Реферат: Получение сорбционных материалов с биогенными элементами

--PAGE_BREAK--c-казеин.
Фракция растворима в 0,4М растворе CaCl2 при рН 7,0 и температуре 0-40С. Отличительные свойства: имеет хорошую растворимость, не осаждается ионами кальция, что объясняется наличием в его молекуле большого количества лиофильных ОН-групп. Содержит три углевода: галактозу, галактозамин и N-ацетилнейраминовую (сиаловую) кислоту.
Группа g — казеинов.
Фракция растворима в3,3 М растворе мочевины, но нерастворима в1,7М растворе мочевины при рН 4,7 после добавления (NH4)2SO4.
   g1-фракция идентична фрагменту b — казеина, состоящему из аминокислотных остатков в положении 29-209.
   g2-идентичен фрагменту b — казеина, состоящему из аминокислотных остатков в положении 106-209.
    g3-идентичен фрагменту b- казеина, состоящему из аминокислотных остатков в положении 108-209 (Дьяченко П.Ф., 1959).
В нативном казеине [3] содержится 15,4% азота и 0,11% фосфора; много незаменимых аминокислот, таких как лейцин (9,2г), лизин (8,2г), аланин (масса указана в граммах аминокислоты на 100 г белка).
В некоторых работах  иммобилизацию молекул белка осуществляли на производных целлюлозы (сульфанилэтилового эфира целлюлозы, аминоэтилцеллюлозы, диальдегидцеллюлозы), поверхность которых была модифицирована глутаровым альдегидом. В качестве белка использовали инсулин, рибозофосфатизомеразу, желатину, фермент протеазу Bacillus subtilis. Полученные иммобилизованные препараты отличались стабильностью и достаточно высоким процентом сохранения активности.
Способ получения иммобилизованного осахаривающего ферментного препарата включает в себя связывание осахаривающего фермента с нерастворимым носителем с помощью глутарового альдегида.
В качестве носителя  используются гранулированный казеин, а связывание осуществляли в водной среде в присутствии яичного альбумина при соотношении компонентов: носитель (0,02-0,2):1; фермент: альбумин (0,2-1,5):1; глутаровый альдегид: фермент с альбумином (0,2-0,4):1. Для иммобилизации используют аминоглюкозидазу или – амилазу. Глутаровый альдегид используют в виде 50% водного раствора. Предпочтительный размер частиц казеина составил 100-500 мкм.
Таблица 2
Содержание аминокислотных остатков
в отдельных фракциях казеина
Аминокислота
aS1
b
g
c
Аспарагиновая кислота
14-16
9-10
9
11-12
Глутаминовая кислота
38-41
37-39
39
27
Гистидин
5
5-6
6-7
3
Аргинин
5-6
4-5
3-4
5
Лизин
14-15
11-12
12
9
Глицин
9-10
5
5
3
Серин
13-14
13-15
12-13
12-13
Треонин
5
9
10
13-14
Аланин
8-9
5-6
6
13-14
Цистин
0
0
0
2
Метионин
5
6
7
2
Валин
10-11
18-19
20
11
Лейцин
14-17
21
23
8
Изолейцин
11
10
8
11-12
Пролин
17-18
33-35
40-41
19
Фенилаланин
6-8
9
11
4
Тирозин
10
3-4
5
8
Триптофан
2
1
1
1
         Полученный ферментный препарат представляет собой гранулированный казеин, покрытый белковым слоем альбумина, проницаемым для жидкости, и в этом же слое осахаривающий фермент поперечно сшит с альбумином яйца с помощью глутарового альдегида и сохранял ферментативную активность в переделах 53-67,8%
1.3. Использование сорбционных материалов в медицине и медицинской промышленности
Одно из основных направлений биотехнологии предусматривает разработку сорбционных материалов и дальнейшее их применение в медицине и медицинской промышленности в качестве  незаменимых материалов для гемо — и энтеросорбции.
