Изотермы сорбции. В 30 конических колбочек емкостью 100 см³ вносили от 0 до 30 см³ вытяжки хрена, от 30 до 0 см³ дистиллированной воды и по 1 г крахмала. Встряхивали 1 час, давали отстояться, отбирали 10 см³ осветленной верхней части раствора в другие 30 конических колбочек емкостью 100 см³. В отобранные пробы вносили 1 см³ 0,05 М раствора пероксида водорода, 5 см³ 1 % -ного раствора иодида калия, 2 см³ 2 н. серной кислоты, 2 капли 1% -ного раствора молибдата аммония и 3 капли 1% -ного раствора крахмала. Через 1 мин оттитровывали выделившийся йод 0,02 н. раствором тиосульфата натрия. Опыты проводили при температурах 278, 288 и 298К. По результатам титрования строили изотермы сорбции, для чего на графиках по вертикальной оси откладывали значения сорбции Г (Е/г), а по горизонтальной - значения равновесных активностей, которую рассчитывали по формуле:

где V₀ - объем водной вытяжки, оттитрованной тиосульфатом натрия, до сорбции, см³; V_{i -} объем водной вытяжки, оттитрованной тиосульфатом натрия, после сорбции, см³; С _- концентрация раствора тиосульфата натрия (0,02 н.); V_{выт. -} рабочий объем водной вытяжки; m - масса сорбента (1 г), E - исходная активность водной вытяжки.

Г = Е - [Е]

На рис.1 приведены изотермы адсорбции ферментов-антиоксидантов на крахмале.

Рис.1. Изотермы сорбции ферментов-антиоксидантов на крахмале из водной вытяжки хрена:

1 - 298 К, 2 - 288 К, 3 - 278 К

Вид экспериментальных изотерм соответствует типу S-2, для которых применимо уравнение Фрумкина [1]:

где В - константа сорбции; С - равновесная концентрация сорбата в растворе, величина С нами заменена на величину [E]; и - степень заполнения поверхности сорбента, которая определяется из отношения Г/Г_? при данной равновесной концентрации; а - аттракционная постоянная, характеризующая энергию взаимодействия между адсорбированными молекулами.

Константа а в уравнении (2) зависит от энергии взаимодействия между молекулами сорбата (пероксидазы, Е _{А - А}), молекулами растворителя в адсобционном слое (воды, Е _{S - S)}, и молекулами сорбата и растворителя (Е _{А - S}). Величину а можно рассчитать по формуле [2]:

а = - (6 Е _{А - S} - 3Е _{А - А -} 3Е _{S - S)}

В нашем случае, пероксидаза (и каталаза) образуют между собой водородные связи. Это относится так же к молекулам воды и соединениям воды и пероксидазы (каталазы). В таком случае, при подстановке в уравнение (3) численных величин Е _А-А, Е _А-S и Е _S-S величина а равна нулю, а уравнение (2) становится более простым (уравнение Ленгмюра):

Изотермы на рис.1 действительно описываются уравнением Фрумкина, но дело в том, что между адсорбированными молекулами, преобладающим видом связи являются водородные связи.

Расчеты Г и констант сорбции К₂₇₈, К₂₈₈, К₂₉₈ проводили с использованием уравнения Ленгмюра в прямолинейной форме:

Рис. 2. Зависимость обратной величины сорбции ферментов-антиоксидантов на крахмале из водной вытяжки хрена от обратной величины равновесной активности. 1 - 278 К; 2 - 288 К; 3 - 298 К.

Для этого строили график в координатах обратной величины сорбции от обратной величины равновесной активности. Отрезок, отсекаемый от оси ординат 1/Г, а тангенс угла наклона прямой: .

Различие в адсорбции при разных температурах позволило рассчитать термодинамические характеристики адсорбции: изменение энтальпии (Н), изобарно-изотермического потенциала (G) и энтропии (S), необходимые для трактовки механизма адсорбции.

Эффективность сорбционных процессов можно оценить по изменению энтальпии адсорбции. Энтальпию адсорбции (ДH) рассчитывали с использованием уравнения

где T_i и T_k - две температуры, K_i и K_k - соответствующие им константы адсорбции.

Величина изобарно-изотермического потенциала ДG была рассчитана с использованием уравнения:

ДG = - R·Т·lnB

По формуле:

ДG = ДН - Т·ДS

рассчитаны величины изменения энтропии сорбции для трех температур.

