Состояние воды в клетках хлореллы

2) вода, формирующая второй гидратационный слой, структура которой подобна несколько разу-порядоченной структуре жидкой воды; 3) вода, имеющая обычную структуру. Изучение полимерных мембран также подтвердило существование в них трёх типов воды: 1) вода, образующая первый гидратационный слой; 2) вода, входящая во вторичную гидратную сферу, с несколько нарушенной структурой водородных связей, характерной для жидкой воды; 3) псевдожидкая вода. Для осуществления переноса веществ в мембранах необходимо присутствие второго и третьего типов воды. Первые порции воды, проникающие в мембрану, образуют первичные гидратные слои (связанная вода) [2]. Вода, поглощенная мембраной после заполнения гидратных слоев, считается свободной. Все высокомолекулярные соединения в зависимости от количества сорбируемой воды и природы взаимодействия с нею делятся на три основные группы: гидрофобные, умеренно гидрофильные и гидрофильные [3, 4]. Содержание сорбированной воды связано с количеством свободной воды, т. е. воды, растворенной в полимере, свободно мигрирующей по его объёму и осуществляющей динамический обмен между ассоциативными структурами. К гидрофобным относятся полимеры, содержание воды в которых при нормальных условиях и 100 % влажности составляет ~1 % (полиолефины, фторсодержащие полимеры, полиорганосилок-саны и др.). К умеренно гидрофильным относятся целлюлоза и её производные, полиамиды и др., которые при 25 ºС ограниченно совмещаются с водой (до 10 % воды).

Гидрофильные полимеры содержат более 10 % воды (белки, поливиниловый спирт, синтетические полиэлектролиты и др.) [1,3 - 5].

В обеспечении устойчивости при хранении продуктов важную роль играет соотношение свободной и связанной воды. Связанная вода – это ассоциаты, прочно связанные с белками, липидами, углеводами вследствие межмолекулярных взаимодействий. Свободная вода не связана с полимером и доступна только для протекания биохимических и микробиологических реакций. Представляет интерес исследовать состояние воды в биологическом объекте. Авторы [ 6 ] исследовали состояние воды в микроводоросле хлорелле методом ЯМР (ядерно-магнитного резонанса) с импульсным градиентом магнитного поля; было определено, что вода существует в трех формах: свободная, внутриклеточная и внеклеточная, рассчитаны коэффициенты самодиффузии.

Для получения информации о соотношении свободной и связанной воды и их взаим- ного изменения в процессе дегидратации различных продуктов питания нами был использован метод термического анализа. Объектом исследования были образцы пасты микроводоросли хлореллы НПО "Агропищепром", вырабатываемые с использованием штаммов Chlorella vulgaris.

Хлорелла была открыта и классифицирована в 1890 г. датским ученым М.У. Бейжерником, она относится к классу одноклеточных пресноводных зеленых водорослей. В медицинской практике было отмечено, что эта микроскопическая водоросль, богатая хлорофиллом, является эффективным средством в борьбе с малокровием, благодаря не только высокому содержанию витамина B 12 , фолиевой кислоты, железа и аминокислот, но, возможно, и тому, что в присутствии железа хлорофилл, попадая в кровоток, насыщает кровь кислородом и преобразуется в гемоглобин. По своей питательной ценности водоросль не уступает мясу и значительно превосходит пшеницу. В последнее время налажен выпуск пищевой продукции для на основе хлореллы для добавления в корм животных в виде суспензии, пасты, порошка, таблеток.

Нагрев образцов пасты хлореллы массой 14 мг осуществляли в комплексном анализаторе TGA-DCK фирмы МЕТТЛЕР ТОЛЕДО со скоростями нагревания 2, 5, 10 К/мин. Как видно из рисунка 1, эндотермический эффект, соответствующий процессу дегидратации, смещается в сторону более высоких температур с увеличением скорости нагрева. При скорости 2 К/мин он составляет 308-368 К, 5 К/мин - 323403 К, 10 К/мин - 348-403 К. Это необходимо учитывать при высушивании вещества в производственных условиях.

Для получения информации о механизме процесса дегидратации мы использовали представления о кинетике в твердофазных системах. Реакция дегидратации микроводоросли относится к процессам типа:

А(тв.) → В(тв.) + С(г) (1)

и протекает ступенчато. Скорость процесса зависит от температуры и степени превращения:

dα =w(T)f(α) ,(2) dτ где w(T) - скорость процесса, α - степень превращения, τ - время превращения. Скорость процесса можно также выразить через уравнение Аррениуса:

Ea

w ( T ) = A exp( -    ) , (3)

RT где A - предэкспоненциальный множитель, Ea - энергия активации.

