Plując do próbówki - test na enzymy śliny

Badanie enzymów śliny stanowiło jedno z ciekawszych ćwiczeń na bioanalizie, przynajmniej pod względem procedury przeprowadzenia.

Ślina stanowi wydzielinę gruczołów zlokalizowanych w jamie ustnej, głównie ślinianek dużych, zlokalizowanych przy uszach, pod językiem i w szczęce, oraz drobniejszych ślinianek rozsianych na powierzchni języka i policzków.
Stanowi skomplikowany roztwór zawierający sole mineralne, głównie wapń, magnez, sód i potas, aniony kwasów organicznych, głównie cytrynowego, fosforowego i węglowego, anion tiocyjanianowy i wiele innych. Czynnikiem zagęszczającym i zwiększającym lepkość są białka mucyny tworzące żele. Oprócz nich ślina zawiera też wiele enzymów i czynników odpornościowych, pełniących funkcję obronną. Lizozym, obecny też w łzach, niszczy błony komórek bakterii Gramm dodatnich. Laktoferyna wiąże ślady żelaza, potrzebnego do rozwoju wielu bakterii. Immunoglobuliny atakują bakterie i pierwotniaki. Laktoperoksydaza utlenia patogeny, pełniąc też rolę odkażającą w mleku.
Inne składniki ochraniają tkanki jamy ustnej i gardła - lekko zasadowy odczyn i obecność soli mineralnych hamuje wypłukiwanie wapnia ze szkliwa, czynniki wzrostu, białka przeciwzapalne i stymulujące przyspieszają gojenie się ran wewnątrz jamy ustnej - zwierzęta wiedzą co robią gdy wylizują sobie rany. Z drugiej strony są bakterie które jakoś sobie w tych warunkach radzą, o czym świadczą choćby problemy dentystyczne, wywoływane przez szczepy zakwaszające ślinę.

Co jednak równie ważne, ślina zawiera też enzymy trawienne, toteż żucie i mieszanie z nią pokarmu przed przełknięciem, jest pierwszym etapem trawienia. Ślinowa lipaza uaktywniana po przełknięciu w żołądku rozpoczyna trawienie tłuszczów, u noworodków które jeszcze nie zaczęły wytwarzać lipaz w trzustce, ta ze śliny jest jedyną dostępną. Rybonukleaza zaczyna trawić kwasy nukleinowe. Białko haptokoryna chroni witaminę B 12 przed rozkładem w żołądku. Tak więc jak widzicie, dobre przeżucie jedzenia to podstawa.
Dla mojego doświadczenia najistotniejsze były jednak enzymy trawiące wielocukry - ślinowa amylaza rozbija długie łańcuchy skrobi, dzieląc wiązania glikozydowe, i odczepiając cząsteczki maltozy, złożonej z dwóch cząsteczek glukozy. Drugi enzym maltaza rozbija go na glukozę, ale ma to już mniejsze znaczenie. Ogółem skrobia zostaje rozbita na dekstryny i maltozę, będąc trawioną w ok. 30%, reszta zostanie przerobiona przez amylazę trzustkową w jelitach

O aktywności amylazy możemy się niekiedy przekonać podczas długiego żucia chleba - zwykły, pozbawiony słodyczy chleb, po dłuższym przeżuciu staje się słodkawy, co czuć zwłaszcza przy przełykaniu - powstająca maltoza jest lekko słodka. Właściwości śliny są też używane do produkcji napojów alkoholowych - południowoamerykańska Chicha jest produkowana z przeżutej kukurydzy. Wypluwki mieszane są w cieple w dużym naczyniu, gdzie następuje rozkład skrobi. Dopiero do tego dodaje się zakwas z bakteriami, które wywołują fermentację proadząc to powstania niskoprocentowego napoju alkoholowego. Z kolei z przeżutego manioku Indianie wytwarzali masato, którego przygotowanie i spożywanie było obrządkiem plemiennym.