В зависимости от того, каким комплексом характеристик обладает тот или иной сорбент проявляются его терапевтические свойства как энтеросорбента. Анализируя предъявляемые нормативными документами и клинической практикой требования к энтеросорбентам, можно выделить  комплекс свойств, присущих как бы “идеальному” энтеросорбенту:
-   полная безвредность и нетоксичность;
-   высокая биосовместимость с тканями, кровью и другими биосубстратами организма;
-   неповреждающее действие на слизистые оболочки ротовой полости, пищевода, желудочно-кишечного тракта;
-   избирательная сорбция среднемолекулярных токсичных метаболитов;
-   высокая адсорбционная емкость;
Проблему создания эффективного и безопасного энтеросорбента, предназначенного для очищения организма от токсических веществ (шлаков), которые продуцируются при различных заболеваниях, уже в течение многих лет решают ученые разных стран.
Энтеросорбенты — продукты, используемые для связывания метаболитов, токсинов и других веществ в пищеварительном тракте. Они перспективны при решении проблем регулирования питания человека, для снижения поступления в организм экологически вредных веществ (в том числе радионуклидов, пестицидов, тяжелых металлов), профилактики и лечения ряда заболеваний.
Разработан способ энтеросорбции из водных растворов таких вредных веществ и соединений, как формальдегид, фенол, нитраты, нитриты, ионы свинца и др., в котором в качестве энтеросорбентов использованы пищевые волокна из различного растительного сырья. Было установлено, что за процесс связывания указанных веществ ответственны положительно и отрицательно заряженные группировки лигнина, гемицеллюлоз, пектиновых и белковых веществ, входящих в состав пищевых волокон (ПВ).
Пищевые волокна представляют собой сложный комплекс биополимеров линейной и разветвленной структуры с большой молекулярной массой. Присутствие первичных и вторичных гидроксильных (целлюлоза, гемицеллюлозы), фенольных (лигнин), карбоксильных групп (гемицеллюлозы, пектиновые вещества) обусловливает межмолекулярное взаимодействие (водородные связи) различной плотности упаковки, способность сорбировать воду и другие полярные молекулы и ионы. Поэтому для ПВ характерны водоудерживающая способность, ионообменные и другие особенности. ПВ способны взаимодействуют с белками, ферментами, гормонами, продуктами распада углеводов, пептидами и аминокислотами, жирными и другими кислотами в процессе пищеварения в желудочно-кишечном тракте человека. Характер этих превращений зависит от состава ПВ, содержания в них полимеров, их строения, взаимосвязи и плотности межмолекулярной упаковки, соотношения аморфных и кристаллических участков волокон [6].
Результаты оценки сорбционной способности ПВ, выделенных из различных видов растительного сырья, показывают, что найдена новая группа энтеросорбентов, обладающих как ионитной, так и молекулярной сорбцией. Они способны связывать ионы свинца, кадмия и других тяжелых металлов, нитраты, нитриты, аммиак, радионуклиды (стронций, цезий) и целый ряд органических веществ, в том числе фенолы, формальдегид, карбамид и другие.
Если препараты полифепан, билигнин, активированный уголь рекомендуется использовать только периодически, то ПВ возможно добавлять в пищу систематически. Помимо сорбции экологически вредных веществ (ЭВВ), пищевые волокна оказывают и общее положительное действие на работу желудочно-кишечного тракта, снижают поступление в организм холестерина, используются при [6]. Концентраты ПВ, выделенные из различных видов растительного сырья, обладают разной способностью связывать ЭВВ. Очевидно, ПВ оболочек гороха, жома сахарной свеклы, жмыха семян винограда и люцерны значительно превосходят по сорбции свинца такие известные энтеросорбенты, как билигнин, полифепан, карболен. В меньшей мере они связывают нитраты, нитриты и в значительной — формальдегид, карбамид и другие вещества.
Основным сорбирующим началом в ПВ является лигнин. Эффективен комплекс целлюлозы с гемицеллюлозами. Целлюлоза обладает хорошей сорбционной способностью по отношению к нитратам, карбамиду, меньшей — к другим ЭВВ [6].
В настоящее время в биологии и медицине активно развивается учение о микроэлементозах. Медики уже давно обратили внимание на то, что многие болезни связаны с недостаточностью поступления и содержания в организме определенных макро- и микроэлементов. Микроэлементы — это группа химических элементов, которые содержатся в организме человека в очень малых количествах.
Микроэлементы являются важнейшими катализаторами различных биохимических процессов, обмена веществ, играют значительную роль в адаптации организма. Из 92 встречающихся в природе элементов 81 обнаружен в организме человека.
