Сорбционные свойства новых материалов на основе яблочного пектина, модифицированного салициловой, антраниловой, 5-аминосалициловой, никотиновой кислотами по отношению к ионам переходных металлов (Cu2+, Co2+, Mn2+) и йоду тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Сагитова Алина Фаиловна

• Сагитова Алина Фаиловна
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Сагитова Алина Фаиловна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР «Сорбционная активность пектиновых полисахаридов и их биологические свойства»

1.1. Общая характеристика пектинов

1.2. Физиологическая активность пектинов

1.3. Биологическая роль ионов металлов

1.4. Использование пектиновых материалов для извлечения ионов металлов из водных растворов

1.4.1. Равновесие процесса сорбции ионов металлов пектиновыми биосорбентами

1.4.2. Кинетика процесса сорбции ионов металлов пектиновыми биосорбентами

1.4.3. Влияние различных факторов на кинетику и термодинамику распределения ионов металлов в гетерофазной системе «пектиновый биосорбент - водный раствор соли металла»

1.5. Модификация пектинов как перспективный способ получения новых биосорбентов

1.6. Йодсодержащие материалы на основе полисахаридов

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Характеристики исходных веществ и реагентов

2.2. Методики эксперимента

2.2.1. Определение степени этерификации яблочного пектина

2.2.2. Получение фармакофорсодержащих пектинов

2.2.3. Определение состава и константы устойчивости фармакофорсодержащих пектинов

2.2.4. Спектры ИК-, УФ-, 13С ЯМР, световая микроскопия

2.2.5. Определение элементного состава

2.2.6. Определение удельного угла вращения

2.2.7. Определение размеров частиц

2.2.8. Определение характеристической вязкости

2.2.9. Определение содержания свободных карбоксильных групп

2.2.10. Определение влажности

2.2.11. Определение суммарной пористости по ацетону

2.2.12. Определение удельной поверхности по адсорбции метиленового синего

2.2.13. Определение константы диссоциации

2.2.14. Определение сорбционной емкости фармакофорсодержащих пектинов

2.2.15. Определение содержания ионов меди (II)

2.2.16. Определение содержания ионов кобальта (II)

2.2.17. Определение содержания ионов марганца (II)

2.2.18. Атомно-абсорбционный метод определения концентрации ионов металлов (II)

2.2.19. Получение йодсодержащих порошков на основе фармакофорсодержащих пектинов

2.2.20. Биологическая активность

2.2.21. Статистическая обработка результатов

ГЛАВА 3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. Получение и характеристика фармакофорсодержащих пектинов

3.1.1. Модификация пектина салициловой кислотой

3.1.2. Модификация пектина антраниловой кислотой

3.1.3. Модификация пектина 5-аминосалициловой кислотой

3.1.4. Модификация пектина никотиновой кислотой

3.1.5. Влияние структуры компонентов системы пектин-фармакофор на константы устойчивости комплексов

3.2. Физико-химические характеристики фармакофорсодержащих пектинов

3.3. Сорбционные свойства пектинов, модифицированных биологически

активными ароматическими и гетероароматическими кислотами

3.3.1. Исследование равновесия сорбции ионов Си2+, Со2+ и Мп2+ фармакофорсодержащими пектинами

3.3.2. Исследование кинетики сорбции ионов ^2+, ^2+, Мп2+ фармакофорсодержащими пектинами

3.3.3. Установление влияния различных факторов на процесс распределения ионов Си2+, Со2+, Мп2+ в гетерофазной системе биосорбент-водный раствор

3.3.3.1. Изучение влияния кислотности среды на сорбционные свойства фармакофорсодержащих пектинов

3.3.3.2. Изучение влияния модуля раствор/сорбент на сорбционные свойства фармакофорсодержащих пектинов

3.3.3.3. Изучение влияния температуры на сорбционные свойства фармакофорсодержащих пектинов

3.3.3.4. Предполагаемый механизм связывания ионов Си2+, Со2+, Мп2+ фармакофорсодержащими пектинами

3.4. Допирование фармакофорсодержащих пектинов йодом

3.5. Антибактериальная активность йодсодержащих материалов на основе фармакофорсодержащих пектинов

ВЫВОДЫ:

Принятые сокращения

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

137

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сорбционные свойства новых материалов на основе яблочного пектина, модифицированного салициловой, антраниловой, 5-аминосалициловой, никотиновой кислотами по отношению к ионам переходных металлов (Cu2+, Co2+, Mn2+) и йоду»

Актуальность темы исследования.

В настоящее время при разработке новых сорбентов для извлечения ионов металлов из водных растворов большое внимание уделяется модифицированию различных материалов полисахаридной природы химическими, физическими и биохимическими методами. Данный подход позволяет при сохранении, а в ряде случаев, и увеличении сорбционной способности, создавать высокоэффективные сорбенты, обладающие комплексом полезных свойств - низкой токсичностью, высокой физиологической активностью, повышенными кинетическими характеристиками. Перспективно в этом плане использование полисахарида пектина (ПК), который является экологически чистым, нетоксичным, биологически инертным сорбентом и может быть получен из доступного, дешевого и возобновляемого природного сырья [1-3]. Сорбционные свойства модифицированных пектинов ранее рассматривались в литературе, однако несистематический характер исследований оставляет открытым вопрос о влиянии используемых агентов и условий синтеза на структуру и сорбционные свойства получаемых материалов [4-6]. В связи с этим актуальным является поиск новых и оптимизация существующих подходов для создания сорбционноактивных пектиновых материалов с заданным химическим составом, определяющим морфологические, структурные, физические, физиологические и токсикологические особенности биосорбентов.

Цель диссертационной работы: установление физико-химических закономерностей сорбции ионов переходных металлов (Cu2+, Co2+, Mn2+) и йода яблочным пектином, модифицированным биологически активными органическими кислотами (салициловой, антраниловой, 5-аминосалициловой и никотиновой) и взаимосвязи структуры биосорбентов с сорбционной активностью.

Задачи исследования:

1. Изучение комплексообразования яблочного пектина с биологически активными органическими кислотами (салициловой, антраниловой, 5-аминосалициловой, никотиновой).

2. Идентификация фармакофорсодержащих пектинов физико-химическими методами исследования и определение их основных структурных и адсорбционных характеристик.

3. Определение оптимальных условий сорбции ионов переходных металлов (Си2+, Со2+, Мп2+) исследуемыми сорбентами.

4. Получение изотерм сорбции ионов Си2+, Со2+, Мп2+ фармакофорсодержащими пектинами и их анализ на соответствие известным теоретическим моделям.

5. Выявление вклада диффузионной составляющей в общий механизм процесса сорбции.

6. Выявление влияния структуры модифицирующего пектин агента на его сорбционную активность по отношению к йоду.

Научная новизна

Получены новые сорбционные материалы на основе пектина, модифицированного биологически активными органическими кислотами (салициловой, антраниловой, 5-аминосалициловой, никотиновой). С помощью комплекса методов (ИК-, УФ-, 13С ЯМР-спектроскопия, элементный, термогравиметрический анализ, поляриметрия, вискозиметрия, титриметрия, электронная микроскопия) определены их структурно-адсорбционные характеристики.

Впервые проведено систематическое исследование сорбции ионов переходных металлов (Си2+, Со2+, Мп2+) фармакофорсодержащими пектинами (ФП). Выявлена зависимость эффективности сорбции от структуры модифицирующего пектин фармакофора и природы иона металла. Показано, что ФП обладают более высокими сорбционными характеристиками в отношении исследованных металлов по сравнению с нативным пектином.

Получены кинетические кривые сорбции ионов Си2+, Со2+, Мп2+ фармакофорсодержащими пектинами. Установлено преобладание внешнедиффузионного характера лимитирующей стадии процесса извлечения ионов переходных металлов фармакофорсодержащими пектинами.

Впервые получены изотермы сорбции ионов Си2+, Со2+, Мп2+ фармакофорсодержащими пектинами, проведена их математическая обработка на соответствие известным теоретическим моделям - Ленгмюра и Фрейндлиха. Установлено, что сорбция ионов переходных металлов на исследуемых сорбентах описывается наилучшим образом эмпирическим уравнением Ленгмюра.

Подобраны оптимальные условия сорбции ионов Си2+, Со2+, Мп2+ исследуемыми сорбентами. Определен интервал рН 4.0-7.0, отвечающий максимальной сорбции ионов переходных металлов фармакофорсодержащими пектинами. Обнаружено, что увеличение модуля раствор/сорбент приводит к уменьшению степени извлечения ионов переходных металлов фармакофорсодержащими пектинами. Показано, что проведение процесса при температурах выше 333 К нежелательно, поскольку это может приводить к разрушению структуры пектинового сорбента.

Разработаны условия получения новых высокоэффективных устойчивых йодсодержащих пектиновых материалов. Показано влияние структуры модифицирующего полисахарид фармакофора на свойства йодсодержащих материалов: содержание йода в комплексе, время высвобождения йода из модифицированных полимерных матриц, характеристическую вязкость, поверхностные характеристики. Формирование нового комплекса свойств при получении комплексных структур обеспечивает повышение биологической активности йодсодержащих пектиновых материалов.

Практическая значимость работы. Предложен удобный метод получения новых эффективных биоразлагаемых, экологически чистых сорбентов на основе возобновляемого сырья - яблочного пектина. Новые высокоактивные биосорбенты, полученные путем модифицирования пектина, обладают высокой сорбционной емкостью и могут быть рекомендованы в качестве энтеросорбентов

для детоксикации организма человека. Показана высокая антибактериальная активность йодсодержащих пектиновых материалов. Установлено, что фармакофорсодержащие пектины усиливают физиологическое действие йода.

Положения, выносимые на защиту:

1. Подход к получению сорбентов на основе природного полимера -пектина, модифицированного органическими фармакофорами и данные об их структурно-адсорбционных характеристиках;

2. Кинетические и термодинамические характеристики процесса сорбции ионов переходных металлов (Си2+, Со2+, Мп2+) фармакофорсодержащими пектинами;

3. Описание изотерм и возможного механизма сорбции ионов Си2+, Со2+, Мп2+ фармакофорсодержащими пектинами на основании анализа по известным теоретическим моделям;

4. Данные об оптимальных условиях (рН, температура, модуль раствор/сорбент) сорбции ионов Си2+, Со2+, Мп2+ из их индивидуальных растворов фармакофорсодержащими пектинами.

Степень достоверности и апробация работы

Достоверность результатов исследования подтверждается многочисленными экспериментальными данными, полученными с использованием современных физико-химических методов анализа.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на: IV Всероссийской научно-практической конференции «Химия в сельском хозяйстве» (Уфа, 2015); III, IV Всероссийской научно-практической конференции «Новые материалы, химические технологии и реагенты для промышленности, медицины и сельского хозяйства на основе нефтехимического и возобновляемого сырья» (Уфа, 2015, 2017); II Всероссийской молодежной конференции «Достижения молодых ученых: химические науки» (Уфа, 2016); II, III, IV Всероссийской молодежной конференции-школы с международным участием «Достижения химии в агропромышленном комплексе» (Уфа, 2016, 2017, 2018); II Всероссийской научно-практической молодежной конференции с

международным участием «Современные технологии композиционных материалов» (Уфа, 2016); VII Всероссийской научной конференции, посвященной 90-летию К.С. Минскера «Теоретические и экспериментальные исследования процессов синтеза, модификации и переработки полимеров» (Уфа, 2019).

Публикации. Соискателем опубликовано 47 научных работ, из них по теме диссертационной работы: 11 статей в рецензируемых научных изданиях, в том числе индексируемых в международных базах цитирования Web of Science и Scopus, а также 36 тезисов и докладов на конференциях различного уровня.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы, который содержит 158 источников, приложения. Полный объем работы составляет 141 страницу, включая 64 рисунка и 33 таблицы.

Автор выражает искреннюю признательность и глубокую благодарность кандидату химических наук, старшему научному сотруднику лаборатории стереорегулярных полимеров ФГБНУ УфИЦ РАН Мударисовой Розе Ханифовне - за консультации, неоценимую поддержку и помощь на всех этапах диссертационного исследования.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР «Сорбционная активность пектиновых полисахаридов и их биологические свойства» 1.1. Общая характеристика пектинов

Пектин представляет собой полисахарид, состоящий из различных субструктурных элементов, которые различаются в зависимости от используемого сырья, технологии получения и других факторов. Линейная основа ПК называется гомогалактуронаном и строится последовательностями 1^4-связанных остатков а-О-галактуроновой кислоты [7-10]. Эти строительные блоки полигалактуроновой кислоты могут быть этерифицированы и представлены в виде метиловых эфиров или состоять из свободных карбоксильных групп (рис. 1.1), также могут быть частично или полностью нейтрализованы катионами натрия, калия, кальция или аммония.

Рис. 1.1. Фрагмент макромолекулы пектина

Различают высокоэтерифицированные и низкоэтерифицированные ПК. Высокоэтерифицированным ПК считается в том случае, когда степень этерификации метиловым спиртом > 50%. Чем больше метоксилированных групп в полимерной цепочке ПК, тем выше степень этерификации, и наоборот [11, 12]. Степень этерифицирования зависит от вида исходного сырья, а также от условий экстракции и может быть уменьшена до желаемой путем омыления в условиях низкого рН и достаточно мягких температур. Низкоэтерифицированные ПК представляют собой специфический тип ПК, где часть групп метилового эфира может превращаться в амидные группы (рис. 1.2).

О / (-) о /о

соон СООСНз

а о

о

Рис. 1.2. Структурные блоки макромолекулы пектина: а - галактуроновая кислота, б -метоксилированный галактуронан, в - амидированный галактуронан, г - ацетилированный галактуронан.

Гомогалактуронановая основа ПК периодически прерывается остатками а-Ь-рамнозы, которые присутствуют в следующей последовательности: (1^2)-а-0-галактуроновая кислота - а-Ь-рамноза - (1^-4)-а-0-галактуроновая кислота. Гомогалактуронан представляет собой жесткую, стержневидную молекулу, конформация которой определяется углами вращения гликозидных связей. Эти углы генерируют простую спираль, которая не будет существовать в растворе, где взаимодействия с растворителем заставят гомогалактуронан изменить конформацию.

ПК являются полисахаридами, входящими в состав клеточных стенок и межклеточного вещества высших растений [13-17]. Клеточные стенки определяют размер и форму клеток и, следовательно, целостность и жесткость растительных тканей. Кроме того, ПК играют важную роль в транспорте ионов и удержании воды, они определяют размер пор клеточных стенок и участвуют в защитных механизмах против инфекций растительными патогенами, ранений и стресса. Специфические функции ПК в отдельных частях клеточных стенок или растительных тканей сильно зависят от количества и природы присутствующих пектиновых молекул. ПК обычно образуются на начальных стадиях роста первичной клеточной стенки и составляют около 1/3 сухого вещества клеточной стенки некоторых однодольных и двудольных растений (около 35% первичных

клеточных стенок у двудольных и злаковых однодольных, до 5% стенок древесных тканей и 2-10% травянистых и других первичных стенок). Максимальное количество ПК содержится в плодах и корнеплодах. На структуру ПК дополнительно влияют ферментативные и химические реакции модификации в процессе роста растений, при созревании и хранении плодов и в результате переработки фруктов и овощей. Поэтому структура пектиновых макромолекул зависит от многих параметров и подвержена значительным изменениям. Сырье, используемое для извлечения ПК в промышленных масштабах, обычно является побочными продуктами пищевой промышленности, такими как кожура цитрусовых и яблочная выжимка. Коммерческие пектиновые препараты обычно содержат более 70% галактуроновой кислоты, поскольку при экстракции специально удаляют большую часть нейтральных боковых цепей, присутствующих в нативном ПК.

Производство ПК включает в себя несколько основных этапов: экстракция из растительного материала, очистка жидкого экстракта, выделение ПК из раствора путем осаждения и, необязательно, дальнейшая деэтерификация и/или амидирование высокомолекулярного ПК. Экстракция ПК производится горячей подкисленной водой. Количество и качество ПК из конкретного сырья зависит от правильного выбора и контроля условий экстракции. Для обеспечения высокой чистоты конечных продуктов экстракт подвергается фильтрации. Осаждение ПК из жидкого экстракта обычно осуществляется спиртом из концентрированного раствора пектина (1-4%). ПК с низким содержанием метилового эфира получают путем контролируемой деэтерификации высокоэтерифицированного ПК в кислотных или щелочных условиях. Если аммиак используется для деэтерификации ПК, в молекулу вводят амидные группы и получают низкометоксилированный ПК [18-23].

Одно из важнейших свойств ПК - его сорбирующая способность по отношению к ионам поливалентных металлов [24-32] за счет содержания в макромолекуле ПК карбоксильных и гидроксильных групп, способствующих образованию прочных комплексных соединений с ионами двухвалентных

металлов [33]. Знание природы пектинового материала, содержания функциональных групп и их характеристик позволяет оценивать хемосорбционные возможности ПК по отношению к ионам различных металлов в ионообменных процессах.

1.2. Физиологическая активность пектинов

ПК хорошо известен своими оздоровительными свойствами. ПК могут быть использованы в качестве пробиотиков и предотвращать адгезию патогенных бактерий, также для лечения определенных аллергических реакций путем подавления аллергенов и/или повышения активности других средств борьбы с аллергией в организме. Также ПК или фракции, полученные из ПК, хорошо известны различными биологически активными свойствами, способствующими укреплению здоровья, включая снижение уровня холестерина, глюкозы и инсулина в крови, а также иммуностимуляцию и противоязвенную активность.

Биологическая активность ПК является предметом пристального внимания исследователей, и эти результаты обобщены в ряде обзорных работ [14, 34-36]. ПК обладают широким спектром биологической активности и оказывают иммуномодулирующее [37], гастропротекторное [38], антиканцерогенное [39, 40] действие на организм человека.

Перспективно использование ПК в качестве полимерной матрицы-носителя биологически активных агентов или лекарственных препаратов [41-43]. Полученные комплексы обладают высокой противомикробной, противовоспалительной и туберкулостатической активностью. Также ПК используется в качестве носителя лекарственного препарата при лечении заболеваний желудочно-кишечного тракта. Наиболее эффективным для этих целей является кросс-связанный ПК, менее растворимый и менее подверженный деградации в организме, а также кальций-пектинатный гель, характеризующийся высокой пористостью и хорошей плотностью [44-45]. Подкисление среды гелеобразования увеличивает размеры пор, что обеспечивает быстрое высвобождение фармакофора в требуемом месте [46].

Отдельной и очень важной частью возможности использования ПК в медицинской практике является склонность их к образованию комплексов с катионами металлов. Известно, что комплексообразование приводит к повышению терапевтической активности лигандов, снижению их токсичности, придает специфическое синергетическое терапевтическое действие [47].

ПК может быть использован в виде раствора, геля или пленки, в сиропах, суспензиях, пастилках, таблетках и капсулах. Основное, давно устоявшееся применение ПК - в раневых повязках. Как правило, ПК используется вместе с другими водорастворимыми полимерами, такими как карбоксиметилцеллюлоза и желатин. Порошки смешивают с адгезивным полимером, таким как полиизобутилен, и получают толстую пленку, которая контактирует с кожей.

1.3. Биологическая роль ионов металлов

Ионы металлов играют одну из важных ролей в процессах, протекающих в организме. В основном, для нормального функционирования организма, необходимы некоторые ионы переходных металлов, и большинство из них - в очень малых количествах. Для человека жизненно необходимыми являются ионы десяти металлов: №, К, М^, Са, Мо, Мп, Бе, Со, Си, [48]. Связи, образуемые катионами этих металлов, имеют преимущественно координационный характер. В норме вследствие гомеостаза концентрация каждого из ионов этих металлов в организме поддерживается на уровне, оптимальном для выполнения ими своих функций. В организме человека метаболические процессы наиболее интенсивно протекают в крови, так что ее состав все время меняется и обновляется по мере образования или разрушения компонентов крови [48]. Физиологическая роль ионов металлов представлена в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Физиологическое действие катионов металлов

Ионы металлов Действие ионов металлов

Na+, К+ Функции Na+ и К+ довольно разнообразны: они участвуют в поддержании осмотического давления, передаче нервных импульсов и в выведении из организма нежелательных анионов (в качестве противоионов) [49]. Почти все соли натрия и калия с анионами, встречающимися in vivo, достаточно хорошо растворимы, так что в живых организмах не образуется осадков этих соединений. Исключение составляет натриевая соль мочевой кислоты, осаждение которой приводит к подагре.

Са2+, Mg2+ Магний и кальций благотворно влияют на рост и прочность костей, нормализуют сердечный ритм, снижают артериальное давление, регулируют уровень сахара в крови. Ионы Са2+ преимущественно входят в состав межклеточных жидкостей, тогда как ионы Mg2+ содержатся, главным образом, внутри клеток.

Fe2+, Fe3+ В организме человека содержание железа во много раз больше, чем других переходных металлов, вместе взятых. В зависимости от природы связанного с ним лиганда оно находится в виде Fe2+ (например, в миоглобине и гемоглобине) и Fe3+ (например, в каталазах и оксидазах) или поочередно переходит из одного состояния в другое (например, в цитохромах) [49].

Cu+, Cu2+ Медь in vivo встречается в валентных состояниях I и II. Медь участвует в синтезе многих жизненно важных белков и ферментов, оказывая тем самым значительное влияние на развитие клеточных тканей всего организма. Медь, обладая противовоспалительным и регенерирующим действием, рассматривается как средство профилактики язвенной болезни [49].

Со2+ Кобальт регулирует деятельность поджелудочной железы, концентрацию адреналина в крови, скорость образования нуклеиновых кислот, обмен аминокислот, процессы регенерации и заживления ран, кроветворение. Также принимает участие в процессе образования гормонов щитовидной железы, снижает интенсивность обмена йода, увеличивает выведение жидкости почками. Кобальт, помимо своего непосредственного участия в процессах кроветворения, повышает усвоение железа. Еще одной важнейшей способностью кобальта является его умение восстанавливать активность веществ - антиоксидантов, которые утилизируют свободные радикалы. [50].

Mn2+ Марганец оказывает значительное влияние на рост и развитие человека (прежде всего, на развитие костей, хрящей, сосудов и т.д.), на нормальное функционирование половых желез, процессы кроветворения. Марганец участвует в обмене медиаторов -адреналина, норадреналина, ацетилхолина нервной системы, антиоксидантных процессах, стабилизирует структуру клеточной мембраны. Марганец является незаменимым микроэлементом в обмене гормонов щитовидной железы, в метаболизме липидов и углеводов [49].

Zn2+ Цинк in vivo всегда находится в двухвалентном состоянии в молекулах ферментов, например, карбоксипептидазе А [50]. Цинк участвует в метаболизме жирных кислот, витамина А, в синтезе нуклеиновых кислот, аминокислот, белков и некоторых гормонов. Также обеспечивает нормальное функционирование мозга, улучшает память и умственную работоспособность.

Mo2+ Молибден в организме участвует в окислительно-восстановительных реакциях, присутствуя, по крайней мере, в двух валентных состояниях (V и VI), а может быть также и в

других (III и IV). Из ферментов, в состав которых входит молибден, наиболее известны [50] ксантин- и пуриноксидазы. Следует отметить, что молибден является самым тяжелым из элементов, необходимых организму [50].

Исходя из вышеперечисленных характеристик микроэлементов целенаправленно можно получать эффективные и безопасные лекарственные препараты пектина с необходимой концентрацией катионов биогенных металлов с синергетическим терапевтическим эффектом [47, 48].

В современном мире организм человека находится под угрозой отравления многими ионами металлов. Избыток или недостаток в организме необходимых микроэлементов, попадание соединений тяжелых металлов (например, Pb, Cd, Hg и др.), вмешательство токсичных веществ и вирусов в конкуренцию лигандов за металл in vivo приводит к нарушению нормальных процессов в организме и тем самым способствует протеканию патологических процессов [49, 51]. Можно предположить, что нормальные и пораженные клетки будут по-разному проявлять себя в процессах комплексообразования и это удастся использовать для подавления роста болезнетворных клеток.

Как правило, опасность представляет отравление организма человека именно теми металлами, которых он в норме не содержит, или содержит мало, потому, что введение даже небольших количеств их соединений приводит к относительно значительному изменению концентраций этих металлов. К сожалению, окружающая среда сейчас настолько загрязнена, что в организм человека многие металлы попадают в концентрациях, превышающих необходимые для метаболизма количества. Токсикозы, вызываемые рядом металлов, и симптомы отравлений перечислены в таблице 1.2 [50].

Таблица 1.2. Токсическое действие катионов металлов

Ионы металлов Действие ионов металлов

№+, К+, Са2+ Повышают осмотическое давление. Легко усваиваются кишечником. Избыток №+ вызывает головную боль, ощущение жжения, сокращение мышц лица и груди. Избыток К+ вызывает аномалии в нервной и мышечной тканях, приводит к ослаблению сердечной деятельности и даже к смертельному исходу.

Ве2+ Поражает кожу и легкие. Летальная доза 1 мг/кг.

Ыв2+ В крови нормальная концентрация 1.5 мкмоль; токсическая концентрация 4.0 мкмоль.

А13+ В крови нормальная концентрация 18 мкмоль; токсическая концентрация 90 мкмоль.

Бе2+, Бе3+, Со2+ Избыток ионов подавляет активность SH-групп в ферментах, вызывает увеличение числа эритроцитов.

Си2+, 7п2+ Ионы депонируются преимущественно в печени. Избыток ионов вызывает рвоту и раздражение стенок пищеварительного тракта.

Ив2+, Сё2+, РЬ2+, В13+, БЬ3+ Взаимодействуют с SH-группами ферментов. Растворимые соли легко проникают через стенки кишечника и очень токсичны.

Природа снабдила организм человека некоторыми средствами защиты от отравления катионами металлов. Во-первых, ионы металлов, за исключением №+, К+ и Са2+, лишь с трудом попадают в организм через пищеварительный тракт; поэтому их введение с пищей не обязательно приводит к отравлению. Во-вторых, почки медленно освобождают кровь от металлов, не являющихся необходимыми для жизнедеятельности. Вредным оказывается, как правило, избыток даже тех

металлов, которые участвуют в метаболическом процессе. В-третьих, использование разнообразных антидотов для выведения из организма токсичных металлов. Таким образом, перспективным направлением в химии углеводов является практическое использование пектиновых материалов в качестве средств детоксикации организма от ионов тяжелых металлов, которые в то же время в определенной концентрации являются и жизненно необходимыми (железо, цинк, медь, марганец, кобальт, молибден).

1.4. Использование пектиновых материалов для извлечения ионов металлов из водных растворов

Исследование сорбционной способности пектиновых материалов по отношению к катионам различных металлов и установление возможного механизма сорбционного процесса требует дополнительной информации о физико-химических свойствах сорбентов, водной фазы, а также данных о влиянии различных факторов на сорбционное равновесие, таких как природа сорбента и сорбата, температура, кислотность среды и др.

В настоящее время выполнено большое количество работ по изучению сорбционных свойств ПК по отношению к катионам металлов. Показано, что сорбционная емкость и селективность ПК зависят от источника его выделения. В таблице 1.3 представлены показатели сорбционной емкости, функциональные группы, участвующие в процессе сорбции, а также возможные механизмы взаимодействия пектинсодержащих сорбентов с различными ионами металлов.

Таблица 1.3. Сорбционные характеристики пектинов, выделенных из различных источников и их модифицированных образцов

Биосорбент Ион металла Сорбционная емкость Функциональные группы, участвующие во взаимодействии Механизм сорбции Источник

Цитрусовый ПК Pb2+ 0.85 ммоль/г Свободные карбоксильные группы Ионный обмен [52]

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сагитова Алина Фаиловна, 2021 год

ПК - -

ПК-СК 10.0 9.0

СК 8.0 7.0

ПК-НК 9.0 -

НК 6.0 -

ПК-5АСК 9.0 8.0

5АСК 7.0 6.0

Таким образом, модификация пектина биологически активными органическими кислотами различной природы привела к изменению структуры, удельной поверхности, пористости, молекулярно-массовых характеристик и кислотно-основных свойств пектиновых материалов, что может сказаться на их способности адсорбировать ионы металлов, а, следовательно, на сродстве к молекулам сорбатов.

Термические свойства фармакофорсодержащих пектинов

Термограммы ПК и ФП представлены на рис. 3.24. Установлено, что исходный пектин характеризуется низкой термической стабильностью: температура начала разложения Тн составляет 37 °С. На кривых ТГА пектина и ФП можно выделить 2 стадии, которые характеризуют разложение образцов в исследованной области температур.

25 75 125 175 225 275 325

т, =с

Рис. 3.24. Кривые ТГА фармакофорсодержащих пектинов.

На кривой ТГА пектина I стадия соответствует интервалу температур 37133 °С; наблюдается постепенное снижение массы образца с небольшой скоростью; потеря массы ПК на данной стадии Аш1 составляет 6.7%. II стадия соответствует интервалу температур 134-300 °С; наблюдается интенсивное разложение продукта, снижение массы образца Аш2 составляет 44.5%. Общее снижение массы ПК, соответствующее температуре 300 °С, составляет 51.2%. Максимальной скорости разложения ПК на второй стадии соответствует пик на кривой с Тшах = 238 °С. Разложение ПК в исследованном интервале температур не сопровождается заметным тепловым эффектом. В низкотемпературной области на первой стадии потери массы в интервале 37-134 °С вода является основным газообразным продуктом, на второй стадии происходит термическое разложение образца с выделением СО2 в качестве основного компонента.

Аналогичная картина наблюдается и для фармакофорсодержащих пектинов (табл. 3.8). Для ФП первой стадии процесса соответствует область температур от 32 до 134 °С, которая практически совпадает с аналогичной областью для исходного ПК. Снижение массы продукта Аш1 на этой стадии составляет от 3.0 до 7.8%. Такая низкая температура Тн, соответствующая началу снижения массы ПК и его комплексов с кислотами, связана, по-видимому, с удалением из этих продуктов воды. Вторая стадия соответствует разложению комплексов и термической деструкции компонентов, входящих в их состав. При температуре 300 °С наибольшее снижение массы (Аш300) наблюдается для комплексов ПК-СК

и ПК-НК (70-71%), тогда как для исходного пектина эта величина заметно меньше (51.2%), а для ПК-5АСК значение Am300 не превышает 40%.

Таблица 3.8. Термические свойства ПК/ФП

Образец Температурные интервалы разложения продуктов, °С Потеря массы, % T °С 1 max, С

1 2 Дm1 Дm2 Дmзoo 1 2

ПК 37-133 134-300 6.7 44.5 51.2 72 238

ПК-СК 32-134 135-300 3.2 67.0 70.2 65 201

ПК-АК 36-128 114-300 3.0 46.5 49.5 66 191

ПК-5АСК 33-130 131-300 7.8 31.7 39.5 58 239

ПК-НК 32-133 139-300 4.5 66.5 71.0 89 227

Таким образом, вода является основным компонентом газовой фазы на первой стадии потери массы исследуемых образцов, а на второй стадии происходит декарбоксилирование. Как исходный, так и модифицированный фармакофорами ПК относятся к полимерам с низкой термостабильностью, т.е. модификация ПК фармакологически активными кислотами слабо отражается на их термических свойствах.

3.3. Сорбционные свойства пектинов, модифицированных биологически активными ароматическими и гетероароматическими кислотами

Для исследования сорбционных свойств ФП по отношению к ионам Си2+, Со2+ и Mn2+ и установления возможного механизма сорбционного процесса изучено влияние на сорбционное равновесие различных факторов: природы полисахаридной матрицы и металла, рН среды, температуры раствора, модуля раствор/биополимер.

