Адсорбция воды пищевыми биополимерами из газовой фазы

Адсорбция воды белками из газовой фазы

Рассмотрим, каковы различия между белками в плане адсорбции воды.

1. Глобулярные белки. Так как, по данным ядерного магнитного резонанса (ЯМР), в гидратной оболочке белков имеется не более 5—10 % сильно связанной воды (потеря вращательных степеней свободы, времена релаксации 10-9—10-7 с), хемосорбированная влага не играет сколько-нибудь существенной роли в гидратации белков и основную массу адсорбированной воды составляет влага физической адсорбции.

Поверхность молекулы белка имеет как ионизированные группы (в среднем около 25 % всей поверхности), так и неполярные области, а также участки с парциальными (меньшими заряда электрона) зарядами атомов.

Гидрофильные области на поверхности молекул белков, как правило, соседствуют с гидрофобными. Так, исследование молекулы желатина методами молекулярной и квантовой механики показало, что нуклеофильные участки стремятся занять место в непосредственной близости к электрофильным зонам.

Из предыдущего рассмотрения следует, что поверхность, содержащая ионизированные группы, или парциально заряженная поверхность со специфически адсорбированными ионами характеризуется изотермами сорбции типа II (см. рис. 1.9), в то время как парциально заряженная поверхность — изотермами типа III (см. рис. 1.11, 1.12).

Изотерма типа III при малых давлениях паров воды является вогнутой, т. е. адсорбция влаги при таких значениях влажности воздуха оказывается подавленной. С увеличением влажности воздуха наклон изотермы сорбции растет, показывая, что интенсивность адсорбции увеличивается. Соответственно, энергия связи молекул воды во втором адсорбционном слое оказывается выше, чем в первом.

Изотерма типа II с самого начала имеет большой наклон, затем он уменьшается.

Поэтому если участок поверхности с ионизированными атомами соседствует с парциально заряженным участком, то при малых влагосодержаниях идет преимущественно адсорбция на ионизированной поверхности, а при увеличении влажности воздуха — на парциально заряженной. Тогда в ходе гидратации белка сначала образуется адсорбционный слой воды над ионизированными группами, затем параллельно с образованием второго слоя на этих участках поверхности молекулы формируется первый слой над парциально заряженными зонами. Оценим количество адсорбированной влаги на различных участках поверхности молекулы белка.

Масса молекулы белка может быть определена по формуле

где р§ — плотность белка; Ям радиус его молекулы.

Массу монослоя воды находим следующим образом:

где рв — плотность воды; И — толщина монослоя.

Тогда содержание воды, связанной в монослое, по отношению к массе белковой молекулы выражается формулой

Для относительно небольших молекул белка радиус молекулы равен .Км = 2 нм; толщину монослоя принимаем равной диаметру молекулы воды И ~ 0,3 нм, плотность белка — равной 1,2 г/см3. Тог-М

да отношение —- получается равным 0,38. Если считать, что поло-М5

вина всей поверхности молекулы является гидрофильной, причем половина площади гидрофильных областей (25 % всей поверхности молекулы) занята ионизированными группами, то масса монослоя воды над ионизированными группами составит 0,095 г/г белка. Столько же воды содержится в монослое над парциально заряженными участками молекулы. Если считать, что над полярными группами образуется второй слой адсорбированной воды и к этому моменту формирование адсорбционно-связанной компоненты общей влажности заканчивается, то соответствующее влагосодержание составит 0,28 г/г белка.

Экспериментальные данные[1], полученные гравиметрическими методами, а также с помощью ИК-спектроскопии, подтверждают вышеприведенные оценки.

Результаты этих исследований свидетельствуют о том, при содержании воды до 0,08 г/г белка вода связывается с ионизированными группами. По данным ИК-спектроскопии интенсивность полосы поглощения карбоксилат-иона белка в начале этой области гидратации увеличивается, что может быть объяснено переносом протона от остатка карбоновой кислоты к аммонийным группам белка. За переносом протона следует усиленная адсорбция воды.

При содержании воды более 0,1 г/г белка начинается образование кластеров, группирующихся преимущественно вблизи полярных групп и заряженных атомов на поверхности белка.

