КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 76, № 3, с. 347-355
УДК 544.72.05:532.64
АДСОРБЦИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ СМЕСЕЙ КОКОАМИДОПРОПИЛ БЕТАИНА И ЛИЗОЦИМА В СИСТЕМЕ ВОДА/ОКТАН © 2014 г. Р. А. Иванов, О. А. Соболева, М. Г. Чернышева, Г. А. Бадун
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, химический факультет 119991 Москва, Воробьевы горы, д. 1, стр. 3 oxana_soboleva@mail.ru Поступила в редакцию 15.10.2013 г.
Методами сцинтиллирующей фазы, межфазной тензиометрии и динамического рассеяния света изучено поведение смесей глобулярного белка лизоцима с цвиттерионным ПАВ кокоамидопропил бетаином в системе вода/октан. Сопоставление величин адсорбции каждого компонента, межфазного натяжения, концентрации компонентов и размера агрегатов в контактирующих фазах позволило предложить механизм поведения смеси белок/цвиттерионное ПАВ в двухфазной системе, основанный на анализе взаимодействия компонентов, структуры и поверхностной активности образующихся агрегатов.
Б01: 10.7868/80023291214030057
1. ВВЕДЕНИЕ
Системы, содержащие белок и поверхностно-активные вещества (ПАВ), находят широкое применение во многих областях — при создании лекарственных веществ, продуктов личной гигиены, моющих средств, эмульсий и пен в пищевой и косметической промышленности и т.д. [1, 2]. В настоящее время при создании косметических и фармацевтических препаратов большое внимание уделяется подбору поверхностно-активных компонентов, которые обладали бы рядом полезных свойств, и при этом имели бы высокую биосовместимость и хорошую биоразлагаемость. Одним из широко используемых ПАВ является кокоамидопропил бетаин (САРВ) — цвиттерионное ПАВ, получаемое из кокосового масла (см. рис. 1).
Широкое использование САРВ в качестве со-ПАВ в продуктах косметической, фармацевтической промышленности, в моющих средствах связано с несколькими моментами. САРВ не раздражает слизистую оболочку глаз и кожу, и его добавки к анионным ПАВ сильно уменьшают раздражающее действие последних [1]. Добавки САРВ к анионным ПАВ способствуют снижению критической концентрации мицеллообразования (ККМ), причем образующиеся смешанные мицеллы при достаточно малых концентрациях переходят из сферических в нитеобразные, обладающие большой солюбилизационной емкостью по отношению к жирным кислотам и другим органическим соединениям [3]. Добавки САРВ приводят к снижению точки Крафта анионных ПАВ,
что позволяет использовать композиции в более широком температурном интервале, включая низкие температуры [4]. САРВ улучшает пенооб-разование в смесях с другими ПАВ [5]. К достоинствам САРВ относятся его доступность, хорошая биоразлагаемость, совместимость с ПАВ другого типа, антисептические и антистатические свойства. Вместе с тем, существует определенная сложность в изучении свойств САРВ, связанная с тем, что это ПАВ, получаемое из природного сырья, не является индивидуальным веществом, а представляет собой смесь гомологов с длиной углеводородной цепи Я (рис. 1) 8, 10, 12, 14 и 16 атомов углерода [1, 6]. Основным компонентом (до 50%) является додецильный гомолог. Известно, что многие свойства ПАВ (поверхностная активность, ККМ, коэффициент распределения между водной и органической фазами, адсорбция и др.) зависят от длины алкильной цепи, поэтому использование стандартных методов выделения и очистки (например, с помощью экстракции) может привести к изменению состава и свойств ПАВ. Этот момент необходимо учитывать при интерпретации полученных данных.
О
/\ О
Рис. 1. Структурная формула кокоамидопропил бетаина (САРВ).
В качестве белкового компонента использован лизоцим (Ьг) —глобулярный белок с молекулярной массой 14.3 кДа и размером глобулы 3 х 3 х 4.5 нм. Изоэлектрическая точка лизоцима равна 11, т.е. в водных растворах при нейтральных значениях рН он заряжен положительно. Поверхностные свойства лизоцима неоднократно изучали; были получены изотермы поверхностного натяжения его водных растворов на границах с воздухом и органическими жидкостями, измерена адсорбция Ь2 из водных растворов на границе с воздухом, октаном, п-ксилолом, н-октанолом, найдены коэффициенты распределения Ь2 в системах водный раствор/органическая жидкость [7—11].
