A keményítő foszfátok tulajdonságainak vizsgálata

A hőkezelés után 1 g/dm³-es oldatokat készítettem a módosított keményítőből, amiből végrehajtható volt a minták további elemzése. A módosított keményítő termékek töltéssűrűségét (a keletkezett keményítő foszfát ionosságára utaló érték), és tömeg szerinti átlagos molekulaméretét, valamint oldhatóságát vizsgáltuk az alábbi műszerek segítségével.

2.3.1. Töltéssűrűség mérése

A töltéssűrűséget a tanszéken lévő MÜTEK PCD 02 részecske töltés analizátorral határoztam meg. A műszer kolloid-titráláson alapul [138], miszerint a mintához egy ellenkező töltésű polielektrolitot adagolunk, aminek ismerjük a töltéssűrűségét. Az ellenkező töltésű polielektrolit semlegesíti a mintában lévő töltéseket. Amikor elérjük a 0 mV töltésű pontot, ami az izoelektromos pont, vége a mérésnek. A műszer méri a titráláshoz fogyott titrálószer mennyiségét, amiből az alábbi számítással kapom meg a fajlagos töltéssűrűséget.

43 w c d V

Ch 1000

.

. = × ×

ahol:

V= a felhasznált titráló anyag térfogata cm³-ben c= a titrálóanyag normalitása [eq/dm³]

1000= a töltéssűrűség átszámítási faktora

w= a beadott minta szilárdanyag tartalma, illetve annak hatóanyaga g-ban

Amennyiben a mintákat mindig azonos körülmények között vizsgáljuk, azaz a minta szilárdanyag tartalma és a titrálószer koncentrációja nem változik, a kapott eredmény (titrálószer fogyása) segítséget adhat a minták egymás közti összehasonlítására.

2.3.2. Átlagos molekulatömeg és oldhatóság mérése

A molekulatömeg eloszlást méretkizárásos folyadékkromatográfiával, többszögű lézer fényszórásos és törésmutató detektálással (HPSEC-MALLS-RI) határoztam meg. A méréseket Merck LaChrom folyadékkromatográfiás rendszerrel végeztem, melynek részei:

- alacsony nyomású gradiens képzésre alkalmas szivattyú - automata mintaadagoló

- 2 db sorba kötött PLaquagel-OH Mixed 8 µm 300x7,5 mm típusú oszlop és előtétoszlop, a töltet rigid makropórusos hidrofil polimer

- oszloptermosztát - törésmutató detektor - gázmentesítő

- adatátviteli egység

- D-700 HSM szoftver, mely irányítja a rendszert és végzi az adatfeldolgozást.

A HPLC rendszerhez a polimerek molekulatömeg eloszlásának mérése érdekében egy Precision Detector PD2020 fényszórásos detektort kapcsoltam. A detektor tartalmaz egy lézerfényforrást. Az általa kibocsátott fény áthalad egy küvettán, melyben az oszlopról lejövő minta halad. A lézerfény a minta molekulaméretének függvényében különböző szögben szóródik. A szórt fényt két (90º-os, 15º-os) szögben detektáljuk, ami azért fontos, mert a 90º-os detektálás a kisebb méretű molekulákat, a 15º-os a nagyobb méretű

44

molekulákat érzékeli, ezáltal a mérés pontosabb lesz. Ez a jel a koncentráció*molekulatömeg szorzattal arányos. Az RI-detektor jele arányos a koncentrációval. A lézer detektorhoz tartozik egy adatgyűjtő (Precision Acquire 32) és egy adatfeldolgozó (Discovery 32) szoftver, mellyel a törésmutató detektor és a fényszórásos detektor jeleiből számolható a molekulatömeg eloszlása. A minták oldhatóságára a törésmutató detektor (RI) jeléből következtettem, mert a jel nagysága összefüggésben van a minta oldhatóságával oly módon, hogy a minta oldható hányadának törésmutatóját méri (13. ábra).

13. ábra

Egy keményítő foszfát kromatogramja

45

A polimerek molekulatömege nem jellemezhető egyetlen számmal, erre különböző átlagértékeket használnak. Leggyakrabban a tömeg szerinti átlagos molekulatömeget (Mw) és a szám szerinti átlagos molekulatömeget (Mn) használják.

