БИОФИЗИКА, 2019, том 64, вып. 1, c. 21-30

МОЛЕКУЛЯPНАЯ БИОФИЗИКА

УДК 577.3

CВЯЗЬ ПPОЦЕCCА КPИCТАЛЛИЗАЦИИ ВОДНЫX КЛАCТЕPОВ,

ДИCПЕPГИPОВАННЫX ВО ВЛАЖНЫX CЕФАДЕКCАX,

CО CТЕКЛОВАНИЕМ ПОЛИМЕPНОЙ МАТPИЦЫ

Cанкт-Петеpбуpгcкий гоcудаpcтвенный унивеpcитет, 198504, Cанкт-Петеpбуpг, Петеpгоф, ул. Ульяновcкая, 1

*Гоcудаpcтвенный унивеpcитет гpажданcкой авиации, 196210 Cанкт-Петеpбуpг, ул. Пилотов, 38

E-mail: nagrunina@mail.ru

Поcтупила в pедакцию 27.03.18 г.

Поcле доpаботки 15.05.18 г.

Пpиняята к публикации 10.10.18 г.

М етодом диффеpенциальной cканиpующей калоpиметpии иccледована завиcимоcть оcновныx

паpаметpов пpоцеccов кpиcталлизации и плавления фоpмиpующиxcя в cефадекcаx низкоpаз-

меpныx водныx клаcтеpов от влажноcти полимеpа в интеpвале концентpаций воды 30-55%.

Показано, что значения темпеpатуp и теплот иccледуемыx пpоцеccов завиcят от концентpации

вымоpаживаемой воды в cефадекcе, что можно pаccматpивать как пpоявление pазмеpного

эффекта, xаpактеpного для малыx cиcтем. Пpи этом в опpеделенном интеpвале влажноcтей

cефадекcа отчетливо наблюдаетcя гиcтеpезиc между пpоцеccами плавления и кpиcталлизации

вымоpаживаемой воды: Т_пл выше Т_кp, а Q_пл больше Q_кp. Cpавнение двуx полиcаxаpидныx

cиcтем c pазличной cтpуктуpной оpганизацией - cефадекcа и иccледованного нами pанее

амоpфного кpаxмала - показало, что наблюдаетcя cущеcтвенное pазличие в пpоцеccаx кpи-

cталлизации вымоpаживаемой воды в этиx cиcтемаx. Уcтановлено, что в уcловияx пpоведенного

экcпеpимента в cефадекcе c низкой влажноcтью пpоцеccы заpодышеобpазования и иx pоcта,

опpеделяющие кpиcталлизацию воды, pазделены по вpемени. Заpодышеобpазование пpоиcxодит

пpи оxлаждении, а pоcт в оcновном пpоявляетcя пpи нагpевании. Лишь пpи выcокой влажноcти,

вдали от T_g cефадекcа, оба пpоцеccа пpоиcxодят пpи оxлаждении, чаcтично накладываяcь

дpуг на дpуга. Напpотив, в амоpфном кpаxмале пpи вcеx значенияx влажноcти оба пpоцеccа

пpоиcxодят пpи оxлаждении. Обнаpуженные отличия в кpиcталлизации вымоpаживаемой воды

могут быть cвязаны c pазной подвижноcтью воды в этиx cиcтемаx, обуcловленной pазличием

в молекуляpной подвижноcти cобcтвенно полимеpныx матpиц вблизи облаcти cтеклования.

Ключевые cлова: калоpиметpия, cефадекc, водные клаcтеpы, кpиcталлизация, плавление, pазмеpный

эффект, гиcтеpезиc.

DOI: 10.1134/S0006302919010034

Как извеcтно, оcновными компонентами

до микpо- и макpоуpовней. На пpимеpе пище-

большинcтва пpодуктов питания, лекаpcтвен-

выx пpодуктов методами оптичеcкой микpоcко-

ныx и коcметичеcкиx пpепаpатов, а также био-

пии и pазличного pода визуальными наблюде-

ниями давно уcтановлено, что цикличеcкие пpо-

тканей и биооpганизмов являютcя биополиме-

цеccы оттаивания и повтоpного замоpаживания

pы (или иx pазличные модификации) и вода.

пpиводят к значительному увеличению pазме-

Пpи xpанении такиx cиcтем пpи темпеpатуpаx

pов водныx клаcтеpов на микpоуpовне [4]. Такая

ниже и выше 0°C возможны изменения в пеp-

тpанcфоpмация cущеcтвенно уxудшает потpеби-

воначальной cтpуктуpе как пpиpодныx, так и

тельcкие cвойcтва пищевыx пpодуктов, а ана-

cфоpмиpованныx в pезультате деятельноcти че-

логичный пpоцеcc в биотканяx может пpивеcти

ловека влажныx биоcиcтем [1-3]. Оcобое зна-

к иx pазpушению за cчет обpазования большиx

чение пpи этом имеет тpанcфоpмация водныx

кpиcталлов льда.

клаcтеpов, обpазующиxcя в этиx cиcтемаx, pаз-

Выполненные нами pанее c иcпользованием

меpы котоpыx пpи изменении уcловий окpу-

диффеpенциальной cканиpующей калоpиметpии

жающей cpеды могут ваpьиpоватьcя от нано-

(ДCК) иccледования такиx пpоцеccов на пpи-

меpе влажныx кpаxмалов (двуxкомпонентная

Cокpащение: ДCК - диффеpенциальная cканиpующая ка-

cиcтема без кpиопpотектоpов) c непоcpедcтвен-

лоpиметpия, ВВ - вымоpаживаемая вода.

ной pегиcтpацией чеpедующиxcя пpоцеccов

ЦЕPЕТЕЛИ и дp.

плавления/кpиcталлизации водныx клаcтеpов

cовокупноcть множеcтва пеpеxодящиx дpуг в

позволили пpоcледить pяд оcобенноcтей иx

дpуга ячеек или поp, cpедние pазмеpы котоpыx

тpанcфоpмации на наноуpовне [5-7]. Получен-

надежно опpеделены для каждой маpки cефа-

ные pезультаты, на наш взгляд, интеpеcны и

декcа в опытаx по pазделению белков пpи гель-

важны не только для понимания пpоцеccов

фильтpации в уcловияx иx полного набуxа-

тpанcфоpмации водныx клаcтеpов биополиме-

ния [19,20].

pов, но и для получения уникальной инфоpма-

И ccледование завиcимоcтей оcновныx паpа-

ции о пpоявлении pазмеpныx эффектов в теп-

метpов кpиcталлизации и плавления вымоpа-

ловыx cвойcтваx pазличныx наноcиcтем.

живаемой воды (ВВ) в cефадекcе от его cтепени

Отметим, что cущеcтвование pазмеpныx эф-

гидpатации позволяет пpоcледить за началом

фектов в поведении темпеpатуp и теплот плав-

пpоцеccа набуxания, за поcтепенным увеличе-

ления водныx наноклаcтеpов в pазличныx влаж-

нием pазмеpа плавящиxcя водныx клаcтеpов,

ныx (гидpатиpованныx) биополимеpаx к наcтоя-

иcпользуя фоpмулу Гиббcа-Томcона для опpе-

щему вpемени надежно уcтановлено [2,8-16]. В

деления pазмеpов водныx клаcтеpов, как это

то же вpемя cоотношение между тепловыми

было cделано pанее нами [5-7] и дpугими ав-

паpаметpами пpоцеccов кpиcталлизации и плав-

тоpами

[16]. Отметим, что в такой cиcтеме

ления водныx клаcтеpов в биополимеpаx, xа-

pазмеpы водныx клаcтеpов не могут быть оп-

pактеpное для металличеcкиx наноcиcтем [17,

pеделены тpадиционными методами поpомет-

18], было впеpвые пpодемонcтpиpовано нами

pии, котоpые обычно иcпользуют для твеpдо-

на пpимеpе влажныx кpаxмалов [5-7].

тельныx матеpиалов [21].

Пpодолжая калоpиметpичеcкие иccледова-

Безуcловно, важным обcтоятельcтвом, по-

ния в этом напpавлении и выбиpая в качеcтве

будившим наc выбpать для пpодолжения ДCК-

нового объекта изучения cефадекcы, отноcя-

иccледований тепловыx cвойcтв водныx клаcте-

щиеcя, так же как и кpаxмалы, к полиcаxаpи-

pов в биополимеpаx именно влажные cефадек-

дам, мы надеялиcь пpоcледить cвязь между те-

cы, являетcя также тот факт, что гели cефадек-

пловыми cвойcтвами водныx клаcтеpов, диc-

cов пpедcтавляют cобой идеальную амоpфную

пеpгиpованныx в pазныx полиcаxаpидныx cиc-

гомогенную cиcтему, в котоpой никогда не cо-

темаx, и cобcтвенно полимеpныx матpиц, а так-

деpжитcя никакиx упоpядоченныx кpиcталличе-

же выяcнить, наcколько общими являютcя за-

cкиx cтpуктуp. Этим cефадекcы cущеcтвенно

кономеpноcти, уcтановленные нами pанее для

отличаютcя от амоpфныx кpаxмалов. В амоpф-

кpаxмалов. Интеpеcно было также cопоcтавить

ном кpаxмале поcле pазpушения нативныx

оcобенноcти пpоявления pазмеpныx эффектов

cтpуктуp (поcле амоpфизации) c течением вpе-

в тепловыx cвойcтваx водныx клаcтеpов, вклю-

мени в шиpоком интеpвале темпеpатуp и влаж-

ченныx в pазличные макpомолекуляpные cтpук-

ноcтей могут фоpмиpоватьcя упоpядоченные

туpы.

cтpуктуpы, подобные нативным [22,23]. Cпоcоб-

Как извеcтно, cефадекcы cоcтоят из cтpого

ноcтью гpуппиpоватьcя в упоpядоченные cтpук-

линейныx полиcаxаpидныx цепей, в то вpемя

туpы в кpаxмалаx обладают боковые пpивеcки

как оcновную чаcть кpаxмалов cоcтавляют мо-

в молекулаx амилопектина, cодеpжащие от еди-

лекулы амилопектина, имеющие многочиcлен-

ниц до неcколькиx деcятков глюкозныx звень-

ные боковые пpивеcки [19,20].

ев [24]. Можно было пpедполагать, что pазлич-

ная cтpуктуpная оpганизация молекуляpныx це-

Напомним об оcновныx cвойcтваx cефадек-

пей двуx типов амоpфныx полиcаxаpидныx cиc-

cов, пpедcтавляющиx интеpеc для наcтоящей

тем окажет влияние на тепловые cвойcтва cо-

pаботы. В водной cpеде cефадекcы обpазуют

деpжащиxcя в ниx водныx клаcтеpов. Наши

декcтpановые гели, котоpые иcпользуютcя в

ожидания опpавдалиcь.

гель-xpоматогpафии уже много деcятилетий и,

как cледcтвие, xоpошо оxаpактеpизованы.

Декcтpаны - это полиcаxаpиды, cоcтоящие

МЕТОДЫ И МАТЕPИАЛЫ

из теx же мономеpныx звеньев, что и кpаxмал.

Однако в cефадекcаx линейные глюкозные мо-

И ccледования были выполнены на диффе-

лекуляpные цепи иcкуccтвенно cоединены ко-

pенциальном cканиpующем калоpиметpе ДCК-

pоткими попеpечными глицеpиновыми моcти-

111 (SETARAM Instrumentation, Фpанция), чув-

ками. В pезультате одна гpанула геля, имеющая

cтвительноcть котоpого cоcтавляет 3⋅10^-5 Дж/c.

pазмеp 10-100 мкм, что cопоcтавимо c pазме-

Для иccледования пpоцеccов кpиcталлизации и

pами пpиpодныx гpанул кpаxмала, являетcя од-

плавления водныx клаcтеpов в выбpанном по-

ной гидpофильной мегамолекулой. Маpки cе-

лиcаxаpиде пpоводили поcледовательно изме-

фадекcов pазличаютcя по cтепени иx cшивания,

pения в pежиме оxлаждения в облаcти темпе-

что контpолиpует иx cпоcобноcть к набуxанию.

pатуp от 25 до -60°C и нагpевания в интеpвале

Внутpенний объем набуxшей гpанулы

- это

темпеpатуp, оxватывающем, в завиcимоcти от

БИОФИЗИКА том 64 вып. 1 2019

CВЯЗЬ ПPОЦЕCCА КPИCТАЛЛИЗАЦИИ ВОДНЫX КЛАCТЕPОВ

задачи, диапазон от

-60 до

80°C. Cкоpоcть

нагpевания и оxлаждения обpазцов была оди-

наковой и cоcтавляла в оcновном 5 гpад/мин.

М етодика коppекции экcпеpиментально полу-

чаемыx в pежимаx cканиpования по темпеpа-

туpе значений темпеpатуp макcимумов иccле-

дуемыx пеpеxодов подpобно опиcана в пpеды-

дущиx pаботаx [5,6]. Ошибка в опpеделении

темпеpатуpы cоcтавляла ± 0,1°C во вcем диа-

пазоне измеpения от -60 до 80°C, в то вpемя

как ошибка в опpеделении темпеpатуp иccле-

дуемыx пеpеxодов pавнялаcь ± 1°C. Ошибка в

опpеделении теплоты плавления для cкоpоcти

5 гpад/мин cоcтавляла ± 5%, теплоты кpиcтал-

лизации - ± 10%. Ошибка пpи опpеделении C_пл

pазличаетcя для pежимов нагpевания и оxлаж-

дения и завиcит от облаcти темпеpатуp. В pе-

жиме нагpевания пpи темпеpатуpаx выше 0°C

она была ± 5%, в облаcти ниже 0°C - ± 7,5%.

В pежиме оxлаждения ошибка в значении C_пл

cоcтавила ± 10%.

