informacje



poniedziałek, 20 listopada 2017

Chemiczne wieści (13.)

Nieorganiczny plastik
O związkach boru i azotu naśladujących strukturalnie związki organiczne wspominałem już w jednym z artykułach o anegdotach chemicznych (link). Atom boru zawiera jeden elektron walencyjny mniej niż węgiel, a azot jeden więcej. Po połączeniu w stosunku 1:1 tworzą związki izoelektronowe ze związkami węgla, wykazując takie cechy jak delokalizacja czy aromatyczność.

W tym roku doniesiono o jeszcze jednym  takim naśladownictwie - polimerach z powtarzalnymi członami -(BH2-NH2)-. Ich węglowym odpowiednikiem jest polietylen a z podstawnikiem fenylowym polistyren, będący głównym składnikiem styropianu. Udało się je otrzymać z mieszaniny borowodoru z amoniakiem przy pomocy katalizowanej związkami irydu reakcji sprzęgania połączonego z odwodornieniem. Powstały w ten sposób polimery krótkołańcuchowe mające na razie formę drobnego proszku. Potencjalnie poprawa warunków reakcji powinna pozwalać na otrzymanie cząsteczek o długich łańcuchach w formie ciała stałego.

Borazynowe polimery powinny mieć dobre właściwości mechaniczne, być odporne na czynniki chemiczne oraz co ważniejsze odporne termicznie i niepalne. Możliwe też, że odpowiednio podstawione i usieciowane będą nadawać się do magazynowania wodoru. [1]

Prosty test na fluorki
Zanieczyszczenie wód fluorkami jest problemem w wielu częściach świata, zwłaszcza w górniczych rejonach Indii, Tanzanii i niektórych stanach USA. Wynika to z obecności w glebie minerałów fluorkowych i wymywania ich przez zaburzone wody podziemne. Nadmierne spożycie związków fluoru doprowadza z czasem do chorób szkliwa i nadmiernej kruchości kości, zaś utwardzenie elementów chrzęstnych u rosnących dzieci, prowadzi do zaburzeń rozwoju i deformacji. Najprostszym sposobem zaradzenia temu jest znaleźć niezanieczyszczone źródło wody pitnej. I tu pojawia się problem - jak łatwo poznać, że woda z danej studni nie jest zanieczyszczona?

Istnieje kilka metod analitycznych wykrywających fluorki, ale dla zastosowana na biednych rejonach daleko od cywilizacji mogą się okazać nieprzydatne, albo wymagają użycia kilku odczynników i w razie zanieczyszczenia innymi fluorowcami będą dawać fałszywe wyniki, albo wymagają użycia sprzętu, który kosztuje i może być dostępny tylko w dużym mieście. Dlatego w ostatnio opublikowanej pracy opisano interesujący test kolorymetryczny - roztwór pewnego estru boronowego z dołączoną grupą azulenową, pod wpływem jonów fluorkowych zmienia kolor z niebieskiego na żółty. Zmiana barwy staje się wyraźna przy stężeniach przekraczających dopuszczalne poziomy 1,5 mg/l. Zaletą odczynnika jest to, że jest tani oraz bardzo selektywny, więc nie przeszkadzają mu inne jony zawarte w wodzie. Potencjalnie możliwe byłoby stworzenie testera w formie pytki lub pasków.


Glinen
Po raz pierwszy udało się otrzymać związek glinu z wiązaniem podwójnym Al=Al. Jest to ostatni trwały pierwiastek z grupy Borowców dla którego otrzymano taki związek. Borowce generalnie niechętnie tworzą takie połączenia, głównie ze względu na deficyt elektronów, naprężoną geometrię oraz nietrwałość związków na I stopniu utlenienia, a taki jest konieczny aby dwa pozostałe elektrony walencyjne mogły zająć się tworzeniem wiązań.
Prosty kompleks chlorku glino-silanu z dużym ligandem organicznym został potraktowany silnym reduktorem grafitkiem potasu (KC8). Po odjęciu dwóch jonów chlorkowych atomy glinu utworzyły wiązanie podwójne, zaś sam związek przybrał postać proszku o nietypowej dla tego pierwiastka purpurowej barwie. [3]


Palladowa pianka sprytnym sposobem
Nanopianki metaliczne to kolejny ciekawy materiał nad którym w ostatnich latach prowadzi się wiele badań. Jest to materiał porowaty, o pustych porach wielkości poniżej 100 nm i podobnej wielkości elementów struktury. Najchętniej stosowaną obecnie metodą jest wypalanie proszku pewnego kompleksu metalicznego, który rozkłada się z wydzieleniem gazów i pozostawieniem nanostruktur z czystego metalu, które splecione tworzą trójwymiarową piankę.
Powstały wówczas metalowy aerożel może osiągać gęstość do 0,01 g/cm3 oraz powierzchnię struktury do 250 m2/g. Dzięki temu staje się bardzo efektywną formą katalizatorów do reakcji w stanie gazowym lub ciekłym.