Результаты расчетов приведены в табл.1.

Таблица 1.

Основные термодинамические характеристики сорбции ферментов-антиоксидантов на крахмале

Как видно из табл.1., сорбционная емкость крахмала по отношению к ферментам-антиоксидантам находится на высоком уровне. Термодинамические характеристики сорбции убедительно свидетельствуют об образовании между сорбентом и сорбатом достаточно прочных связей.

Отрицательные значения изменений изобарно-изотермического потенциала и энтальпии свидетельствуют о самопроизвольном экзо-термическом процессе.

Изучение кинетики сорбции антиоксидантов на на крахмале

В чисто прикладном плане изучение кинетики сорбции дает возможность судить о времени, при котором практически все сорбируемое вещество будет поглощено сорбентом.

Порядок выполнения работы.

Изучение скорости сорбции антиоксидантов проводили при трех температурах. В колбу емкостью 1000 см³ вносили 500 см³ вытяжки хрена и 20 г крахмала. Одновременно включали секундомер, содержимое колбы интенсивно перемешивали, отбирая по 10 см³ осветленной верхней части раствора в конические колбы емк.250 см³.

Пробы отбирали тотчас (до внесения энтеросорбента) и через 10, 20, 30, 60, 120, 240, 360 с. Определяли содержание ферментов-антиоксидантов по методике, описанной в предыдущих опытах.

Результаты опытов приведены на рис.3.

Рис. 3. Кинетика сорбции ферментов-антиоксидантов на крахмале из водной вытяжки хрена. 1 - 278 К, 2- 288 K, 3 - 298 К

Процесс сорбции представляет собой бимолекулярную реакцию, которую, в связи с избытком одного из компонентов - сорбента, можно представить как односторонний процесс, подчиняющийся кинетическому уравнению первого порядка.

Константы скоростей сорбции рассчитывали по уравнению:

_i =

где V₀ - объем титранта до начала сорбции (ф = 0); V_i - объем титранта, затраченного по истечении времени ф _i.

По данным кинетики сорбции были рассчитаны средние константы скоростей сорбции К₂₇₈, К₂₈₈ и К₂₉₈.

Используя уравнение Аррениуса в линейной форме

ln К = lnPZ₀ -

и рассчитанные значения констант скоростей сорбции, был построен графики в координатах " ln К - 1/Т ^"

Рис. 4. Зависимость ln К сорбции вытяжки хрена на крахмале от обратной величины температуры

Прямая (рис.4.) отсекает от вертикальной оси отрезок, численно равный логарифму предэкспоненциального фактора (lnPZ₀) в уравнении Аррениуса:

Тангенс угла наклона этой прямой:

tg = , отсюда

С использованием уравнения Эйринга были рассчитаны изменения энтропии активации формирования активированного комплекса S^# [3]:

lnPZ₀ = 10,36 + lnТ +

Результаты расчетов приведены в табл.2.

Таблица 2.

Основные характеристики кинетики сорбции ферментов - антиоксидантов на крахмале

Как видно из рис. 3., для сорбционных процессов при различных температурах характерен достаточно крутой начальный участок изотермы кинетики сорбции, уже в течение первых 5-30 минут контакта сорбируется подавляющее количество ферментов-антиоксидантов.

Изменение энтропии активации формирования активированного адсорбционного комплекса меньше чем изменение энтропии сорбции для случая наступления равновесия. Это означает, что механизм сорбции включает в себя две стадии. Первая стадия - это стадия закрепления антиоксиданта на сорбенте, согласно данным работы. Так как изменение энтропии для двух процессов отличается на небольшую величину, то возможным вариантом более устойчивого соединения является присоединение других групп к такому же кластеру.

С практической точки зрения важнейшим результатом является то, что ферменты-антиоксиданты с сорбента не вымываются водой. Это, в свою очередь, обеспечивает длительное функционирование антиоксиданта, так как он прочно закреплен на достаточно крупных частицах сорбента. Это позволяет использовать комплекс сорбент - антиоксидант как энтеросорбент.

Энтеросорбент на крахмале в воде и биологических жидкостях не растворяется, это твёрдый компонент, вероятно, его использование может ограничиваться защитой желудочно-кишечного тракта человека и животных от самых разнообразных пероксидов и окислителей.

Получение энтеросорбента