Одним из жизненно необходимых элементов является кобальт. Кобальт относится к числу биологически активных элементов и всегда содержится в организме человека и животных. Он оказывает существенное влияние на процессы кроветворения. Входя в состав водорастворимого витамина В12 (цианкобаламин), кобальт весьма активно влияет на поступление азотистых веществ, увеличения содержания хлорофилла и аскорбиновый кислоты. Кобальт активирует ряд ферментов, усиливает биосинтез белков и нуклеиновых кислот. Кобальт влияет на синтез мышечных белков, на миелинизацию нервных волокон. Недостаточное поступление солей кобальта в организм приводит к неполному усвоению кальция и фосфора. Он способствует включению иона железа в молекулу гемоглобина.
В отличие от некоторых других микроэлементов кобальт не может накапливаться в организме, и поэтому он постоянно должен поступать с пищей. Компенсировать недостаток кобальта можно с помощью некоторых пищевых продуктов, например винограда. Содержание кобальта в различных пищевых продуктах незначительно. Однако обычно смешанные пищевые рационы вполне удовлетворяют организм в кобальте. Кобальт содержится в незначительных количествах в мясе, рыбе, яйцах, молочных продуктах, картофеле, воде. Более богаты кобальтом печень, почки, а также свекла, горох, земляника, клубника. Суточная потребность организма человека 0,1 – 0,2 мг.
Медики убедительно показывают, что макро- и микроэлементы, поступающие с пищей, не компенсируют их дефицит в организме, и для обеспечения восполнения требуются специальные препараты — биологически активные добавки.
Методическая часть
2.1.Характеристика реагентов используемых для получения
сорбентов
Казеин — белок молока, фосфопротеин. В чистом виде представляет собой белый аморфный гигроскопичный порошок без запаха и вкуса, нерастворимый в воде, спирте и эфире, но растворимый в некоторых органических солях.
Из материалов органической природы нами использовался неионогенный гидрофильный полисахарид — микрокристаллическая целлюлоза производства Lachema (Chemapol, Praha-Сechoslovakia), (C6H10O5)n,  с молекулярным весом (162,14)n.
Выбор микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) в качестве носителя обусловлен, прежде всего, ее доступностью и наличием реакционно-способных групп, легко вступающих в химические реакции. МКЦ — продукт модификации природной целлюлозы, получаемый путем гидролитической деструкции.
МКЦ нерастворима в воде, но растворима в аммиачных растворах солей меди, отличается высокой гидрофильностью и хорошими сорбционными свойствами. МКЦ — легкосыпучий порошок белого цвета, по своим свойствам близка к природной целлюлозе, абсолютно безвредна и нетоксична.
2.2.  Получение казеина.
    50 г сухого молока растирают в 450 мл воды, где уже растворено 3 г лимонной кислоты. Раствор взбивают, затем центрифугируют. Так повторяют несколько раз (отмывка). Полученный осадок высушивают в сушильном шкафу.
2.3. Метод определения удельной адсорбции энтеросорбента по иону кобальта (II).
Адсорбционную емкость энтеросорбентов относительно ионов  Co2+ определяли по количеству сорбированных  ионов металла  из стандартных растворов хлорида кобальта [2].
Для количественного определения ионов кобальта в растворе строили градуировочный график. Для этого в  пробирки объемом по 10 см3 вносили по 0,005 см3 стандартных водных растворов хлорида кобальта, содержащих 2, 4, 6, и 8 см3 в 1 мл раствора;  0,3 г сухого роданида аммония, 2 см3 воды и доводили объем смеси до 5 см3 пропиловым спиртом.  После перемешивания измеряли оптическую плотность относительно контроля в качестве, которого выступал раствор, не содержащий ионов кобальта, на ФЭК-М при длине волны 590 нм.
Удельную адсорбцию Co2+  из раствора на поверхность энтеросорбента определяли следующим образом: в колбы на 100 см3 помещали по две части сухого энтеросорбента и добавляли десятикратный раствор хлорида кобальта известной концентрации (0,2 М; 0,4 М; 0,6 М). Количество несвязавшихся с энтеросорбентом ионов Co2+ определяли спектрофотометрическим методом, описанным выше.
