Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Вследствие малой растворимости в воде выделение тирозина и триптофана из водных сред затруднено. В классическом варианте жидкостной экстракции одной из фаз системы является водный раствор, другой – органический растворитель, практически нерастворимый в воде. В качестве экстрагентов для извлечения органических веществ из водных растворов традиционно применяются гидрофобные растворители разных классов – спирты, эфиры, кетоны, алифатические и ароматические углеводороды, их нитро- и галогензамещенные. Однако эффективность таких систем мала, коэффициенты распределения, как правило, находятся в интервале 0.03 – 0.17, степень извлечения не превышает 0.30 % –1.67 % [2]. Для экстракции тирозина и триптофана нами предлагается трехкомпонентная смесь гидрофильных растворителей (бутиловый спирт - ацетон - этилацетат). Она имеет следующие преимущества по сравнению с индивидуальными растворителями: повышенная растворяющая способность по отношению к аминокислотам, возможность раздельного титрования кислот в экстракте, отсутствие побочных реакций, высокая точность определения. Кроме того, в соответствующих концентратах возможно определение аминокислот с применением косвенных физико-химических, например, электрохимических методов. Инструментально-титриметрические определения исключают стадию реэкстракции, позволяют селективно определять гомологи и изомеры, прогнозировать количественные характеристики межфазного распределения тирозина и триптофана.

Методика эксперимента состояла в следующем. Готовили водный раствор (30 мл) смеси тирозина и триптофана с исходными концентрациями 0,1 и 0,01 мг/мл соответственно (в ферментационных растворах поддерживается именно такое соотношение концентраций триптофана и тирозина). К приготовленным растворам добавляли кристаллический сульфат лития до получения раствора с концентрацией соли 20 мас. %. Установлено, что при таком содержании высаливателя достигаются максимальные коэффициенты распределения тирозина и триптофана в системе смесь гидрофильных растворителей – вода. При содержании высаливателя в растворе более 30 мас. % выделяются кристаллы сульфата лития, экстракция невозможна. Присутствие электролита в системе – обязательное условие экстракции из водных сред частично или неограниченно смешивающимися с водой растворителями. Механизм действия соли заключается в изменении ионной силы раствора, что способствует переходу распределяемого вещества из водной фазы в органическую [3].

К водно-солевому раствору добавляли 3 см3 смеси бутиловый спирт – ацетон – этилацетат, экстрагировали на вибросмесителе 5 мин (в течение этого времени достигается межфазное равновесие). После расслаивания системы (1-2 мин) экстракт отделяли, не захватывая водного слоя, и количественно переносили в ячейку для кондуктометрического титрования. Титрант – 0,01 моль/дм3 раствор КОН в безводном этиловом спирте. Экстракт анализировали методом кондуктометрического титрования, соответствующие измерения проводили в стандартной ячейке с платиновыми электродами.

Коэффициенты распределения аминокислот и степень извлечения рассчитывали по известным формулам.

В водной фазе, содержащей сульфат лития, отсутствует органический растворитель, мольные соотношения соль - вода практически не зависят от природы экстрагента. Это подтверждает, что вода в водной фазе полностью входит в сольватные сферы ионов соли.

Эффекивность экстракции трехкомпонентной смесью гидрофильных растворителей бутиловый спирт – ацетон – этилацетат значительно выше по сравнению с экстракцией изученными бинарными смесями (таб. 1).

Таблица 1. Состав смеси гидрофильных растворителей для экстракции тирозина и триптофана из водно-солевого раствора; n = 4; P = 5.

Установлено, что триптофан и тирозин сольватируются органическими растворителями как цвиттер–ионы за счет образования межмолекулярных водородных связей, причем сольватация амино- и карбоксигрупп может происходить с протонным переносом и без него [4].

Наибольшие коэффициенты распределения достигаются в системах с относительно невысоким содержанием этилацетата. Это связано с тем, что при добавлении к активному растворителю (ацетон) этилацетата и изопропилового спирта апротонный растворитель (этилацетат) способствует ослаблению межмолекулярных водородных связей, что усиливает сольватацию аминокислот бутиловым спиртом и этилацетатом, способствует повышению коэффициентов распределения тирозина и триптофана и достижению практически полного (~ 98%-ного) извлечение аминокислот при однократной экстракции [5].

Однако имеется сложность применения трехкомпонентных смесей гидрофильных растворителей, заключающаяся в выборе оптимального соотношения компонентов системы. Задача, как правило, решается эмпирически на основании обширного эксперимента. Применение математических методов планирования эксперимента значительно сокращает временные и материальные затраты на решение этой задачи.

При установлении оптимального соотношения растворителей в трехкомпонентной смеси реализован симплекс-решетчатый план третьего порядка. За единицу принята сумма мольных объемов гидрофильных экстрагентов: Х₁– бутиловый спирт, Х₂ – ацетон, Х₃ – этилацетат. При статистической обработке экспериментальных данных получены уравнения регрессии, проверка которых по критерию Фишера показала, что неполные квадратичные модели адекватно описывают экспериментальные результаты и, следовательно, могут быть применены для оптимизации состава трехкомпонентного экстрагента:

- тирозин

Y = 136X₁ + 95X₂ + 132X₃ + 198X₁X₂ + 259X₁X₃ +3156X₂X₃- 212X₁X₂(X₁ – X₂) + 422X₁X₃(X₁ – X₃) – 195X₂X₃(X₂ – X₃) + 793X₁X₂X₃ ;

- триптофан

Y = 96X₁ + 130X₂ + 103X₃ + 224X₁X₂ + 181X₁X₃ + 393X₂X₃ + 169X₁X₂(X₁ – X₂) + 462X₁X₃(X₁ – X₃) + 367X₂X₃(X₂ – X₃) +821X₁X₂X_3.

Таблица 2. Симплекс - решетчатый план третьего порядка для трехкомпонентной смеси растворителей

По полученным уравнениям регрессии построены номограммы - контурные кривые равных коэффициентов распределения тирозина и триптофана. На основании номограмм устанавливали оптимальный состав смеси экстрагентов. Возможно решение обратной задачи – прогнозирование коэффициентов распределения тирозина и триптофана в зависимости от содержания отдельных растворителей в трехкомпонентной смеси экстрагентов. Установлено, что 97 - 98 %-ное извлечение достигается при применении трехкомпонентной смеси гидрофильных растворителей, состоящей из 80 мас.% бутилового спирта, 15 мас.% ацетона и 5 мас.%, этилацетата.

Полученные данные позволяют рекомендовать трехкомпонентную смесь растворителей на основе бутилового спирта, ацетона и этилацетата как эффективную систему для извлечения тирозина и триптофана из водно-солевых растворов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Garrett R.H., Grisham C.M. Molecular aspects of Cell Biology. – Fort Worth, Philadelphia et al.: Saunders College Publ. – 1995. – 1227-1243.

2. Коренман Я.И. Коэффициенты распределения органических соединений. Справочник. Воронеж: Изд– во Воронеж. гос. ун-та. – 1992. – 336 с.

3. Соловкин А. С. Высаливание и количественное описание экстракционных равновесий. – М.: Атомиздат. – 1969. – 124 с.

4. Мокшина Н.Я., Селеменев В.Ф, Матвеева М.В., Крестикова Ю.В. Экстракция тирозина и фенилаланина гидрофильными растворителями // Журн. аналит. химии. –1994. – Т. 49. № 11. – С. 1193 - 1196.

5. Коренман Я.И., Нифталиев С. И. Экстракция хлорфенолов гидрофильными растворителями // Журн. прикл. химии. – Т. 66. № 6. – С. 1394 - 1397.