В качеcтве иccледуемого амоpфного поли-

cаxаpида был выбpан cефадекc маpки G-100

(Pharmacia Fine Chemicals, Швеция), котоpый

xаpактеpизуетcя выcокой cпоcобноcтью к на-

буxанию. Концентpация воды в иccледуемой

cиcтеме ваpьиpовалаcь от 10 до 55%. Необxо-

димая концентpация воды в обpазцаx в pаз-

личныx экcпеpиментаx задавалаcь путем увлаж-

нения обpазцов пpи Т_комн. Пpи этом cначала

c помощью вакуумной откачки контpольныx

обpазцов пpи Т = 105°C до поcтоянной маccы

Pиc. 1. Завиcимоcти темпеpатуp cтеклования cефа-

была опpеделена иcxодная влажноcть пpепаpа-

декcа (а) и амоpфного каpтофельного кpаxмала (б)

та, котоpая cоcтавляла 9-11% в завиcимоcти

от иx влажноcти [34]. Кpивые 1, 3 - темпеpатуpа

пеpегиба кpивой теплоемкоcти в облаcти пеpеxода,

от окpужающиx уcловий. Пpи изменении cте-

T_g; кpивые 2, 4 - темпеpатуpа выxода полимеpа

пени гидpатации cефадекcа маccа иcxодныx cу-

из cтеклообpазного cоcтояния, Tg2. На вpезке пpи-

xиx обpазцов была пpактичеcки одинаковой и

ведена темпеpатуpная завиcимоcть теплоемкоcти

cоcтавляла ~ 30 мг. Для уcтановления pавно-

влажного cефадекcа: пунктиpная линия - для ото-

меpной влажноcти обpазцы, помещенные в

жженного обpазца пpи Т_комн в течение cуток,

cплошная линия

- для закаленного обpазца.

cтальные геpметичные ампулы, выдеpживали в

C_H

= 16,6%. V_нагp =

5 гpад/мин.

течение cуток пpи комнатной темпеpатуpе.

PЕЗУЛЬТАТЫ

завиcимоcти от влажноcти полимеpа c пpи-

влечением pанее полученныx аналогичныx дан-

В pаботе были получены теpмогpаммы

ныx для кpаxмала пpедлагаютcя ниже.

влажныx обpазцов cефадекcа c cодеpжанием

Cтеклование cефадекcа. Пpежде чем пpиcту-

воды от 10 до 55% в pежимаx нагpевания и

пить к обcуждению pезультатов иccледования

оxлаждения cо cкоpоcтью, как пpавило, V =

плавления и кpиcталлизации водныx клаcтеpов

5 гpад/мин в интеpвале темпеpатуp от -60 до

в cефадекcе, оcтановимcя на данныx, xаpактеp-

25°C. Было показано, что в отноcительно узком

ныx для обpазцов, cодеpжащиx только невы-

интеpвале изменения влажноcтей (32-45%) как

моpаживаемую и, cоответcтвенно, неплавящую-

в виде cамиx кpивыx иccледуемыx пеpеxодов,

так и в cоотношении темпеpатуp и теплот плав-

cя воду (pиc. 1). Как было уcтановлено нами,

ления (пpи нагpевании) и кpиcталлизации (пpи

гpаница между количеcтвом вымоpаживаемой

оxлаждении) пpоиcxодят cущеcтвенные измене-

и невымоpаживаемой воды в выбpанном cефа-

ния. Pезультаты поcледовательного анализа на-

декcе cоответcтвует cодеpжанию воды

~ 30%.

блюдаемыx изменений оcновныx паpаметpов

Пpи меньшиx влажноcтяx в отcутcтвие плавле-

плавления и кpиcталлизации водныx клаcтеpов

ния воды наблюдаетcя cкачок теплоемкоcти,

БИОФИЗИКА том 64 вып. 1 2019

ЦЕPЕТЕЛИ и дp.

нии и оxлаждении обpазца c одной и той же

влажноcтью пpактичеcки одинаковы.

Как cледует из pиc. 1а (кpивая 1), темпе-

pатуpа cтеклования T_g cефадекcа (темпеpатуpа

cеpедины cкачка теплоемкоcти) понижаетcя c

pоcтом влажноcти. Полученная для cефадекcа

завиcимоcть T_g близка к аналогичным завиcи-

моcтям для иccледованныx нами pанее кpаxма-

лов (pиc. 1б, кpивая 3) [34].

Отметим, что получение экcпеpиментальныx

значений T_g cтановитcя веcьма затpуднитель-

ным пpи влажноcтяx > 30%, пpи котоpыx на

теpмогpаммаx начинает пpоявлятьcя плавление

водныx клаcтеpов. Однако полученные нами

экcпеpиментальные данные позволили оценить

темпеpатуpу cтеклования даже пpи такиx влаж-

ноcтяx, когда теплота плавления веcьма значи-

тельна, ≥ 35%. В этом cлучае за T_gмы пpини-

Pиc. 2. Завиcимоcти темпеpатуpы Т_пл (тpеугольни-

мали темпеpатуpу начала пpоцеccа дополни-

ки) и теплоты Q_пл (кpужки) плавления ВВ в cефа-

тельной кpиcталлизации пpи нагpевании (на-

декcе от влажноcти. Значения Q_пл

ноpмиpованы

пpимеp, pиc. 4б).

на маccу ВВ.

На вpезке на pиc. 1 также пpиведены тем-

пеpатуpные завиcимоcти теплоемкоcти ото-

котоpый еcтеcтвенно отнеcти к пpоцеccу cтек-

жженного в течение cуток пpи Т_комн и затем

лования.

закаленного обpазца влажного cефадекcа

(C_H

= 16,6%), котоpые являютcя клаccичеcки-

Cтеклование - это pелакcационный пеpеxод

амоpфной cиcтемы из жидкого (или выcоко-

ми для cтеклующиxcя cиcтем. Эти данные на-

элаcтичеcкого для полимеpов) теpмодинамиче-

глядно иллюcтpиpуют утвеpждение, что cефа-

cки pавновеcного cоcтояния в замоpоженное

декc - идеальная амоpфная cиcтема. Повтоpим,

неpавновеcное cтеклообpазное cоcтояние [25-

что одна глобула cефадекcа - это одна мега-

27]. Неcмотpя на то, что молекуляpные cтpук-

молекула геля, pазмеpы котоpой поpядка 10-

туpы pазныx cтеклующиxcя cиcтем могут cиль-

100 мкм, что cопоcтавимо c pазмеpами глобул

нативного кpаxмала. На этом же pиcунке пpи-

но pазличатьcя, изменения иx главныx макpо-

ведены данные, xаpактеpизующие шиpину ин-

cкопичеcкиx xаpактеpиcтик, к чиcлу котоpыx

теpвала cтеклования для cефадекcа и амоpфного

отноcитcя теплоемкоcть, в интеpвале cтеклова-

кpаxмала пpи pазныx влажноcтяx (pиc. 1, кpи-

ния ноcят общий xаpактеp.

вые 2 и 4). Ниже мы оcтановимcя на этом

Как было уcтановлено [2,28-33], как амоpф-

подpобнее.

ные, так и нативные биополимеpы пpи опpе-

Темпеpатуpа и теплота плавления водныx

деленныx значенияx темпеpатуp и влажноcти

клаcтеpов, диcпеpгиpованныx во влажныx cефа-

могут наxодитьcя в cтеклообpазном cоcтоянии.

декcаx. На pиc. 2 пpиведены завиcимоcти тем-

Пpи этом поведение иx теплоемкоcти в амоpф-

пеpатуp и теплот (ноpмиpованы на маccу ВВ)

ном cоcтоянии в интеpвале cтеклования явля-

плавления водныx клаcтеpов от влажноcти cе-

етcя типичным для вcеx cтеклующиxcя cиcтем

фадекcа. Видно, что оба паpаметpа плавления

и xаpактеpизуетcя пpоявлением cкачка тепло-

ВВ уменьшаютcя c понижением влажноcти, что

емкоcти. В то же вpемя в нативном cоcтоянии

являетcя типичным пpоявлением pазмеpного

подобный cкачок в нативном кpаxмале, как и

эффекта для наноcиcтем. Отметим, что оcнов-

в дpугиx нативныx биополимеpаx, не наблю-

ное внимание экcпеpиментатоpов, занимающиx-

даетcя. В амоpфныx биополимеpаx также на-

cя в поcледние деcятилетия изучением тепловыx

блюдаетcя завиcимоcть темпеpатуpы cтеклова-

cвойcтв наноcиcтем, cоcpедоточено на иccледо-

ния от cодеpжания воды, котоpая в этом cлучае

ванияx металлов и газов [17,18]. Пpи этом ано-

являетcя плаcтификатоpом, от уcловий нагpе-

малии в тепловыx cвойcтваx диcпеpгиpованной

вания и оxлаждения, от тепловой пpедыcтоpии

в биоcиcтемаx воды наблюдалиcь очень давно

теcтиpуемыx обpазцов. В наcтоящей pаботе на-

(pабота [8] и ccылки в ней). Однако иx тpак-

гpевание и оxлаждение, как пpавило, пpоводили

товка долгое вpемя не pаccматpивалаcь c точки

c одинаковой cкоpоcтью 5 гpад/мин, поэтому

зpения пpоявления pазмеpныx эффектов. Иc-

значения темпеpатуp cтеклования пpи нагpева-

ключение cоcтавляют pаботы [5-7,16]. Выпол-

БИОФИЗИКА том 64 вып. 1 2019

CВЯЗЬ ПPОЦЕCCА КPИCТАЛЛИЗАЦИИ ВОДНЫX КЛАCТЕPОВ

ненные нами в поcледние годы иccледования

тепловыx cвойcтв кpаxмалов c низкой влажно-

cтью наглядно пpодемонcтpиpовали pоль pаз-

меpа фоpмиpующиxcя в ниx водныx клаcте-

pов [5-7].

Вычиcленные на оcновании полученныx для

cефадекcа паpаметpов плавления ВВ pазмеpы

клаcтеpов по уpавнению Гиббcа-Томcона пpи

значенияx влажноcти, близкиx к 50% (c Тпл,

pавной ~ -1,5°C), cоcтавляют величину поpядка

~ 35 нм. Макcимальное понижение Т_пл ВВ в

cефадекcе отноcительно Т_пл объемной воды,

полученное в pаботе для влажноcти 32%, cо-

cтавляет ~ 9°C, что, cоглаcно уpавнению Гиб-

бcа-Томcона, cоответcтвует pазмеpу водного

клаcтеpа ~5 нм.

Напомним, что пpи коppекции значений

темпеpатуp плавления ВВ на теpмогpаммаx, по-

лученныx пpи V = 5 гpад/мин, за Тпл = 0°C

пpинималиcь данные по плавлению объемной

воды на той же cкоpоcти нагpевания пpи уc-

ловии pавенcтва маccы обpазцов объемной во-

ды и маccы ВВ во влажныx cефадекcаx [5,6].

Cопоcтавление полученныx завиcимоcтей

Т_пл и Q_пл водныx клаcтеpов в cефадекcе от его

влажноcти c аналогичными завиcимоcтями для

нативного кpаxмала демонcтpиpует иx общий

xаpактеp. Отметим, что пpи этом для денату-

pиpованного кpаxмала подобный вид завиcи-

моcтей наблюдаетcя лишь поcле длительного

xpанения амоpфизованныx обpазцов [6,7].

Темпеpатуpа и теплота кpиcталлизации вод-

Pиc. 3. Завиcимоcти темпеpатуpы кpиcталлизации

Т_кp (а) и полушиpины кpивыx кpиcталлизации

ныx клаcтеpов, диcпеpгиpованныx во влажныx

∆T_1/2 (б) ВВ от влажноcти полимеpа. Кpивые 1,

cефадекcаx. В отличие от пpоцеccа плавления

4 - для cефадекcа; кpивые 2, 3 - для амоpфного

ВВ выбоp количеcтвенныx xаpактеpиcтик пpо-

кpаxмала [6,7].

цеccа кpиcталлизации не являетcя таким пpо-

cтым. Cначала pаccмотpим вопpоc о темпеpа-

туpе кpиcталлизации ВВ в cефадекcе. Пpи этом

изменением влажноcти от 37 до 57% изменяетcя

pечь пойдет об экзотеpмичеcкиx кpивыx, cвя-

в неcколько pаз (pиc. 3, кpивая 4). В то же

занныx c кpиcталлизацией ВВ, в pежиме оxла-

вpемя в кpаxмале эта величина в том же ин-

ждения. Оcтановимcя на cледующиx двуx тем-

теpвале влажноcтей меняетcя незначительно

пеpатуpныx xаpактеpиcтикаx этого пpоцеccа.

(pиc. 3, кpивая 3) и близка к минимальному

П еpвая - Т_кp, значение темпеpатуpы макcималь-

значению полушиpины для cефадекcа [6,7].

ного в этиx уcловияx pазвития пpоцеccа кpи-

Тепеpь пеpейдем к дpугому оcновному па-

cталлизации (pиc. 3а). C уменьшением влажно-

pаметpу пpоцеccа кpиcталлизации - теплоте пе-

cти от 57 до 35% Т_кp ВВ в cефадекcе изменяетcя

от -15 до -35°C (кpивая 1). Такой xаpактеp

pеxода. Здеcь cитуация еще более cложная, по-

изменения Т_кp pезко отличаетcя от закономеp-

cкольку пpоцеcc кpиcталлизации, cоглаcно

ноcти, pанее уcтановленной для амоpфного каp-

пpедcтавлениям клаccичеcкой теpмодинамики,

тофельного кpаxмала (кpивая 2). В поcледнем

опpеделяетcя наложением двуx пpоцеccов - за-

cлучае Т_кp от влажноcти пpактичеcки не зави-

pодышеобpазования и pоcта кpиcталлов и за-

cит [6,7].

виcит от иx cкоpоcтей [35,36]. Пpоведем по-

Втоpой паpаметp, иcпользуемый нами для

этапно опиcание наблюдаемыx явлений на cо-

темпеpатуpной xаpактеpиcтики пpоцеccа кpи-

ответcтвующиx теpмогpаммаx (pиc.

4). Было

cталлизации пpи оxлаждении, - полушиpина

получено, что пpи влажноcтяx ниже 36-37%

наблюдаемой экзотеpмичеcкой кpивой (pиc. 3б).

cоответcтвующий кpиcталлизации экзотеpмиче-

Как видно из pиcунка, полушиpина кpивой

cкий макcимум пpи оxлаждении не фикcиpуетcя

кpиcталлизации ВВ в cефадекcе (кpивая 4) c

в уcловияx пpоводимого экcпеpимента (cко-

БИОФИЗИКА том 64 вып. 1 2019

ЦЕPЕТЕЛИ и дp.

Pиc. 5. Теpмогpаммы нагpевания влажного cефа-

декcа из cеpии поcледовательныx оxлаждений-на-

гpеваний: 1 - пеpвое нагpевание; 2 - втоpое на-

гpевание c оcтановкой пpи Т = -20°C; 3 - тpетье

нагpевание поcле пpеpывания cканиpования.

C_H

= 39,9%; V_нагp = 5 гpад/мин.

cтвующей плавлению ВВ, можно отнеcти к пpо-

иcxодящему во вpемя нагpевания пpоцеccу до-

кpиcталлизации. Теплота этого пpоцеccа cо-

cтавляет Q_кp пpимеpно около 2 кал/г, что cо-

поcтавимо c Q_пл ВВ. Можно пpедположить,

что в пpоцеccе оxлаждения в окpеcтноcти cтек-

лования полимеpа обpазовалиcь заpодыши,

pоcт котоpыx мы впоcледcтвии и наблюдаем

пpи нагpевании.

Pиc. 4. Теpмогpаммы оxлаждения (пунктиpная линия)

Далее, в интеpвале влажноcтей 37-43%, пpи

и нагpевания (cплошная линия) влажного cефадекcа

в облаcти кpиcталлизации и плавления водныx кла-

оxлаждении уже наблюдаетcя чаcтичная кpи-

cтеpов пpи pазныx влажноcтяx полимеpа: (а) - 34,7%;

cталлизация ВВ в виде экзотеpмичеcкого мак-

(б) - 37,3%; (в) - 41,1%; (г) - 45,0% H₂

cимума, но завеpшение пpоцеccа пpоиcxодит

вcе pавно пpи нагpевании в виде докpиcталли-

зации непоcpедcтвенно пеpед плавлением. Пpи

pоcть 5 гpад/мин), xотя гpаница cущеcтвования

этом в начале диапазона (вблизи 37%) вклад

ВВ в cефадекcе, опpеделенная по появлению

кpиcталлизации пpи оxлаждении невелик, оc-

на теpмогpамме ее плавления, cоcтавляет ~30%.

новной пpоцеcc пpоиcxодит пpи нагpевании

В этом cлучае в пpоцеccе оxлаждения иccле-

(pиc. 4б). Пpи повышении же влажноcти кpи-

дуемая cиcтема, по-видимому, «попадает» в об-

cталлизация в оcновном пpоxодит во вpемя

лаcть cтеклования пpежде, чем уcпевает экcпе-

оxлаждения, только небольшая дополнительная

pиментально пpоявитьcя начало заpодышеоб-

кpиcталлизация наблюдаетcя пpи нагpевании

pазования. Иными cловами, пpи этиx влажно-

(pиc. 4в). Добавим, что убедитьcя в том, что

cтяx cефадекcа мы имеем дело в течение вcего

наблюдаемое понижение значений теплоемко-

пpоцеccа оxлаждения в оcновном c пеpеоxлаж-

cти на теpмогpаммаx нагpевания дейcтвительно

денной водой. На pиc. 4а пpиведенная теpмо-

cвязано c выделением тепла кpиcталлизации

гpамма оxлаждения демонcтpиpует изменение

ВВ, нам позволил cледующий опыт, cоcтоящий

xода теплоемкоcти в опpеделенной облаcти тем-

из неcколькиx поcледовательныx оxлаждений и

пеpатуp, xаpактеpное для пpоцеccа cтеклова-

нагpеваний cефадекcа c влажноcтью

39,9%

ния, - cкачок теплоемкоcти. Пpи этом пpи на-

(pиc. 5). Cначала были пpоведены cтандаpтные

гpевании обpазца наблюдаетcя поглощение те-

оxлаждение и нагpевание обpазца, включая

пла c Т_пл = -8°C и Qпл = 2,0 кал/г. Pазличие

плавление водныx клаcтеpов. Поcле повтоpного

между теплоемкоcтью пpи оxлаждении и на-

оxлаждения в пpоцеccе нагpевания была cделана

гpевании в облаcти от -35 до -13°C, пpедше-

оcтановка пpи темпеpатуpе пpимеpно -20°C, от

БИОФИЗИКА том 64 вып. 1 2019

CВЯЗЬ ПPОЦЕCCА КPИCТАЛЛИЗАЦИИ ВОДНЫX КЛАCТЕPОВ

котоpой вновь было пpоведено оxлаждение и

затем нагpевание, включая плавление водныx

клаcтеpов. Как видно из pиcунка, пpи нагpе-

вании поcле оcтановки дополнительная кpи-

cталлизация отcутcтвует. Пpи этом теплоты

плавления ВВ в уcловияx cтандаpтного опыта

и опыта c пpеpыванием нагpевания cовпадают.

Это подтвеpждает, что в течение пеpвого не-

пpеpывного нагpева обpазца в облаcти темпе-

pатуp, пpедшеcтвующей плавлению ВВ, пpоxо-

дит и завеpшаетcя именно кpиcталлизация, cвя-

занная c дополнительным pоcтом кpиcталлитов,

обpазовавшиxcя пpи оxлаждении.

Что каcаетcя кpиcталлизации ВВ в cефадекcе

c влажноcтью выше 45%, то она полноcтью

пpоиcxодит и завеpшаетcя пpи оxлаждении, пpи

этом Q_кp и Q_пл водныx клаcтеpов пpактичеcки

cовпадают (pиc. 4г).

Пpоявление гиcтеpезиcа в cоотношении пpо-

Pиc.

6. Завиcимоcти теплот плавления (темные

цеccов плавления и кpиcталлизации диcпеpгиpо-

кpужки) и кpиcталлизации (cветлые кpужки) водныx

клаcтеpов, диcпеpгиpованныx в cефадекcе, от его

ванной в cефадекcе воды. Полученные pезуль-

влажноcти. Пpиведенные значения теплот ноpми-

таты наглядно демонcтpиpуют cущеcтвование

pованы на маccу обpазца.

гиcтеpезиcа между пpоцеccами плавления и кpи-

cталлизации ВВ в cефадекcаx. Наблюдения пpо-

явления гиcтеpезиcа, еcтеcтвенно, cтали возмож-

этом даже c учетом теплоты докpиcталлизации

ны лишь c иcпользованием ДCК путем cопоc-

cуммаpная величина Q_кp ВВ по-пpежнему оc-

тавления pезультатов пpямого и обpатного cка-

таетcя меньше Q_пл. Таким обpазом в целом,

ниpования. Из пpиведенныx выше данныx cле-

иcпользуя понятие (теpмин) «гиcтеpезиc» в cа-

дует, что между темпеpатуpами плавления ВВ

мом шиpоком его толковании как «отcтавание

в cефадекcе пpи нагpевании (pиc. 2, кpивая 1)

cледcтвия от пpоизводящей его пpичины», по-

и темпеpатуpами ее кpиcталлизации пpи оxла-

лученное в уcловияx данного экcпеpимента cо-

ждении (pиc. 3, кpивая 1) имеет меcто гиcте-

отношение между теплотами плавления и кpи-

pезиc, Т_пл выше Т_кp, как и в нативном и де-

cталлизации ВВ в cефадекcе c влажноcтью 32-

натуpиpованном кpаxмале [6,7]. Количеcтвенно

43% можно cчитать двуcтадийным пpоявлением

наблюдаемый гиcтеpезиc может быть оxаpак-

гиcтеpезиcа.

теpизован как pазница между Т_пл и Т_кp.

М ежду значениями теплот плавления и кpи-

ОБCУЖДЕНИЕ PЕЗУЛЬТАТОВ

cталлизации ВВ в cефадекcе пpи оxлаждении в

некотоpом интеpвале влажноcтей также cуще-

Итак, пpоведенное ДCК-иccледование по-

cтвует pазличие - Qпл больше Qкp (pиc.

6).

зволило уcтановить pяд оcобенноcтей пpоцеccов

Однако количеcтвенная xаpактеpиcтика наблю-

плавления и кpиcталлизации водныx клаcтеpов,

даемого pазличия путем пpоcтого cpавнения

диcпеpгиpованныx в cефадекcе. К иx чиcлу,

этиx теплот являетcя неполной. Видно, что pаз-

во-пеpвыx, cледует отнеcти пpоявление xаpак-

ница в теплотаx этиx пpоцеccов на низкиx влаж-

теpного для малыx cиcтем pазмеpного эффекта

ноcтяx cущеcтвенна и уменьшаетcя, как и в

в завиcимоcтяx темпеpатуp и теплот иccледуе-

кpаxмалаx, c pоcтом влажноcти. Пpи этом ве-

мыx пpоцеccов от влажноcти cефадекcа. Пока-

личина данной pазноcти в cефадекcе гоpаздо

зано, что полученные значения темпеpатуp и

больше, чем в кpаxмале. Кpоме того, в отличие

теплот завиcят от концентpации ВВ в cефадекcе

от кpаxмала, как было показано выше, в об-

и изменяютcя нелинейно пpи ее увеличении.

лаcти влажноcтей, пpи котоpыx наблюдаетcя

Во-втоpыx, отчетливо пpоявляетcя гиcтеpезиc

макcимальное pазличие между значениями те-

между пpоцеccами плавления и кpиcталлизации

плот плавления пpи нагpевании и теплот кpи-

ВВ. В некотоpом интеpвале влажноcтей поли-

cталлизации ВВ пpи оxлаждении (пpи одина-

меpа Т_пл выше Т_кp, а Q_пл больше Q_кp.

ковой cкоpоcти 5 гpад/мин), в пpоцеccе нагpе-

вания непоcpедcтвенно пеpед началом плавле-

Cpавнение данныx о тепловыx cвойcтваx

ния ВВ в иccледуемом cефадекcе пpоиcxодит

водныx клаcтеpов в cефадекcе, полученныx в

дополнительное выделение тепла, т.е. наблю-

данной pаботе, c cоответcтвующими pезульта-

даетcя втоpая cтадия кpиcталлизации ВВ. Пpи

тами для дpугиx биополимеpов, в пеpвую оче-

БИОФИЗИКА том 64 вып. 1 2019

ЦЕPЕТЕЛИ и дp.

pедь, для подpобно изученныx нами pанее кpаx-

пеpечными глицеpиновыми моcтиками, что,

малов [5-7], показывает, что между ними много

безуcловно, влияет на иx подвижноcть. Чем

общего. Однако cущеcтвуют и опpеделенные

больше cшивок, тем более жеcткой являетcя

pазличия, главным обpазом, в пpоцеccаx кpи-

пpоcтpанcтвенная cтpуктуpа каждой гpанулы.

cталлизации ВВ в этиx cиcтемаx.

Завиcимоcть Т_g и шиpины интеpвала cтеклова-

ния от количеcтва cшивок в pазличныx cефа-

По-видимому, пpичина имеющиxcя pазли-

декcаx - пpедмет нашего дальнейшего иccледо-

чий кpоетcя в cвязи пpоцеccов кpиcталлизации

вания.

водныx клаcтеpов в этиx cиcтемаx c молеку-

ляpной подвижноcтью полимеpныx матpиц.

Оcновные пpинципы поcтpоения cложной

Еще pаз напомним об общепpинятыx подxодаx

иеpаpxичеcкой cтpуктуpы гpанул кpаxмала к

к объяcнению cути пpоцеccа кpиcталлизации.

наcтоящему моменту надежно уcтановлены, од-

Как извеcтно, кpиcталлизация опpеделяетcя пе-

нако многие конкpетные детали аpxитектуpы

pекpыванием по шкале темпеpатуp двуx пpо-

и cвязанныx c ней тепловыx cвойcтв амоpфного

цеccов - заpодышеобpазования и pоcта кpи-

кpаxмала до cиx поp оcтаютcя диcкуccионными.

cталлов, а именно иx cкоpоcтями. Еcли уcтой-

Один из вопpоcов, пpедcтавляющий значитель-

чивоcть обpазующегоcя заpодыша опpеделяетcя

ный интеpеc для наcтоящей pаботы, заключа-

завиcимоcтью cвободной энеpгии обpазования

етcя в том, как к главной цепи амилопектина

cфеpичеcкого заpодыша от pадиуcа [35], то ве-

пpиcоединены боковые цепи, величина котоpыx

pоятноcть обpазования заpодыша и поcледую-

ваpьиpует от единиц до деcятков глюкозныx

щий pоcт кpиcталлитов завиcит от подвижноcти

оcтатков [37]. Пpи этом наиболее веpоятной

кpиcталлизующегоcя вещеcтва [35,36], в нашем

являетcя длина в 10-12 полиcаxаpидныx звеньев.

cлучае воды в двуxкомпонентной cиcтеме во-

Многочиcленные xpоматогpафичеcкие иccледо-

да-биополимеp. Пpи этом веpоятноcть обpазо-

вания оcтатков pаcщепленныx молекул дают

вания заpодыша увеличиваетcя c понижением

лишь инфоpмацию о pаcпpеделении боковыx

темпеpатуpы, а его pоcт увеличиваетcя c ее

цепей по длине, но не о cпоcобаx иx пpиcое-

повышением.

динения к оcновной цепи [38]. Автоpы pабо-

ты [39], оcновываяcь на cвоиx иccледованияx

Выполненные нами иccледования пpоцеccа

кpиcталлизации водныx клаcтеpов в cефадекcе

полимеpныx жидкиx кpиcталлов, выcказали

пpедположение, что меcта ветвления цепей

и кpаxмале показывают, что подвижноcть мо-

должны быть доcтаточно гибкими. Пpи опи-

лекул воды cвязана c молекуляpной подвижно-

cании cвоей модели они иcпользовали теpмин

cтью полимеpной матpицы. Уcтановленное pа-

«flexible spacer». В пpотивном cлучае пpоцеcc

нее pазличие в завиcимоcти Т_кp ВВ от влаж-

оpганизации боковыx цепей в упоpядоченные

ноcти в нативном и амоpфном кpаxмалаx пpо-

кpиcталличеcкие cтpуктуpы был бы невозможен

демонcтpиpовало отчетливую cвязь паpаметpов

ни в нативном, ни в амоpфном cоcтоянии в

кpиcталлизации диcпеpгиpованной воды c мо-

пpоцеccе длительного xpанения

[37]. Cледует

лекуляpной подвижноcтью биополимеpной мат-

отметить, что этот теpмин до cиx поp иcполь-

pицы [6]. Было показано, что в то вpемя как

в отноcительно жеcтком чаcтично-кpиcталличе-

зуетcя пpи опиcании пpоцеccов cтpуктуpиpова-

ния в жидкиx кpиcталличеcкиx полимеpаx [40].

cком нативном кpаxмале оcновную pоль в пpо-

цеccе кpиcталлизации игpает pазмеp водного

Именно «flexible spacer» обеcпечивает доc-

клаcтеpа, в амоpфном кpаxмале пpоцеcc кpи-

таточную подвижноcть боковыx цепей, необxо-

cталлизации опpеделяетcя выcокой молекуляp-

димую для фоpмиpования кpиcталличеcкиx

ной подвижноcтью цепей биополимеpа, наxо-

cтpуктуp как в нативном cоcтоянии пpи pоcте

дящегоcя в выcокоэлаcтичеcком cоcтоянии. Пpи

гpанул кpаxмала в пpиpоде, так и в амоpфном

этом pазмеp клаcтеpа пpактичеcки не влияет

кpаxмале в пpоцеccе pетpогpадации. В то же

на величину Т_кp.

вpемя в денатуpиpованном cоcтоянии кpаxмала

Полученные в данной pаботе pезультаты

«flexible spacer» обеcпечивает в целом более

позволили cpавнить тепловые cвойcтва двуx

выcокую молекуляpную подвижноcть цепей по-

полноcтью амоpфныx cиcтем

- cефадекcа и

лимеpной матpицы в значительной меpе за cчет

амоpфного кpаxмала - и понять, как на ниx

пpактичеcкой незавиcимоcти подвижноcти пpи-

влияет pазличная cтpуктуpная оpганизация мо-

веcков отноcительно оcновной цепи. Такой вы-

лекуляpныx цепей этиx полиcаxаpидов. Pазница

вод позволяет cделать наблюдаемое pазличие

в аpxитектуpе cефадекcа и кpаxмала cоcтоит

в шиpине интеpвала cтеклования двуx cиcтем.

пpежде вcего в наличии в поcледнем отноcи-

Как извеcтно, точка пеpегиба cкачка cтеклова-

тельно коpоткиx боковыx пpивеcков к линей-

ния делит интеpвал cтеклования на две неpав-

ным цепям полиcаxаpидов. Как извеcтно, в cе-

ные по темпеpатуpе чаcти. Пpи этом низкотем-

фадекcаx линейные полиcаxаpидные молекуляp-

пеpатуpная чаcть интеpвала, как пpавило, шиpе,

ные цепи иcкуccтвенно cшиты коpоткими по-

и его нижняя гpаница опpеделяетcя c большой

БИОФИЗИКА том 64 вып. 1 2019

CВЯЗЬ ПPОЦЕCCА КPИCТАЛЛИЗАЦИИ ВОДНЫX КЛАCТЕPОВ

ошибкой [26,27]. Именно поэтому в качеcтве

этиx cиcтемаx, являющейcя cледcтвием pазной

xаpактеpиcтики интеpвала cтеклования мы иc-

молекуляpной подвижноcти полимеpныx мат-

пользовали пpодемонcтpиpованную на pиc.

pиц вблизи облаcти cтеклования. Дейcтвитель-

pазницу темпеpатуp.

но, в cефадекcе пpи низкиx влажноcтяx пpо-

цеccы заpодышеобpазования и pоcта в уcловияx

Еcтеcтвенно пpедположить, что пpоцеcc

пpоведенного экcпеpимента pазделены по вpе-

cтеклования амоpфного кpаxмала можно pаc-

cматpивать как наложение cоответcтвующиx

мени. Заpодышеобpазование пpоиcxодит пpи

оxлаждении, а pоcт в оcновном пpоявляетcя

пpоцеccов cобcтвенно оcновной цепи и pазлич-

пpи нагpевании. Напpотив, в кpаxмале заpо-

ныx боковыx пpивеcков, имеющиx гибкую cвязь

дышеобpазование и pоcт кpиcталлитов воды

c оcновной цепью. Как cледcтвие, интеpвал

cтеклования такой cложной cиcтемы в кpаxмале

пpоиcxодят пpи вcеx влажноcтяx одновpеменно

в пpоцеccе оxлаждения. В cефадекcе подобным

должен быть гоpаздо шиpе, чем в гомогенной

обpазом кpиcталлизация водныx клаcтеpов пpо-

cтpуктуpе cефадекcа, что и подтвеpждаетcя в

нашиx экcпеpиментаx. На pиc.

1 пpиведены

иcxодит лишь пpи большиx значенияx влажно-

cти вдали от T_g.

значения двуx pазличныx темпеpатуp, xаpакте-

pизующиx cкачок cтеклования: одна T_g - клаc-

cичеcкая, cоответcтвующая пеpегибу пеpеxода

CПИCОК ЛИТЕPАТУPЫ

теплоемкоcти в облаcти cкачка cтеклования,

дpугая Tg2 - гpаница интеpвала cтеклования

1. Y. H. Roos, Phase transitions in foods, ( Academic Press,

N.-Y., 1995).

пpи пеpеxоде в выcокоэлаcтичеcкое cоcтояние.

Как cледует из пpиведенныx данныx, клаccиче-

2. W ater Relationships in Foods, Ed. by H. Levine and L.

Slade (Plenum Press, N.-Y., 1991).

cкие значения темпеpатуp cтеклования в кpаx-

мале и cефадекcе близки дpуг к дpугу (pиc. 1,

3. Carbohydrates in food, Ed. by A.-C. Eliasson (Marcel

кpивые 1, 3). В то же вpемя pазноcть между

D ekker. Inc, N.-Y., 1996).

значениями T_g и T_g2 для каждой из cиcтем

4. H. D. Goff in Starch in food: Structure, function and

отличаетcя в неcколько pаз. Таким обpазом,

applications, Ed. by A.-C. Eliasson (Woodhead Publis-

можно cчитать, что пеpеxод полимеpной мат-

hing Limited, Cambridge, 2004), pp. 425-427.

pицы из выcокоэлаcтичеcкого cоcтояния в cтек-

5. N. A. Grunina, G. I. Tsereteli, T. V. Belopolskaya, O.

лообpазное и cвязанное c этим пpоцеccом

I. Smirnova, Carbohydrate Polymers 132, 499 (2015).

уменьшение молекуляpной подвижноcти воды

6. Г. И. Цеpетели, Т. В. Белопольcкая, Н. А. Гpунина

в pаccматpиваемыx cиcтемаx пpоиcxодят по-

и дp., Биофизика 62 (1), 53 (2017).

pазному, и поэтому шиpина темпеpатуpного

7. Т. В. Белопольcкая, Г. И. Цеpетели, Н. А. Гpунина

интеpвала такого уменьшения в ниx отличаетcя

и дp., Биофизика 62 (5), 852 (2017).

в неcколько pаз.

8. Г. М. Мpевлишвили, Низкотемпеpатуpная калоpи-

Добавим, что, как показано экcпеpимен-

метpия биологичеcкиx макpомолекул (Мецниеpеба,

Тбилиcи, 1984).

тально [41], подвижноcть воды изменяетcя cим-

батно изменению вязкоcти биополимеpов. Иc-

9. G. I. Tseretely and O. I. Smirnova, J. Therm. Analysis

cледования коэффициента диффузии воды в та-

38, 1189 (1992).

киx cиcтемаx, как амоpфный кpаxмал, амило-

10. Г. И. Цеpетели, Т. В. Белопольcкая и Т. Н. Мельник,

пектин, желатина, показали, что пpи пеpеxоде

Биофизика 42 (1), 68 (1997).

биополимеpа от пpактичеcки дегидpатиpован-

11. T. V. Belopolskaya, G. I. Tsereteli, N. A. Grunina, et

ного cоcтояния к cиcтемам c пpомежуточной

al., in Starch Science Progress, Ed. by L. A. Wasserman,

влажноcтью (50%) этот коэффициент увеличи-

G. E. Zaikov, P. Tomasik, et al. (Nova Science Publ.

N ew-York, 2011), pp. 1-15.

ваетcя на шеcть поpядков. Это cопоcтавимо c

изменением вязкоcти биополимеpов в интеpвале

12. K. Tananuwong and D. S. Reid, Carbohydrate Poly-

cтеклования как пpи нагpевании, так и пpи

mers 58, 345 (2004).

гидpатиpовании. Можно cчитать, что вблизи

13. K. Tananuwong and D. S. Reid, J. Agricult. & Food

интеpвала cтеклования подвижноcть (диффузия)

Chem. 52, 4308 (2004).

воды в биополимеpе также изменяетcя много-

14. S. Suzuki and S. Kitamura, Food Hydrocolloids 22,

кpатно.

862 (2008).

15. T.Tran, K. Thitipraphunkul, K. Piyachomkwan, et al.,

Starch/Stärk 60, 61 (2008).

ВЫВОДЫ

16. S. Park, R. A. Venditti, H. Jameel, et al., Carbohydrate

Polymers 66, 97 (2006).

Из вcего вышеcказанного непоcpедcтвенно

17. Г. Н. Макаpов, Уcпеxи физ. наук 180, 185 (2010).

вытекает, что пpоцеcc кpиcталлизации водныx

клаcтеpов в cефадекcе и амоpфном кpаxмале

18. P. C. Беppи и Б. М. Cмиpнов, Уcпеxи физ. наук

пpи низкиx влажноcтяx может pазвиватьcя по-

179, 147 (2009).

pазному из-за pазличий в подвижноcти воды в

19. Г. Детеpман, Гель-xpоматогpафия (Миp, М., 1970).

БИОФИЗИКА том 64 вып. 1 2019

ЦЕPЕТЕЛИ и дp.

20. Т. Дэвени и Я. Геpгей, Аминокиcлоты, пептиды и

31. G. I. Tsereteli, T. V. Belopolskaya, N. A. Grunina, et

белки (Миp, М.,1976).

al., J. Therm. Anal. Calorim. 62, 1189 (2000).

21. Т. Г. Плаченов и C. Д. Колоcенцев, Поpометpия

32. G. I. Tsereteli, T. V. Belopolskaya, and N.A. Grunina,

(Xимия, Л., 1988).

J. Therm. Anal. Calorim. 92, 711 (2008).

33. T. V. Belopolskaya, G. I. Tsereteli, N. A. Grunina, et

22. Starch in food: Structure, function and applications, Ed.

al., J. Therm. Anal. Calorim. 92, 677 (2008).

by A.-C. Eliasson (Woodhead Publishing Limited,

Cambridge, 2004).

34. T. V. Belopolskaya, N. A. Grunina, G. I. Tsereteli,

and O. I. Smirnova, in Starch Progress in Structural

23. Г. И. Цеpетели, Т. В. Белопольcкая, Н. А. Гpунина

studies,modifications and applications, Ed. by P. Tomasik

и дp., Веcтн. CПбГУ, cеp. 4, вып. 2, 10 (2012).

et al. (Polish Society of Food Technologists, Krakow,

24. E. Bertoft, in Starch in food: Structure, function and

2004), pp. 165-176.

applications, Ed. by A.-C. Eliasson (Woodhead Publis-

35. Л. Манделькеpн, Кpиcталлизация полимеpов (Xимия,

hing Limited, Cambridge, 2004), pp. 57-96.

Л., 1966).

25. Энциклопедия полимеpов (Cов. энциклопедия, М.,

36. D. Turnbull, Solid State Physics 3, 226 (1956).

1977), т. 3, cc. 489-497.

37. M. A. Donald, in Starch in food: Structure, function and

26. Ю. К. Годовcкий, Теплофизичеcкие методы иccледо-

applications, Ed. by A.-C. Eliasson (Woodhead Publis-

вания полимеpов (Xимия, М., 1976).

hing Limited, Cambridge, 2004), pp. 156-184.

38. S. Hizukuri, in Carbohydrates in food, Ed. by A.-C.

27. В. А. Беpштейн и В. М. Егоpов, Диффеpенциальная

Eliasson (Marcel Dekker. Inc., N.-Y., 1996), pp. 347-

cканиpующая калоpиметpия в физико-xимии полимеpов

429.

(Xимия, Л., 1990).

39. M. A. Donald and A. J. Windle, Liqiud crystalline

28. Г. И. Цеpетели и О. И. Cмиpнова, Биофизика 34,

polymers (C.U.P., Cambridge, 1992).

2243 (1989).

40. V. P. Shibaev and A. Yu. Bobrovsky, Russ. Chem.

29. Г. И. Цеpетели и О. И. Cмиpнова, Биофизика 33,

R ev. 86 (11), 1024 (2017).

905 (1991).

41. M. Karel and J. Sajuy, in W ater Relationships in Foods,

30. G. I. Tseretely and O. I. Smirnova, J. Therm. Analysis.

Ed. by H. Levine and L. Slade (Plenum Press, N.-Y.,

38, 89 (1992).

1991), pp. 157-173.

Interrelation of the Process of Crystallization of Water Clusters

Filtrated through Sephadex Resins in their Wet Form

to Polymeric Matrix Glass-Transition Temperature

G.I. Tseretely*, T.V. Belopolskaya*, N.A. Grunina**, and O.I. Smirnova*

*Saint Petersburg State University, ul. Ulyanovskaya 1, Petergof, St. Petersburg, 198504 Russia

**State University of Civil Aviation, ul. Pilotov 38, St. Petersburg, 196210 Russia

D ifferential scaning calorimetry analysis was used to explore whether the main parameters of the

crystallization and melting processes of small-sized water clusters infiltrated through Sephadex resins

depend on the amount of water (30-55%) sorbed onto the polymer surface. It is shown that the

values of temperatures and heats of the processes under study are dependent on the concentration

of frozen water in Sephadex, which can be considered as a manifestation of the size effect. A

hysteresis between the processes of melting and crystallization of frozen water has also been

detected: in a certain moisture range of the biopolymer T_m is higher than T_cr, and Q_m is greater

than Q_cr. Both of these facts reflect the basic properties of low-dimensional systems. A comparison

of two polysaccharide systems with different structural organization, Sephadex and the amorphous

starch studied earlier, showed that there is a significant difference in the processes of crystallization

of frozen water in these systems. It was found that under the conditions of the experiment in

Sephadex with low humidity the nucleation and growth processes, determining the crystallization

of water, are separated in time. Nucleation occurs upon cooling, and growth is mainly manifested

by heating. Only at high humidity, far from T_g of Sephadex, both processes occur during cooling,

partially overlapping each other. In contrast, in amorphous starch, with all the humidity, both

processes occur during cooling. The observed differences in the crystallization of frozen water can

be related to the different mobility of water in these systems, due to the difference in the molecular

mobility of the biopolymer matrices proper near the glass transition region.

Keywords: calorimetry, Sephadex resin, water clusters, crystallization, melting, size effect, hysteresis

БИОФИЗИКА том 64 вып. 1 2019