3.3.1. Исследование равновесия сорбции ионов Си2+, Со2+ и Мп2+ фармакофорсодержащими пектинами

При установлении состояния сорбционного равновесия в гетерофазной системе «твердый сорбент - водный раствор соли металла» существует определенное распределение молекул сорбата на границе раздела, а также в объеме твердой и жидкой фаз. Описание равновесия в сорбционных процессах позволяет в наиболее распространенных простых случаях определить основные функциональные зависимости концентрации сорбата (иона металла) в твердой фазе сорбента от концентрации этого компонента в жидкой фазе.

Для определения предельной сорбционной емкости сорбентов получены изотермы сорбции Си2+, Со2+ и Mn2+ из водных растворов их солей (рис. 3.253.27).

2+

Рис. 3.25. Изотермы сорбции ионов Си2 Рис. 3.26. Изотермы сорбции ионов Со фармакофорсодержащими пектинами из фармакофорсодержащими пектинами из

водного раствора сульфата меди (II).

водного раствора хлорида кобальта (II).

О 2 4 б 3 10 12

Ср, ммоль л

Рис. 3.27. Изотермы сорбции ионов Мп2+ фармакофорсодержащими пектинами из водного раствора хлорида марганца (II).

Обнаружено, что по форме изотермы сорбции ионов металлов (II) фармакофорсодержащими пектинами соответствуют изотермам Ленгмюра. Это свидетельствует в пользу того, что на поверхности сорбента образуется мономолекулярный сорбционный слой и все активные центры обладают равной энергией сорбции. Сорбция, в таком случае, является локализованной и происходит за счет водородных связей, которые обеспечивают когезионную прочность между сорбатом и сорбентом. Экспериментальные изотермы сорбции ионов Си2+, Со2+ и Мп2+ из водных растворов их солей обработаны в рамках двух уравнений адсорбции: Ленгмюра (1.1) и Фрейндлиха (1.3), наиболее часто используемых исследователями при описании полученных изотерм сорбции ионов различных металлов пектинсодержащими материалами [80].

Сродство между ионами металлов (II) и сорбентами оценено с использованием параметра уравнения Ленгмюра Ко по величине безразмерного коэффициента разделения Яь [149]:

Вх =-1--(3.1),

1 + Ко • С 0

где С0 - начальная концентрация ионов металла (II) в растворе (ммоль/л).

Сорбционный процесс в зависимости от коэффициента (табл. 3.9- 3.11) может быть оценен следующим образом: при Яь>1 условия для процесса сорбции неблагоприятны, при Яь=1 наблюдается линейная зависимость, при 0<Яь<1 условия для сорбции благоприятны и при Яь=0 можно предположить, что процесс сорбции будет протекать необратимо. Из табличных значений видно, что условия проведения сорбционного процесса для всех биосорбентов по отношению к исследуемым катионам металлов благоприятны. Константа сорбционного равновесия Ко в уравнении Ленгмюра характеризует химическое сродство сорбата к сорбенту. Чем сильнее это взаимодействие, тем больше константа сорбционного равновесия и тем сильнее выражено сродство. Сродство сорбата к сорбенту определяется их свойствами и, следовательно, степень влияния сорбента на величину сорбционной емкости определяется химической природой его поверхности и размером пор. Из полученных результатов видно, что

наибольшим сродством к катионам Си2+ , Со2+ и Мп2+ обладает сорбент ПК-СК, что закономерно для данной системы, обладающей самой большой удельной площадью поверхности.

Таблица 3.9. Параметры обработки изотерм сорбции ионов Си2+

фармакофорсодержащими пектинами по уравнению Ленгмюра

Сорбент 1/(АдаКо) Ада, ммоль/г Ко, л/ммоль Яь Я2

ПК 0.87 1.66 0.69 0.993 0.999

ПК-СК 0.70 1.91 0.75 0.992 0.998

ПК-АК 0.89 1.69 0.66 0.993 0.998

ПК-5АСК 0.86 1.71 0.68 0.993 0.999

ПК-НК 1.01 1.67 0.59 0.994 0.997

Таблица 3.10. Параметры обработки изотерм сорбции ионов Со2+ фармакофорсодержащими пектинами по уравнению Ленгмюра

Сорбент 1/(АдаКо) Ада, ммоль/г Ко, л/ммоль Яь Я2

ПК 1.19 1.59 0.53 0.995 0.998

ПК-СК 0.84 1.78 0.67 0.993 0.996

ПК-АК 0.86 1.73 0.65 0.993 0.996

ПК-5АСК 1.00 1.60 0.63 0.994 0.996

ПК-НК 0.95 1.74 0.61 0.994 0.990

Таблица 3.11. Параметры обработки изотерм сорбции ионов Мп2+

фармакофорсодержащими пектинами по уравнению Ленгмюра

Сорбент 1/(АдаКо) Ада, ммоль/г Ко, л/ммоль Яь Я2

ПК 1.40 1.49 0.38 0.995 0.994

ПК-СК 1.31 1.72 0.45 0.996 0.995

ПК-АК 1.44 1.70 0.41 0.996 0.997

ПК-5АСК 1.53 1.60 0.40 0.996 0.992

ПК-НК 1.26 1.49 0.43 0.995 0.993

Модель изотермы Фрейндлиха также достаточно широко используется для описания адсорбции растворенного вещества из раствора на гетерогенной поверхности и предполагает, что, в первую очередь, заполняются сорбционные центры с более сильной связывающей способностью (максимальной энергией) и что прочность сцепления уменьшается с увеличением степени заполнения поверхности сорбента. Для поиска подчиненности изучаемого процесса сорбции, находили эмпирические константы уравнения (1.3), проводили сравнительный анализ с величинами экспериментальной адсорбции (табл. 3.12-3.14).

Таблица 3.12. Параметры обработки изотерм сорбции ионов Cu2+ фармакофорсодержащими пектинами по уравнению Фрейндлиха

Сорбент ln К K, ммоль/г 1/n n R2

ПК -0.31 0.74 0.69 1.45 0.997

ПК-СК -0.13 0.88 0.55 1.81 0.953

ПК-АК -0.31 0.73 0.67 1.50 0.988

ПК-5АСК -0.28 0.75 0.65 1.54 0.989

ПК-НК -0.37 0.69 0.70 1.42 0.985

Таблица 3.13. Параметры обработки изотерм сорбции ионов Со2+ фармакофорсодержащими пектинами по уравнению Фрейндлиха

Сорбент ln К K, ммоль/г 1/n n R2

ПК -0.48 0.62 0.84 1.18 0.979

ПК-СК -0.25 0.78 0.61 1.64 0.978

ПК-АК -0.28 0.76 0.65 1.55 0.974

ПК-5АСК -0.39 0.68 0.77 1.31 0.985

ПК-НК -0.31 0.73 0.65 1.54 0.957

Таблица 3.14. Параметры обработки изотерм сорбции ионов Мп2+ фармакофорсодержащими пектинами по уравнению Фрейндлиха

Сорбент 1п К К, ммоль/г 1/п п Я2

ПК -0.60 0.55 0.98 1.02 0.969

ПК-СК -0.45 0.64 0.73 1.38 0.923

ПК-АК -0.49 0.62 0.76 1.31 0.893

ПК-5АСК -0.59 0.55 0.92 1.09 0.942

ПК-НК -0.54 0.58 0.90 1.11 0.984

В уравнении Фрейндлиха количественной мерой сродства сорбата к поверхности сорбента служит параметр К, который отражает относительную сорбционную способность сорбента. Эта константа для различных адсорбционных систем изменяется в широких пределах [150]. Показатель колеблется в пределах 0.1-1.0, чаще (0.2-0.7) и зависит от температуры и природы сорбата, характеризует степень отклонения изотермы сорбции от прямой линии [151]. Его значения подтверждают, что модификация ПК фармакофорами приводит к увеличению сродства ионов исследуемых металлов к поверхности ФП, и, что наибольшим сродством к ионам Си2+, Со2+ и Мп2+ обладает также система ПК-СК.

Константа п характеризует интенсивность сорбционного процесса и распределение активных центров. Если п<1, энергия связей возрастает, при п>1 энергия связи сорбент-сорбат уменьшается по мере заполнения поверхности, в случае п=1 все сорбционные центры эквивалентны. Из значений константы п можно сделать вывод о том, что модификация приводит к уменьшению энергии связи между ФП и катионом металла.

Таким образом, теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра дает хорошую сходимость с нашими экспериментальными результатами для сорбции на модифицированных материалах пектина, о чем говорят высокие коэффициенты корреляции, полученные при линеаризации экспериментальных изотерм по модели Ленгмюра по сравнению с моделью Фрейндлиха.

3.3.2. Исследование кинетики сорбции ионов Cu2+, Cо2+, Mn2+ фармакофорсодержащими пектинами

Изучение кинетики сорбции ионов Cu2+, Co2+ и Mn2+ из водных растворов их солей пектином и его модифицированными образцами показало, что время достижения равновесия в системе «фармакофорсодержащий пектин-водный раствор соли металла (II)» сокращается по сравнению с немодифицированным пектином в 6-1.3 раза (табл. 3.15), а степень извлечения ионов металлов (II) увеличивается на 0.1-12.5% в зависимости от природы ФП и иона металла (II) (рис. 3.28-3.30).

Рис. 3.28. Интегральные кинетические Рис. 3.29. Интегральные кинетические кривые

кривые

сорбции

ионов

Cu2+ сорбции ионов Со2+ фармакофорсодержащими

.2+

фармакофорсодержащими пектинами из пектинами из водного раствора хлорида

водного раствора сульфата меди (II).

кобальта (II).

Рис. 3.30. Интегральные кинетические кривые сорбции ионов Mn2+ фармакофорсодержащими пектинами из водного раствора хлорида марганца (II).

Видно, что в начальный период сорбции количество сорбирующегося на поверхности ФП катиона металла (II) увеличивается быстро, а затем, по мере приближения к равновесию, сорбционный процесс замедляется. Увеличение сорбционной емкости в начале процесса сорбции может указывать как на быстрый массоперенос катионов металлов (II) из раствора к активным центрам сорбентов [87], так и на быстрое химическое связывание катионов металлов (II) с активными центрами пектиновых сорбентов на их поверхности [148].

Таблица 3.15. Сорбционные характеристики фармакофорсодержащих пектинов по отношению к ионам Си2+, Со2+, Мп2+

Показатель Сорбент

ПК ПК-СК ПК-АК ПК-5АСК ПК-НК

a (Cu2+), % 83.0 95.5 84.4 85.7 83.6

Аэксп, ммоль/г 1.66 1.91 1.69 1.71 1.67

t, мин 60 10 45 15 45

а (Со2+), % 79.5 89.1 86.7 80.1 87.2

Аэксп, ммоль/г 1.59 1.78 1.73 1.60 1.74

t, мин 60 45 40 45 45

а (Mn2+), % 74.4 86.0 85.2 80.1 74.5

Аэксп, ммоль/г 1.49 1.72 1.70 1.60 1.49

t, мин 120 90 90 90 60

Различия в сорбционной способности ФП по отношению к катионам Си2+, Со2+ и Мп2+ можно объяснить появлением новых функциональных групп, ответственных за взаимодействие с катионами металлов (II), а также изменением структурно-адсорбционных характеристик ФП, что приводит к повышению доступности активных центров сорбентов. Из таблицы 3.15 видно, что равновесие в системах ФП-Мп2+ достигается медленнее, чем для системах ФП-Си2+ и ФП-Со2+.

В процессе обмена, происходящего между функциональными группами ФП с катионами металлов (II), можно выделить три последовательных стадии массопереноса ионов металлов (II) на поверхность ФП. Первая стадия характеризует диффузию катионов металлов (II) из объема водного раствора через внешний диффузионный слой (неподвижную водяную пленку, образующуюся при контакте сорбентов с водным раствором) к поверхности частиц ФП (внешнедиффузионный массоперенос). Вторая стадия относится к диффузии катионов металлов (II) в частицах ФП к активным центрам (внутридиффузионный массоперенос). Вытесняющий катион перемещается сквозь слой уже адсорбированных поверхностью сорбента катионов вглубь частиц ФП через систему пор и капилляров. Третья стадия - собственно ионообменный процесс.

Для определения лимитирующей стадии сорбции ионов Си2+, Со2+ и Мд2+ исследуемыми сорбентами, полученные кинетические кривые сорбции представляли в координатах уравнения Бойда-Адамсона, которое возможно применять для случая внешней и внутренней диффузии [152]:

Г = 1 - Л 2 Аехр( ~ В ' П '' ) = А (3.2),

п п=1 п г А.о

где Б - степень завершенности процесса сорбции; Л! - количество сорбированного катиона металла в момент времени ! (ммоль/г); Лда - количество сорбированного катиона металла в состоянии равновесия (ммоль/г); ! - время (мин); В - эффективный коэффициент диффузии вещества внутри зерна сорбента (см2/мин); п - число слагаемых - целые числа 1, 2, 3 и т.д.; г - средний радиус зерна сорбента (см); Вп/г2 - кинетический коэффициент.

Преобладание внешнедиффузионного механизма адсорбции характеризуется линейной зависимостью в координатах «- 1п (1-Б) = 1(1:)». На примере сорбции ионов Мп2+ фармакофорсодержащими пектинами на рисунке 3.31 приведена зависимость -1п (1-Б) = ОД. Линейность зависимости в исследуемом диапазоне концентраций характеризуется достаточно высокими коэффициентами корреляции, что позволяет сделать предположение о преобладании внешнедиффузионного механизма сорбционного процесса.

Для оценки вклада внутренней диффузии проведена обработка кинетических кривых в координатах «Б = А(11/2). Результаты показывают (рис. 3.32), что по мере увеличения продолжительности контактирования ФП с катионами Мп2+, количество сорбированных катионов возрастает пропорционально величине ^/2 вплоть до достижения равновесия. Полученные зависимости являются мультилинейными и не выходят из начала координат, что свидетельствует о многостадийном взаимодействии сорбата с сорбентом.

Рис. 3.31. Анаморфозы кинетических кривых сорбции ионов Мп2+ фармакофорсодержащими пектинами в координатах уравнений, описывающих внешнедиффузионные

процессы.

Рис. 3.32. Анаморфозы кинетических кривых сорбции ионов Мп2+

фармакофорсодержащими пектинами в координатах уравнений, описывающих внутридиффузионные процессы.

Анаморфозы кинетических кривых сорбции ионов Си2+ и Со2+ фармакофорсодержащими пектинами в координатах уравнений, описывающих внешне- и внутридиффузионные процессы являются аналогичными анаморфозам кинетических кривых сорбции ионов Мп2+.

Известно, что значения энергии активации при диффузионном механизме сорбции не должны превышать 50 кДж/моль [153]. Значения Еа для процессов, скоростьопределяющей стадией которых является химическая реакция, как правило, выше. Кажущуюся энергию активации сорбционного процесса определяли по уравнению:

АЕа = ЛН° + ЯТ (3.3),

где ДН° - энтальпия (кДж/моль); Я - постоянная закона идеального газа (8.314 Дж/мольК); Т - температура (К).

В таблице 3.16 приведены значения кажущейся АЕа процесса сорбции ионов переходных металлов на фармакофорсодержащих пектинах, из которых видно, что энергия активации находится в пределах значений, характерных для диффузионного процесса.

Таблица 3.16. Значения кажущейся энергии активации сорбции ионов Си2+, Со2+ и Мп2+ фармакофорсодержащими пектинами

Сорбент - АЕа процесса сорбции ионов Си2+, кДж/моль - АЕа процесса сорбции ионов Со2+, кДж/моль - АЕа процесса сорбции ионов Мп2+, кДж/моль

ПК 3.7±0.1 32.4±0.5 21.8±0.5

ПК-СК 24.7±0.4 29.0±0.3 46.2±0.4

ПК-АК 2.2±0.1 18.6±0.3 43.1±0.5

ПК-5АСК 7.9±0.2 20.2±0.4 35.0±0.3

ПК-НК 9.2±0.2 34.4±0.5 20.9±0.4

Таким образом, исследование кинетических закономерностей процесса сорбции ионов переходных металлов (II) пектином/фармакофорсодержащими пектинами показало, что в изучаемом диапазоне значений концентрации и температуры лимитирующей стадией сорбции является внешняя диффузия.

3.3.3. Установление влияния различных факторов на процесс распределения ионов Си2+, Со2+, Мп2+ в гетерофазной системе биосорбент-водный раствор

На процесс ионообменной сорбции может оказывать влияние ряд различных факторов, таких как кислотность среды, температура проведения сорбционного процесса и модуль раствор/сорбент.

3.3.3.1. Изучение влияния кислотности среды на сорбционные свойства фармакофорсодержащих пектинов

Кислотность среды является важнейшим параметром сорбционного процесса, поскольку она оказывает определяющее влияние на ионный обмен и комплексообразование, электростатические взаимодействия при физической адсорбции, заряд поверхности сорбента. Так как энергия координационной связи лиганд-Н+ больше энергии связи лиганд-М2+ [153], то изменение кислотности раствора будет влиять на процесс связывания ионов металла (II) с функциональными группами модифицированного сорбента.

Для установления характера влияния кислотности среды на сорбцию ионов переходных металлов полисахаридными сорбентами на основе ПК и определения оптимального диапазона значений рН был исследован процесс распределения катионов Cu2+, Co2+ и Mn2+ в системе «фармакофорсодержащий пектин-водный раствор соли металла (II)» в зависимости от рН равновесного раствора. Зависимость степени извлечения ионов металлов (II) биосорбентами от кислотности водной фазы имеет экстремальный характер с максимумом сорбции в интервале рН 6.0-7.0 для ионов Cu2+, рН 4.0-7.2 для ионов Со2+, pH 4.0-6.0 для ионов Mn2+ в зависимости от структуры введенного в пектин фармакофора (рис. 3.33-3.35). В области низких рН отсутствие сорбции ионов Cu2+, Co2+ и Mn2+ объясняется тем, что происходит конкуренция за сорбционные центры сорбента между ионами M2+ и H+. При повышении рН среды возрастает количество свободных сорбционных центров на сорбенте, что приводит к существенному росту величины сорбционной емкости. В области максимума сорбционно-активные группы сорбента находятся в диссоциированном состоянии (СОО-). В сильно щелочной области рН происходит образование осадка гидроксида металла

Рис. 3.33. Зависимость степени извлечения ионов Си2+ фармакофорсодержащими пектинами от рН водного раствора

Рис. 3.34. Зависимость степени извлечения ионов Со2+ фармакофорсодержащими пектинами от рН водного раствора

Рн

Рис. 3.35. Зависимость степени извлечения ионов Мп2+ фармакофорсодержащими пектинами от рН водного раствора

При сравнении представленных экспериментальных результатов по влиянию рН на сорбцию ионов металлов (II) пектинсодержащими сорбентами обнаруживаются сравнительно небольшие различия в характере зависимости сорбционной емкости и степени извлечения от рН раствора. Таким образом, регулируя рН среды можно создавать оптимальные условия для извлечения ионов металлов.

3.3.3.2. Изучение влияния модуля раствор/сорбент на сорбционные свойства фармакофорсодержащих пектинов

Результаты экспериментов по изучению влияния величины гидромодуля раствор/сорбент (V/m) на степень извлечения ионов Cu2+, Co2+ и Mn2+ показали, что при увеличении модуля с 50 до 1000 л/кг степень извлечения ионов металлов (II) уменьшается на 8.1-44.8% в случае извлечения ионов Cu2+, на 21.5-30.6% -ионов Co2+, на 13.7-36.6% - ионов Mn2+ (рис. 3.36-3.38), т.е. желательно проведение сорбции при значениях величины модуля раствор/сорбент 50-200 л/кг.

Рис. 3.36. Зависимость степени извлечения Рис. 3.37. Зависимость степени извлечения ионов Си2+ фармакофорсодержащими ионов Со2+ фармакофорсодержащими

пектинами от модуля раствор/сорбент

пектинами от модуля раствор/сорбент

Рис. 3.38. Зависимость степени извлечения ионов Мп2+ фармакофорсдержащими пектинами от модуля раствор/сорбент

3.3.3.3. Изучение влияния температуры на сорбционные свойства фармакофорсодержащих пектинов

Влияние температуры на сорбцию ионов Cu2+, Co2+ и Mn2+ из водных растворов пектиновыми биосорбентами хорошо описывается линейными зависимостями в координатах Аррениуса (рис. 3.39-3.41). Из рисунков видно, что сорбция катионов Cu2+, Co2+ и Mn2+ модифицированными пектинами представляет собой экзотермический процесс, который можно рассматривать как физическую сорбцию с участием сорбционных центров и молекул растворителя в реакциях сольватации и комплексообразования [154].

Рис. 3.39. Температурная зависимость Рис. 3.40. Температурная зависимость сорбционного равновесия в системе сорбционного равновесия в системе

«фармакофорсодержащий пектин-ион Cu2+» в «фармакофорсодержащий пектин-ион Cо2+» в

2+v

координатах Аррениуса.

