Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ИЗУЧЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ ПОЛИСАХАРИДОВ, ВЫДЕЛЕННЫХ ИЗ СЕМЯН ЛЬНА

Степанова Н.Н. 1 Степанова Э.Ф. 1 Боровский Б.В. 1 Мыкоц Л.П. 1 Сысоева Т.Н. 1 Щербакова Л.И. 1
1 Пятигорский медико-фармацевтический институт – филиал ГБОУ ВПО ВолгГМУ Минздрава России
Изучена поверхностная активность водорастворимых полисахаридов, выделенных из семян льна. Для определения поверхностного натяжения использовали прибор П.А. Ребиндера, метод наибольшего давления при проскакивании пузырьков воздуха в раствор и растворитель. Определены основные параметры адсорбционного слоя при адсорбции поверхностно-активных веществ (ПАВ) на границе раздела фаз «газ-жидкость» (поверхностный избыток, площадь, длина, и объем молекулы в адсорбционном слое). Выявлено соответствие экспериментальных значений поверхностного натяжения водных растворов ПС и значений, рассчитанных по уравнению Б.И. Шишковского. Определена идентичность величин удельной адсорбции водорастворимых полисахаридов полученных из семян льна, рассчитанных по уравнениям Д.У. Гиббса и И. Ленгмюра, что показывает применимость мономолекулярной теории адсорбции. Полученные результаты могут быть использованы в фармацевтической промышленности.
полисахариды
семена льна
адсорбция
экстракция
поверхностно-активные вещества
1. Влияние поверхностно-активных веществ на извлечение каротиноидов и аскорбиновой кислоты в процессе двухфазной экстракции плодов шиповника / Н.Н. Степанова, Э.Ф. Степанова, Н.А Туховская и др. // Успехи современного естествознания. – 2007. - № 3. - С. 18-21.
2. Измайлова В.Н. Поверхностные явления в белковых системах. - М., 1988. – 240 с.
3. Исследование сорбционной способности пектина, полученного кислотным эктрагированием из кожуры семян люпина / Т.М. Васина, Л.П. Мыкоц, Н.А Туховская и др. // Сибирский медицинский журнал. – 2012. - № 5. - С. 115-117.
4. Кочетков Н.К. Химия биологически активных соединений. - М., 1970. – 387 с.
5. Степанова, Н.Н. Оценка сорбционной способности полисахаридов, выделенных из семян льна на поверхности раздела «жидкость-газ» / Н.Н. Степанова, Э.Ф. Степанова, Л.П. Мыкоц // Разработка, исследование и маркетинг новой фармацевтической продукции: сб. науч. тр. - Волгоград, 2013. - С. 204-207.
6. Sinner, M. The chromatographic behavior of polysaccharides / M. Sinner, J.J. Puls // J. Chromatogr. – 1978. – Vol. 156, № 1. – Р. 194–204.

Данные о свойствах растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ) представляют определенный интерес для биологии, что связано со способностью ПАВ адсорбироваться на границах раздела и тем самым, в соответствии с законами кинетики, во много раз увеличивать скорость процессов в биологических системах.

Важнейшей адсорбционной характеристикой веществ, определяющей многие их свойства и области применения, является поверхностная активность. Природные ПАВ имеют преимущества, так как зачастую сами выполняют роль лекарственных средств или БАД и не обладают токсичностью.

Цель наших исследований – изучение поверхностной активности водорастворимых полисахаридов, выделенных из семян льна, определение параметров адсорбционного слоя при адсорбции ПАВ на границе раздела «газ-жидкость».

Материалы и методы

Выделение полисахаридов (ПС) семян льна проводили по методу Н.К.Кочеткова и M.Sinnera [4, 6]. Для определения поверхностного натяжения использовали прибор Ребиндера метод наибольшего давления при проскакивании пузырьков воздуха в раствор и растворитель [2].

Экспериментальная часть

Сырье экстрагировали водой при комнатной температуре и постоянном перемешивании в течении 12 часов (соотношение сырья и экстрагента - 1:15). Полученное извлечение фильтровали, полисахариды из фильтрата осаждали двойным объемом 95% спирта этилового. Водно-спиртовую смесь центрифугировали в течение 15 минут при частоте вращения 3000 об/мин. Осадок переносили в выпарительную чашку и высушивали в термостате при температуре 40ºС до постоянной массы.

Для изучения поверхностноактивных свойств ПС готовили серию водных растворов ПС в области концентраций 0,01-0,5% и измеряли с использованием прибора Ребиндера наибольшее давление при проскакивании пузырьков воздуха в раствор и растворитель [1,2].

Результаты и их обсуждение

Расчет величины поверхностного натяжения растворов

Расчет величины поверхностного натяжения растворов при температуре опыта (20ºС) проводили по уравнению:

,

где σх и σ0 – поверхностное натяжение при 20ºС раствора ПС и воды (σ0 = 72,75∙10-3 Н/м);

hx, h0 – давление пузырьков воздуха для исследуемого раствора и воды [4].

Такой вид уравнения справедлив при условии равенства плотностей воды и разбавленных водных растворов ПС. Результаты эксперимента приведены в таблице 1.

Таблица 1

Поверхностное натяжение водных растворов ПС в зависимости от концентрации

С, %

С∙104, моль/м3

h, мм ст.ж.

σ·103, Н/м

Н2О

0

69

72,75

0,0096

2,14

66

69,58

0,0190

4,28

62

65,37

0,0385

8,56

61

64,31

0,0770

17,12

55

57,99

0,1540

34,24

52,5

55,35

По экспериментальным данным построена изотерма поверхностного натяжения σ = f (С) (рисунок 1).

Рис.1. Изотерма поверхностного натяжения

Полученные результаты свидетельствуют о наличии поверхностной активности исследуемых ПС. Поверхностная активность ПС находится графическим методом путем проведения касательной к изотерме поверхностного натяжения в точке, отвечающей бесконечно разбавленному раствору:

Расчет величины поверхностного избытка

Обработка экспериментальной зависимости σ=f(С) позволяет рассчитать величину удельной адсорбции ПС (поверхностного избытка ) по уравнению Гиббса:

,

где R – универсальная газовая постоянная ( ), Т – температура (293 К).

Для этого методом аналитического дифференцирования определили , используя эмпирическое уравнение Шишковского, которое дает зависимость σ =f(С) в аналитическом виде:

,

где А и В – эмпирические константы; σ0 и σ – поверхностное натяжение растворителя и раствора соответственно [3,5].

Нелинейная зависимость f(x), проходящая через «облако» узловых точек с наименьшей среднеквадратичной погрешностью отклонения выполняется в процессе регрессии статистической обработки данных.

Используемый метод заключается в решении системы нелинейных уравнений, в которую входят приближенные равенства f(С0,A,B) = y0 и выражение с функцией Minerr(A,B), возвращающей значения A и B, при которых система решается с минимальной среднеквадратичной зависимостью средствами MathCard.

Исходные данные заданы векторами:

Введем начальные приближения для параметров: σ0=72.75·10-3 Н/м;

A:= 104 моль/м3; B:= 10-3 Н/м

и зададим экспоненциальную функцию регрессии

f(C,A,B):= σ0-A·ln(AC+1)

Само решение реализуется следующим блоком решения:

Given

f(C0,A,B) = у0; f(C1,A,B) = у1; f(C2,A,B) = у2; f(C3,A,B) = у3; f(C4,A,B) = у4; f(C5,A,B) = у5.

Теперь можно проверить решение:

A = 0.347·104 моль/м3; B = 6.9999∙10-3 Н/м

Результаты расчетов приведены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты определения удельной адсорбции ПС в зависимости от концентрации раствора

С∙104, моль/м3

Г·106, моль/м2

2,14

13,94

1,225

0,816

0,467

4,28

9,77

1,717

0,582

0,234

8,56

6,12

2,151

0,465

0,117

17,12

3,50

2,460

0,407

0,058

34,24

1,89

2,650

0,377

0,029

Подстановка в уравнение Гиббса производной поверхностного натяжения по концентрации , найденной из уравнения Шишковского, приводит к уравнению изотермы адсорбции Ленгмюра:

В теории мономолекулярной адсорбции Ленгмюра предполагается, что силы, вызывающие адсорбцию, имеют радиус действия, соизмеримый с размером молекул. Поэтому толщина адсорбционного слоя не превышает размеры молекул – адсорбция мономолекулярна.