W jaki sposób można zbadać enzymy śliny? W naszym przypadku oparliśmy się na właściwościach amylazy do rozkładania skrobi. Skrobia jak wiadomo tworzy z jodem intensywnie granatowy kompleks, pozwalający wykryć skrobię lub jod. Jeśli enzym rozłoży skrobię na maltozę bądź krótkołańcuchowe dekstryny to zabarwienie pod wpływem jodu nie będzie się pojawiać. I tak oto przedstawia się cała idea badania. Ale najpierw trzeba zdobyć próbkę śliny.

W tym celu z grupy mającej zajęcia wybrano dwie osoby i tak się złożyło że byłem jedną z nich. Każdy dostał po próbówce i połówkę cytryny, aby jej zapach pobudzał wydzielanie śliny. Akurat w moim przypadku najzupełniej wystarczało samo wyobrażanie sobie zjadania cytryny. Należało zgromadzić kilka centymetrów śliny, tak aby starczyło na całą grupę.
Gdy już zebraliśmy wystarczającą objętość, ślina została rozcieńczona i przesączona.
Wcześniej przygotowaliśmy ok. 1% zawiesinę skrobi w wodzie. Rozdzieliliśmy ją na cztery próbówki, które zanurzyliśmy w łaźni wodnej nastawionej na 40 stopni, bo w tej temperaturze amylaza działa najszybciej i gdy już się ogrzały, do połowy dodaliśmy roztworu śliny a do drugiej połowy równą ilość czystej wody, otrzymując próbę kontrolną. Następnie próbówki ogrzewały się w łaźni przez pół godziny.
Gdy już minął przepisowy czas, do wszystkich czterech próbówek dodaliśmy kilka kropli płynu Lugola, zawierającego jod. Otrzymaliśmy następujący widok:

Zdjęcie trochę drgnięte, ale widać co trzeba - w połowie próbówek, w tych kontrolnych, zawartość zabarwiła się na granatowo. W tym z dodaną śliną stała się brązowa. Oznacza to że w próbie kontrolnej nie uległa zmianie skrobia, natomiast w tej ze śliną została rozłożona na nie dające reakcji barwnej fragmenty.
Zatem nasza ślina zawierała ten enzym.

Podobny enzym zawiera też ślina pszczół, a co za tym idzie również miód. Dzięki temu można zbadać, czy miód nie był klarowany przez podgrzewanie, bowiem amylaza ogrzana powyżej 45 stopni trwale traci swoje właściwości. Przebieg takiego badania jest bardzo podobny do badania śliny - próbkę miodu rozcieńcza się i miesza z zawiesiną skrobi. Całość utrzymuje się w cieple w około 35-40 stopni przez jedną lub kilka godzin, po czym sprawdza zabarwienia roztworem jodu. Brak zabarwienia świadczy o tym że miód zawiera aktywny enzym.
Szczegółowy przepis podawał Stobiński w książce "Chemia i Życie", którą zresztą polecam, dobry opis możecie znaleźć tutaj.
W przemyśle aktywność amylaz miodu określa się przy pomocy liczby diastazowej - jest to ilość mililitrów 1% zawiesiny skrobi, które jest w stanie w ciągu godziny zhydrolizować 1 gram miodu. Niska wartość świadczy o podgrzewaniu lub chrzczeniu syropem cukrowym.

Barwniki do jaj - chemicznie ujmując

Dwa lata temu opisałem w wielkanocnym wpisie jakie są naturalne metody barwienia pisanek i jakie związki za to odpowiadają. W tym roku zatem opiszę te sztuczne barwniki.

Wprawdzie różni producenci produkują tego typu barwniki, ale jak zauważyłem, praktycznie wszyscy używają tych samych, więc opis na podstawie składu barwników które mam w domu, powinien być reprezentatywny.

Czerwony
W moim zestawie za czerwień odpowiada E 124 czyli czerwień koszenilowa. To dość skomplikowany związek:

Dwie cząsteczki pochodnych naftalenu połączone grupą azową -N=N-. Grupa ta jest silnym chromoforem, a więc ugrupowaniem nadającym barwę, a jej kolor wzmacniają duże cząsteczki aromatyczne.
Wszystkie barwniki azowe mogą wywoływać uczulenia, u osób nadwrażliwych na salicylany zwiększają objawy a u astmatyków zwiększają wydzielanie histaminy. Z tego powodu ich użycie w żywności jest coraz bardziej ograniczane a normy zawartości systematycznie obniżane.

Różowy
W niektórych zestawach kolor różowy jest otrzymywany przez dodatek amarantu czyli E-123, kolejnego barwnika azowego. Ze względu na częste doniesienia o reakcjach nadwrażliwości jest coraz rzadziej używany w przemyśle spożywczym, podbarwia kawior, galaretki w proszku i napoje alkoholowe. Jest podejrzewany o rakotwórczość ale nie potwierdzono tego u ludzi.


Żółty
W moim zestawie znajdują się dwa żółte barwniki. Pierwszy to żółcień pomarańczowa czyli E 110 o kolorze bliższym pomarańczy, także będąca barwnikiem azowym:

Podobnie jak inne tego typu związki może wywoływać uczulenia i pokrzywki, u nadwrażliwych na salicylany daje reakcję. Jest podejrzewana o rakotwórczość ale nie wykazano tego u ludzi, mimo tego wiele krajów jej nie stosuje. Używa się jej do podbarwiania słodyczy i żywności która musi być podgrzewana, jednak coraz rzadkiej. Kiedyś była często stosowana do dożółcania margaryny.
Znalazłem informację, że stężone roztwory wodne przybierają w pewnych temperaturach formę ciekłego kryształu.

Drugi barwnik to tartrazyna, czyli E 102, mająca dość ciekawą budowę:

Jest to także barwnik azowy z grupami aromatycznymi, ale także pierścieniem diazolowym. Charakteryzuje się dużą siłą barwiącą. Pojawia się w szerokiej gamie produktów, zwłaszcza napojach i słodyczach, choć w ostatnich latach jest wycofywania. Używa się jej też w kosmetykach i jako barwnika do wełny.
Może wywoływać te same problemy zdrowotne jak i pozostałe barwniki azowe - pokrzywki, uczulenia, nadwrażliwość itp ale też migreny. Wydaje się, że u pewnych ludzi występuje specyficzna nadwrażliwość konkretnie na tą substancję, także u tych którzy nie wykazują objawów na inne barwniki azowe.
Z tego co czytałem, niektóre zestawy zawierają jeszcze żółć chinolinową czyli E 104, także barwnik azowy, inne też kurkuminę.

Niebieski
Niebieskim barwnikiem jest tu błękit brylantowy, czyli E 133, nie jest to tym razem barwnik azowy:

Jednak grupy sulfonowe przy pierścieniach aromatycznych powodują, że także może wywoływać nadwrażliwość. Uważany jednak za bezpieczny z powodu bardzo nikłego wchłaniania. Jest często stosowany w napojach i słodyczach.

Możliwy do stosowania jest też indygokarmin E 132, pochodna pigmentu indygo (tego od dżinsów), kiedyś o nim pisałem. Nie jest barwnikiem azowym, nie wywołuje uczuleń i należy do najmniej szkodliwych substancji barwiących, jest bowiem bardzo szybko wydalany - na tyle szybko, że może zabarwić mocz na niebiesko.
Nie wiem natomiast czy w zestawach używa się czerni brylantowej - barwnika o intensywnym, niebiesko-fioletowym kolorze

Zielony
Mój zestaw nie zawierał żadnego specyficznego barwnika zielonego. Zielony był zapewne otrzymany ze zmieszania błękitu brylantowego i tartrazyny. W zasadzie możliwe jest użycie w niektórych zestawach E140 czyli chlorofilu lub lepiej rozpuszczalnej E 141 czyli chlorofiliny miedziowej, barwników pochodzenia naturalnego które spotykałem w zestawach barwników spożywczych do deserów.

Jak zatem widzicie, barwniki do jaj to kawał chemii. Czy wobec tego są groźne? Raczej nie - nie wnikają do wnętrza jajka, lecz pozostają związane w skorupce - a tą zdejmujemy i wyrzucamy. Jeśli zaś ktoś ma obawy to powinien od teraz pamiętać, by niezużytych barwników do jaj nie używać do innych rzeczy - a już parę razy czytałem o barwieniu nimi domowych ciast i lukrów, które się przecież spożywa w całości.

Post scriptum:
Znalazłem wynik ciekawego badania - analitycy ze Zgierza przebadali w 2009 roku komercyjne zestawy do barwienia przy pomocy chromatografii cienkowarstwowej. Wykazali, że na 9 przebadanych zestawów, trzy nie zawierały deklarowanych barwników, bądź zawierały w śladowych ilościach, a głównymi składnikami barwiącymi były barwniki do wełny, niedopuszczone do barwienia żywości. Opis badań jest dosyć przystępny:
http://zgierz.impib.pl/images/pdf/181.pdf

Dzień pracy na pracowni

Moje wpisy na temat przeprowadzania syntez zapewne dają już jakieś pojęcie o tym co też takiego robi się w laboratorium, jest to jednak w zasadzie skrót wydarzeń, ograniczony do jednego wątku. A jak wygląda dzień na pracowni?

Od pewnego czasu ustalił mi się stały rytm pracy, porządkujący dni. Ponieważ najważniejsze jest dla mnie przetestowanie ligandów w reakcji Henry'ego, zwykle wstawiam jedną lub dwie, ostatnio cztery, w czwartek lub piątek. Ponieważ reakcja ma trwać cztery doby, decyduje ona o planie reszty tygodnia.
Tak więc w poniedziałek przychodzę na krótko, aby zdjąć z mieszadeł wstawione reakcje, i odparować rozpuszczalnik. Zamknięte korkiem i zaparafilmowane kolbki wstawiam do lodówki, żeby produkt się nie rozkładał. Potem mam jeszcze dwa seminaria, więc nic więcej na pracowni nie robię. We wtorek i środę rozdzielam na kolumnie mieszaniny poreakcyjne, odparowuję frakcje z produktami i wstawiam do zamrażarki. W czwartek nad ranem wstawiam początek reakcji - ligand rozpuszczony w izopropanolu i z dodaną solą miedzi. Całość ma się tak mieszać cztery godziny, więc w tym czasie zwykle mierzę skręcalność optyczną oczyszczonych wcześniej produktów. Po upływie czterech godzin dodaję do kolbek substraty i mam wolne.
W piątki albo dokańczam rozdział mieszanin, albo mierzę skręcalności albo mam wolne, zależnie od tego jak się wyrobiłem w tygodniu.

A jak wygląda przykładowy dzień?
Wstaję rano. Teoretycznie na pracowni powinieniem być około 8:30, ale traktuję te "około" dosyć swobodnie, toteż zwykle zjawiam się za kilka minut dziewiąta.
Zaglądam do zeszytu co też mi zostało na ten dzień. Aha... jeszcze jedna mieszanina do rozdziału. Pytam dr Wolińską czy ma może wzorzec produktu do porównania. Dostawszy go robię płytkę TLC w odpowiednim eluencie. Czasem wynik jest bardzo ładny - duża, wyraźna plama produktu. Czasem produkt pojawia się w ilościach śladowych. W przypadku jednego aldehydu nie pojawił się w ogóle, mimo dwukrotnego powtórzenia reakcji. Nie wiem czemu.
Zaczynam więc przygotowywać kolumnę - najpierw watka na dno, potem robię "błotko" krzemionki z eluentem, nalewam, popycham pompką aby się żel dobrze osadził. Mieszaninę poreakcyjną mającą postać brązowego osadu lub oleju rozuszczam w chlorku metylu, i dodaję nieco suchej krzemionki. Po odparowaniu w wyparce otrzymuję mieszaninę reakcyjną wchłoniętą w żel.
Taką sypką mieszaninę nasypuję na początek kolumny, zalewam eluentem, stukam jeszcze aby wyszły pęcherzyki powietrza, po czym nakładam zbiornik, mocuję pompkę i zaczynam chromatografowanie. Zwykle jest wówczas tuż przed dziesiątą.

