Клатратные комплексы иод-крахмал в поле низкочастотных акустических воздействий

2013 г. Г.Н. Фадеев, В.С. Болдырев, В.И. Ермолаева, Н.М. Елисеева
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
E-mail: gerfad@mail.ru
Поступила в редакцию 05.02.2012 г.

Приведены экспериментальные результаты по кинетике образования и разрушения клатратных комплексов, образованных иодом с крахмалом, – амилоиодина и амилопектоиодина – в поле низкочастотных акустических колебаний от 5 до 45 Гц. Сделан вывод, что биологическая активность этих соединений дает основание рассматривать их как модели биокатализаторов, в которых активной группой – коферментом – представляется иод, а апоферментом – гомополисахариды, составляющие крахмал: амилопектин и амилоза.
Ключевые слова: акустические колебания, модели биохимических систем, клатратные комплексы, амилоиодин, амилопектоиодин, резонансная частота, кинетические параметры дестабилизации клатратов.

Низкочастотные акустические колебания способны [1] вызвать у человека глубоко отрицательные эмоции. Из данных табл. 1 видно, что отрицательные воздействия низкочастотных колебаний на различные биологические системы человека укладываются в относительно узкий интервал, включающий колебания как инфразвукового (до 20 Гц), так и звукового диапазонов (до 35 Гц). В работе [2] нами была высказана гипотеза: для любой звукохимической реакции в поле низкочастотных акустических воздействий имеется индивидуальная частота, при которой эффект воздействия максимален. Такую частоту, при которой наиболее заметно влияние подаваемых внешних акустических колебаний, мы предлагаем называть резонансной частотой химических реакций.

Можно полагать, что приведенные в табл. 1 эффекты вызваны отрицательным воздействием резонансной частоты акустических колебаний и связанных с ними гидродинамических факторов на биохимические системы. Для ряда модельных систем подобные частоты определены экспериментально (см. [2]). Однако в случае биологически активных структур не ясно, какие их особенности ответственны за изменения их состояния в поле низкочастотных акустических колебаний. Для экспериментального физико-химического изучения в качестве “модельной” взята система иод–крахмал. Этот выбор обусловлен следующими обстоятельствами:

  1. амилоиодин давно (с 1940 г.) известен как активный медицинский препарат [3];
  2. комплексы построены по типу клатратов: гость–хозяин и в первом приближении их можно рассматривать как модели биокатализаторов: активной группой (коферментом) представляется иод, а апоферментом – гомополисахариды, составляющие крахмал (амилопектин и амилоза);
  3. на эти соединения, как и на биохимические системы организма человека, низкочастотные колебания оказывают отрицательное воздействие – комплексы разрушаются;
  4. особенности исследуемой системы позволяют одновременно наблюдать за двумя одинаковыми по составу, но различающимися по структуре соединениями: амилоиодином и амилопектоиодином, образованным иодом соответственно с амилозой и амилопектином.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Крахмал использовали картофельный квалификации “для нефелометрии” с содержанием гомополисахаридов, входящих в состав крахмала: 20 мас. % амилозы (мол. масса 3 × 104 –16 × 104 г/моль) и 80 мас. % амилопектина (мол. масса 106 –109 г/моль). Растворимость указанных компонентов в воде различна. Это позволяет проводить их разделение, однако, тщательное фракционирование крахмала – далеко не простая задача. Для фракционирования крахмала использовали методику Мейера с последующим центрифугированием. Амилоза хорошо растворяется в теплой воде, амилопектин – в холодной. При этом зерна крахмала набухают, но их оболочка не разрушается.

С целью увеличения содержания амилозы в исследуемых образцах, крахмал при соотношении 3 г крахмала на 200 мл воды варили в течение 2 ч при 65°С, перемешивая (магнитная мешалка VEB VLW TYP RH 3) со скоростью 800 мин-1. В результате происходит отделение высокополимерной фракции (амилопектина) от низкомолекулярной (амилозы), которая диффундирует из крахмала в виде водорастворимой формы. Раствор освобождали от основной массы набухших зерен центрифугированием (центрифуга VEB MLW MEDICINTECHNIK TYP T51.1) со скоростью 6000 мин-1 При таком разделении крахмала создавалась фракция, обогащенная амилозой.

Для исследования свойств амилопектоиодина исходный крахмал в соотношении 3:200 перемешивали в воде со скоростью 800 мин-1 при 25°С в течение 2 ч. Полученный раствор, обогащенный амилопектином, отделяли центрифугированием со скоростью 6000 мин-1. Другие методы фракционирования крахмала, основанные на действии химических агентов (щелочей, кислот, глицерина, бутанола и др.) оказывают деградирующее действие и не могут быть применимы для полноценного фракционирования крахмала.

С повышением чистоты фракций уменьшается растворимость их компонентов в воде. При фракционировании (центрифугировании) выделенная амилоза становится хуже растворима, так как ее структура становится более компактной. Водный раствор амилозы с концентрацией, равной 1 мас. %, является насыщенным. Амилопектин образует растворы обычно с содержанием 5 мас. %. Могут быть получены растворы амилопектина и большей концентрации, так как разветвленность молекулы исключает возможность образования компактной структуры. Малая растворимость амилозы объясняется значительно более плотной упаковкой ее спиральных цепей по сравнению с разветвленными цепочками амилопектина. Этим же объясняется лучшая растворимость не фракционированной амилозы по сравнению с выделенной. При стоянии раствор амилозы коагулирует и в процессе ретроградации она выпадает в виде хлопьев. Выпавший осадок может быть снова растворен только в щелочной среде.

Раствор иода готовили растворением в дистиллированной воде кристаллического иода, очищенного возгонкой. Для исследования влияния присутствия иодистого калия KI на свойства клатратов использовали раствор иода, приготовленного по стандартной методике. Эксперименты проводили на установке [4], работающей по принципу резонатора Гельмгольца. Подаваемые акустические колебания находились в интервале частот 5–45 Гц при фиксированной электрической мощности 5 Вт/см2. Изучено действие акустических колебаний на водный раствор самого крахмала. При подаваемой мощности в 5 Вт/см2 лишь при длительном действии (свыше 60 мин) наступает некоторое незначительное увеличение оптической плотности раствора в области частот, находящихся вне интервала резонансных частот амилоиодина и амилопектоиодина

Предварительно было определено изменение оптической плотности при перемешивании водных растворов клатратных соединений (табл. 2). Экспериментально найдено (рис. 1), что в поле акустических воздействий равновесие в растворах при образовании клатратов устанавливается в течение 10 мин. Для исследуемых соединений (амилоиодина и амилопектоиодина) определена экстремальная зависимость изменения оптической плотности от частоты внешнего воздействия и установлены частоты (10–20 Гц), вызывающие максимальное изменение оптической плотности водных растворов амилоиодина и амилопектоиодина.

За поведением клатратов следили благодаря различию их оптических спектров в видимой области. Иод при вхождении внутрь двойной спирали амилозы дает клатратный комплекс сине-фиолетового цвета с максимумом поглощения 620–680 нм. Измерения оптической плотности проводили с использованием фильтра λ = 670 нм. Разветвленная структура амилопектина образует сферолит шарообразной формы и при адсорбции иода возникает комплекс красно-фиолетового цвета с максимумом поглощения при 520–555 нм. Оптическую плотность раствора амилопектоиодина определяли с фильтром при λ = 540 нм.

Известно, что процесс образования иод-крахмальных комплексов является экзотермическим и обратимым: при нагревании цвет исчезает, а при охлаждении – появляется вновь. В отличие от действия температурного фактора, в поле акустических колебаний окраска растворов исчезает необратимо, и после прекращения воздействий цвет клатратов не восстанавливается.

Для определения влияния коллоидной природы крахмала на свойства клатратных соединений с иодом изучали зависимость изменения свойств комплексов от порядка смешения компонентов. Исследовали комплексы, полученные при двух следующих вариантах смешения.

  1. к раствору иода (оптическая плотность исходного раствора иода составляла 0.7) добавляли водный раствор крахмала, прошедший центрифугирование;
  2. в раствор центрифугированного крахмала, обогащенного в одном случае амилозой, а в другом – амилопектином, постепенно добавляли водный раствор иода.

