Экстракция и определение ароматических альфа-аминокислот и водорастворимых витаминов – закономерности и новые аналитические решения

Добавление к более активному растворителю (ацетон) этилацетата и изопропилового спирта значительно повышает коэффициенты распределения б-аминокислот. В таких системах апротонный растворитель (этилацетат) способствует разрыву межмолекулярных водородных связей. Это усиливает сольватацию растворителем и увеличивает коэффициенты распределения. Положительный эффект проявляется в основном при малых концентрациях этилацетата.

При изучении экстракции тирозина и триптофана бутиловым спиртом установлено, что самоассоциация растворителя снижает вероятность образования водородных связей между б-аминокислотой и экстрагентом. Коэффициенты распределения и степень извлечения тирозина и триптофана бутиловым спиртом приведены в табл. 11. Механизм сольватации тирозина и триптофана бутиловым спиртом и ацетоном различен, включает взаимодействия либо за счет свободной электронной пары СООН-группы кислоты, либо ОН-группы спирта. Таким образом, бутиловый спирт ? более эффективный экстрагент, чем ацетон, однако и в системах с бутиловым спиртом практически полное извлечение тирозина и триптофана из водно-солевых растворов не достигается, степень извлечения 90,7 и 91,7 % соответственно.

Таблица 11. Коэффициенты распределения и степень извлечения триптофана и тирозина в системе бутиловый спирт - ацетон; высаливатель - сульфат лития

С целью выбора титранта, обеспечивающего максимальный скачок на кривых кондуктометрического или потенциометрического титрования и надежность индикации точки стехиометричности, б-аминокислоты титровали в среде бутилового спирта этанольными растворами гидроксидов калия или тетраметиламмония, а также диэтил- амина.Для селективного определения б-аминокислот в бинарных смесях принципиальное значение имеет повышение электропроводности при нейтрализации обеих кислот. Наибольший излом на кривой кондуктометрического титрования смеси триптофан - тирозин характерен для экстракции смесью бутиловый спирт - ацетон. Это связано с тем, что ацетон снижает концентрации ионов Li⁺ и SО₄^2- до уровня, не мешающего определению б-аминокислот. В качестве эффективной среды для селективного определения триптофана и тирозина методом кондуктометрического титрования рекомендуется смесь бутиловый спирт (0,6 мол.доли) - ацетон (0,4 мол.доли). С целью повышения эффективности извлечения б-аминокислот из водных растворов применена тройная смесь бутиловый спирт - ацетон - этилацетат. Сложность применения таких систем заключается в оптимизации соотношения компонентов смеси растворителей, задача решается методом симплекс-решетчатого планирования эксперимента.

ВЫВОДЫ

1. Разработана методология процессов извлечения, концентрирования, разделения и определения биологически активных веществ - ароматических б-аминокислот (фенилаланин, тирозин, триптофан) и водорастворимых витаминов (аскорбиновая и никотиновая кислоты). Для решения аналитических задач применена экстракция частично или полностью растворимыми в воде органическими растворителями, их двух- и трехкомпонентными смесями.

2. Разработаны теоретические аспекты экстракционных равновесий в системах б-аминокислота (витамин) - гидрофильный растворитель (смесь растворителей) - высаливатель - вода. Установлены факторы, влияющие на экстракционные характеристики (коэффициенты распределения, степень извлечения, факторы разделения): строение и свойства распределяемых соединений, физико-химические параметры органических растворителей, состав экстракционной системы, природа и концентрация высаливателя. Методом симплекс-решетчатого планирования эксперимента оптимизирован состав смесей экстрагентов, разработан алгоритм выбора эффективной экстракционной системы для решения конкретной аналитической задачи.

3. Метод корреляций применен для прогнозирования экстракционных характеристик б-аминокислот и витаминов в системах с индивидуальными растворителями, получена количественная информация о коэффициентах распределения исследованных соединений. Методами термического анализа и ИК-спектроскопии изучен механизм межфазного распределения б-аминокислот и витаминов, представлены схемы гидратно-сольватных взаимодействий компонентов в органической фазе.

4. Водорастворимые полимеры поли-N-виниламидного ряда (поли-N-винилпирролидон, поли-N-винилкапролактам, поли-N-винил-метилацетамид), а также полиэтиленгликоль ПЭГ-5000 впервые применены для экстракции биологически активных веществ. Методами УФ- и ИК-спектроскопии изучен состав и строение комплексов б-аминокислот и полимеров, механизм взаимодействия компонентов в экстрактах. Установлено, что с увеличением молекулярной массы полимеров их комплексообразующая способность уменьшается, экстрагирующая активность по отношению к б-аминокислотам снижается. С применением экологически безопасных синтетических водорастворимых полимеров возможна безреагентная реэкстракция б-аминокислот - при нагревании системы до 30 ⁰С полимеры осаждаются, б-аминокислоты остаются в водном растворе. Максимальные количественные характеристики достигаются в системах с поли-N-винилпир-ролидоном (степень извлечения б-аминокислот 95 - 97 %).

5. Для селективного определения б-аминокислот и витаминов при совместном присутствии применен спектрофотометрический метод. Вычислены молярные коэффициенты светопоглощения компонентов смесей, параметры уравнения Фирордта для расчета концентраций б-аминокислот и витаминов в смесях. Погрешность раздельного определения б-аминокислот в бинарных смесях не превышает 5 %, в тройных - 10 %. Погрешность определения аскорбиновой кислоты минимальна в смеси с триптофаном (1,2 %), никотиновой кислоты - в смеси с фенилаланином (1,0 %). Пределы обнаружения б-аминокислот и витаминов 5,5•10^-4 - 1,1•10^-5 моль/дм³. Спектрофотометрический метод применен для анализа готовых лекарственных средств, содержащих аскорбиновую и никотиновую кислоты.

6. На основании установленных закономерностей экстракции разработан алгоритм разделения смесей б-аминокислот, а также б-аминокислот и витаминов в фармпрепаратах и некоторых пищевых продуктах. Оптимизированы условия эффективного разделения (концентрации высаливателя и отдельных компонентов смеси). Рассчитаны факторы разделения смесей б-аминокислот, аскорбиновой или никотиновой кислот и б-аминокислот. Максимальные факторы разделения фенилаланина и тирозина достигаются в системах с NaF или NaCl (710 и 450 соответственно), в этих условиях степень извлечения фе-нилаланина 95 %, тирозина - 4 %. Разработаны системы (на основе бутилового спирта) для эффективного разделения аскорбиновой кислоты и б-аминокислот.

7. Теоретически обоснован и разработан комплекс способов определения микроколичеств б-аминокислот и витаминов, включающий экстракционное концентрирование, спектрофотометрическое определение компонентов в водных растворах и электрохимическое (потенциометрическое и кондуктометрическое) титрование б-аминокис-лот в неводных экстрактах.

Предложенные аналитические решения характеризуются селективностью, низкими пределами обнаружения, воспроизводи-мостью и правильностью результатов. Их новизна подтверждена патентами РФ. Разработки апробированы на реальных объектах, внедрены в практику аналитических служб.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

Монография

Мокшина Н.Я. Экстракция аминокислот и витаминов. - Воронеж: Воронеж. гос. технол. акад., 2007. - 246 с.

Статьи в журналах, рекомендуемых ВАКом

1. В.Ф.Селеменев, Д.Л.Котова, Н.Я.Коренман, Г.Ю.Орос. Определение воды и ее перераспределения в ионообменниках методом термического анализа // Журнал аналитической химии. 1991. Т.46, № 2, с. 414 - 416.

2. В.Ф.Селеменев, Н.Я.Коренман, В.Ю.Хохлов. Извлечение тирозина бутиловым спиртом из водно-солевых растворов // Журнал прикладной химии. 1991.Т.64, № 12, с. 2707 - 2710.

3. Н.Я.Коренман, В.Ф.Селеменев. Экстракция тирозина спиртами - гомологами из водных растворов // Журнал прикладной химии. 1992. Т.65, № 1, с. 233 - 236.