Na pracowni oprócz mnie jest jeszcze dwóch chłopaków - jeden zajmuje się podobnym ligandem ale z podstawionymi innymi grupami, drugi najmuje się ligandami z funkcją N-tlenkową, ostatnio też pochodną nikotyny. Do tego dr Wolińska, nasza promotor, dr Ławecka zajmująca się związkami siarki, pani asystentka i czasem zachodzą do nas z pracowni na przeciwko skorzystać z wyparki. Trzeba mieć niezły refleks by nie zderzać się na skrzyżowaniu przejść między stołami, gdy jeden odchodzi ze swej kolumny by na płytce sprawdzić kroplę frakcji pod lampą UV (postawioną strategicznie pośrodku), a drugi idzie z kolbką do wyparki i trzeci wraca od wagi.
Zwykle w ciągu dnia ktoś z nas,wstawia do destylacji techniczny rozpuszczalnik, aby mieć czysty do użytku, albo heksan albo chlorek metylenu albo aceton, czasem trzy na raz. Czasem oddaje się próbki na badania NMR i po pewnym czasie odbiera widma.

Tak więc kolumnuję. Eluent zwykle jest tak dobrany, aby Rf na płytce nie przekraczał 0,6 toteż co prawda na kolumnie przebiega to nieco inaczej, ale zanim pierwszy składnik pojawi się w wycieku zwykle trochę to trwa. Czasem zostawiam kolumnę żeby sobie kapała i kupuję kanapkę w bufecie, i wracam przed skapaniem pierwszej substancji.
Z reguły produkt o jaki mi chodzi jest drugą lub trzecią substancją w kolejności, nie zawsze jest jednak naocznie zauważalny na kolumnie (koledzy niekiedy zajmują się kolumnami całkiem białymi, to jest mieszankami z bezbarwnym produktem i zanieczyszczeniami). Zbieram przynajmniej trzy frakcje i sprawdzam na płytce w porównaniu ze wzorcem. Frakcje 1,2,3,4 - aha, to jeszcze nie to.

Nie lubię zupełnej ciszy podczas pracy, więc paradoksalnie żeby się nie rozpraszać zwykle kładę obok komórkę z włączoną jakąś muzyką, czasem z radiem, a bez tego sam sobie coś nucę. Ostatnio przyszedł mi do głowy fajny swingowy rytm, szkoda że na niczym nie gram. I tak to mi płynie - pompką popycham eluent dla szybszego przepływu, ale też nie za szybko. I sprawdzam dalej.
Frakcje 5,6,7 jeszcze nie to, frakcja 8 - produkt i zanieczyszczenie przednie, aha to teraz zbierać mniejsze frakcje. Frakcja 9 produkt czysty, frakcja 10 i 11 też, we frakcji 12 pojawia się zanieczyszczenie tylne, ale produktu są już tylko ślady. Sprawdzam jeszcze jedną-dwie frakcje tyłu aby upewnić się czy na pewno produkt już nie leci. Raz zdarzyło się że produkt wykrystalizował i zamienił się kolejnością z zanieczyszczeniami - pierwsza frakcja czysty produkt, potem pięć frakcji zanieczyszczeń z produktem i na koniec jedna frakcja czystego produktu.
Więc dobrze, mam kilka frakcji czystych, zlewam je zatem i odparowuję w jednej kolbce, wcześniej na sucho zważonej. Gdy mi się odparowuje schodzę do bufetu po cośtam, batonik albo gorącą herbatę.
Na koniec otrzymuję odrobinę żółtawego osadu lub olejku, ważę i porównuję wagi. Aha, męczę się cztery godziny z kolumną i mam 15 mg produktu, fajnie.
Bywa lepiej, bywa gorzej. Czasem jest to koło 100 mg, raz zdarzyło się odzyskać 7 mg. Wtedy śladowe ilości produktu tak rozmyły się na kolumnie, że żeby upewnić się czy cokolwiek mi skapuje musiałem wstępnie zagęszczać frakcje. Innym razem produkt był w ultrafiolecie niewidoczny, rozwiniętą płytkę wywoływałem jodem.