Определяли знак электрокинетического потенциала комплексов, образуемых при разной последовательности смешения компонентов. Клатратный комплекс, образуемый при прибавлении крахмала к иоду (вариант 1), имеет положительный электрокинетический потенциал, и при наложении внешнего постоянного электрического поля движется к аноду. У комплексов, образованных прибавлением иода к раствору фракционированного крахмала (вариант 2), электрокинетический потенциал отрицательный, и во внешнем постоянном электрическом поле мицеллы комплексов движутся к катоду.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Трудно было предположить, что устойчивость клатратных комплексов к внешним воздействиям зависит от порядка смешения компонентов при получении комплексов. Экспериментально определено, что процессы образования и дестабилизации амилоиодина и амилопектоиодина в поле действия низкочастотных акустических колебаний отличаются по своим кинетическим характеристикам и зависят от порядка смешения их составляющих (табл. 3 и 4). Описание обнаруженного эффекта в известной нам литературе отсутствует

Анализ величин констант скорости (табл. 3 и 4) показывает, что в изучаемой микрогетерогенной системе во время действия акустических колебаний имеет место смена режима процесса, сопровождающаяся изменением соотношения констант скорости. Крахмал, прибавляемый к раствору иода, образует комплексы амилоиодин и амилопектоиодин, дестабилизация которых во всем исследованном интервале частот от 5 до 45 Гц подчиняется (рис. 2) кинетическому уравнению первого порядка. Константы скорости дестабилизации амилоиодина и в инфразвуковом, и в звуковом диапазонах в ~1.5 раза выше (табл. 3) констант скоростей разрушения амилопектоиодина.

Кинетика дестабилизации клатратов, образованных прибавлением иода к избытку крахмала, иная (табл. 4, рис. 3). В инфразвуковом диапазоне (5–15 Гц) процесс следует второму кинетическому порядку (рис. 3а), а в звуковой области, начиная с 20 Гц, кинетическая зависимость соответствует первому порядку (рис. 3б). Причем по мере увеличения частоты воздействия константа скорости дестабилизации амилопектоиодина растет и при 45 Гц даже становится больше, чем константа скорости дестабилизации амилоиодина (табл. 4). Кинетический порядок реакции дестабилизации амилопектоиодина, оставаясь первым, по своей величине превышает порядок дестабилизации амилоиодина.

Многие свойства крахмала как высокомолекулярного соединения связаны с его полидисперсностью: наличием молекул разной длины, образующих агрегаты различного размера. Этим объясняются трудности интерпретации результатов, получаемых при изучении крахмала разными авторами. В настоящее время наиболее последовательной признается теория строения крахмала по Мейеру, основанная на химическом различии компонентов крахмала. Мы будем придерживаться основных ее положений и выводов.

В противоположность прежним представлениям о структуре молекулы амилопектина как центральной цепи с боковыми ветвями, теория Мейера предполагает существование в крахмале сильно разветвленной структуры амилопектина и линейной, скрученной в двойную спираль, амилозы. Рентгенография крахмала с иодом показала [5], что иод располагается внутри спиральной структуры амилозы и вытянут внутри спирали в цепочку. Линейная структура амилозы способна к соединению с другими молекулами амилозы и амилопектина за счет образования водородных мостиков между гидроксилами соседних молекул. В результате такого взаимодействия образуются мицеллы. Кристаллоподобные мицеллы амилозы располагаются в аморфной области, образованной разветвленными цепями амилопектина, которые заключают кристаллиты амилозы в сетчатую трехмерную структуру. Связи, образующие трехмерную сеть, являются связями вторичной валентности, идентичными связям, образующим квазикристаллическую решетку амилозы. Таким образом, спиральная структура амилозы находится в двух валентных состояниях.

Одно – внешнее насыщение молекулярных сил – создается наличием Н-мостиков и групп – ОН других молекул. Это приводит к образованию мицелл. Другое валентное состояние определяется внутренней структурой спирали и является внутренним молекулярным насыщением. Таким образом, особенности мицеллярной структуры комплексов амилоиодина и амилопектоиодина определяются особенностями внутреннего строения компонентов крахмала и объясняются различными способностями амилозы и амилопектина взаимодействовать с иодом.

