Разделение частиц в коллоидном растворе ультрафильтрацией – Коллоидные явления в винах

Коллоидные явления в винах – Разделение частиц в коллоидном растворе ультрафильтрацией

Содержание материала

Для исследования коллоидных явлений в вине нужно задерживать и разделять не крупные частицы, вызывающие помутнение, а частицы коллоидные, намного более мелкие, которые обычно находятся в прозрачном растворе. Ультрафильтрацию, которая в большой мере обеспечивает достижение этой цели, обычно проводили на коллодиевых мембранах, приготовляемых с выпариванием коллодия, т. е. раствора нитроцеллюлозы в смеси спирта с эфиром. Такие мембраны имеют очень мелкие поры, и их размеры зависят от концентрации нитроцеллюлозы и условий испарения.
При фильтрации на коллодии, которая всегда дает совершенно прозрачные вина, адсорбируются некоторые компоненты, в том числе белки. Здесь также необходимо удалять первое профильтрованное вино и не смешивать эффект адсорбции с задержанием частиц порами меньшего диаметра. Можно использовать как коллоидные мешки, которые приготовляют в лаборатории, так и мембраны, находящиеся в продаже. Последние хорошо сохраняются в обычной воде с добавлением 200—300 мг/л сернистой кислоты.
В качестве примера использования коллоидных мешков можно привести разделение камедей и растительных слизей. Это разделение может быть осуществлено дробным (фракционным) осаждением при добавлении в сусло или вино всевозрастающих количеств спирта. Слизи (особенно декстран) осаждаются в виде филаментарных волокон, когда содержание спирта в жидкости составляет около 20%. Камеди выпадают в виде гранулированных хлопьев, когда содержание спирта достигает 50Сопроцесс осаждения декстрана спиртом в водном растворе протекает в следующем порядке. При вливании спирта с легким перемешиванием происходит образование настоящего желе (студня). Жидкость становится очень вязкой и даже затвердевает. Она с трудом вытекает при переворачивании колбы. Не видно поднимающихся пузырьков воздуха, .как если бы их удерживала какая-то невидимая сетка. После нескольких перемешиваний сетка прорывается и превращается в перепутанные волокна.
В вине состояние декстрана в определенной степени зависит от действия спирта, при различной спиртуозности частицы имеют больший или меньший объем. При очень высоких дозах декстрана какие, например, бывают в суслах и винах из винограда, пораженного Botrytis, это вещество вызывает действительное затвердевание жидкости, характеризуемое трудностями для подъема пузырьков газа, эта твердость зависит от содержания спирта.
Мандро (1973, 1974) использовал мембраны Сарториуса или Миллипор с очень пористой структурой, поскольку поры в них составляют около 10% от общего объема. Эти поры одинаковы по размерам, известно более 20 размеров различных пор — от 0,025 до 14 мкм. Но проведенные исследования показывают, что происходит значительное задержание более мелких частиц из-за очень быстрого забивания мембраны. В этих условиях не представляется возможным использовать фильтрующие мембраны для измерения размеров частиц или для измерения прозрачности. Но, как было показано выше, мембраны оказались очень полезными при исследовании коллоидных явлений в винах.

Современные способы ультрафильтрации и хроматографии на геле

В настоящее время для исследования вина изготовляются мембраны для ультрафильтрации типа Миллипор или Сарториус, намного лучше выполненные и калиброванные, обеспечивающие хорошее фракционирование веществ, присутствующих в растворе, в зависимости от величины частиц, даже для очень малых молекулярных размеров. Кроме того, эти мембраны имеют большое сопротивление, допускающее, высокие давления и обеспечивающие заметное повышение производительности. Обычно они состоят из сложного эфира целлюлозы, но известны и другие типы. Некоторые мембраны состоят из двух слоев, один из которых очень малой толщины, прилегает к толстой пористой подложке, которая придает мембране необходимую устойчивость.
На некоторых мембранах фильтрация представляет собой процеживание (пористые мембраны), на других молекулярную диффузию (полупроницаемые мембраны). Магнитная мешалка, или вибропластинка на поверхности мембраны отбрасывает вещества в направлении жидкой массы и препятствует концентрации их на поверхности мембраны и, следовательно, быстрому уменьшению стекания. Каждому типу мембраны соответствует свой тип фильтрующей камеры (секции).
Глори (1971) использовал все эти методы ультрафильтрации для исследования конденсации танинов красного вина одновременно с фильтрованием на геле Сефадекс, принцип которого он подробно описал. Сефадекс представляет собой коммерческое название, которое обозначает гранулированный продукт, состоящий из мелких шариков углеводной природы (гидрофильные полисахариды, состоящие из цепей декстрана, расположенных в пространстве, с нормализованной степенью полимеризации). Помещенные в растворитель гранулы набухают в большей или меньшей степени в зависимости от качества и серии, к которой они относятся, и образуют гель.
Поверхность этого геля имеет поры, размеры которых зависят от степени набухания. Молекулы, размеры которых превосходят самые большие поры, не могут проникнуть в зерна геля; следовательно, они проходят через фильтр с жидкой фазой, циркулирующей вокруг гранул, и выходят из колонки первыми; и наоборот, более мелкие молекулы рассеиваются в большей или меньшей мере в геле соответственно их размерам и форме и проходят сквозь фильтр с запозданием. В общем, мелкие молекулы следуют после больших. Это явление можно использовать для определения их молекулярнрй массы с помощью подобранных эталонов.
Фильтрация на геле Сефадекс позволяет разделять с удовлетворительной точностью танины и антоцианы красных вин, т. е. получать практически чистые танины, и иметь приближенную оценку средней молекулярной массы конденсированных танинов. Ультрафильтрация на микропористых мембранах с правильно подобранной проницаемостью позволяет определять показатель полимеризации, характеризующий каждое вино; во время созревания вин отмечается увеличение конденсации. Ультрафильтрация дает возможность констатировать соединение молекул антоцианов и танинов старых вин (Глори, 1971).
Другой способ заключается в том, что каждый образец пропускают через гель, затем постепенно вводят элюат. Мелкие молекулы элюируются после крупных. Этот метод хроматографии на геле Сефадекс, или молекулярное процеживание, описали и применили на вине Бержере и сотрудники (1970), для исследования белков винограда и вина и физико-химического исследования желатина и рыбьего клея. Еще ранее хроматографию на геле применяли в своих экспериментах Вухерпфенниг и Франке (1963) и Дагуа (1969).
В последние годы Фейлат и Бержере (1972) получили очень высокую точность при использовании электрофореза на полиакриламидном геле с целью разделения, концентрации и анализа растворимых белков винограда и вина. Благодаря сочетанию предыдущего метода хроматографии на Сефадексе (декстран с поперечными решетчатыми связями) с ультрафильтрацией на мембране Миллипор они смогли получить образцы белков, достаточно концентрированных и очищенных для последующего анализа на полиакриламидном геле. Эти авторы получили совершенно новые результаты относительно качественного содержания белков в суслах и винах. В исследованных суслах и белых винах известны две группы белков: одна с молекулярной массой, равной 150 000 или больше, другая же с молекулярной массой, близкой к 50 000. Содержание этих молекул очень невелико и меньше, чем у полипептидов, молекулярная масса которых близка к 8000.
Более того, Фейлат и Бержере (1973) использовали хроматографию на ионообменных смолах для качественного анализа пептидов вина. В винах одного и того же происхождения, ранее исследованных, они нашли смесь пептидов с молекулярной массой менее 5000, фракционирование которой на ионообменниках показало большое разнообразие и выявило некоторые фракции с абсорбцией в ультрафиолетовом излучении и с положительной реакцией на орсин (в присутствии пентоз), довольно характерной для нуклеиновых оснований.
Следует также указать на некоторые последние работы по фракционированию белков. Блатт (1971) использовал распределительную хроматографию на мембране. Неренберг (1971) применил сегментную электрохроматографию: использованная сегментная колонка имеет большое число выходных отверстий, распределенных по всей ее длине, чтобы обеспечить отбор, или элюцию, специфических сегментов геля (содержащих в себе разделенные белки) после прохождения.
Месроб и сотрудники (1971) извлекали белки белых вин, не обработанных или обработанных бентонитом или желтой кровяной солью, и сравнивали состав белков в различных пробах. После хроматографии на геле Сефадекс они получили две фракции. Различные фракции разделяют также методом электрофореза. Получаемые результаты хорошо согласуются с результатами хроматографии на геле.

Разделение частиц в коллоидном растворе ультрафильтрацией – Коллоидные явления в винах

ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

Конспект лекций для студентов биофака ЮФУ (РГУ)

4.2 КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ

4.2.6 Очистка коллоидных систем

Некоторые молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем используют для очистки золей от электролитов и молекулярных примесей, которыми полученные золи часто бывают загрязнены. Наиболее распространенными методами очистки коллоидных систем являются диализ , электродиализ и ультрафильтрация , основанные на свойстве некоторых материалов – т.н. полупроницаемых мембран (коллодия, пергамента, целлофана и т.п.) – пропускать ионы и молекулы небольших размеров и задерживать коллоидные частицы. Все полупроницаемые мембраны представляют собой пористые тела, и непроницаемость их для коллоидных частиц обусловлена тем, что коэффициент диффузии для коллоидных частиц значительно (на несколько порядков) меньше, чем для ионов и молекул, имеющих намного меньшие массу и размеры.

Прибор для очистки золей методом диализа называется диализатором; простейший диализатор представляет собой сосуд, нижнее отверстие которого затянуто полупроницаемой мембраной (рис. 4.17). Золь наливают в сосуд и помещают последний в ёмкость с дистиллированной водой (обычно проточной); ионы и молекулы примесей диффундируют через мембрану в растворитель.

Рис. 4.17 Схема диализатора

Рис. 4.18 Схема электродиализатора

Диализ является очень медленным процессом; для более быстрой и полной очистки золей применяют электродиализ. Электродиализатор состоит из трех частей; в среднюю часть, отделенную от двух других полупроницаемыми мембранами, за которыми помещены электроды, наливается золь (рис. 4.18). При подключении к электродам разности потенциалов катионы содержащихся в золе электролитов диффундируют через мембрану к катоду, анионы – к аноду. Преимущество электродиализа заключается в возможности удаления даже следов электролитов (необходимо помнить, что степень очистки ограничивается устойчивостью коллоидных частиц; удаление из золя ионов-стабилизаторов приведет к коагуляции ).

Еще одним методом очистки золей является ультрафильтрация – отделение дисперсной фазы от дисперсионной среды путем фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны. При ультрафильтрации коллоидные частицы остаются на фильтре (мембране).

4.2.7 Оптические свойства коллоидных систем

Особые оптические свойства коллоидных растворов обусловлены их главными особенностями: дисперсностью и гетерогенностью . На оптические свойства дисперсных систем в значительной степени влияют размер и форма частиц. Прохождение света через коллоидный раствор сопровождается такими явлениями, как поглощение, отражение, преломление и рассеяние света. Преобладание какого-либо из этих явлений определяется соотношением между размером частиц дисперсной фазы и длиной волны падающего света. В грубодисперсных системах в основном наблюдается отражение света от поверхности частиц. В коллоидных растворах размеры частиц сравнимы с длиной волны видимого света, что предопределяет рассеяние света за счёт дифракции световых волн.

Светорассеяние в коллоидных растворах проявляется в виде опалесценции – матового свечения (обычно голубоватых оттенков), которое хорошо заметно на тёмном фоне при боковом освещении золя. Причиной опалесценции является рассеяние света на коллоидных частицах за счёт дифракции. С опалесценцией связано характерное для коллоидных систем явление – эффект Тиндаля : при пропускании пучка света через коллоидный раствор с направлений, перпендикулярных лучу, наблюдается образование в растворе светящегося конуса.

Процесс дифракционного светорассеяния на частицах, размер которых значительно меньше длины волны описывается уравнением Рэлея , связывающим интенсивность рассеянного единицей объёма света I с числом частиц в единице объёма ν , объёмом частицы V, длиной волны λ и амплитудой А падающего излучения и показателями преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды n₁ и n₂ соответственно:

(IV.24)

Из уравнения (IV.18) видно, что, чем меньше длина волны падающего излучения, тем больше будет рассеяние. Следовательно, если на частицу падает белый свет, наибольшее рассеивание рассеяние будут испытывать синие и фиолетовые компоненты. Поэтому в проходящем свете коллоидный раствор будет окрашен в красноватый цвет, а в боковом, отраженном – в голубой.

На сравнении интенсивности светорассеяния золей, один из которых имеет известную концентрацию (степень дисперсности), основан метод определения концентрации либо степени дисперсности золя, называемый нефелометрией. На использовании эффекта Тиндаля основывается ультрамикроскоп – прибор, позволяющий наблюдать коллоидные частицы размером более 3 нанометров в рассеянном свете (в обычном микроскопе можно наблюдать частицы с радиусом не менее 200 нм из-за ограничений, связанных с разрешающей способностью оптики).

Copyright © С. И. Левченков, 1996 – 2005.

Разделение частиц в коллоидном растворе ультрафильтрацией – Коллоидные явления в винах

находятся растворитель, в которые опущены электроды. При пропускании электрического то-ка ионы притягиваются к электродам и диффун-дируют через мембрану. При этом скорость диффузии ионов будет больше чем при обычном диализе. Поэтому электродиализ быстрее, чем диализ. Он эффективен после предварительного диализа (т.к. за счет малого градиента концен-трации ионов между водой и коллоидным раствором, последний не нагревается).

Рис.6. Схема электродиализатора

Диализ применяется в биотехнологии и фармацевтике для очистки белков, ВМС от примесей солей, при получении ценных лекарственных препаратов – глобулина, флокулянтов и др. Диализ используется в клинике как метод лечения («гемодиализ») больных с заболеваниями печени, почек, синдромом длительного давления, при острых отравлениях. При этом кровь больного пропускают через аппарат «искусственная почка». Он представляет собой систему с мембраной, одна сторона которой промывается солевым (физиологическим) раствором, имеющим такой же состав, как и плазма крови, а другая – кровью больного. В ходе гемодиализа низкомолекулярные продукты обмена веществ покидают кровь через мембрану, а белки остаются в крови (из-за большого размера). Необходимые организму соли также сохраняются, т.к. отсутствует градиент их концентрации между кровью и физиологическим раствором.

Ультрафильтрация – это диализ, проводимый под дав-лением или вакуумом. По существу является не методом очистки, а методом концентрирования ДФ, т.е. отделения ДФ от дисперсионной среды. Для этого коллоидный рас-твор пропускают через ультрафильтры – механически прочные и толстые фильтры с очень малыми отверстиями. В качестве ультрафильтров применяют пластины с отверс-тиями из асбеста, фарфора и др. керамических материалов, сверху покрытых целлофаном, фильтровальной бумагой, пропитанной коллоидом. Для ускорения фильтрации отка-чивают воздух из сосуда под фильтром или нагнетают воздух над фильтром.

При ультрафильтрации вместе с низкомолекулярными примесями через фильтры проходят и молекулы раствори-теля (дисперсионной среды). Поэтому, при необходимос-ти, после ультрафильтрации приходится разбавлять кол-лоидный раствор до требуемой (исходной) концентрации.

А- коллоидный раствор;

М- мембрана; П – пластина с отверстиями;

Ультрафильтрация применяется также, как и диализ и электродиализ, в част-ности для очистки культуральной жидкости от тел бактерий – продуцентов анти-биотиков, отделения белков и стериализации их растворов. При этом бактерии, вирусы остаются на фильтре, а из фильтрата выделяют необходимые лекарственные вещества (сыворотки, вакцины).

Лекция № 5. Теории двойного электрического слоя

Источники:

http://vinograd.info/knigi/teoriya-i-praktika-vinodeliya/kolloidnye-yavleniya-v-vinah-16.html
http://www.physchem.chimfak.rsu.ru/Source/PCC/Colloids_9.htm
http://studfile.net/preview/6024348/page:6/