координатах Аррениуса.

Рис. 3.41. Температурная зависимость сорбционного равновесия в системе «фармакофорсодержащий пектин-ион Мп2+» в координатах Аррениуса .

Изменение температуры вызывает изменение таких термодинамических параметров, как ДН°, и ДG0, которые позволяют объяснить механизм сорбционного процесса (табл. 3.17-3.19).

Уравнение (1.7) показывает, что в графической форме температурная зависимость = А(1/Г) представляет собой прямую, тангенс угла наклона

которой позволяет найти ДН°/К, а отсечение на графике дает ДS°/R. Изменение свободной энергии Гиббса ДG° вычисляли по уравнению (1.8).

Таблица 3.17. Термодинамические параметры сорбции ионов Си2+

фармакофорсодержащими пектинами

Сорбент Т, К а, % ДН°, ДS°, ДG°293,

кДж/моль Дж/мольК кДж/моль

273 85.3

ПК 293 83.0 -6.2±0.2 35.9±0.8 -16.7±0.4

313 81.2

333 77.5

273 95.7

ПК-СК 293 95.5 -27.2±0.5 -27.9±0.7 -19.0±0.2

313 79.1

333 78.0

273 85.6

ПК-АК 293 84.4 -4.7±0.1 41.8±0.2 -16.9±0.2

313 82.5

333 80.4

273 86.6

ПК-5АСК 293 85.7 -10.4±0.5 22.4±0.6 -16.9±0.2

313 81.1

333 74.0

273 84.8

ПК-НК 293 83.6 -11.7±0.2 16.3±0.4 -16.5±0.3

313 75.6

333 69.9

Таблица 3.18. Термодинамические параметры сорбции ионов Со2+ фармакофорсодержащими пектинами

Сорбент Т, К а, % АН0, АS0, АG0293,

кДж/моль Дж/мольК кДж/моль

273 83.3

ПК 293 79.5 -34.9±0.5 -68.3±0.8 -14.9±0.5

313 42.2

333 28.0

273 94.9

ПК-СК 293 89.1 -31.5±0.5 -46.5±0.4 -17.8±0.4

313 76.1

333 61.3

273 90.1

ПК-АК 293 86.7 -21.1±0.6 -14.0±0.6 -17.0±0.1

313 74.1

333 64.8

273 81.5

ПК-5АСК 293 80.1 -22.7±0.5 -25.2±0.4 -15.4±0.2

313 57.5

333 45.4

273 92.0

ПК-НК 293 87.2 -36.9±0.2 -68.8±0.3 -16.7±0.5

313 65.0

333 39.9

Таблица 3.19. Термодинамические параметры сорбции ионов Мп2+ фармакофорсодержащими пектинами

Сорбент Т, К а, % АН°, АS°, АG°293,

кДж/моль Дж/мольК кДж/моль

273 91.8

ПК 293 74.4 -24.3±0.5 -26.8±0.4 -16.4±0.1

313 68.3

333 60.2

273 87.6

ПК-СК 293 86.0 -48.7±0.4 -113.7±0.7 -15.4±0.2

313 44.3

333 15.0

273 93.0

ПК-АК 293 85.2 -45.6±0.6 -100.5±0.5 -16.2±0.3

313 42.0

333 32.2

273 90.0

ПК-5АСК 293 80.1 -37.5±0.7 -74.0±0.6 -15.7±0.5

313 52.5

333 33.5

273 78.2

ПК-НК 293 74.5 -23.4±0.5 -29.5±0.7 -14.7±0.2

313 52.5

333 38.1

Обнаружено, что с увеличением температуры степень извлечения ионов ^2+, ^2+ и Mn2+ пектинсодержащими сорбентами заметно уменьшается (табл. 3.17-3.19). Причинами этого, вероятно, являются ослабление взаимодействия между ионами металлов (II) и сорбентом, а также улучшение растворимости сорбента в растворителе (водной фазе).

Значения ДН° отрицательны, что свидетельствует об экзотермичности процесса сорбции. Как правило, межмолекулярное взаимодействие ионов металлов (II) менее интенсивно, чем биосорбента, сорбция протекает с уменьшением свободной энергии поверхности и выделением тепла (уменьшением энтальпии ДН°<0). Отрицательное значение ДG° свидетельствует о смещении равновесия в сторону перехода ионов ^2+, ^2+ и Mn2+ из водного раствора в фазу сорбента. При адсорбции уменьшается и энтропия системы (ДS°<0), поскольку катионы металла (II) ограничивают подвижность молекул биополимеров, уменьшая возможное число конформаций, что приводит к компактизации полимерных матриц. В случае сорбции ионов ^2+ нативным пектином, ПК-5АСК, ПК-АК и ПК-НК, ДS° принимает положительные значения, что, вероятно, связано с небольшим изменением сорбционной емкости с увеличением температуры.

Таким образом, обнаружено, что оптимальные условия процесса сорбции ионов ^2+, ^2+ и Mn2+ фармакофорсодержащими пектинами индивидуальны и зависят от температурного режима [14].

3.3.3.4. Предполагаемый механизм связывания ионов Си2+, Со2+, Мп2+ фармакофорсодержащими пектинами

Известно [155-157], что активными центрами пектиновых полисахаридов могут служить карбоксильные, гидроксильные и гликозидные группы элементарного звена ПК, связывающие ионы металлов по механизму ионного обмена и комплексообразования. Большинство исследователей [52, 55, 58, 61, 63] рассматривает в качестве основных активных групп ПК - карбоксилатные группы, связывающие ионы металлов по механизму ионного обмена. Авторы полагают, что основная доля взаимодействия иона металла с ПК приходится не только на ионный обмен, но и на другие слабые межмолекулярные взаимодействия. Вероятно, при сорбции ионов ^2+, и Mn2+ фармакофорсодержащими

пектинами наряду с ионным обменом происходит и комплексообразование ионов металлов с функциональными группами сорбентов.

Чтобы подтвердить факт комплексообразования ионов исследуемых металлов с ФП были использованы методы ИК- и УФ-спектроскопии. Спектры поглощения смесей соли металла (II) и ФП имеют различия как в ультрафиолетовой, так и в видимой области спектра (табл. 3.20). На примере ПК-АК (рис. 3.43) видно, что при взаимодействии ионов с ПК-АК образуется комплексное соединение, что подтверждается смещением Ат^ и увеличением интенсивности ПП по сравнению с индивидуальными компонентами системы. При взаимодействии ФП с ионами Со2+ и Мп2+ прослеживается аналогичная спектральная картина (табл. 3.20).

=ЮО $00 я. НМ

Рис. 3.43. УФ-спектр растворов: (1), ПК-^^), ПК-АК (3), ПК-АК^^). С=10-3 моль/л, рН 7.0, ! = 1.0 см, 25оС, растворитель - вода.

С помощью метода ИК-спектроскопии выявлены спектральные области, в которых наиболее заметно наблюдались различия в характере и интенсивности ПП ФП по сравнению с их металлокомплексами (табл. 3.20). Первая область изменений относится к ПП v(-OH), ассоциированных водородной связью (34003200 см-1). Значительный сдвиг ПП в низкочастотную область в присутствии катионов металлов (на 150-10 см-1) свидетельствует о разрыве или ослаблении водородных связей в результате координации катионов металлов с ОН-группами ФП. Так, известно, что кислородные атомы ОН-групп углеводов в области нейтральных и щелочных значений рН способны связывать металлы с образованием прочных хелатных комплексов [158]. Во второй области ИК-спектров наблюдается исчезновение ПП v(C=0) в области 1740-1700 см-1 и появление характерной ПП (СОО-) в области 1610-1590 см-1. В третьей из наблюдаемых областей в ИК-спектрах металлокомплексов происходит изменение ПП v(C-O) пиранозного цикла (1200-1000 см-1), наблюдается высокочастотный сдвиг, обусловленный образованием связи ионов указанных металлов (II) с кислородным атомом пиранозного цикла.

Таблица 3.20. Физико-химические характеристики металлокомплексов

Образец УФ-спектр, А, нм ИК-спектр, v, см-1

ПК-Си2+ 805 3307 (ОН), 1609 (СОО-), 1143-1019 (С-О)

ПК-Со2+ 514 3200 (ОН), 1602 (СОО-), 1144-1018 (С-О)

ПК-Мп2+ 228 3312 (ОН), 1602 (СОО-), 1145-1019 (С-О)

ПК-5АСК-Си2+ 220, 310, 788 3275 (ОН), 1606 (СОО-), 1140-1014 (С-О)

ПК-5АСК-Со2+ 226, 306, 516 3287 (ОН), 1602 (СОО-), 1144-1017 (С-О)

ПК- 5АСК-Мп2+ 228, 309 3291 (ОН), 1602 (СОО-), 1145-1017 (С-О)

ПК-СК-Си2+ 232, 299, 726 3185 (ОН), 1610 (СОО-), 1139-1013 (С-О)

ПК-СК-Со2+ 237, 305, 512 3219 (ОН), 1605 (СОО-), 1146-1005 (С-О)

ПК-СК-Мп2+ 236, 303 3293 (ОН), 1595 (СОО-), 1143-1018 С-О)

ПК-АК-Си2+ 331, 786 3276 (ОН), 1606 (СОО-), 1109-1018 (С-О)

ПК-АК-Со2+ 243, 320, 517 3233 (ОН), 1614 (СОО-), 1152-1037 (С-О)

ПК-АК-Мп2+ 216, 324 3290 (ОН), 1590 (СОО-), 1153-1016 (С-О)

ПК-НК-Си2+ 265, 787 3200 (ОН), 1612 (СОО-), 1142-1017 (С-О)

ПК-НК-Со2+ 214, 267, 526 3337 (ОН), 1604 (СОО-), 1152-1018 (С-О)

ПК-НК-Мп2+ 214, 268 3330 (ОН), 1606 (СОО-), 1151-1018 (С-О)

Таким образом, данные УФ- и ИК-спектров свидетельствуют о координационном взаимодействии ПК и ФП с катионами М2+ не только за счет СООН - групп, но и посредством ОН- и С-О групп полимерной матрицы. На основании литературных и полученных нами спектральных данных можно предположить, что основным механизмом процесса сорбции является ионный обмен, сопровождающийся образованием комплексных соединений (рис. 3.42).

Электростпа^ичмгкп е взз'г'модействие

Келатообразоеание

Рис. 3.42. Предполагаемая схема взаимодействия ионов М2+ (Си2+, Со2+ и Мп2+) с фармакофорсодержащим пектином на примере салициловой кислоты.