Рисунок 1 Термоаналитические кривые, полученные для образцов хлореллы при нагревании с различными скоростями: 1 - 2K/мин; 2 - 5K/мин; 3 - 10 K/мин.

После расчёта степени превращения α, полученные данные обрабатывали в координатах – lg (1 - α) – 1/Т и строили график, выделяя на нем линейные участки. По массе растворителя определяли его количество, выделяющееся на каждой ступени дегидратации, а по наклону – энергии активации процесса. Использованный прием позволил выделить различное количество линейных участков десорбции воды (рисунок 2). В таблице 1 приведены количественные характеристики кинетически неравноценной воды в хлорелле для каждой ступени дегидратации (Δα, ΔТ, массовая доля (w), энергия активации (Еа)).

Т а б л и ц а 1

Количественные характеристики кинетически неравноценной воды в хлорелле

Ступень дегидратации

ΔТ, К

Δα

w, %

Еа, кДж/моль

Скорость нагревания 2 К/мин.

1	308-318	0-0,11	10,4	5,3
2	323-343	0,11-0,54	43,2	30,0
3	348-368	0,54-0,94	46,4	91,6

Скорость нагревания 5 К/мин.

1	323-358	0,07-0,3	30,7	9,5
2	358-403	0,3-0,97	69,3	86,4

Скорость нагревания 10 К/мин.

1	348-378	0,09-0,45	44,7	18,7
2	383-403	0,45-0,98	55,3	104,8

При скорости нагрева 2 К/мин получены три, а при более высоких скоростях только две ступени дегидратации. С увеличением скорости нагрева свободная вода удаляется очень быстро, что не позволяет зафиксировать изменение массы образца. Аналогичные явления наблюдаются для синтетических полимеров. Относительно низкое значение Еа на первой ступени дегидратации при скорости нагрева 2 К/мин указывает на то, что молекулы воды слабее связаны с веществом и находятся в межпоровом пространстве (разу-порядоченная вода). Полученные значения энергии активации по второй ступени для скорости нагревания 2 К/мин и первой ступени для 5 К/мин и 10 К/мин позволяют предположить, что в этих температурных интервалах разрываются водородные связи вода-вода и удаляется среднесвязанная вода. На третьей ступени происходит разрыв более прочных связей, удаляется сильносвязанная (гидрат- ная) вода. Аналогичные результаты при скорости нагревания 3 К/мин были получены для ряда ионообменных мембран: МК-100 с поли-этилен-стирол-дивинилбензольной матрицей, ПАК мембраны на основе частично имидизи-рованной ароматической полиамидокислоты, ПА мембраны, полученной поликонденса- цией натриевой соли 4,4´-диаминодифенил-амин-2-сульфокислоты и μ-фенилендиамина в различном их соотношении с хлорангидри-дом изофталевой кислоты, а также поли-μ-фе-ниленизофталамид (фенилон). В таблице 2 представлены количественные характеристики процесса дегидратации мембран.

Т а б л и ц а 2

Количественные характеристики кинетически неравноценной воды в ионообменных мембранах

Мембрана, ионная форма	Распределение сорбатов по ступеням дегидратации, моль сорбата/моль	Еа, кДж/моль
	2,4	5,6
МК-100, Н+	4,9	23,2
	8,8	129,8
	0,7	3,4
ПАК, Н+	1,4	17,2
	3,5	80,7
	1,1	3,1
ПА-55, Н+	3,1	15,1
	6,1	65,6
фенилон	0,5 2,5	4,6 54,9

Кроме того, наличие трёх типов воды в клетке хлореллы установлено по данным метода ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля [6]. Так как именно свободная вода участвует в протекании биохимических, химических и микробиологических процессов, то ее желательно удалить при сушке препарата. Полученный температурный интервал 323-343 К (2 ступень) при скорости нагревания 2К/мин соответствует температурному интервалу высушивания хлореллы в производственных условиях.

Стоит заметить, что в водоросли наибольшее количество сильносвязанной воды (последние ступени, таблица 1). По всей видимости, это определяется уникальной клеточной структурой. Температурные интервалы процесса дегидратации не являются четкими и варьируют в зависимости от скорости нагревания, что находится в полном соответствии с ранее проведенными исследованиями термического анализа для зерна, хлебобулочных изделий и овощей.

Рисунок 2 Зависимость -lg (1-α) от 1/Т для микроводоросли хлорелла:

•      - скорость нагревания 10 К/мин                       1 – скорость нагревания 2 К/мин

■     - скорость нагревания 2 К/мин                       2 - скорость нагревания 5К/мин

▲     - скорость нагревания 5К/мин                        3 - скорость нагревания 10 К/мин

Выводы

• 1 . При исследовании дегидратации хлореллы методом термического анализа выявлено наличие трёх типов воды по степени связанности при низкой скорости нагрева и двух типов – при высоких.