Удельную адсорбцию энтеросорбентов рассчитывали по формуле: <shape id="_x0000_i1025" type="#_x0000_t75" o:ole=""><imagedata src=«1.files/image004.wmz» o:><img width=«217» height=«61» src=«dopb61707.zip» v:shapes="_x0000_i1025">,        где
где Снач и Сравн – исходная и равновесная концентрации иона кобальта, моль/л;
V- обьем раствора CoCl2, см3;
m- масса навески энтеросорбента, г.
2.4. Метод определения удельной адсорбции энтеросорбента по иону железа (III).
     Адсорбционную емкость энтеросорбентов относительно ионов Fe определяли по количеству сорбированных ионов металла из стандартных растворов хлорида железа.
     Для количественного определения ионов железа в растворе проводили титрование. Для этого отбирали пипеткой 5 мл раствора хлорида железа и переносили в колбу для титрования емкостью 100 мл. Осторожно нейтрализовали раствор, прибавляя по каплям при энергичном перемешивании 25%-ный раствор аммиака до появления слабой мути, которую растворяли в 1-2 каплях 6 М соляной кислоты. Затем прибавляли к раствору 2 мл  4 М раствора соляной кислоты, растворяли дистиллированной водой до объема 25 мл, нагревали, добавили 2 капли раствора сульфосалициловой кислоты и титровали раствором ЭДТА до перехода красно-фиолетовой окраски сульфосалицилата железа в светло-желтую ( или бесцветную) характерную для комплексоната железа.
     Удельную адсорбцию рассчитывали по формуле:
<shape id="_x0000_i1026" type="#_x0000_t75" o:ole=""><imagedata src=«1.files/image004.wmz» o:><img width=«217» height=«61» src=«dopb61707.zip» v:shapes="_x0000_i1026">,        где
     где Снач и Сравн — исходная и равновесные концетрации иона железа, моль/л;
     V- обьем раствора хлорида железа, см3;
     m- масса навески энтеросорбента, г.
    
2.5. Метод определения удельной адсорбции энтеросорбента по иону магния (II).
 S=       Адсорбционную емкость энтеросорбентов относительно ионов Mg  определяли по количеству сорбированных ионов металла из стандартных растворов сульфата магния.
      Для количественного определения ионов магния в растворе проводили титрование. Для этого отбирали пипеткой 5 мл раствора сульфата магния, переносили в колбу для титрования емкостью 100 мл, прибавляли 2 мл аммиачного буферного раствора и равное количество  дистиллированной воды. Прибавляли на кончике шпателя  20-30 мг эриохромого черного Т, перемешивали до полного растворения индикатора. Титровали полученный раствор раствором ЭДТА до изменения окраски раствора из винно-красной в синюю.
     Рассчитывали удельную адсорбцию по формуле:
<shape id="_x0000_i1027" type="#_x0000_t75" o:ole=""><imagedata src=«1.files/image004.wmz» o:><img width=«217» height=«61» src=«dopb61707.zip» v:shapes="_x0000_i1027">,        где
     где  Снач и Сравн — исходная и равновесная концентрации иона магния, моль/л;
     V- объем раствора сульфата магния, см3;
      m- масса навески энтеросорбента, г.
Экспериментальная часть
3.1. Синтез энтеросорбентов
На начальном этапе целью исследования явилось получение сорбционных материалов и использование их в качестве  энтеросорбентов в  медицинских целях.
Получение энтеросорбентов предполагает правильный выбор носителя для иммобилизации. При этом важно учитывать наличие таких положительных свойств твердых матриц как: развитая удельная поверхность, термостабильность, механическая устойчивость, малое изменение объема гранул при изменении рН или ионной силы, наличие функциональных групп, пригодных для селективной химической модификации и устойчивость к воздействию микроорганизмов.
В настоящее время предлагается огромный выбор биокатализаторов, которые могут быть использованы в биотехнологии и медицине в качестве энтеросорбентов, а также для селективного извлечения катионов и анионов из водных (или жидких) сред [13].
На данном этапе исследований перед нами стояла задача получения базового полифункционального сорбента, обладающего высокой сорбционной емкостью и специфичностью, который удовлетворял бы всем вышеперечисленным требованиям, предъявляемым к сорбционным материалам.
    продолжение
--PAGE_BREAK--