Систематическое исследование сорбции ионов переходных металлов (Си2+, Со2+ и Мп2+) модифицированными пектинами позволило выявить ряд общих закономерностей и некоторых специфических особенностей сорбционного процесса:

- более высокая сорбционная емкость ФП и быстрое время установления сорбционного равновесия в системе «ФП-ион металла (II)» по сравнению с нативным ПК. Быстрое время установления равновесия может быть обусловлено уменьшением размера частиц биосорбентов (ПК>ПК-НК>ПК-АК>ПК-5АСК>ПК-СК), повышением их пористости (ПК-СК>ПК-НК>ПК-5АСК>ПК-АК>ПК) и площади удельной поверхности (ПК-СК>ПК-АК>ПК-5АСК>ПК-НК>ПК) за счет модифицирования полисахарида фармакофорами, имеющими полярные функциональные группы;

- изотермы сорбции ионов металлов (II) фармакофорсодержащими пектинами соответствуют изотермам Ленгмюра, что свидетельствует о мономолекулярном механизме сорбции;

- увеличение степени сродства ионов металлов (II) к поверхности ФП в ряду Си2+>Со2+>Мп2+, что соответствует эмпирическому ряду Ирвинга-Уильямса. Порядок расположения ионов металлов (II) также чувствителен к выбранным лигандам. В целом возрастание степени извлечения ионов исследуемых металлов происходит при переходе от ионов металлов с большим радиусом к ионам с наименьшим радиусом, из чего следует, что ряд Ирвинга-Уильямса отражает влияние электростатических эффектов на величины сорбционной емкости сорбентов;

- исследование кинетики процесса сорбции ионов переходных металлов (II) пектином/фармакофорсодержащими пектинами показало, что лимитирующей стадией сорбции является внешняя диффузия;

- увеличение сорбции ионов Си2+, Со2+ и Мп2+ модифицированными пектинами с ростом рН в интервале от 0 до 4.0-7.0, за которым следует достаточно заметное ее снижение;

- существенное увеличение эффективности извлечения ионов Си2+, Со2+ и Мп2+ модифицированными пектинами с понижением температуры процесса;

- сорбция ионов Си2+, Со2+ и Мп2+ модифицированными пектинами представляет собой экзотермический процесс;

- сорбция ионов Си2+, Со2+ и Мп2+ модифицированными пектинами протекает по механизму ионного обмена, который сопровождается образованием комплексных соединений;

- пектин, модифицированный салициловой кислотой, обладает наиболее высокой сорбционной емкостью по отношению к ионам Си2+, Со2+ и Мп2+ в ряду фармакофорсодержащих пектинов;

- положительные значения энтропии в процессах сорбции ионов Си2+ биосорбентами ПК-5АСК, ПК-АК и ПК-НК могут свидетельствовать об изменении структуры биополимерного материала в процессе сорбции, приводящему к росту беспорядка системы, тогда как отрицательные величины энтропии в процессах сорбции ионов Со2+ и Мп2+ пектиновыми сорбентами могут указывать на увеличение упорядоченности при взаимодействии иона металла с поверхностью сорбента.

Таким образом, проведенные исследования показали, что модифицированные пектины проявляют высокое сродство к ионам Си2+, Со2+ и Мп2+ и могут быть использованы для извлечения катионов металлов из водных и водно-солевых растворов. Для улучшения равновесно-кинетических характеристик полисахаридных сорбентов необходимо проводить их направленное модифицирование путем увеличения количества ионообменных кислотных или электронодонорных групп с разной дентатностью и основностью.

3.4. Допирование фармакофорсодержащих пектинов йодом

В качестве материалов с мягким пролонгированным антисептическим действием получены йодсодержащие порошки на основе ФП. Для этого использовали диффузионный метод допирования - насыщение порошков ФП сублимированным йодом при комнатной температуре.

Время предельного насыщения йодом ФП в условиях диффузионного процесса зависит от природы фармакофора, введенного в полимерную матрицу. Быстрее всего насыщение йодом происходит для ПК-НК, дольше всего допируется образец ПК-5АСК (рис. 3.44 (А)), что может быть связано с поверхностными свойствами ФП.

Рис. 3.44. Сорбция йода ФП (А) и десорбция йода из ФП- 12 (Б).

Так как модификация пектина НК приводит к упорядочиванию поверхности полимерной матрицы (рис. 3.22), то процесс диффузии йода в образец может протекать значительно быстрее. В то же время, амино- и гидроксикислоты за счет хелатирования с гидроксильными группами ПК, напротив, создают стерические препятствия для проникновения йода внутрь образца (рис. 3.45).

Рис. 3.45. Микроструктура образцов: ПК-Ь (1), ПК-НК 12 (2), ПК-5АСК-12 (3).

Определение массовой доли йода в образцах сразу после десорбции показывает, что, кроме нативного ПК, все модифицированные образцы сохраняют достаточное количество йода до 26-40% (табл. 3.21, рис. 3.44 (Б)).

Таблица 3.21. Максимальное содержание йода в фармакофорсодержащих пектинах после допирования и после десорбции

Соединение Содержание йода в образце

После допирования [¡общ], % масс После десорбции

Робщ], % масс [Щ, % масс

ПК-Ь 12.1 5.3 1.4

ПК-НК-Ь 46.8 29.7 8.3

ПК-АК-Ь 64.1 39.5 18.6

ПК-5АСК-Ь 69.5 39.8 21.6

ПК-СК-Ь 36.3 26.3 5.4

Кривые десорбции йода показывают, что в образцах сосуществуют как минимум 2 различные формы йода. Одна форма довольно летучая и может быть легко удалена из образца простым воздействием воздуха. Ее можно отнести к молекулярному йоду. Другая форма стабильна и сохраняется даже после длительной десорбции йода на воздухе. Можно предположить, что эта форма состоит из I3- и некоторых высших полийодидов. Существование различных форм йода подтверждается также йодометрическим титрованием образцов после десорбции (табл. 3.21). Определение концентрации йода в образцах после 11-12 месяцев выдержки на воздухе не уменьшается, что свидетельствует о получении устойчивых йодсодержащих материалов на основе ФП.

Десорбция ионов I3- из ФП-Ь в воду сопровождается набуханием и растворением самой пектиновой матрицы. Полное высвобождение I3- из ПК происходит через 25-30 мин, в то время как из ФП время высвобождения I3-составляет 6-12 ч, обеспечивая пролонгирующий эффект (рис. 3.46).

О 2 4 6 8 Ю 12 14

Время, ч

Рис. 3.46. Кинетические кривые выхода I3- из образцов: ПК (1), ПК-АК (2), ПК-5АСК (3), ПК-СК (4), ПК-НК (5). Х=290 нм, 1=1.0 см, Т=25 0С, растворитель-вода.

Определение констант устойчивости для ФП-12 показало, что модификация ПК фармакофорами увеличивает стабильность йодсодержащих образцов в 50-250 раз по сравнению с ПК-12 (табл. 3.22). Интересно отметить, что ряд устойчивости: ПК-12<ПК-АК-12<ПК-5АСК-12<ПК-СК-12<ПК-НК-12 коррелирует с кинетикой выхода I3- из порошковых композиций (табл. 3.22).

Таблица 3.22. Физико-химические характеристики ФП-12

Соединение ИК-спектр, у см-1 18 Рк [П], дл/г

ПК-12 3312 у(ОН); 1742 у(С=О); 1600 у(СОО-); 1138, 1015 у(С-С, С-О) 2.85 1.92

ПК-СК-12 3357 у(ОН); 1742 у(С=О); 1593 у(С=Сдг); 1143, 1016 у(С-С, С-О) 4.84 0.58

ПК-5АСК-12 3390 у(ОН); 1736 у(С=О); 1604 у(С=Сдг); 1142, 1014 у(С-С, С-О) 3.80 0.49

ПК-АК-12 3388 у(ОН); 1736 у(С=О); 1580 у(С=Сдг); 1143, 1014 у(С-С, С-О) 3.79 0.66

ПК-НК-12 3330 у (ОН); 1602 у(СОО-); 1556 у(Ру); 1143, 1017 у(С-С, С-О) 5.28 1.83

Согласно данным ИК-спектроскопии, при допировании йодом ФП наблюдается изменение контура и уменьшение интенсивности 1111 у(-ОН) групп в области 3500-3100 см-1 (табл. 3.22). Происходит значительное уменьшение интенсивности ПП у(С=О) (рис. 3.47) и низкочастотный сдвиг ПП у(С-С, С-О) на 3-7 см-1. Таким образом, обнаружено, что в системе ФП-12 йод координируется с кислородом карбонильных и гидроксильных групп ФП.

2

3

4 5

Рис. 3.47. Фрагменты ИК-спектров ПК-Ь (1), ПК-СК-Ь (2), ПК-НК-Ь (3), ПК-АК-Ь (4), ПК-5АСК-12 (5).

1

3.5. Антибактериальная активность йодсодержащих материалов на основе фармакофорсодержащих пектинов

Оценка антибактериальной активности йодсодержащих порошкообразных композиций осуществлялась методом диффузии раствора исследуемого вещества в питательную среду (рис. 3.48). Представленные результаты показывают, что выраженным антибактериальным эффектом обладают образцы: ПК-5АСК-12 и ПК-СК-12. Среднюю активность продемонстрировал образец ПК-АК-12 (табл. 3.23). В отношении культуры В. megaterium наиболее активным оказался 12, а в отношении Р. аигео/ааетз и Ь. 1асИ - образец ПК-СК-12. Наиболее чувствительной культурой оказалась Р. аигео/а&ет, наименее чувствительной -Ь. ¡асЫз. Таким образом, использование соединения ПК-СК-12 в качестве антибактериального агента в отношении некоторых грамположительных и грамотрицательных бактерий в ряде случаев может обеспечить больший эффект, чем отдельно взятые компоненты комплекса и устранить раздражающее воздействие йода.

2 б 3 а 3 б

Рис. 3.48.. Зона задержки роста микроорганизмов 1а, б - В. megaterium; 2 а, б - Р. аигео/аает; 3 а, б - Ь. ЬасШ образцами: ПК (1), ПК-АК (2), ПК-5АСК (3), ПК-5АСК-Ь (4), 5АСК (5), ПК-СК-12 (6), вода (7), ПК-АК-12 (8), К1+Ь (9), АК (10), СК (11), ПК-СК (12), вода+К1 (13).

Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования полученных материалов в медицинской практике что, совместно с пролонгированностью действия и отсутствием агрессивности, присущей йоду, делает перспективным их применение в качестве антисептических материалов мягкого действия.

