научная статья по теме ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОКИСЛОТ В ЭКСТРАКТАХ НА ОСНОВЕ ГИДРОФИЛЬНЫХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ Химия

Текст научной статьи на тему «ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОКИСЛОТ В ЭКСТРАКТАХ НА ОСНОВЕ ГИДРОФИЛЬНЫХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ»

ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2007, том 62, № 10, с. 1072-1077

^=ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ =

УДК.547.466

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОКИСЛОТ В ЭКСТРАКТАХ НА ОСНОВЕ ГИДРОФИЛЬНЫХ

РАСТВОРИТЕЛЕЙ

© 2007 г. Н. Я. Мокшина, О. А. Пахомова, С. И. Нифталиев

Воронежская государственная технологическая академия 394000 Воронеж, просп. Революции, 19

Поступила в редакцию 12.04. 2006 г., после доработки 26.09.2006 г.

Установлены некоторые закономерности экстракции ароматических аминокислот (фенилаланин, тирозин) гидрофильными растворителями и их смесями из водно-солевых растворов. Изучено электрохимическое (потенциометрическое, кондуктометрическое) определение аминокислот непосредственно в органическом экстракте без предварительного разделения.

Ферментационный синтез применяют для получения многих незаменимых аминокислот, в том числе фенилаланина и тирозина. Он имеет известные преимущества по сравнению с микробиологическими методиками:

- высокая концентрация веществ в перерабатываемых смесях значительно уменьшает габариты используемого оборудования, упрощают процессы выделения и очистки полупродуктов и целевых компонентов;

- отсутствует опасность заражения технологической линии посторонними микроорганизмами и, следовательно, нет необходимости соблюдать стерильные условия синтеза, хотя требования к чистоте исходного сырья и технологических линий при работе с ферментами остаются весьма высокими [1].

Вместе с тем имеются проблемы, относящиеся в первую очередь к контролю качества аминокислотных смесей на каждой стадии их производства. В этой связи актуальной биотехнологической и аналитической задачей остается разработка надежных и легкоосуществимых способов определения фенилаланина и тирозина при совместном присутствии.

Решение задачи возможно с применением экстракции гидрофильными растворителями. Сведения о количественных характеристиках межфазного распределения физиологически активных веществ необходимы для обоснования условий их извлечения, концентрирования, разделения и селективного определения, в частности, при разработке процессов кристаллизации и непрерывной ферментации [2, 3].

Для экстракции органических соединений из водных сред, как правило, применяются гидрофобные растворители, например, алифатические спирты С6-С10, алкилацетаты С4-С6 [4]. Однако в отношении аминокислот они малоэффективны, например, степень извлечения фенилаланина и тирозина из ферментационных растворов этими растворителями не превышает 15%. Для достижения практически полного (97%-ного и более высокого) извлечения целевых компонентов применяются последовательные экстракции, в результате получение концентрата становится длительным и трудоемким процессом.

В последнее время для извлечения органических соединений разных классов из водных сред все большее применение находят частично или полностью смешивающиеся с водой растворители, например, низшие спирты и эфиры [5, 6]. Помимо непосредственной экстрагирующей активности они отличаются тем, что в соответствующих концентратах возможно определение распределяемых веществ с применением косвенных физико-химических, например, электрохимических методов. Такие определения исключают стадию реэкс-тракции, позволяют селективно определять гомологи и изомеры, прогнозировать количественные характеристики межфазного распределения органических соединений. Гидрофильные растворители образуют самостоятельную фазу при введении в систему больших количеств нейтральных солей [7]. В качестве экстрагентов для извлечения фенилаланина и тирозина из водных сред нами изучены бутиловый спирт, ацетон и этилаце-тат (табл. 1), а также их бинарные и трехкомпо-нентные смеси.

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОКИСЛОТ 1073 Таблица 1. Некоторые физико-химические свойства гидрофильных экстрагентов [12-14]

Экстрагент Температура кипения, °C Диэлектрическая проницаемость Дипольный момент, Д Межфазное поверхностное натяжение, дин/см Растворимость в воде, г/100 г, 25°C

Бутиловый спирт 118 17.51 1.63 24.57 7.45

Этилацетат 77 6.02 1.81 23.75 8.08

Ацетон 58 20.56 2.70 20.90 100

Обязательным условием применения гидрофильных растворителей в качестве экстрагентов из водных растворов является введение в водную фазу электролита, снижающего растворимость распределяемого соединения в воде в результате гидратации. Происходящее при этом изменение ионной силы раствора способствует распределению вещества в органическую фазу. Изучено высаливание в системах с сульфатами, хлоридами, нитратами лития, калия, натрия. Установлено, что сульфат лития - наиболее эффективный вы-саливатель аминокислот, практически нерастворим в применяемых экстрагентах [8].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Реагенты. Водные растворы (30 мл) фенил-аланина и тирозина с исходными концентрациями 0.01 и 0.05 мг/см3 соответственно готовили из препаратов квалификации х.ч. Гидрофильные экс-трагенты (бутиловый спирт, ацетон и этилаце-тат) дважды дистиллировали, идентифицировали по показателям преломления. В качестве высали-вателя применяли кристаллический сульфат лития квалификации х.ч.