При этом происходит дальнейшее увеличение интенсивности полосы поглощения карбоксильной группы, но уже с другим наклоном, что соответствует связыванию воды карбоксильным кислородом, а также рост интенсивности поглощения амидной группы, что также относят за счет присоединения воды.

Изотерма сорбции в области влагосодержаний 0,1—0,3 г/г белка выходит на плато.

В области, характеризующейся влажностью свыше 0,3 г/г белка, начинается резкий подъем изотермы сорбции. К этому моменту заканчивается процесс присоединения воды к полярным группам, так как интенсивность ИК-поглощения карбоксильных и амидных групп уже больше не растет с изменением влажности.

Однако график удельной теплоемкости глобулярных белков (например, лизоцима) от влажности при содержании воды около 0,3 г/г белка терпит излом, что связывают с конденсацией воды над той частью поверхности молекулы белка, которая взаимодействует с водой наиболее слабо, т. е. с неполярными участками молекулы.

Переход изотермы к области III во многом аналогичен изотермам адсорбции вида I. Механизм адсорбции воды в области молекулы, занятой парциально заряженными группами, по-видимому, аналогичен адсорбции воды на поверхности оксидов.

Исследования гидратированной белковой молекулы методом ядерного магнитного резонанса показывают, что вблизи поверхности белка имеется один или два слоя воды, очень сходной с объемной водой, но имеющей приблизительно в 100 раз большее время корреляции (время корреляции — параметр, характеризующий подвижность молекул). Этот вывод согласуется с результатами измерений диэлектрической дисперсии в растворе белка. Замедление движения молекул воды в гидратационном слое обусловлено стери-ческими затруднениями при диффузии вследствие зарядов на поверхности белка. Оценки диффузионного пути показывают, что время корреляции примерно равно времени, за которое молекула воды успевает продиффундировать за пределы поверхности, которая препятствует ее движению (один-два монослоя воды).

Предполагается, что вода с пониженной величиной времени корреляции группируется в основном возле полярных групп белковой молекулы. Время корреляции равно времени обмена между этими молекулами и молекулами в свободном объеме воды.

Согласно исследованиям методом электронного парамагнитного резонанса конформация белка в начальной стадии гидратации изменяется очень мало.

2. Фибриллярные белки. Схожие механизмы гидратации и у фибриллярных белков — например кератина и коллагена. Однако имеются и свои особенности. Например ЯМР-исследования кератина показали, что преимущественное вращение молекул воды наблюдалось вокруг оси, приблизительно параллельной ориентации волокна. На основе информации, предоставляемой методами ЯМР и ИК-спектроскопии развита модель, предполагающая наличие различных типов молекул воды со степенью ассоциации от 1 до 4. Соотношение числа молекул разного типа изменяется в зависимости от количества поглощенной воды. В начальной стадии изотермы сорбции кератина не описываются уравнением БЭТ. Зависимость ---—---от р/р0 является выпуклой по отношению к оси р/р0 ^1-р/р0)

для кератина, но линейна для коллагена. Это означает, что концентрация центров поглощения в кератине непрерывно изменяется по ходу процесса гидратации. Поглощение воды создает новые адсорбционные центры. Они образуются в результате разделения поверхностей молекул, первоначально находившихся в контакте. Молекула Н2О, проникающая внутрь волокна кератина, фиксируется вблизи наиболее доступных полярных групп, экранируя связанные с ними электрические поля и уменьшая силы когезионного сцепления. Вызванная этим пластификация облегчает движение цепей.

При значении относительной влажности выше 0,6 механизм поглощения резко изменяется. На этой стадии происходит замена ранее образовавшихся прочных межмолекулярных связей в белке, например, связями между молекулами воды. Это говорит о необходимости учета межмолекулярных взаимодействий в адсорбционных слоях воды на поверхности белка.

Для разработки теоретического аппарата, описывающего изотермы сорбции белков, необходимо предварительное описание методами статистической механики модельных систем, содержащих наряду с гидрофильными еще и гидрофобные участки. Примером таких систем может быть отожженная и частично регидроксилированная поверхность 5Ю2. Примером парциально заряженной поверхности может служить поверхность оксида алюминия.

  • [1] Вода в полимерах / под ред. С. Роуленда. М. : Мир, 1984.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >