих соединений. [4]

Живая природа представляет собой форму существования высокомолекулярных соединений. Она развивается в окружении и действии с неорганическим миром, построенным в основном из ВМС. Только вода и воздух распространены на земном шаре так же широко, как ВМС.

Человечество для удовлетворения своих нужд так же создает и использует высокомолекулярные материалы. По своей значимости для человечества с высокомолекулярные материалами конкурируют лишь металлы, как конструкционные материалы, топливо как источник энергии и пищевые продукты.

Высокомолекулярные вещества являются основной составляющей частью продуктов питания, пищевого сырья животного и растительного происхождения, искусственной пищи, строительных и многих других материалов различного назначения.

Они находят самое разнообразное применение в отраслях сельского хозяйства, строительного производства, машиностроения. [5]

Одним из важнейших химических свойств полимеров является набухание. Этот процесс играет важную роль как в повседневной жизни человека, так и во многих технологических процессах. Например, перевод пищевых продуктов в усвояемое организмом состояние сводится в основном к процессам набухания, прежде чем прорастет зерно, оно должно набухнуть, нормальное состояние клеток в организме поддерживается благодаря набуханию, производство клеев, обуви и кожгалантереи, затвердевание цемента - все эти процессы связаны с набуханием.

При набухании полимер поглощает низкомолекулярный растворитель, значительно увеличивается в весе и в объеме увеличиваясь до 1000-1500 %.

Набухание характеризуется степенью набухания, величина которой определяется количеством жидкости в граммах поглощаемой на данной стадии набухания и при данной температуре одним граммом высокополимера:

a = (m₂-m 1 )/ m 1

где m 1 масса полимера до набухания; m₂ - его масса после набухания.

Иногда наблюдается явление отрицательного набухания полимера - не увеличение, а уменьшение массы образца во времени. Это происходит при набухании полимеров линейного или сетчатого строения в результате вымывания из них растворимых примесей

Степень и скорость набухания полимеров зависит от ряда факторов: температуры, давления, величины pH среды, присутствия веществ, в особенности электролитов, степени измельченности полимера и «возраста» полимера.

Таким образом, при набухании образуется система, состоящая из пространственной сетки, образованной макромолекулами или их агрегатами, в которой распределены молекулы низкомолекулярной жидкости. Такая система называется студень или гель. Студни, или гели полимеров, имеют большое значение в пищевой и фотографической промышленности, в промышленности искусственных и синтетических волокон и резиновых изделий, в ряде других отраслей техники. .[7]

Для изучения процесса набухания был выбран желатин, как наиболее известен гелеобразователь биологической природы. Он представляет собой смесь полипептидов, которая получается при переработке соединительной ткани животных.

Получают желатин из коллагена (collagen) - фибриллярного белка, составляющего основу коллагеновых волокон, обеспечивающего прочность соединительных тканей (сухожилий, хрящей и т.п.).

Коллаген свойственен многоклеточным животным (у млекопитающих - наиболее часто встречающийся белок: до 35% всех белков организма). Молекула коллагена состоит из трех полипептидных цепей, образующих спирализованную структуру. Коллаген богат глицином, а также содержит редкие аминокислоты оксипролин и оксилизин, участвующие в формировании сложной высокопрочной надмолекулярной структуры.[6]

Изучались следующие факторы: влияние температуры, кислотности среды.

• 1.    В мерные пробирки необходимо поместить одинаковое количество желатина и воды. В одном случае холодной, в другом теплой. Через 30 мин сравнить обе пробирки.

• 2.    В 3 пробирки добавить воду, кислоту, щелочь и желатин. Через 30 мин

сравнить .

Рассчитать степень набухания.

Были получены следующие результаты

Время набухания, мин	Набухание желатина
	Вода комнатной температуры	Горячая вода	Кислотная среда	Щелочная среда
0	1	1	1	1
10	1,5	1,5	1	2
20	2,0	2,5	1	1,5
30	3	растворение	1	1,5
а	2	-	0	1

Выводы:

• -    скорость набухания с повышением температуры растет, а степень предельного набухания уменьшается;

• -    в горячей воде набухание переходит в неограниченное растворение.

• -    минимум набухания лежит в области изоэлектрической точки (например, для желатины при pH=4,7).

• 2.     http://www.findpatent.ru/patent/226/2263686.html

• 3.     http://www.chemport.ru/data/chemipedia/article_701.html

• 4.     http://www.poliolefins.ru/stat/info/3795-geterocepnye-polimery.html

• 5.     http://window.edu.ru/resource/616/40616/files/mtdbhm34 .

• 6 . http://www.ximuk.ru/biospravochnik/205.html

• 7.     http://www.hi-edu.ru/e-books/xbook839/01/part-010.htm