Добавки ПАВ заметно влияют на поверхностные свойства Ь2. Прежде всего, это относится к анионным ПАВ, которые взаимодействуют с Ь2 за счет электростатического притяжения [12—15]. При взаимодействии полярных групп анионных ПАВ с положительно заряженными центрами на поверхности белковой глобулы формируется гидрофобный комплекс белок—ПАВ, более поверхностно-активный, чем нативный белок. При определенной концентрации Ь2 и анионного ПАВ формируется осадок из электронейтральных комплексов [16, 17]. Помимо этого, ПАВ способны связываться с белками по механизму гидрофобного связывания, в результате чего формируются гидрофильные комплексы, лучше растворимые в воде, чем нативный белок. Гидрофобные взаимодействия с анионными ПАВ, происходящие при избытке ПАВ, приводят к растворению осадка и могут вызвать денатурацию белка. Ь2 способен взаимодействовать и с ПАВ другой природы. С неионогенными ПАВ связывается слабее, чем с анионными [18], однако поверхностное натяжение смешанных растворов начинает понижаться при меньших концентрациях добавленного ПАВ, чем в отсутствие Ь2, что указывает на взаимодействие белка с ПАВ [19—21]. В гораздо меньшей степени было исследовано поведение смесей лизоцима с катионными ПАВ [15, 22, 23]. Так, из измерений поверхностного натяжения смесей с бромидом додециламмония был сделан вывод о том, что за счет электростатического отталкивания происходит конкурентное вытеснение Ь2 молекулами катионного ПАВ из адсорбционных слоев на границах водного раствора с воздухом и/или органической жидкостью. При этом поверхностное натяжение понижается от значений, характерных для индивидуального белка, до значений, соответствующих индивидуальному ПАВ. Влияние взаимодействия Ь2 с цвит-терионными ПАВ на их распределение между двумя фазами, адсорбцию и поверхностное натяжение практически не изучено.
Цель настоящей работы состояла в выявлении влияния взаимодействия белка с ПАВ и самоорганизации в их смешанных растворах на ряд кол-
лоидно-химических свойств: поверхностное натяжение на границе вода/воздух и вода/октан, адсорбцию и распределение компонентов в системе вода/октан, размер частиц в водной и органической фазах.
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В данной работе использовали 45%-ный водный раствор кокоамидопропил бетаина (производство РСС ROKITA, Польша) и лизоцим, выделенный из яичного белка (Lz, MP "Biomedicals"). Исходный раствор ПАВ упаривали до постоянства массы вещества, из которого готовили рабочие растворы. Принимали молекулярную массу САВР равной 356 г/моль (т.е. молекулярной массе основного компонента — додецильного гомолога), концентрацию растворов изменяли от 10-7 до 10-2 М. В растворах смесей белок/ПАВ концентрацию Lz поддерживали равной 7 х 10-7 или 7 х 10-6 М (0.01 и 0.1 г/л соответственно).
Тритиевую метку в белок и САРВ вводили с помощью метода термической активации трития. Методика введения тритиевой метки в Lz была описана в работе [24]. Способ получения меченного тритием САРВ был разработан в данной работе.
Для получения меченного тритием CAPB водный раствор ПАВ наносили на стенки специального реактора при непрерывном вращении, после чего его замораживали в жидком азоте и высушивали лиофилизацией. Реактор с готовой мишенью присоединяли к вакуумной установке для работы с газообразным тритием. Систему заполняли газообразным тритием до давления 0.5 Па и нагревали вольфрамовую спираль, расположенную в центре реактора, электрическим током до 1900 K в течение 10 с. При этом стенки реакционного сосуда с веществом охлаждали жидким азотом. После проведения реакции САРВ растворяли в воде и измеряли его радиоактивность.
Для удаления трития из возможных лабильных (обменных) положений раствор упаривали с помощью роторного испарителя, вновь растворяли в воде и измеряли радиоактивность. Процедуру испарения/растворения повторяли до тех пор, пока радиоактивность раствора не переставала изменяться.
Анализ чистоты полученного [3H]CAPB проводили с помощью тонкослойной хроматографии на пластинках Silica Gel60 (Sigma-Aldrich) в системе бутанол/уксусная кислота/вода в соотношении 3:1 : 1. Положение меченого вещества на пластинке определяли с помощью сканера радиоактивности. Хроматографический анализ продукта после удаления лабильной метки показал наличие гидрофобной примеси — пик на фронте хроматограммы.
Полную очистку [3H]CAPB проводили с помощью экстракции из водного раствора в гептан
(соотношение 1 : 10 по объему). Радиоактивность фазы гептана перестала изменяться после 6 экстракций. Хроматографический анализ показал, что все примеси перешли в органическую фазу. Радиохимическая чистота полученного меченого препарата составила 95%, удельная радиоактивность — 68 ГБк/г.
Для поддержания постоянного значения pH все растворы были приготовлены в фосфатном буфере (pH 7.2 ± 0.1, ионная сила 0.16 М).
Для создания двухфазных систем использовали свежеперегнанный октан (плотность 0.702 г/см3, температура кипения 125.6°С). При проведении экспериментов методом сцинтиллирующей фазы к октану добавляли 4% нафталина и 0.4% 2,5-ди-фенилоксазола для придания сцинтиллирующих свойств.
Межфазное натяжение растворов индивидуальных веществ и смесей Lz—CAPB на границах водный раствор/воздух и раствор/октан измеряли методом висящей капли. Для измерения поверхностного натяжения на границе с воздухом формировали каплю раствора в кювете над исследуемым раствором во избежание испарения капли. Время формирования капли составляло 30 мин. Эксперименты показали, что после этого времени форма капли и, соответственно, величина поверхностного натяжения практически не изменяются. Каплю фотографировали при помощи горизонтального микроскопа, оборудованного цифровой видеокамерой DCM-130. Полученное изображение обрабатывали с помощью программы Drop Shape Analysis (Kruss). Для измерения межфазного натяжения на границе с октаном в стеклянную кювету с пробкой помещали 1 мл исследуемого раствора
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.