Характерной особенностью изотермы адсорбции Ленгмюра является участок постоянной адсорбции = 2,874∙10-6 моль/м2 (при С→ ∞), соответствующий образованию на поверхности раздела насыщенного монослоя из молекул адсорбирующегося вещества.

Признаком мономолекулярного характера адсорбции является применимость к опытным данным как уравнения Ленгмюра, так и уравнения Шишковского.

Проверку применимости уравнения Шишковского проводят, рассчитав по полученным константам А и В поверхностное натяжение (σ) растворов различной концентрации (С). Результаты расчетов приведены в таблице 3.

Таблица 3

Поверхностное натяжение растворов, определенное экспериментально и по уравнению Шишковского

С∙104, моль/м3

σ·103 эксперимент, Н/м

σ·103 по Шишковскому , Н/м

2,14

69,58

68,86

4,28

65,37

66,38

8,56

64,31

63,10

17,12

57,99

59,19

34,24

55,35

54,86

Удельную адсорбцию можно вычислить по уравнению изотермы адсорбции Ленгмюра по константам А и В (таблица 4).

Таблица 4

Значения удельной адсорбции ПС, рассчитанные по уравнениям Гиббса и Ленгмюра

С∙104,

моль/м3

Г·106 по Гиббсу,

моль/м2

Г·106 по Ленгмюру, моль/м2

2,14

1,225

1,225

4,28

1,717

1,717

8,56

2,151

2,150

17,12

2,460

2,460

34,24

2,650

2,650

Полученные результаты позволяют сделать вывод о применимости теории мономолекулярной адсорбции.

Расчет площади (S), занимаемой молекулой ПС в адсорбционном слое, толщины адсорбционного слоя (l) и объема молекулы (V.)

Определить величину предельного поверхностного избытка Г =2,874·10-6 моль/м2 можно также, построив график изотермы адсорбции в координатах 1/Г от 1/С (рисунок 2).

Рис.2. Изотерма поверхностного натяжения в координатах 1/Г = f(1/С)

Экстраполируя его до пересечения с осью ординат, получаем отрезок, равный обратной величине предельного поверхностного избытка 1/Г. Результаты графического определения Г сопоставимы с величиной, рассчитанной по уравнению Ленгмюра. Определение Г позволяет рассчитать площадь (S), занимаемую молекулой ПС в адсорбционном слое, толщину адсорбционного слоя (l) и объем молекулы (V). Расчет проводили по уравнениям:

; ; ,

где NA - число Авогадро (6,02∙1023моль-1), М – средняя молярная масса полисахаридов (450кг/моль), ρ – плотность раствора, принятая равной плотности растворителя (1∙103кг/м3).

S = 57,8·10-20 м2 = 57,8 Å2

l = 12933·10-10 м = 12933 Å

V = 747527·10-30 м3 = 747527 Å3

Выводы

Установлено наличие поверхностной активности полисахаридов семян льна в водных растворах. Показано соответствие экспериментальных значений поверхностного натяжения водных растворов ПС и значений, рассчитанных по уравнению Шишковского, что говорит о применимости уравнения Шишковского во всем диапазоне концентраций. Показана идентичность величин удельной адсорбции полисахаридов, рассчитанных по уравнениям Гиббса и Ленгмюра, что позволяет сделать вывод о применимости теории мономолекулярной адсорбции. Определены параметры адсорбционного слоя ПС в водном растворе.

Рецензенты:

Коновалов Д.А., д.ф.н., профессор, заведующий кафедрой фармакогнозии, Пятигорский медико-фармацевтический институт – филиал ГБОУ ВПО ВолгГМУ Минздрава России, г. Пятигорск;

Компанцев В.А., д.ф.н., профессор кафедры неорганической, физической и коллоидной химии, Пятигорский медико-фармацевтический институт – филиал ГБОУ ВПО ВолгГМУ Минздрава России, г. Пятигорск.


Библиографическая ссылка

Степанова Н.Н., Степанова Э.Ф., Боровский Б.В., Мыкоц Л.П., Сысоева Т.Н., Щербакова Л.И. ИЗУЧЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ ПОЛИСАХАРИДОВ, ВЫДЕЛЕННЫХ ИЗ СЕМЯН ЛЬНА // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-2. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=20074 (дата обращения: 01.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074