Методика эксперимента. Для получения сопоставимых коэффициентов распределения аминокислоты экстрагировали в идентичных условиях: температура 20 ± 1°С, рН водного раствора ~5. Приготовленные растворы фенилаланина и тирозина насыщали сульфатом лития до концентрации соли 20 мас. %.Установлено, что при таком содержании высаливателя достигаются максимальные коэффициенты распределения фенилаланина и тирозина в системе водно-солевой раствор - смесь гидрофильных растворителей. К водно-солевому раствору фенилаланина или тирозина добавляли 3 мл гидрофильного растворителя (бутиловый спирт, ацетон, этилацетат, их бинарные или трехкомпонентными смеси) и экстрагировали на вибросмесителе. Время установления межфазного равновесия зависит от соотношения объемов фаз водно-солевого раствора и экстрагента (г). Увеличение г снижает скорость перераспределения вещества в водном растворе и, следовательно, замедляет установление межфаз-

ного равновесия. В изученных условиях (r = 10) оно достигается при экстракции в течение 5-10 мин. После расслаивания системы (1-2 мин) экстракт отделяли, переносили в ячейку для титрования и определяли содержание фенилаланина и тирозина в равновесной органической фазе методами кондуктометрического или потенциометрическо-го титрования [9].

Кондуктометрические измерения проводили в стандартной ячейке с платиновыми электродами. Постоянную ячейки находили с применением раствора хлорида калия по известной методике [10].

Потенциометрическое титрование экстрактов осуществляли на высокоомном потенциометре по кислотно-основному механизму с применением цепи с переносом заряда:

СЭ/Н+АК/AgCl/KCl,

где СЭ - стеклянный электрод; AK - аминокислота, AgCl/KCl - хлоридсеребряный электрод, заполненный насыщенным раствором KCl в этиловом спирте.

В качестве титранта применяли этанольный раствор гидроксида калия, обеспечивающий максимальный скачок на кривой потенциометриче-ского и кондуктометрического титрования, а также надежность индикации точки стехиометрично-сти. Аминокислоты титровали в среде бутилового спирта диэтиламином, а также этанольными растворами гидроксидов калия и тетраметиламмо-ния (рис. 1). Оптимальный скачок на кривой титрования и минимальная погрешность определения получены при титровании раствором КОН в безводном этиловом спирте. При титровании эта-нольным раствором гидроксида тетраметилам-мония образуются ионы, подвижность которых близка к подвижности протона аминокислот, поэтому по соответствующей кривой кондуктометрического титрования невозможно надежно зафиксировать точку стехиометричности. Такие же затруднения характерны для титрования диэтил-амином, кроме того, вследствие его летучести необходим постоянный контроль концентрации титранта.

По результатам титрования рассчитывали коэффициенты распределения (D) и степень извле-

X, (Ом-1/см) х 104

V, см3

Рис. 1. Кривые титрования фенилаланина в экстракте на основе бутилового спирта этанольными растворами гидрок-сида калия (1), диэтиламина (2) и гидроксида тетраметиламмония (3).

чения (R, %) фенилаланина и тирозина по уравнениям:

D = m0/m, R = х 100%, co

где m0 и m - массы фенилаланина и тирозина в водном растворе до и после экстракции; c0 и c -концентрации фенилаланина и тирозина в растворе до и после экстракции, М. Некоторые метрологические характеристики метода приведены в табл. 2.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Изучена экстракция фенилаланина и тирозина бутиловым спиртом, ацетоном и этилацетатом, а также их бинарными и трехкомпонентными смесями. Установлено, что коэффициенты распределения в системах аминокислота - гидрофильный растворитель и аминокислота - бинарная смесь экстрагентов существенно не различаются, поэтому в табл. 3 приведены экстракционные характе-

ристики систем только с двух- и трехкомпонентными смесями гидрофильных растворителей.

Эффективность экстракции фенилаланина смесью бутиловый спирт - ацетон - этилацетат (табл. 3) значительно возрастает по сравнению с экстракцией индивидуальными растворителями и их бинарными смесями (синергетический эффект). Зависимость коэффициентов распределения от состава смеси (изотерма экстракции) описывается кривой с выпуклостью, обращенной к оси абсцисс (рис. 2). Это объясняется взаимодействием компонентов смеси друг с другом за счет водородных связей с образованием молекулярных комплексов. Характер изотерм экстракции позволяет сделать вывод о влиянии содержания воды в экстрактах на полноту извлечения фенилаланина и тирозина. При относительно невысоком содержании воды синергизм отсутствует, увеличение массовой доли ацетона в смеси растворителей повышает содержание воды в экстракте, синергетический эффект возрастает.

Таблица 2. Определение фенилаланина и тирозина в экстрактах

Аминокислота Масса аминокислоты, мг Коэффициент корреляции Относительное стандартное отклонение, sr

введено найдено

Фенилаланин 0.012 0.010 0.9969 0.080

0.015 0.013 0.9949 0.064

0.018 0.017 0.9985 0.019

Тирозин 0.023 0.022 0.9978 0.011

0.034 0.031 0.9965 0.023

0.037 0.035

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком