Ιδιότητες ενυδάτωσης, θερμικές μεταπτώσεις φάσης και δυναμική σε συστήματα πρωτεΐνης/νερού

Abstract

Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία, παρουσιάζουμε μια μελέτη σχετικά με την υαλώδη μετάπτωση και την δυναμική του νερού στην περίπτωση υδατικών διαλυμάτων πεπτόνης καζεΐνης σε ένα ευρύ φάσμα συστάσεων των διαλυμάτων. Η πεπτόνη καζεΐνης είναι ένα παράγωγο προϊόν της πέψης της πρωτεΐνης καζεΐνης. Στα πλαίσια της εργασίας χρησιμοποιήθηκε Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης (DSC). Επίσης Διηλεκτρική Φασματοσκοπία Εναλλασσομένου Πεδίου (DRS) χρησιμο-ποιήθηκε για την ανάλυση της δυναμικής. Σε μερικά από τα δείγματα έγιναν και μετρήσεις με την μέθοδο των Θερμικά Διεγειρόμενων Ρευμάτων Αποπόλωσης (TSDC). Η υαλώδης μετάβαση των διαλυμάτων και τα φαινόμενα κρυστάλλωσης και τήξης του νερού μελετήθηκαν με Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης (DSC). Δεν παρατηρήθηκαν φαινόμενα κρυστάλλωσης κατά την ψύξη για το δοκίμιο με hw = 0.4 (gr νερού ανά gr διαλύματος). Η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης (Tg) έχει καταγραφεί για όλα τα διαλύματα, αλλά δεν παρατηρήθηκε για την ξηρή πεπτόνη καζεΐνης (τουλάχιστον εντός της περιοχής θερμοκρασιών των μετρήσεων μας), η οποία μετρήθηκε για σύγκριση. Η Tg βρέθηκε περίπου στους 65°C, για hw = 0.4 και περίπου στους -50οC για υψηλότερα hw. Η μεταβολή της ειδικής θερμοχωρητικότητας (ΔCp) της υαλώδους μετάβασης φαίνεται να ενισχύεται για το δοκίμιο με hw = 0,4, σε σύγκριση με τα διαλύματα των υψηλότερων hw, όπου κρυστάλλωση του νερού λαμβάνει χώρα κατά την ψύξη. Τα θερμιδομετρικά δεδομένα αναλύθηκαν και οι τιμές της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης κατά τη θέρμανση, Tg, του βήματος της ειδικής θερμοχωρητικότητας, ΔCp, η θερμοκρασία κρυστάλλωσης, Tc, η θερμοκρασία τήξης, Tm, ενθαλπία κρυσταλλώσεως, ΔΗc, έχουν υπολογιστεί, μαζί με τα κλάσματα του κρυσταλλωμένου και μη κρυσταλλωμένου νερού, Xcw, Xucw, αντιστοίχως. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε θερμιδομετρική μέτρηση για το δοκίμιο με hw = 0.4, κατά την οποία έλαβε χώρα ισόθερμη κρυστάλλωση κατά την θέρμανση. Μετά από ένα ισόθερμο «βήμα» κατά την διάρκεια θέρμανσης σε θερμοκρασία Τ =-30οC, η οποία βρίσκεται στην περιοχή των φαινομένων ψυχρής κρυστάλλωσης και κάτω από την αντίστοιχη θερμοκρασία τήξης, μια επακόλουθη σάρωση ψύξης και θέρμανσης, αποκαλύπτει την αύξηση της Tg από-63οC έως-50οC και σημαντική μείωση της ΔCp. Το γεγονός αυτό υποδηλώνει ότι η υαλώδης μετάβαση εξαρτάται από το κλάσμα του ακρυστάλλωτου νερού στο δοκίμιο. Σε συνδυασμό με το γεγονός ότι η Tg δεν είναι ανιχνεύσιμης για το ξηρό δείγμα, γίνεται σαφές ότι η υαλώδης μετάπτωση του συστήματος προέρχεται από τη συνδυασμένη κίνηση των μορίων του μη κρυσταλ-λωμένου νερού και πεπτόνη καζεΐνης, όπως προτείνεται σε διάφορα σφαιρικές πρωτεΐνες. Η δυναμική του νερού μελετήθηκε με την χρήση Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας Εναλλασσομένου Πεδίου (DRS). Το ξηρό δείγμα πεπτόνης καζεΐνης δεν παρουσιάσε έντονη διηλεκτρική απόκριση. Οι κορυφές που αντιστοιχούν στις διηλεκτρικές απώλειες για τα διαλύματα συνδέονται κυρίως με τη δυναμική του νερού. Είναι ενδιαφέρον ότι το μέγιστο της κορυφής για hw = 0.4, που αντιστοιχεί στην επαναπροσανατολισμό των μη κρυσταλλωμένων μορίων νερού στο μίγμα, κινείται προς χαμηλότερες συχνότητες και παρατηρούνται σημαντικές αλλαγές στο σχήμα του μηχανισμού για hw = 0,5, όπου κρυστάλλωση του νερού λαμβάνει χώρα κατά την ψύξη. Η δυναμική του μη κρυσταλλωμένου νερού γίνεται "αργή", γεγονός το οποίο οφείλεται μάλλον στην παρουσία του πάγου. Για τα διαλύματα υψηλότερων hw, μια πιο έντονης έντασης κορυφή σταθεροποιείται σε θέση και αυξάνει σε ισχύ για αυξα-νόμενα hw. Στην περίπτωση των μερικώς κρυσταλλωμένων διαλυμάτων, οι χαλαρώ-σεις, που οφείλονται σε μηχανισμούς του πάγου, αναμένεται να συνεισφέρουν στις συνολικές διηλεκτρικές απώλειες. Από τα δεδομένα που λαμβάνονται κατασκευάσθηκε το διάγραμμα Arrhenius. Για hw = 0.3,0.4 παρατηρούμε ένα δευτερεύοντα μηχανισμό του νερού, ο οποίος παραμένει σταθερός στη θέση του και παρουσιάζει μια παρόμοια ενέργεια ενεργοποίησης Ea με τον ν μηχανισμό του νερού. Για hw = 0.5 η χαλάρωση του μη κρυσταλλωμένου νερού γίνεται πιο “αργή”. Στις αντίστοιχες μετρήσεις DSC είδαμε ότι το hw =0,5 δείγμα παρουσιάζει κρυστάλλωση του νερού κατά τη διάρκεια της ψύξης. Επίσης είδαμε ότι το κλάσμα του μη κρυσταλλωμένου νερού μειώνεται αρχικά μέχρι μια ελάχιστη τιμή στο hw = 0.6 και στη συνέχεια αυξάνεται και πάλι. Σε αυτή την περιοχή μια αναδιοργάνωση του νερού συμβαίνει στο σύστημα και μία μείωση της ενέργειας ενεργοποίησης Ea παρατηρείται για υψηλότερα hw. Τέλος, οι μετρήσεις TSDC σε υψηλή θερμοκρασία πόλωσης του ξηρού δείγματος, που μετρήθηκε για σύγκριση, έδειξαν ένα μηχανισμό χαλάρωσης περίπου στους 50οC. Για τα δείγματα με υψηλότερα κλάσματα νερού, η αγωγιμότητα σε υψηλές θερμοκρασίες, εμπόδισε παρόμοιες παρατηρήσεις.

