Състав и реология на адсорбционни слоеве от смеси на протеини и пав върху различни междуфазови граници



Дата20.09.2016
Размер156.04 Kb.
Р Е Ц Е Н З И Я

по Дисертация на тема “Състав и реология на адсорбционни слоеве от смеси на протеини и ПАВ върху различни междуфазови граници"; представена от Румяна Добрева Станимирова, за получаване на образователната и научна степен “доктор” – 4.2. Химически науки (Теоретична химия).



Рецензент: Проф. д-р х.н. Емил Деянов Манев, пенсионер (до 2007 година: професор в катедрата по физикохимия, Факултет по химия и фармация на Софийския Университет “Св. Климент Охридски”).

Рецензираният дисертационен труд “Състав и реология на адсорбционни слоеве от смеси на протеини и ПАВ върху различни междуфазови граници" е представен за получаване на образователната и научна степен “доктор” от Румяна Добрева Станимирова, редовен докторант в Катедрата по Инженерна химия при Факултета по химия и фармация на Софийския Университет “Св. Климент Охридски”.



Формални наукометрични показатели на дисертацията

Рецензираната дисертация съдържа 104 страници оригинален текст, включващ 45 фигури и 8 таблици. Цитирани са 120 литературни източника. Изложението е организирано последователно в пет глави, всяка от тях с множество подзаглавия. Съдържа още допълнителните заглавия: “Основни приноси в дисертацията”; “Публикации по дисертацията” и “Литература”. Дисертацията е построена върху научни резултати, представени в две публикации излезли от печат през 2013 и трета работа – приета за печат през 2014 година. Първата e публикация е глава в книга: Colloid and Interface Chemistry for Nanotechnology от поредицата Progress in Colloid and Interface Science (CRC Press). Останалите две са в специализирани научни списания с висок импакт фактор (Langmuir; Colloids and Surfaces A).



Предмет и изследователска цел на дисертацията

Като изследователски обект, дисертацията е посветена на структурата, свойствата и поведението на смесени адсорбционни слове на междуфазна границата вода/въздух. По-конкретно: на съчетания ефект на смеси от протеини, и/или протеин плюс повърхностно активно вещество (ПАВ), върху образуването, структурата и реологичното поведение на съответните изследвани системи.

Съответно, основната изследователската цел на дисертацията е формулирана като (цитирам): “Да се изследват реологичните свойства на протеинови адсорбционни слоеве на междуфазова граница вода-въздух и в частност на смеси от два протеина или на смеси от протеин с ниско молекулно ПАВ.”

Изследователските задачи на дисертацията са формулирани като: “Да се изясни каква е структурата на смесените адсорбционни слоеве и как тази структура и взаимодействията на молекулите оказват влияние върху повърхностните реологични свойства”.

Избраната тема на дисертационния труд и поставените цел и задачи притежават безспорна приложна, но също и фундаментална актуалност в съвременната технологическа практика – управляването на устойчивостта на дисперсни системи. Потвърждение е интересът в литературата към подобни изследвания през последните години. Ниско молекулни ПАВ и протеини намират приложение в хранителната, химическата и фармацевтична промишленост като естествени стабилизатори на различните дисперсии.

Практическото значение на тези обекти стимулира и изследователския интерес към тях. Респективно, повърхностните свойства, и стабилизиращата способност на смеси от протеини и/или ПАВ, особено напоследък, са обект на множество изследвания от други автори.

По-нататъшната дискусия върху разделите, включващи различните изследвания на рецензирания дисертационен труд, е съобразена със структурата му.

Уводната част (Глава 1) включва описание и характеризиране на предмета на работата, експерименталните подходи за изследване на смесени адсорбционни слоеве, връзката между обемна агрегация, повърхностни свойства и структура на образуваните слоеве. Структурата на дисертацията е детайлизирана, с формулиране на поставените цели (задачи) по отделните части, свързани със съответните изследвания. Интересно е, че в увода е отделено специално внимание на специфичните свойства на един от трите изследвани протеина (HFBII хидрофобин).

Както е нормално да се очаква, уводът съдържа това, което обикновено се именува литературен обзор. Тук са съсредоточени повечето от цитираните в дисертацията литературни източници. Макар в по-малки количества, нови литературни източници се появяват и в следващите глави: на местата, където е конкретното им обсъждане, което е напълно обосновано. Съдейки по техния брой и характер, моето заключение е, че авторът познава задълбочено литературата в областта; обзорът и проучването, които предлага са достатъчно пълни, за да представят една цялостна картина.

Обещавам по-нататък да не нагазвам в езикови и граматически тънкости, но покрай Увода, не мога да се въздържа донякъде от изкушението да маркирам някои отклонения от нормите:

- Както в други рецензии, ще напомня и на настоящия автор, че (за разлика от “емулсия”) терминът “пяна” в българския език не е разрешен в множествено число (стр. 2, 7).

- Все още се смята за грешно, когато е пропуснат пълен член за м.р. (стр. 2, 4, 36, 47).

- Скоростта бива “висока/ниска”, в краен случай “голяма/малка”, но не и “бърза/бавна” (стр. 6, 25).

- Стр. 10: “...концентрация под критичната...”, “...над критичната...” - Става дума за мицелообразуване, не ли? Нека авторът обясни!

- Думата “капиляр” в българския (и не само в българския!) език е от мъжки род (стр.23).

- Странно ми звучат пасажи с новоизковани термини като: “разтичане на слой” (в смисъл на “разстилане”, стр. 25, 74, 77); „...слюда беше докосвана отгоре до [т.е допирана до] разтечен слой” (стр. 25).

N.B.: В Увода част от термините и съкращенията са въведени без обяснение. По-удобно би било те да са обяснени именно тук, при първото появяване в дисертацията, а не в следващи глави.

Намирам, че уводната част, в своята донякъде необичайна, но ефикасна форма, изгражда добра основа за развитието на следващите раздели.

В глава 2 от дисертацията са описани материалите и основните експериментални методи, използвани за охарактеризиране на изследваните системи. Тази е най-кратката част от дисертацията (12 страници), но в нея достатъчно отчетливо и детайлно са охарактеризирани използваните протеини с различен тип и структура, (анионно) ПАВ и допълнителен електролит. Описани са процедурите за приготвяне на работните разтвори, методите и устройствата за определяне на адсорбцията и свойствата на получените адсорбционни слоеве.

Работни вещества

Изследванията са проведени с четири протеина, подбрани с различна структура и свойства за определяне на адсорбцията им из смесени разтвори и поведението им в адсорбционния слой. Това са:



Хидрофобин клас II (HFBII): в разтвор образува дисулфидни връзки и агрегати. Притежава редица ценни за практика свойства (вж. глава 4).

β–casein: неструктуриран протеин, без дисулфидни връзки. На междуфазна граница вода-въздух хидрофобната част от молекулата се нагъва и образува примки.

BSA (говежди серумен албумин). Глобуларен протеин с третична структура, стабилизирана от дисулфидни връзки. В адсорбционния слой формата на молекулата е издължен елипсоид.

BLG (β–lactoglobulin): глобуларен протеин с вътрешни дисулфидни връзки. При стайна температура и естествено pH образува димери.

Ниско-молекулното ПАВ е най-популярният в литературата сърфактант, анионният натриев додецил сулфат (SDS) с критична концентрация на мицелообразуване (СМС) са. 8 mМ. Изследваният обхват е подбран така, че да включи концентрации под и над СМС.

Допълнителен електролит (NaCl). В експериментите с тънки течни филми сel = 1 mM NaCl за екраниране на електростатичното отблъскване; за промиване и в някои експерименти са използвани и по-високи концентрации. Изборът на тези концентрации е коментиран по-нататък (вж. глава 4).

Експериментални методи

За охарактеризиране на повърхностни свойства на изследваните разтвори е приложено съчетание от разнообразни експериментални методи, целящо взаимното им допълване в изследването.



Повърхностното напрежение на работните разтвори е определяно по метода на деформираното мехурче посредством апарат DSA 100R (Krüss).

Методи за измерване на повърхностна реология. Повърхностните модули на разширение (E′, E′′) са измерени по метода на осцилиращо деформирано мехурче, при който площта на мехурчето варира и повърхностното напрежение също се изменя периодично. Използван е DSA 100R (Krüss) с ODM модул.

Лангмюрова вана – модел 302LL/D1 на Nima Technology е използвана в реологичните експерименти за определяне на поведението на “разтечени” адсорбционни слоеве.

Паралелна и последователна адсорбция. За тестовете на обратимост/необратимост при последователна и паралелна адсорбция на протеини, ПАВ и др. е била конструирана специална клетка с обърнат капиляр и осцилиращо деформирано мехурче. Монтирана е на DSA 100R, с модул за осцилации и софтуеър DSA 1 за определяне на повърхностните и реологичните параметри на адсорбционния слой.

Експериментални методи с тънки течни филми. Оптично наблюдаваният филм е образуван в капилярната(?) клетка на Шелудко–Ексерова.

N.B.: Не си спомням създателите на клетката за тънки течни филми (Шелудко и Ексерова) да са я нарекли някъде “капилярна”. Добре ще е авторът да коментира извора и целта на названието (стр. 21).

Модифицирана клетка на Шелудко–Ексерова за адсорбция на две междуфазови граници (Flush cell”), конструирана в катедрата по Инженерна химия. Добавен е още един капиляр за сменяне и/или промиване на водната фаза.

Атомно силов микроскоп (AFM) Nano Scope Multi Mode V, Bruker Inc е използван в осцилиращ режим (без директен контакт с пробата), който е намерен за подходящ при изследваните образци.

Както показва материалът, представен в следващите раздели на дисертацията (глави 3 - 5), комбинацията от така приложените изследователски методи е била успешна и резултатна.

В Глава 3 са представени изследванията на взаимодействията между два протеина със съществено различни структура и свойства (глобуларния BSA и неструктурирания β-casein) и реологичното поведение на адсорбционните слоеве получени при конкурентна (последователна и паралелна) адсорбция на междуфазната граница вода/въздух. Адсорбционното и реологичното поведение за тези протеини е известно от литературата поотделно, но не и за техните смеси. Това е мотивирало едно по-задълбочено системно изследване на съвместната им адсорбция.

Знае се, че устойчивостта на пяната зависи не само от скоростта на адсорбция на протеин или ПАВ, но и от здравината на тънките течни филми между две мехурчета в нея. Важен фактор също е и пропускливостта на филмите по отношение на газове, водеща до Оствалдово зреене, която зависи от запълването на адсорбционния слой. Ето защо в дисертацията са комбинирани моделни експерименти на единична повърхност (деформирано мехурче) и на две междуфазови граници (тънки течни филми).

В тези изследвания са впрегнати няколко експериментални метода: DSA метод за повърхностното напрежение е използван с модул за осцилации и определяне реологичното поведение на адсорбционния слой, клетка за сменяне на водната фаза; клетка на Шелудко-Ексерова и модифицирана промивна клетка за дефиниране на поведението и стабилността на филмите. Чрез тях се акумулира информация за динамичното и равновесното повърхностно напрежение, повърхностните модули на разширение, дебелината на филмите при приложено високо и ниско налягане.

При изследванията на единичните пенни филми възникват въпроси, на които ще очаквам отговори от автора:

- Защо cNaCl = 1 mM? Ако целта е (пълно) подтискане на електростатичното разклинящо налягане, то тя едва ли е достатъчна; ако целта е била частично подтискане на Пel, то как е експлоатиран съответният ефект?

- Защо за промиване е предпочетена друга (малко по-висока) концентрация: cNaCl = 3 mM?

- Защо налягането в “отворена” клетка трябва да е 5 atm, докато в “затворена” е няколко хиляди пъти по-ниско?



N.B.: Впрочем, струва ми се, че щеше да е полезно дисертацията да включва схема, даваща представа за конструкцията на затворена/отворена клетка.

- Как е оценено (цитирам): “Стандартното отклонение на h, което е в рамките на грешката на експеримента + 3 nm.”?



N.B.: За мене това “стандартно отклонение” звучи като прекалено голямо при филми с дебелина 10-20 nm, като се има предвид, че от дебелината на филма се съди за структурата на повърхностните слоеве (вж. напр. стр. 37). Как е решена тази задача?

Важен резултат и извод в тази част е, че (цитирам): “…свойствата на адсорбционните слоеве и стабилността на пенните филми зависят от реда на адсорбция на междуфазовата граница.” Ако първоначално е адсорбиран β-casein, поведението се определя от молекулите на BSA. Филмите е неустойчиви при високо капилярно налягане (отворена клетка). Обратно, при начална адсорбцията на BSA повърхностното напрежение е ниско, повърхностната еластичност – висока и пенните филмите са устойчиви.

Съответният анализ е позволил хипотези за възможните структури на адсорбционните слоеве при паралелна и при последователна адсорбция, а резултатите могат да бъдат експлоатирани за моделиране на различни свойства на дисперсии, стабилизирани със смеси от протеини.

Глава 4 от дисертацията третира реологичното поведение и свойствата на смесени слоеве от протеин (HFBII) и ниско молекулно ПАВ (SDS).

Ценните свойства на HFBII са познати от литературата: силно повърхностно активен, добър стабилизатор на дисперсии, дава повърхностни слоеве с висока еластичност, подтиска Оствалдовото зреене и коалесценцията. За сметка на това е доста скъп. Ето защо намирането на смеси с други компоненти, които запазват неговите ценни адсорбционни свойства и при по-ниско съдържание, е важна практическа цел.

Изследвана е кинетиката на адсорбция из смесени разтвори на HFBII и SDS, конкурентната адсорбция на двата компонента при последователна и паралелна адсорбция, ефектът на SDS върху повърхностната реология (разтягане) на смесените адсорбционни слоеве.

Отново са комбинирани различни експериментални методи. Повърхностното напрежение е измервано по метода на деформираното мехурче (DSA метод), с модул за експерименти с осцилации и клетка за сменяне на водната фаза. Тънки течни филми са изследвани с клетки на Шелудко–Ексерова (вкл. “Flush cell”). Направено е сравнение при едни и същи експериментални условия на различните протеин-съдържащи системи (смеси): HFBII/SDS, BLG/SDS, BSA/SDS.

В тази част мога да изтъкна няколко основни резултата, свързани с установеното нетривиално адсорбционно поведение на такива смесени повърхностни слоеве. Предложени са и съответни хипотези за обяснение на получените ефекти.

- Адсорбцията на HFBII из смесен разтвор е дифузионно контролирана, но експериментално определената скорост е с порядък по-висока от предсказаната по уравнението на Ward и Tordai (обяснение: адсорбция на HFBII върху повърхност вече частично запълнена с SDS).

Първоначалната адсорбция на HFBII е необратима, за разлика от другите протеини (BLG и BSA), които напълно се изместват от повърхността при промиване с мицеларен разтвор на SDS.

- При паралелна адсорбция са намерени значителни разлики за концентрации на SDS под и над СМС. Ниски концентрации (сSDS < СМС) не препятстват адсорбцията на протеин докато над СМС няма адсорбция на HFBII (обяснение: хидрофилизация на протеиновите агрегати от ПАВ в обема).

- В присъствие на SDS еластичността на разширение на HFBII адсорбционен слой силно намалява (взаимодействие с SDS). При смяна на разтвора с чиста вода високите стойности на еластичност се възстановяват (обяснение: отстраняване на SDS от смесения адсорбционен слой).

- В присъствие на мицеларен SDS, HFBII може да съществува в две различни метастабилни състояния (при паралелна и последователна адсорбция на двата компонента).

- Еластичността на разширение на HFBII слоевете във функция от повърхностното напрежение минава през максимум (фазов преход в протеиновия адсорбционен слой: сливане на повърхностните агрегати, подпъхване на молекули или втвърдяване на повърхностния слой).

Въпроси към автора:

- Защо за смесите е избрано/предпочетено анионно и въобще – йонно ПАВ? Такъв избор има ли специални предимства?

- Стр.51; Фиг.4.2 и стр.56; Фиг.4.5: Защо първото водно промиване при адсорбция на HFBII+ SDS има само частичен ефект? Защо повърхностното напрежение продължава да спада след (първото) промиване, а не се запазва или повишава?

- Защо е необходимо да се добавя “нова” еластичност (Edil, стр. 68), след като отдавна вече са въведени няколко еластичности: Е, К и μ (стр.19)?

Получените резултати в тази глава допринасят за по-дълбокото разбиране на факторите, които контролират свойствата на повърхностните адсорбционни слоеве съдържащи хидрофобин във връзка с различните им приложения.

Пета глава, от дисертацията е посветена на връзката между високата повърхностна еластичност на HFBII на междуфазова граница и мезоскопската структура на слоя. Целта е изследването/установяването на причината за високата еластичност на адсорбционните слоеве HFBII във връзка с мезоскопска им структура.

За постигане на тази цел в дисертацията успешно са комбинирани измервания с AFM и Лангмюрова вана. Молекулите на HFBII са разстлани (“разтечени”!) на междуфазова граница вода–въздух в Лангмюрова вана и подложени на свиване, което повишава двумерното повърхностно налягане на слоя. С помощта на Лангмюрова вана е изследвано реологичното поведение на втвърден слой от HFBII и са подготвяни проби при зададени различни повърхностни налягания за наблюдение с атомно силов микроскоп. Еластичността на слоя е определяна също при много бавни деформации и чрез осцилации на повърхността на ваната.

Приложеният подход е позволил да се свържат данните за двумерното налягане с еластичността на слоя и с наблюдаваната от AFM структура. Чрез комбинацията на тези два метода е обяснена връзката между високата еластичност и структурата на адсорбционен слой HFBII.

Общи изводи и заключения

Представената дисертацията представлява системно експериментално изследване на смесени адсорбционни слоеве върху водна повърхност. Изследването е насочено към изясняването на съществени страни от структурата и реологията на такива адсорбционни слоеве от протеини (и ПАВ). Получена е значителна нова информация, която има фундаментална, а също и приложна стойност.

В основните научни и научно-приложни приноси на рецензираната дисертация има резултати в няколко насоки:

Формулиране и обосноваване на нови хипотези за възможната структура на смесените слоеве:

- За различните свойства на повърхностните слоеве в зависимост от реда на адсорбиране (Глава 3; публикация Д1).

- Хипотези за максимума в еластичността на слоеве от HFBII в зависимост от σ и за структурата на адсорбционният слой във всеки момент от тази зависимост (фазов преход в протеиновият адсорбционен слой, сливане на по-малките повърхностни агрегати в по-големи, преход с подпъхване на едни молекули протеин под други или втвърдяване на повърхностния слой – Глава 4; публикация Д3).

- Двата вида трислойни структури, наблюдавани с AFM, се образуват по два различни механизма: големи домени - вследствие на нагъване и подпъхване на изградения монослой (както е при липидните слоеве); малки зърнести агрегати - при притискането на монослоя по време на осцилации (Глава 5; публикация Д2).

Доказване с нови средства на нови страни на съществуващи проблеми, теории, хипотези; получаване и доказване на нови и потвърдителни факти. Ще посоча само някои от по-интересните:

- Веднъж адсорбиран, HFBII не може да бъде изместен от SDS при последователна адсорбция, независимо от концентрацията – под/над CMC (Глава 4).

- Две метастабилни състояния на HFBII и SDS над CMC: (i) смесени хидрофилни агрегати в обема при паралелна адсорбция; (ii) адсорбиран HFBII (със SDS) на междуфазовата граница при последователна адсорбция (Глава 4, публикация Д3).

- Структурата на HFBII слоевете над фазовия преход (П = 22 mN/m) е силно нехомогенна и включва празнини, монослой и два типа трислойни структури (Глава 5, публикация Д2).

- Чрез структурата на слоя при различни двумерни налягания са обяснение високите стойности на повърхностната еластичност: до 500 mN/m (Глава 5, публикация Д2).

Използваната в дисертацията комбинация от методи за определяне на повърхностни свойства и пенните тестове се допълват взаимно, за да предложат нов поглед към адсорбцията и реологичното поведение в смесени системи.

Заслужава похвала и грижливото оформяне на дисертацията, особено по отношение на фигурите. Трудно ми е да изтъкна най-информативните измежду тях, но все пак ще посоча няколко за пример: Фигури 3.3; 3.5; 4.9; 4.12; 5.2; 5.7.

От включените в дисертацията три публикации две вече са излезли от печат: първата като част от книга (Colloid and Interface Chemistry for Nanotechnology, от поредицата Progress in Colloid and Interface Science на CRC Press), а другата - в престижното международно специализирано списание Langmuir. Още една е приета за печат, отново в престижно специализирано списание - Collids and Surfaces A.

Публикациите по дисертацията са предимно в съавторство с колеги на докторантката от Катедрата по инженерна Химия на ФХФ. Между тях са научният консултант на дисертанта, акад. Петър Кралчевски (Д1, Д2, Д3), научните ѝ ръководители, проф. Красимир Данов (Д3) и доц. Кръстанка Маринова (Д1, Д3) и още седмина изследователи. В две от публикациите (Д2, Д3) Румяна Станимирова е на първо место и в една – на второ (Д1), което приемам за признание от страна на ръководителите и другите съавтори за нейния съществен принос във всички изследвания.

Като се имат предвид достойнствата и приносите на публикациите, и високият авторитет на периодиката, където се публикуват, съм убеден в съответствието на предлагания дисертационен труд с предявяваните към него изисквания както формално, така и по същество.

До този момент научният ефект на първите две публикации, включени в дисертацията е намерил изражение в два цитата в международната научна литература. Това е засега сравнително скромен ефект, но тези две публикации са твърде скорошни, за да дирим по-широко представителство, а за третата (в процес на публикуване) това е практически невъзможно. Моето мнение е, че работите заслужават по-изявен научен интерес, който ще се прояви в близко бъдеще.

Материали от Дисертацията са представени на 7 научни форума (5 национални и 2 международни). Има основание да се говори и за приложна стойност на получените резултати. Авторефератът съответства на изискванията и отразява правилно основните резултати и приноси на дисертационния труд.

Общото ми впечатление от дисертационния труд безсъмнено е благоприятно. Изложението ме убеждава, че Румяна Станимирова е изследовател с отлична университетска подготовка и е достигнала много добро равнище на компетентност в областта на физикохимията на повърхностните явления и дисперсните системи. Смятам също така, че Дисертацията е в достатъчна степен нейно лично дело.

В заключение ще подчертая, че представеният ми за рецензиране дисертационен труд съответства напълно на изискванията за получаване на образователната и научна степен “доктор”.

Въз основа на гореизложеното убедено препоръчвам на кандидатката Румяна Добрева Станимирова, редовен докторант в Катедрата по Инженерна химия при Факултет по Химия и Фармация на Софийския университет “Св. Климент Охридски”, да бъде присъдена образователната и научна степен “доктор”.

София, 25 юни 2014



Рецензент: проф. дхн Емил Д. Манев
Каталог: index.php -> bul -> content -> download
download -> Литература на народите на Европа, Азия, Африка, Америка и Австралия
download -> Дипломна работа за придобиване на образователно-квалификационна степен " "
download -> Рентгенографски и други изследвания на полиестери, техни смеси и желатин’’ за получаване на научната степен „Доктор на науките”
download -> Св. Климент Охридски
download -> Акад. Илчо иванов димитров (1931 – 2002) фонд 20 опис 1
download -> Азбучен списък на преподавателите
download -> Климент охридски” университетски архив
download -> График за провеждане на семтемврийската (поправителна) изпитна сесия на магистърска програма „политическа социология учебна 2014/2015 г. Поправителна сесия от 24 август до 11 септември 2015 г
download -> Обявява прием на студенти


Поделитесь с Вашими друзьями:




База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2020
отнасят до администрацията

    Начална страница