4. Н.Я.Мокшина, В.Ф.Селеменев, Д.Л.Котова, Г.Ю.Орос. Экстракционно-сорбционное извлечение глутаминовой кислоты из микробиологических сред // Журнал прикладной химии. 1992. Т.65, № 12, с. 2748 - 2751.

5. В.Ф.Селеменев, В.Ю.Хохлов, Н.Я.Коренман, Е.В.Ловчиновская. Спектрофотометрическое определение фенилаланина и тирозина // Журнал аналитической химии. 1994. Т.49, № 4, с. 446 - 447.

Д.Л.Котова, Н.Я.Мокшина, В.Ф.Селеменев. Дегидратация катионообменника КУ-2-8 при выделении аминокислот из ферментационных растворов // Известия вузов. Химия и химическая технология. 1994. Т.37, № 1, с. 37 - 40.

Н.Я.Мокшина, В.Ф.Селеменев, М.В.Матвеева, Ю.В.Крестникова. Экстракция тирозина и фенилаланина гидрофильными растворителями // Журнал аналитической химии. 1994, Т.49, № 11, с.1193 - 1196.

Н.Я.Мокшина, В.Ф.Селеменев, Д.Л.Котова. Экстракционно-сорб-ционное выделение фенилаланина из водно-солевых растворов гидрофильными спиртами // Журнал прикладной химии. 1994. Т.67, № 6, с.1051.

Н.Я.Мокшина, Д.Л. Котова, В.Ф.Селеменев. Физико-химические особенности взаимодействия компонентов при экстракции аминокислот бутиловым спиртом // Известия вузов. Химия и химическая технология. 1999. Т.42, № 2, с. 32 - 35.

Н.Я.Мокшина, В.Ф.Селеменев. Экстракционное разделение бинарных смесей ароматических аминокислот // Известия вузов. Химия и химическая технология. 1999. Т.42, № 4, с. 23 - 25.

А.В.Казначеев, О.Н.Хохлова, В.Ф.Селеменев, В.Ю.Хохлов, Н.Я. Мокшина. Спектрофотометрическое определение ароматических и гетероциклических аминокислот в их смесях // Журнал аналитической химии. 2000. Т.55, № 4, с. 375 - 377.

Н.Я.Мокшина, С.Копач, Я.Калембкевич, Г.Ю.Орос, Е.В.Иванова. Применение корреляционного анализа при описании межфазного распределения фенилаланина в системах с гидрофильными спиртами и ионогенными сорбентами // Сорбционные и хроматографические процессы. 2001.Т.1, № 3, с. 510 - 513.

Н.Я.Мокшина, В.Ф.Селеменев, Г.Ю.Орос. Расчет коэффициентов активности аминокислот в средах с переменной диэлектрической проницаемостью // Известия вузов. Химия и химическая техноло-гия. 2001. Т.44, № 5, с.17 - 19.

Н.Я.Мокшина, В.Ф.Селеменев. Корреляционные зависимости коэффициентов распределения аминокислот и физико-химических свойств экстрагентов // Известия вузов. Химия и химическая технология. 2001. Т.44, № 6, с. 3 - 5.

Н.Я.Мокшина, В.Ф.Селеменев, Г.Ю.Орос. Явления синергизма при сорбции и экстракции биологически активных веществ // Сорбционные и хроматографические процессы. 2002. Т.2, № 2, с. 166 - 174.

Н.Я.Мокшина, В.Ю.Хохлов, В.Ф.Селеменев, Ю.В.Шляхина. Сорбция аминокислот из водно-бутанольных растворов катионитом КУ-2-8 // Сорбционные и хроматографические процессы. 2002. Т.2, № 5-6, с. 545-548.

Г.Ю.Орос, Н.Я.Мокшина, В.Ф.Селеменев. Применение методов хроматографии и спектроскопии для идентификации пигментов белковых гидролизатов // Сорбционные и хроматографические процессы. 2003. Т.3, № 5, с. 545 - 548.

Н.Я.Мокшина, В.Ю.Хохлов, Ю.В.Шляхина, В.Ф.Селеменев. Фотометрическое определение витамина А и провитамина А при совместном присутствии // Вестник ВГУ. Серия «Химия. Биология. Фармация». 2003. № 2, с. 53 - 55.

Н.Я.Мокшина, Р.В.Савушкин, В.Ф.Селеменев, О.В.Ерина, В.Л. Скопинцева. Некоторые закономерности экстракции аскорбиновой кислоты гидрофильными спиртами // Известия вузов. Химия и химическая технология. 2004. Т. 47, № 10, с. 120 - 122.

Н.Я.Мокшина, С.И.Нифталиев, О.А.Пахомова. Экстракция тирозина и фенилаланина смесью гидрофильных растворителей из водно-солевого раствора // Известия вузов. Химия и химическая технология. 2005. Т. 48, № 1, с. 109 - 112.

Ю.В.Шляхина, Н.Я.Мокшина, В.Ю.Хохлов, Н.Н.Медведева, В.Ф. Селеменев, Г.В.Шаталов. Спектроскопическое исследование комплексов поли-N-винилпирролидона с фенилаланином и валином // Известия вузов. Химия и химическая технология. 2005.Т. 48, № 6, с. 131 - 133.

О.В.Ерина, Н.Я.Мокшина, В.Ф.Селеменев, Л.С.Нечаева. Экстракционно-фотометрическое определение рутина в водных растворах // Вестник ВГУ. Серия «Химия. Биология. Фармация». 2005. № 1, с. 26 - 28.

Н.Я.Мокшина, С.И.Нифталиев, О.А.Пахомова. Экстракция некоторых алифатических аминокислот из водных растворов с применением смеси гидрофильных растворителей // Химическая технология. 2005. № 5, с. 44 - 46.

О.В.Ерина, Н.Я.Мокшина, В.Ф.Селеменев, Л.С.Нечаева. Экстракция рутина из водно-солевых сред // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. 2005. Т. 4, № 3, с. 364 - 366.

Н.Я.Мокшина, Р.В.Савушкин, Г.Ю.Орос, О.В.Ерина. Экстракция никотиновой кислоты из водно-солевых сред // Сорбционные и хроматографические процессы. 2006. Т.6, № 2, с.332 - 336.

Н.Я.Мокшина, О.А.Пахомова, С.И.Нифталиев. Экстракция аспарагина гидрофильными растворителями из водных растворов // Известия вузов. Химия и химическая технология. 2006. Т. 49, № 4, с. 8 - 11.

Ю.В. Шляхина, Н.Я Мокшина, В.Ю. Хохлов, В.Ф.Селеменев, Г.В. Шаталов. Применение водорастворимых полимеров для экстракционного извлечения ароматических аминокислот // Известия вузов. Химия и химическая технология. 2006. Т. 49, № 6, с. 20 - 22.

Н.Я.Мокшина, С.И.Нифталиев, О.А.Пахомова. Распределение ти-розина и триптофана в системе вода - бутиловый спирт - ацетон - этилацетат - сульфат лития // Сорбционные и хроматографические процессы. 2006. Т.6, № 4, с. 642 - 647.

Н.Я.Мокшина, О.А.Пахомова, С.И.Нифталиев. Селективное определение ароматических аминокислот в экстрактах на основе гидрофильных растворителей // Химическая технология. 2006. № 7, с. 45 - 47.

Н.Я.Мокшина, О.А.Пахомова, С.И.Нифталиев. Оптимизация состава трехкомпонентного экстрагента для извлечения аспарагиновой кислоты и глутамина из водных сред // Сорбционные и хроматографические процессы. 2006. Т. 6, № 6, ч. 4, с. 1414 - 1418.

Статьи в международных и российских журналах

В.Ф.Селеменев, Г.Ю.Орос, Д.Л.Котова, В.Ю.Хохлов, О.Н. Хохлова, А.Н.Зяблов, В.А.Углянская, Н.Я.Мокшина, И.В.Никифорук, Е.Ф.Сафонова, О.Ф.Стоянова. Гидратационные свойства катионитов в аминокислотных формах // Теория и практика сорбционных процессов. 1999. Т. 25, с.168 - 186.