Kolumnę kończę ok 13-14, czasem później gdy z konieczności muszę użyć słabego eluentu, raz kończyłem koło 19 wieczór. Na sąsiedniej pracowni zdarzyło się komuś kolumnować trzy tygodnie. Odparowany produkt wsadzam z kolbką do zamrażalnika. Myję kolbki po frakcjach, wywalam żel z kolumny i myję ją. Zlewam z odbieralników przedestylowane rozpuszczalniki jeśli nie zrobili tego koledzy. Zakręcam wodę i mogę wychodzić.
Jeśli jest dobra pogoda robię jeszcze sobie krótki spacer.

I cóż. Zbieram dane o wydajności i nadmiarach enancjometrycznych, widma NMR, widma masowe, wszystko się przyda do pracy. Przeglądam literaturę, zaglądam do starych prac. Będę pisał.

Azot Kjeldahla

Kiedyś kiedyś, w laboratorium... Na zajęciach z chemii środowiska badałem zawartość azotu w żywności metodą Kjeldahla.

Białka z jakich zbudowane są żyjące organizmy, składają się z aminokwasów, zawierających azot. Chcąc więc oznaczyć zawartość białka w pożywieniu mierzy się zazwyczaj po prostu zawartość azotu. Metodę tą wymyślił duński chemik pracujący na potrzeby browarów - zawartość białka w ziarnie przekłada się na właściwości słodu a te na jakość piwa.
Sama idea jest dosyć prosta - próbkę żywności roztwarza się w kwasie siarkowym w wysokiej temperaturze. W takich warunkach białka, skrobia i większość innych substancji ulegną zniszczeniu, zaś azot pochodzący z amin, głównie tych w białkach, ulegnie zamianie w siarczan amonu.
NR'+ H2SO4 → (NH4)2SO4 + CO2 + H2O
Po zalkalizowaniu roztworu mocną zasadą, siarczan amonu rozłoży się z wydzieleniem amoniaku:
(NH4)2SO4 + 2NaOH → Na2SO4 + 2H2O + 2NH3
Amoniak jest bardzo lotny więc podczas gotowania roztworu odparuje i wraz z parą wodną będzie skraplany w chłodnicy. Rozpuszczony w wykroplinach amoniak musi być teraz schwycony w roztworze. W tym celu skropliny wprowadza się do odbieralnika z kwasem borowym, będącym stosunkowo słabym kwasem. Zobojętnianie kwasu zmienia odczyn i kolor wskaźnika. Pochłoniętą ilość amoniaku odmiareczkowuje się kwasem. Proste.

Nie pamiętam czy sami mineralizowaliśmy próbkę prezed ćwiczeniem, chyba korzystałem z roztworu już przygotowanego. Mętna zalkalizowana próbka gotowała się cały czas:

Aparatura była skonstruowana trochę nieklasycznie:

Odbieralnikiem była zwykła kolbka z mianowanym roztworem kwasu borowego i z dodatkiem odczynnika Tashiro, czyli mieszaniny wskaźników - czerwieni i błękitu metylenowych. W miarę wykraplania amoniaku zawartośc stawała się zielona:

Aby po przemiareczkowaniu zasadą powrócić do głębokiego fioletu:

W tym przypadku azotu było niewiele.

Sama matoda jest dosyć dokładna, ale tak wyznaczoną zawartość białka mogą podwyższać inne substancje też uwalniające azot w formie soli amonowych. Znanym przykładem jest melamina, nagminnie używana przez nieuczciwych producentów do zawyżania zawartości białka w mleku lub paszach. Właśnie to było powodem niedawnego skandalu w Chinach gdzie wypuszczenie na rynek chrzczonego melaminą mleka w proszku spowodowało zatrucie tysięcy niemowląt.