Рентгенограммы показывают, что не только комплекс с иодом, но и сухая и влажная амилоза обладают спиральной структурой. Для нашего исследования особенно важно отметить окисление альдегидных групп крахмала солями иодистых кислот (в особенности иодной): как установлено в [6], в поле низкочастотных акустических колебаний усиливается процесс окислительного диспропорционирования иода. Рентгенографическими методами определено, что по своему поведению отдельные звенья цепей крахмала могут отличаться от поведения всей цепи или даже отдельных ее участков. Так, отдельные звенья могут быть расположены хаотически, а участки цепей остаются ориентированными. Рентгенограммы показывают [7] концентрические слои, составленные из кристаллитов размером не более 1 мкн. Эти слои представляют собой радиально расположенные мицеллы. Цепи главных валентностей крахмала в отдельных местах упорядочены друг с другом путем соединения либо Н-связями, либо радикалами фосфорной кислоты. Во всех образцах обнаружена кристаллизационная вода, удаление которой делает рентгенограмму нечеткой и плохо расшифровывающейся

Кроме углеводной части, в крахмалах содержится небольшое количество фосфатных остатков, азотистых и других минеральных веществ и жирных кислот. В картофельном крахмале фосфора содержится гораздо больше в амилопектиновой фракции, чем в амилозной. Предполагается, что амилопектин содержит остатки фосфорной кислоты, связанной у шестого гидроксила в виде фосфатного эфирного мостика. При образовании коллоидных частиц ядро мицеллы одинаково в обоих случаях: при введении “гостя”-иода в структуру “хозяина”-крахмала и при добавлении наоборот “хозяина”-крахмала в раствор иода-“гостя”. С большой долей вероятности можно утверждать, что различие в этих двух случаях состоит в характере адсорбционного слоя.

Когда в избытке находится крахмал, то под действием акустических колебаний и связанных с ними факторов, разрушение клатратного комплекса идет по общему первому порядку во всем исследованном интервале частот (табл. 3). Если же адсорбционный слой состоит из иода, то колебания усиливают его гидролиз. В результате гидролиза в растворе появляется целый набор разнозаряженных ионов. При этом оптическая плотность раствора падает. При возрастании частоты происходит смена кинетического режима (рис. 2 и 3). При действии инфразвуковых колебаний до 20 Гц процесс дестабилизации клатратов подчиняется кинетической зависимости второго порядка. При переходе к звуковому диапазону частот 25–45 Гц процесс начинает соответствовать первому кинетическому порядку. Если судить по величинам констант скорости (табл. 3 и 4), то в изучаемой микрогетерогенной системе во время действия акустических колебаний имеют место три режима процесса.

Рассмотрим дестабилизацию комплексов, созданных по варианту 1 – прибавлением крахмала к раствору иода (табл. 3). При частотах 5–10 Гц имеет место диффузионный режим. Характер процесса определяется влиянием больших (А = 2.0–2.2 мм) величин амплитуд колебаний. Кинетический порядок дестабилизации первый, а константы скорости для амилоиодина выше констант скорости дестабилизации амилопектоиодина. Энергия активации адсорбции иода на амилозе Еакт = 44 ± 2 кДж/моль выше энергии активации Еакт = 29 ± 2 кДж/моль адсорбции иода на амилопектине. Однако константы скорости дестабилизации амилоиодина больше (табл. 3), чем амилопектоиодина, и энергия активации процессов дестабилизации для амилоиодина ниже Еакт = (29–31) ± 2 кДж/моль, чем для амилопектоиодина Еакт = (38–41) ± 2 кДж/моль. Возникает некоторый “казус”: иод на амилозе адсорбируется прочнее, чем на амилопектине, а комплекс амилоиодин дестабилизируется легче, чем амилопектоиодин. Напрашивается вывод – основное значение имеет не сама по себе адсорбция иода, а его состояние в исследуемых клатратах.

На основании количественного поглощения иода установлено, что одна молекула иода приходится на шесть гликозидных остатков, которые закручены в спираль, т.е. 1 молекула иода приходится на 1 виток спирали. Шаг спирали составляет с 0.75–0.8 нм. Внешний диаметр спирали 1.3 нм. Молекулы иода в двойной спирали амилозы испытывают сильное влияние межмолекулярных сил и полярных групп –ОН. В результате этого межатомная связь в молекуле иода с первоначальной длины 0.267 нм заметно увеличивается и в комплексе иодамилаза становится равной 0.306 нм. Эта величина едина для всех атомов иода.

Цепочки “атомизированных” таким образом молекул иода в зависимости от своей длины (степени полимеризации п в клатрате) придают [8] комплексам I2 + (C6H10O5)n разный цвет (N – число витков спирали амилозы):

Воздействие акустических колебаний и сопровождающих эти колебания факторов приводит к уменьшению длины цепочек иода вплоть до обесцвечивания комплекса. При этом не обязательно должен иметь место разрыв цепочек из атомов иода. Цвет может измениться в результате изгиба или “растяжения” витков спирали амилозы, при котором будет иметь место изменение соотношений 1:6 числа молекул иода и витков спирали. Можно предположить, что цепочечная структура иода внутри спирали амилозы делает его более чувствительным к внешним воздействиям, более подвижным и более активным.

Особый интерес представляют результаты, полученные по второму варианту смешения – при прибавлении водного раствора иода к раствору крахмала. Здесь при изменении частоты подаваемых колебаний довольно четко прослеживается смена кинетических условий протекания процесса дестабилизации клатратов иод–крахмал. При частотах 5–10 Гц процесс протекает в диффузионном режиме и определяющим является влияние амплитуды подаваемых колебаний. При этом процесс дестабилизации комплексов подчиняется кинетическому уравнению второго порядка, а в случае амилоиодина (2) имеет несколько большее значение ν2 = 2.3 ± 0.2 по сравнению с ν1 = 1.9 ± 0.2 для процесса дестабилизации амилопектоиодина (1).

В диапазоне звуковых частот выше 20 Гц кинетический порядок дестабилизации комплексов резко меняется. В интервале подаваемых частот 20–45 Гц процесс описывается кинетическим уравнением уже не второго, а первого порядка. При этом меняется соотношение констант скоростей дестабилизации амилоиодина и амилопектоиодина. При низких частотах дестабилизация амилоиодина происходила неизменно быстрее. Однако при 35 Гц значения констант процесса дестабилизации амилоиодина и амилопектоиодина выравниваются (см. табл. 4), а при 40–45 Гц скорость дестабилизации амилопектоиодина становится больше. Порядок реакции (при общем следовании кинетическому уравнению первого порядка) для амилопектоиодина (1) становится выше, чем для амилоиодина (2): 1.3 ± 0.2 и 0.8 ± 0.2 соответственно.

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о различии в поведении комплексов амилоиодина и амилопектоиодина в поле низкочастотных акустических воздействий. Из результатов проведенного исследования можно заключить, что воздействие низкочастотных акустических колебаний позволяет изучать поведение сложных комплексов, имеющих признаки биологически активных систем.

Таким образом, исследован кинетический режим отрицательного воздействия низкочастотных акустических колебаний на клатратные комплексы амилоиодин и амилопектоиодин.

Установлено наличие резонансных частот, при которых воздействие внешних акустических полей и сопутствующих им факторов максимально. Обнаружено влияние коллоидной природы компонентов крахмала на поведение клатратных комплексов иод–крахмал в поле низкочастотных акустических колебаний. Экспериментально установлено, что клатратные комплексы амилоиодин и амилопектоиодин после действия низкочастотных акустических колебаний необратимо дестабилизируются, и их цвет не восстанавливается. Определены основные кинетические параметры процесса дестабилизации клатратных комплексов амилоиодина и амилопектоиодина. Выявлено, что в основе более активного поведения амилоиодина – состояние иода в амилозе, делающее комплекс амилоиодин более чувствительным к внешним воздействиям.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Диментберг Ф.М., Фролов К.В. Вибрация в технике и человек. М.: Знание, 1987, 60 с.
  2. Fadeev G.N., Kuznetsov N.N., Beloborodova E.F., Matakova S.A. // Rus. J. Phys. Chem. A. 2010. V. 84. № 13. P. 54–58.
  3. Мохнач В.О. Синий иод. СПб.: Наука, 1994. С. 145–157.
  4. Фадеев Г.Н., Ермолаева В.И. // Вопр. оборон. техники. 2004. Сер. 16. № 1/2. С. 28–32.
  5. ANCHEM.RU - Российский химико-аналитический портал.
  6. Николаев Л.А., Фадеев Г.Н. // Докл. АН СССР. 1984. Т. 256. С. 638
  7. ANCHEM.RU - http://www.sev-chem.narod.ru/spravochnik/krahmal.htm
  8. Рогов И.А., Антипова И.В., Дунченин М.И. Химия пищи. М.: Колос, 2007. С. 517.