Таблица 3.23. Антибактериальная активность образцов

п/п Образец Б зоны подавления/отсутствия роста бактерии, мм2

В. megaterium Р. aureofaciens Ь. \actis

1 ПК 0 0 0

2 ПК+АК 0 Незначительно 0

3 ПК+5АСК 0 0 0

4 ПК+5АСК+12 415/331 314/314 154/189

5 5-АСК 0 0 0

6 ПК+СК+12 314/314 594/660 227/203

7 Вода 0 0 0

8 ПК+АК+12 123/123 Незначительно Незначительно

9 К1+12 745/415 594/594 189/189

10 АК 0 0 0

11 СК Незначительно 0 0

12 ПК+СК 0 0 0

13 Вода+К1 0 0 0

117

ВЫВОДЫ:

1. Рядом физико-химических методов анализа изучены структурно-адсорбционные характеристики пектинов, модифицированных биологически активными органическими кислотами. Обнаружено, что комплексообразование пектина с фармакофорами приводит к увеличению пористости и удельной поверхности, уменьшению размера частиц и изменению кислотно-основных свойств в зависимости от природы органической кислоты, что обуславливает более высокую адсорбционную способность фармакофорсодержащих пектинов по отношению к ионам Си2+, Со2+, Мп2+ по сравнению с нативным пектином.

2. Установлено, что сорбционная емкость фармакофорсодержащих пектинов изменяется в рядах: ПК-СК>ПК-5АСК>ПК-АК>ПК-НК>ПК при извлечении ионов Си2+; ПК-СК>ПК-НК>ПК-АК>ПК-5АСК>ПК при извлечении ионов Со2+; ПК-СК>ПК-АК>ПК-5АСК>ПК-НК>ПК при извлечении ионов Мп2+. Обнаружено, что зависимость величины сорбционной емкости от равновесной концентрации ионов Си2+, Со2+ и Мп2+ подчиняется уравнению Ленгмюра.

3. Обнаружено, что процесс сорбции ионов переходных металлов (Си2+, Со2+, Мп2+) фармакофорсодержащими пектинами протекает в диффузионном режиме.

4. Выявлено, что максимальные значения сорбционной емкости пектиновых материалов достигаются в диапазоне значений ионов Си2+ - рН 6.0-7.0, ионов Со2+ - рН 4.0-7.2, ионов Мп2+ - рН 4.0-6.0 в зависимости от структуры биосорбента. Обнаружено, что увеличение модуля раствор/сорбент с 50 до 1000 л/кг уменьшает степень извлечения ионов Си2+ на 8.1-44.8%, ионов Со2+ на 21.5-30.6% и ионов Мп2+ на 13.7-36.6% в зависимости от введенного в пектин фармакофора.

5. Рассчитаны термодинамические параметры процесса извлечения ионов Си2+, Со2+ и Мп2+ пектиновыми сорбентами. Установлено, что сорбция ионов металлов полисахаридными материалами представляет собой экзотермический процесс, который можно рассматривать как физическую сорбцию.

6. На основании полученных результатов предложен возможный механизм сорбции ионов переходных металлов (Си2+, Со2+ и Мп2+)

фармакофорсодержащими пектинами, который представляет собой сложный процесс, включающий как ионный обмен, так и образование металлокомплексов.

7. Показано, что включение в пектин органического фармакофора способствует увеличению содержания йода в полимерных материалах в 5-8 раз и позволяет получать образцы не только с высоким содержанием йода, но и его контролируемым и пролонгированным выделением. По результатам микробиологических испытаний установлено, что образцы на основе систем ПК-СК-12, ПК-5АСК-12 проявляют антибактериальную активность на уровне свободного йода при существенном снижении дозы действующего вещества.

119

Принятые сокращения

ПК - пектин

ФП - фармакофорсодержащий пектин

СК - салициловая кислота

АК - антраниловая кислота

5АСК - 5-аминосалициловая кислота

НК - никотиновая кислота

ФК - фармакофор

М2+ - ион двухвалентного металла

ПП - полоса поглощения

ММО - метод мольных отношений

МИС - метод изомолярных серий

ТГА - термогравиметрический анализ

Э - оптическая плотность

А - сорбционная емкость

рк - константа устойчивости

рКа - константа кислотности

а - степень извлечения

W по СН3СОСН3 - пористость по ацетону

[п] - характеристическая вязкость

Буд. - площадь удельной поверхности

20 " а20Б - удельный угол вращения

ё - диаметр частиц

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аверьянова, Е.В. Пектин: методы выделения и свойства / Е.В. Аверьянова, М.Н. Школьникова. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2015. - 42 с.

2. Грабишин, А.С. О некоторых особенностях технологий производства пектина / А.С. Грабишин // Новые технологии. - 2010. - №2. - 4 с.

3. Донченко, Л.В. Пектин: основные свойства, производство и применение / Л.В. Донченко, Г.Г. Фирсов. - М.: ДеЛи принт, 2007. - 276 с.

4. Текуцкая, Е.Е. Детоксикационное действие пектинов и их применение в лечебном питании / Е.Е. Текуцкая, И.Л. Сапрыкин, И.А. Ильина, И.А. Мачнева // Вестник российской сельскохозяйственной науки. - 2017. - №2. - С. 43-45.

5. Ямаев, Э.И. Фармако-токсикологическая оценка комплексов пектина с биогенными металлами и их применение при анемии поросят: дисс. канд. вет. наук (16.00.04) / Ямаев Эльвир Илдарович. - Казань: 2002. - 119 с.

6. Лисовицкая Е.П. Пектин - основной источник борьбы с вредными веществами / Е.П. Лисовицкая, С.В. Патиева, Л.Я. Родионова, Ю.Н. Шакота // Матер. науч.-прак. конф. "Приоритетные направления развития пищевой индустрии". - Ставрополь, 2016. - С. 385-388.

7. Johnson, F.A. Characterization of the block structure and molecular weight of sodium alginates / F.A. Johnson, D.Q. Craig, D. Mercer // J. Pharm. And Pharmacol. -1997. - V. 49. - № 7. - P. 639-643.

8. Кайшева, Н.Ш. Растительные лекарственные средства, способствующие выведению из организма ионов токсичных металлов / Н.Ш. Кайшева, Н.В. Габриелян // Разработка, исследование и маркетинг новой фармацевтической продукции: сборник научных трудов. - Пятигорск, 2006. - Вып. 61. - С. 27-28.

9. Кайшев А.Ш. Изучение биологически активных веществ отходов спиртового производства: дисс. канд. фармац. наук (14.04.02) / Кайшев Александр Шаликович. - Пятигорск: 2011. - 187 с.

10. Бочков А.Ф. Углеводы / А.Ф. Бочков, В.А. Афанасьев, Г.Е. Заиков. - М.: Наука, 1980. - 176 с.

11. Нечаев, А.П. Пищевая химия / А.П. Нечаев, С.Е. Траубенберг, А.А. Кочеткова и др.- СПб.: ГИОРД, 2004. - 640 с.

12. Щербаков, В.Г. Биохимия / В.Г. Щербаков, В.Г. Лобанов, Т.Н. Прудников. - СПб.: ГИОРД, 2003. - 440с.

13. Гимаев, И.Н. Влияние параметров процесса гидролиза-экстракции на выход и качество пектина из плодово-ягодного сырья / И.Н. Гимаев, Н.К. Романова, О.А. Решетник // Вестник Казанского технологического университета. -2004. - №1. - С. 214-218.

14. Оводова, Р.Г. Новейшие сведения о пектиновых полисахаридах / Р.Г. Оводова, В.В. Головченко, С.В. Попов, Ю.С. Оводов // Известия Коми научного центра УРО РАН. - 2010. - №3(3). - С. 37-45.

15. Третьякова, Н.Р. Оптимизация технологических условий выделения пектина из растительного сырья / Н.Р. Третьякова, А.Г. Тетенева, Г.М. Зайко, Е.В. Барашкина // Известия вузов. Пищевая технология. - 2001. - №2-3. -С. 45- 47.

16. Оводов, Ю.С. Современные представления о пектиновых веществах / Ю.С. Оводов // Биоорганическая химия. - 2009. - Т.35. - №3. - С. 293-310.

17. Созаева, Д.Р. Определение оптимальных условий извлечения пектиновых веществ из створок зеленого гороха / Д.Р. Созаева, А.С. Джабоева, Л.Г. Шаова, А.Н. Орквасов, В.В. Кондратенко // Известия вузов. Пищевая технология. - 2013. - №1. - С. 109-113.

18. Хенглейн, Ф.Ф. Пектины. Биохимические методы анализа растений: пер. с нем. / Ф.Ф. Хенглейн. - М.: Химия, 1960. - С. 297-298.

19. Шелухина, Н.П. Пектиновые вещества, их некоторые свойства и производные / Н.П. Шелухина, З.Д. Ашубаева, Г.Б. Аймухамедова. - Фрунзе: Илим, 1970. - 72 с.

20. Гулый, И.С. Пектин: его свойства и производство / И.С. Гулый, Л.В. Донченко, Н.С. Карпович, В.В. Нелина, Т.И. Костенко // Обзорная информация. Сер. 14. М.: АгроНИИТЭИПП. - 1992. - Вып.6. - С. 1-56.

21. Донченко, Л.В. Свойства пектиновых веществ / Л.В. Донченко, Н.С. Карпович, Г.И. Костенко. - Киев: «Знание», 1992. - 33с.

22. Донченко, Л.В. Технология пектинов и пектинопродуктов / Л.В. Донченко. - М.: ДеЛи, 2000. - 256 с.

23. Kertesz, L.I. The pectin substances / L.I. Kertesz // New York: Interscience Publishers. - 1951. - V. 41. - I. 1. - 628 p.

24. Гринчишина, З.Ф. Применение пектина при производстве продуктов питания / З.Ф. Гринчишина, М.П. Могильный // Экология человека: пищевая технология и продукты на пороше 21 века: сборник материалов V международного симпозиума. - Пятигорск, 1997. - С. 92-93.

25. Левченко Б.Д. Использование полезных свойств пектиновых веществ в медицинской практике / Б.Д. Левченко // Электротехнология пектиновых веществ. - 1993. - с. 30.

26. Жехова, М. Профилактическое питание яблочным пектином при некоторых вредных воздействиях / М. Жехова // Экология человека: проблемы и состояние лечебно-профилактического питания: сборник материалов II Международного семинара. - Пятигорск, 1993. - С. 173.

27. Зайко, Г.М. Профилактическое питание на основе пектина / Г.М. Зайко, И.А. Гайворонская // Проблемы индустрии общественного питания страны: сборник материалов II Всероссийской научной конференции. - Харьков, 1989. - С. 283.