∑

=

∑

i i

i i

M n

M Mw n

2

∑

=

∑

i i i

n M Mn n

ahol, ni az Mi molekulatömegű molekulák száma. Mw érzékeny a nagy molekulatömegű rész arányának változására a polimeren belül, ezért később csak ezt az értéket tüntetem fel.

A mérés paraméterei:

Eluens: pH 9-es foszfát puffer oldat Áramlási sebesség: 1 cm³/perc Mérés hőmérséklete: 30ºC.

RI-detektor érzékenysége: ½ x 10^-6 RIUFS.

Minta koncentrációja: 10 g/cm³.

Minta oldása: desztillált vízben, NaOH-dal Injektált minta mennyisége: 5 µl.

2.3.3. Vízoldható keményítő foszfátok minősítése

A tanszéken folytatott kutatómunka szerint a kisebb molekulatömegű, nagy töltéssűrűségű keményítő foszfátok szuszpenziókban lerakódásgátló, diszpergáló hatást fejtenek ki. Ilyen anyagokkal is folytattam kísérleteket, hiszen a szuszpenziós és oldatműtrágyák alkalmazása során kedvező lehet, ha a mikroelem hordozó adalék egyúttal diszpergáló hatást is ki tud fejteni.

A kísérleteknél a CaCl₂-ot tartalmazó desztillált vízből való sókiválás megakadályozását vizsgáltam, azonban a tapasztalatok és a kifejlesztett mérési módszerek az oldatműtrágyák esetére is alkalmazhatók.

46

Jelenleg szervetlen foszfátokat, foszfonátokat és szerves polimer lerakódásgátlókat használnak a vízkezelésben. Töltésük általában anionos jellegű, átlagos molekulatömegük 10²-10⁴ Da közötti. Hatásuk azon alapul, hogy a sók kiválását, a keletkező kristályok növekedését, ill. a stabil lerakódás kialakulását akadályozzák.

Sikerült kifejlesztenem olyan lerakódásgátló szereket, melyek viszonylag kis molekulatömegű (10⁴-10⁵ Da), anionos töltésű keményítőszármazékok – kémiai jellegüket tekintve keményítő foszfátok.

A keményítő alapú lerakódásgátló szerek tulajdonságai:

− Hatékonyak: gátolják a sókiválást, ill. a kivált sókristályok növekedését és diszpergálással akadályozzák azok lerakódását.

− Nem mérgezőek: élelmiszeripari minőségű nyersanyagokból készülnek olyan körülmények között, melyek kizárják a káros melléktermékek képződését. A termékek összetétele a pudingporokéhoz hasonló. Vizes oldatuk lenyelve nem okoz akut tüneteket, valamint nem irritálja a szemet, a bőrt és a nyálkahártyát.

− Foszfortartalmuk kb. 1/10-e a szervetlen foszfát lerakódásgátló szerekének.

− Környezeti hatásra, biológiai hatásra lebomlanak: a keményítő glükóz monomerekből épül fel, savas körülmények között, ill. erjesztő hatású mikrobák jelenlétében (vagyis szinte bárhol) glükóz cukorrá bomlik, ami tovább bomlik széndioxiddá és vízzé. A szerves, szintetikus polimer lerakódásgátlók sokkal lassabban bomlanak le, a gyártás során bennük maradó, ill. a lebomlás során keletkező monomerek mérgező hatásúak.

− Nem károsítják a felületet, nem lehet túladagolni.

Alkalmazástechnikai kísérletekkel bizonyítható a keményítő alapú, kis molekulatömegű műtrágya adalékok diszpergáló hatása.

− 1. kísérleti módszer: víz keringetése csővezetékben 24 órán át, 35-65 ^oC között periodikusan változtatott hőmérséklet mellett. Adott csődarabon a lerakódás tömegét mérik inhibitorok mellett és a nélkül [139].

− 2. kísérleti módszer (60 cm³ desztilláltvíz és 3 cm³ 0,1 M CaCl2 változó mennyiségű inhibitor jelenlétében): 0,1 M Na2CO3 adagolás mellett a CaCO3 kiválási koncentráció eltolódását mérik [140].

A későbbi munka során a diszpergáló hatású keményítő foszfátokba mikroelemeket vittem be. Ilyen adalék például az 52. minta.

47