At this MSc thesis, we present a study on the glass transition and water dynamics in the case of aqueous solutions of highly water soluble casein peptone in a wide range of compositions. Casein peptone is a digest derivative of the protein casein. Differential Scanning Calorimetry (DSC) was used for the study of glass transition and crystallization effects. Dielectric Relaxation Spectroscopy (DRS) was used to analyze dynamics. For some of the samples Thermally Stimulated Depolarization Currents (TSDC) method was performed. The glass transition of the solutions and the crystallization and melting events of water have been studied by differential scanning calorimetry (DSC). No water crystallization effects during cooling were recorded for the solution of water fraction hw=0.4 (grams of water per grams of solution). The glass transition temperature (Tg) has been recorded for all the solutions, but was absent for the dry casein peptone (at least within the temperature range of our measurements), which was measured for comparison. The Tg has been found at about -65oC for hw=0.4 and at about -50oC for higher hw. The heat capacity step (ΔCp) of the glass transition seems to be enhanced for the solution of water fraction hw=0.4, compared to the solutions of higher hw, where crystallization of water occurs during cooling. The calorimetric data have been analyzed and the values of Tg during heating, ΔCp, crystallization temperature, Tc, melting temperature, Tm, crystallization enthalpy, ΔΗc, have been calculated, together with the fractions of crystallized and uncrystallized water, Xcw, Xucw, respectively. After an isothermal scan during heating at T=-30ο C, which is in the region of the cold crystallization phenomena during heating, and below the respective melting temperature, a subsequent cooling and heating scan, reveals the increase of the Tg from -63ο C to -50ο C and the significant reduction of the ΔCp. This fact implies that the amount of uncrystallized water does contribute to the Tg and the nominal water fraction in the two phase system is now lower. In combination with the fact that the Tg is not detectable for the dry sample, it becomes clear that the glass transition of the system is originated from the combined motion of uncrystallized water molecules and casein peptone, as it is suggested in several globular proteins. Water dynamics has been studied by broadband dielectric spectroscopy (DRS) technique. The dry casein peptone sample did not present a pronounced dielectric response. The dielectric loss peaks corresponding to the solutions are mainly connected to water dynamics. It is interesting that the maximum of the peak for hw=0.4, which corresponds to the reorientation of uncrystallized water molecules in the mixture, moves to lower frequencies and the peak changes in shape for hw=0.5, where crystallization of water occurs during cooling. The dynamics of uncrystallized water becomes “slower”, probably due to the presence of ice. For the solutions of higher hw a more intense peak saturates in position and increases in magnitude, with increasing hw. In the case of partially crystallized solutions, relaxations due to ice are expected to contribute to the total dielectric loss. From the data received we calculated the Arrhenius plot. For hw=0.3,0.4 we observe a secondary relaxation of water which stays stable in position and presents a similar activation Energy Ea to the ν relaxation of water]. For hw=0.5 the ucw relaxation becomes slower. We saw in DSC that the sample of hw=0.5 presents crystallization of water during cooling. In DSC also we saw that the ucw fraction initially decreases until a minimum value at hw=0.6 and then increases again. At this water fraction region a reorganization of water occurs in the system and a decrease of activation energy Ea is observed for higher hw . Finally, the TSDC measurements at a high polarization temperature of the dry sample, which was measured for comparison, showed a relaxation mechanism at about 50οC. For the samples of higher water fractions the conductivity at high temperatures, prevented such observations.