книги из ГПНТБ / Измайлова В.Н. Структурообразование в белковых системах

также характеризуются постепенным развитием Ps до достижения стационарного значения при малых градиентах скорости и остры­ ми максимумами Prs с последующими спадами до равновесных значений Pss, поддерживающих стационарное течение. Значения напряжений сдвига Prs и P ss при разных температурах уменьша­ ются при увеличении температуры от 20 до 40° С. Время достиже­ ния P rs и P ss примерно одинаково для всех слоев.

Пределы текучести Pkt, выше которых начинается пластиче­ ское течение, уменьшаются с увеличением температуры; так же изменяются и пределы прочности структуры в условиях ста­

ционарного потока Рг. Величина участков шведовского пласти­ ческого течения одинакова во всех случаях. Пластическая вяз­ кость r]J , наибольшая для более прочного слоя, при температуре выше 30° С уже не изменяется, что свидетельствует об идентич­ ности структур при высоких температурах. Вязкости в основном разрушенной структуры, состоящей из обрывков ее, практически одинаковы, что, по-видимому, указывает на идентичность элемен­ тов, образующих структуры слоев при этих температурах.

При 20° С кривые деформация — время е (т) для слоев ПВС по виду отличаются от деформационных кривых слоев желатины, для которых характерен довольно быстрый выход на прямую. Деформации в слоях ПВС при воздействии нагрузок развиваются более медленно, необратимые деформации возникают в слое при больших напряжениях сдвига. Наблюдаемые различия можно ин­ терпретировать, принимая, что пространственные межфазные структуры этих полимеров стабилизированы водородными связя­ ми, возникающими между элементами структуры, и вероятность их образования выше в случае ПВС. Иная картина деформирова­ ния адсорбционных слоев ПВС, образованных при более высоких температурах (30—40° С),— развитие деформаций облегчается в менее структурированных слоях. Реологические характеристики слоев ПВС при разных температурах приведены в табл. 19 и на рис. 44, б. Модули, характеризующие развитие быстрых и медлен­ ных деформаций, для всех слоев довольно близки по величине.

230

Кривые развития равновесного напряжения сдвига Ps(т) в адсорбционных слоях ПВС в изученном интервале температур не отличаются от подобных кривых для слоев других биополи­ меров. Все кривые Ps (т) имеют незначительные максимумы Ртs, спадающие от равновесных значений Pss. Высота максимумов при увеличении градиента скорости незначительно растет. Стационар­ ность достигается примерно к Юлин после начала деформирования.

Характер максимумов на кривых Ps (т) свидетельствует об одинаковом характере разрушения связей в структурах изучен­ ных слоев. Прочность слоев ПВС также зависит от скорости де­ формирования и отличается по величине при разных температурах. Для слоев ПВС практически отсутствует шведовский участок плас­ тического течения. Только при больших напряжениях сдвига (градиентах скорости) четко обнаруживается бингамовский пла­ стический участок течения с постоянной вязкостью, причем вяз­ кость эта практически одинакова для слоев, сформированных при разных температурах. Очевидно, это также свидетельствует об идентичности структурных элементов данных слоев.

Кривые развития деформации во времени межфазного адсорб­ ционного слоя сывороточного альбумина человека на границе с бензолом (при концентрации белка в водной фазе, равной 0,1 г/100 мл, pH 5,1 и 20° С) обнаруживают, так же как и в случае слоев желатины, быстрый выход кривых развития деформаций на прямую. При малых напряжениях сдвига в слое развиваются только быстрая и медленная эластические деформации, исчезаю­ щие постепенно после снятия нагрузки. Начиная с определенного значения, на развивающиеся еще эластические деформации накла­ дываются необратимые деформации течения, которые развиваются с постоянной скоростью; об их появлении свидетельствуют кривые разгрузки.

Реологическая кривая для ЧСА показана на рис. 44, в. Для межфазных адсорбционных слоев ЧСА характерна твердообразная структура, проявляющая полностью обратимые эластические деформации при небольших напряжениях сдвига. При достиже­ нии предела текучести обнаруживается пластическое течение с еще неразрушенной структурой, успевающей восстанавливаться; затем при определенном напряжении и критическом градиенте скорости начинается разрушение, которое превалирует над вос­ становлением, и течение происходит с минимальной пластической вязкостью (бингамовская область пластического течения).

Известно, что прочность межфазных адсорбционных слоев ЧСА^в интервале температур от 10 до 80° С возрастает с повыше­ нием температуры, что свидетельствует об основной роли гидро­ фобных взаимодействий в образовании двухмерной структуры адсорбционных слоев ЧСА. Рассмотрим влияние температуры на реологические характеристики и на характер течения в слоях. Кроме изучения реологических свойств при комнатной темпера­ туре, слои изучались также при 40 и 60° С.

231

Таблица 20. Реологические характеристики межфазного адсорбционного слоя глобулярных белков на границе водный раствор/бензол при разных температурах

Реологические характеристики слоев глобулярных белков сывороточного альбумина и лизоцима, вычисленные по измерени­ ям деформаций во времени, приведены в табл. 20 и на рис. 54. При повышении температуры от 20 до 60° С происходит нараста­ ние всех характеристик структуры слоя. С помощью седиментационного анализа и электрофореза в растворах ЧСА, подвергну­ тых нагреванию, обнаружено было три компонента — нативные молекулы, денатурированные молекулы и агрегаты последних. При нагревании в течение некоторого времени устанавливается равновесие между этими компонентами, зависящее от температуры [165]. Образование межфазного слоя ЧСА на границе раздела жидких фаз при повышенных температурах (30—40° С) приводило' к усилению твердообразных свойств слоя, о чем свидетельствуют значения модулей эластических деформаций, вязкость эластич­ ности и периоды упругого последействия.

При повышении температуры возрастают и значения пределов прочности структуры слоя, определяемые по максимуму кривых Ps (т), и значения равновесных напряжений сдвига Pss, достигае­ мые в стационарном потоке при постоянной скорости сдвига. Соответственно с упрочнением структуры слоя при повышении температуры течение начинается при больших значениях предель­ ного напряжения сдвига Pss. Пластические вязкости при больших скоростях сдвига (в бингамовской области течения) при всех тем­ пературах не отличаются по своей величине, что свидетельствует об идентичности структурных элементов слоя ЧСА.

Из измерений межфазной прочности известно, что лизоцим об­ разует более прочные твердообразные слои на межфазных гра­ ницах, чем ЧСА, причем прочность слоев лизоцима также возраста­ ла с увеличением температуры выше 50° С, что свидетельствовало

232

об образовании структуры слоя за слет гидрофобных связей. Сведения о реологических свойствах межфазных адсорбционных слоев лизоцима при различных температурах (при нагревании до 60—70° С) можно получить из рис. 44, г и табл. 20.

Как известно, лизоцим отличается от других белков своей

pH 11, имеет максимальную тепловую стабильность при pH 5,5. Большая стабильность лизоцима нри pH > 7 объясняется, оче­ видно, наличием дисульфидных связей [166]. При нагревании до 60° С резко возрастают все реологические характеристики слоя, особенно модуль медленной эластической деформации и вязкость эластичности. Кривые развития равновесного напряжения сдвига Ps (т) также характеризуются большими значениями пределов прочности структуры слоя Prs и значениями напряжений сдвига, поддерживающих стационарное течение Pss. Время достижения стационарности увеличивается с повышением температуры от 300

до 480 сек.

Кривые зависимости градиента скорости от напряжения сдви­ га г (Pss) имеют больший наклон к оси абсцисс, характеризуются наличием бингамовского пластического участка течения и предела текучести, после которого следует сразу участок, соответствующий течению с переменной вязкостью. С увеличением температуры в слое возрастают величины пределов текучести и пределов проч­ ности структуры в результате ее упрочнения в условиях стацио­

нарного потока Рг. Чем прочнее структура и чем больше взаимо­ действие между ее элементами, тем больше и пластическая вяз­ кость. При течении, когда структура почти разрушена, пластиче­ ская вязкость практически не зависит от изменения температуры в системе, следовательно, как и в случае другого глобулярного бел­ ка — сывороточного альбумина, повышение температуры не при­ водит к изменению параметров структурных элементов.

Из реологических данных, характеризующих свойства адсорб­ ционных межфазных слоев лизоцима, можно сделать вывод, что эти слои, обладающие твердообразными свойствами, по-видимо- му, упакованы малодеформированными глобулами, между ко­ торыми осуществляется большое число межмолекулярных кон­ тактов. Этот вывод согласуется с точкой зрения некоторых других исследователей.

Лизоцим, как известно [167], не образует протяженных мо­ нослоев из-за слабого развертывания молекул, которые имеют очень жесткую регулярную структуру, «сшитую» четырьмя дисульфидными связями. Мономолекулярный слой, полученный из нативного лизоцима, состоит из молекул, форма которых близка к их форме в растворе. Влияние углеводородной фазы на реологиче­ ские характеристики межфазных адсорбционных слоев изуча­ лось на примере слоев лизоцима на границе с бензолом и пента­ деканом. Связывающая способность макромолекул лизоцима в

233

растворах по отношению к бензолу вдвое превышает связывание пентадекана.I Прочность межфазного адсорбционного слоя лизоци­ ма на границе с бензолом также значительно превышает прочность слоя, сформированного на границе с пентадеканом. Изучение рео­ логического поведения межфазного адсорбционного слоя лизо­ цима на границе с пентадеканом, так же как и на границе с бен­ золом, проводилось при концентрациях лизоцима в растворе 1,0 а/100 мл, pH 5,3 и температуре 20° С. Сравнение реологических характеристик межфазного адсорбционного слоя лизоцима, фор­ мирующегося на границе с пентадеканом (табл. 21 и рис. 45), также

вывод представляется фундаментальным и прежде всего определяет возможные пути эффективного исследования межфазных слоев и требует осторожности в оценке результатов многих исследова­ ний, выполненных с использованием методик, пригодных для изучения жидких и жидкообразных систем. Так, метод измерения поверхностного натяжения, по-видимому, пригоден только для изучения скоростей адсорбции на ранних стадиях формирования слоя, тогда как рассмотрение конечных или «равновесных» ве­ личин поверхностного натяжения в таких системах не имеет фи­ зического смысла.

234

Таблица 21. Реологические характеристики межфазного адсорбционного

Чрезвычайно заманчиво провести сравнение реологических параметров межфазных слоев различных полимеров. Это позволи­ ло бы выяснить особенности пространственной упаковки возникаю­ щих межфазных пленок. Однако все параметры, представленные в табл. 13—21, отнесены к линейному сантиметру и не учитывают реальной толщины слоя, образующегося в определенных услови­ ях опыта. Для конкретного сравнения необходимо провести оцен­ ку параметров с учетом толщин межфазных слоев.

Определение толщин межфазных слоев до сих пор представля­ ет существенную трудность. Оценить толщины адсорбционных слоев ВПАВ, возможно, по-видимому, определяя равновесные толщины свободных пленок [168, 169], образующихся при вытека­ нии растворителя, считая, что толщина равновесной пленки при­ близительно равна удвоенной толщине межфазного слоя. Суще­ ствует и другая возможность, связанная с исследованием оптиче­ ских свойств (например зависимости интенсивности отраженного света от длины волны) пленок ВПАВ, сформированных на межфаз­ ных жидких границах и перенесенных на полированные металли­ ческие поверхности [170]. В работе [171] эллипсометрическим методом определяли толщины адсорбционных слоев полиэтилен­ гликоля и поливинилпирролидона в водных растворах на границе с воздухом. Авторы наблюдали постепенное увеличение толщины слоя во времени до предельного значения, не изменяющегося во времени. Так, предельная толщина слоя полиэтиленгликоля рав­ на 250 А (концентрация полимера в растворе 3 г/100 мл), а толщина слоя поливинилпирролидона (при концентрации 2—6 г 100 мл) 650 А. Интересно, что с увеличением температуры предельные тол­ щины адсорбционных слоев этих полимеров несколько возраста­

онных слоев ВПАВ лежат в пределах от нескольких десятков до нескольких тысяч ангстрем. С учетом толщины адсорбционных межфазных слозв проведем приближенный пересчет реологиче­ ских параметров на объемные. Модули быстрой эластической деформации Elt медленной эластической деформации Ег и равно­

235

весный модуль эластичности Е по порядку величин равны 105— 10® дин/см2; вязкость упругого последействия т]2 равна 107— 10® дин ■см~2 • сек; бингамовская вязкость составляет 103—105 дин*

•см~2-сек.

Шведовская пластическая вязкость неразрушенной структуры т]0 по порядку величины совпадает с условной вязкостью упругого последействия т]2, т. е. на еще развивающиеся эластические де­ формации накладывается пластическое течение с вязкостью по­ рядка 107—108 пз. Бингамовская пластическая вязкость на три

порядка меньше шведовской вязкости г}0 и вязкости упругого по­ следействия г|2. Эта вязкость, характеризующая течение в основ­ ном разрушенной структуры, на 6—8 порядков выше вязкости чистой воды (дисперсионной среды).

Сравним реологические характеристики межфазных адсорб­ ционных слоев желатины, пересчитанные с учетом толщины ад­ сорбционных слоев h [86] на соответствующие объемные величины по формуле Z = Zs-/i_1, с реологическими параметрами, опреде­ ленными Ивановой -Чумаковой, Ребиндером и Крус [172] для ге­ лей желатины (табл. 22). Из таблицы видно, что в межфазном адсорбционном слое желатины на границе с бензолом при концент­ рации еэ в водном растворе, равной 0,1%, образуется структура, подобная гелю при с = 15%. Таким образом, наблюдается ана­ логия не только в механизме образования, но и в реологических свойствах двухмерных и трехмерных структур поверхностно-ак­ тивного биополимера — желатины.

Таблица 22. Модули быстрой (Е 1а и E i) и медленной (E 2s и Е 2) эласти­ ческих деформаций и условная вязкость упругого последействия (т]2„> Д)

для межфазных адсорбционных слоев желатины на границе с бензолом в пересчете на объемные характеристики с учетом толщин адсорбционных

В работе Щукина и Ребиндера [173], посвященной теоретиче­ ской разработке реологии дисперсных структур, было показано, что обратимость деформаций в таких структурах (когда «обычная» упругость, свойственная твердому телу и характеризуемая вы­ сокими значениями модуля упругости порядка 1010—1012 дин/см2,

236

не может, очевидно, проявляться) рассматривается как следствие изменений энтропии в системе, связанных с изменениями взаим­ ной ориентации частиц, подобно тому как описывается эластичность полимерных материалов, обусловливаемая статистикой конфигу­ раций цепей макромолекул [174]. При этом относительно быстро протекающая первая стадия последействия может быть связана с поворотами частиц без поступательных перемещений друг от­ носительно друга, а вторая, медленная — с последующим разви­ тием процесса соориентации частиц уже с участием взаимного скольжения, т. е. постепенного перемещения точек коагуляцион­ ных контактов по поверхности частиц.

Рассматриваемые процессы упругого (эластического) последей­ ствия могут быть приближенно описаны простой реологической моделью, включающей две последовательно соединенные ячейки Кельвина. Полученным макрореологическим параметрам, отве­ чающим поведению коллоидно-дисперсных суснензий при малых напряжениях сдвига, дается приближенное количественное опи­ сание на основе представлений о микропроцессах в тиксотропной коагуляционной структуре.

Модуль эластичности. Щукин и Ребиндер [173] рассматривают структурированную систему в условиях однородного сдвига при постоянной температуре Т и напряжении т, которое заменяет в данном случае давление Р. Поведение такой системы может быть

а знак члена те отвечает условию: работа положительна, если со­ вершается над системой. Пренебрегая истинными упругими де­ формациями, которые при данных напряжениях очень малы, и рассматривая лишь указанные эластические деформации, связан­ ные с применением взаимного расположения частиц, можно счи­ тать: U — const; S = Sx -{- S%(е), где S x fie зависит от деформаций е, a S% (е) — «конфигурационная» составляющая энтропии, по­ лагая, что е и S 2 равны 0 при т = 0.

При постоянных Т и т равновесие отвечает минимуму потен­ циала Ф и единственным варьируемым параметром является при этом деформация

(24)

Поскольку н и х имеют один знак, это отвечает уменьшению энтро­ пии с ростом деформации.

Условием того, что экстремум действительно является мини­ мумом, служит условие

(24')

Это означает, что энтропия должна убывать с ростом деформации не менее резко, чем е2.01

В качестве модели коагуляционной структуры можно рассмот­ реть [175] систему одинаковых анизометричных частиц — палочек

По схеме Ребиндера и Щукина, получившей в дальнейшем развитие при участии Перцова и Ющенко [176], равновесию си­ стемы в отсутствие напряжений отвечает беспорядочное располо-

Рис. 46. К оценке проекции размера частиц на данную ось

жение, т. е. равновероятная ориентация частиц и средняя величи­ на проекции 2 размера частиц 8 на любое направление имеет одно и то же значение

где N — число частиц дисперсной фазы в единице объема системы. Действительно, в координатах 0 и ф проекция размера частицы

Предположим теперь, что в результате действия напряжения, приложенного в направлении избранной полярной оси, произошла

238

частичная соориентация частиц («текстурирование») в данном направлении и средняя величина проекции размеров частиц на это направление увеличилась. Чтобы оценить вероятность такого состояния системы, воспользуемся следующими соображениями

[176].

Поскольку проекция каждой частицы z — случайная величина, к системе применена центральная предельная теорема Ляпунова, и распределение среднего значения проекции z является нормаль­ ным распределением с математическим ожиданием р, = 6/2 и

дисперсией а2 = а\Ш = 82/12 N. При этом функция

f(z) = —|= е х р [ — (z — р)а/2а]

У 2яз

выражает вероятность данного отклонения средней величины проекции размеров частиц на избранную ось от наиболее вероят­ ного среднего значения в отсутствие соориентации 6/2. Вместе с тем это отклонение по его физическому смыслу можно рассматри­ вать как величину, близкую к величине относительной деформа­ ции в системе:

[z - 6/2]

(29)

(6/ 2)

При этом предполагается случай «сильной» анизометрии частиц. Если анизометрия частиц выражена слабо», то можно предполагать, что деформация е определенным образом связана с характери­ стикой степени анизометрии, например в простейшем случае ли­

В таком случае вероятность деформации е, обусловленной со-

де от состояния 8 = 0 к некоторому определенному значению е

где N = ElfykT, а безразмерный коэффициент |5 по порядку ве­ личины не сильно отличается от 1.

Ю* 239