Jednak metoda ta bywa nieco kłopotliwa, głównie przez brak dobrej kontroli nad strukturą oraz konieczność użycia toksycznych reagentów i wysokich temperatur. W najnowszej publikacji wskazano zaskakująco prostą metodę z użyciem zdecydowanie łagodniejszych warunków.
Badacze z University od California użyli palladowych nanoprętów, możliwych do otrzymania drogą syntezy. Zostały one zawieszone w wodzie i mieszane przy pomocy ultradźwięków, które wprowadzając mieszaninę w drgania zapobiegały opadaniu dość ciężkich pręcików. Powstała dynamiczna struktura palladowego "błotka" utrzymywanego w luźnej postaci dźwiękami, została następnie bardzo szybko zamrożona poprzez zanurzenie w ciekłym azocie. Powstały w takich warunkach lód szklisty zachował luźną strukturę.
Zamrożoną próbkę umieszczono w próżni, dzięki czemu lód odsublimował, pozostawiając już tylko pustą strukturę splecionych ze sobą nanoprętów. Powstała w ten sposób nanopianka jest jeszcze lżejsza i ma bardziej optymalny stosunek masy do powierzchni.[4]
© Dustin Gilbert and Kai Liu, UC Davis

Simon E. Lewis "Azulene-boronate esters: colorimetric indicators for fluoride in drinking water", Chemical Communications, 2017

Read more at: https://phys.org/news/2017-11-simple-crippling-bone-disease.html#jCp
------
[1] D A Resendiz-Lara et al, Chem. Commun., 2017, 53, 11701
[2] Simon E. Lewis "Azulene-boronate esters: colorimetric indicators for fluoride in drinking water", Chemical Communications, 2017
Simon E. Lewis "Azulene-boronate esters: colorimetric indicators for fluoride in drinking water", Chemical Communications, 2017

Read more at: https://phys.org/news/2017-11-simple-crippling-bone-disease.html#jCp
Simon E. Lewis "Azulene-boronate esters: colorimetric indicators for fluoride in drinking water", Chemical Communications, 2017

Read more at: https://phys.org/news/2017-11-simple-crippling-bone-disease.html#jCp
Simon E. Lewis "Azulene-boronate esters: colorimetric indicators for fluoride in drinking water", Chemical Communications, 2017

Read more at: https://phys.org/news/2017-11-simple-crippling-bone-disease.html#jCp
[3] Bag P, Porzelt A, Altmann PJ, Inoue S, A Stable Neutral Compound with an Aluminum-Aluminum Double Bond. J Am Chem Soc. 2017 Oct 18;139(41):14384-14387
[4]  Kai Liu et al. Tunable Low Density Palladium Nanowire Foams. Chemistry of Materials, 2017

poniedziałek, 23 października 2017

Alkohol w proszku, bezwonna przyprawa i molekularne kubki

Plotki o alkoholu w proszku krążyły już od dawna, ale dopiero w ostatnich latach produkt tego typu pojawił się na międzynarodowym rynku. Czytający te doniesienia z pewnością zastanawiali się jakiej to nietypowej chemii musiano użyć, aby zatrzymać w sypkiej postaci tak lotny związek jak alkohol etylowy.
Związek jaki został tu użyty rzeczywiście jest ciekawy, ale równocześnie bardzo prosty - w zasadzie zwykła skrobia, tylko zawinięta w małe kółko...

Omawiałem już tu kiedyś nietypowe połączenia cząsteczek "połączonych acz nie powiązanych" gdzie geometria powodowała, że dwie osobne cząsteczki tworzyły nierozerwalny układ. Teraz zajmę się przypadkiem słabszego powiązania - związku inkluzyjnego, będącego formą kompleksów typu gość-gospodarz.
W połączeniu tego rodzaju cząsteczka większa, nazywana gospodarzem, tworzy "wnękę" której kształt i rozmiar pasują do mniejszej cząsteczki "gościa". Mniejsza cząsteczka wsuwa się w większą, zagłębia we wnękę a gdy już się tam dobrze umości oddziaływania między nią a cząsteczką gospodarza tworzą kompleks, w wielu przypadkach zaskakująco trwały. Wnęka gospodarza może też nie istnieć w związku samotnym, lecz powstaje wskutek przyjmowania odpowiedniej konformacji owijającej go wokół gościa. Brzmi to bardzo intymnie.
W przypadku inkluzji, cząsteczka gospodarza tworzy wnękę na tyle dużą, że goszcząca w niej molekuła jest niemal całkiem odizolowana od środowiska zewnętrznego. Powstałe połączenie często ma inne właściwości niż związki osobne - jeśli w normalnej sytuacji "gość" jest nierozpuszczalny w danym rozpuszczalniku, a "gospodarz" jest, to stworzony kompleks prawdopodobnie będzie się rozpuszczał.

Spośród różnych znanych układów, najbardziej popularnymi i najdłużej badanymi są cyklodekstryny. Są to fragmenty łańcucha skrobi, zamknięte w formę małych pierścieni, zawierających od 6 do ponad 30 członów glukozy połączonych wiązaniami glikozydowymi poprzez tlen.
Po raz pierwszy cyklodeksytryny opisano w 1891 roku jako substancję wytwarzaną przez bakterie z rodzaju Bacillus, gdy w latach 30. zorientowano się w ich pierścieniowej budowie, szybko zaczęto badać kompleksy tworzone z małymi cząsteczkami organicznymi. Po odkryciu, że bakterie Bacillus wytwarzają cyklodekstryny ze skrobi przy pomocy specjalnego enzymu cykloglukotransferazy, zaczęto produkować je na większą skalę, traktując skrobię lub dekstrynę tymże enzymem wyizolowanym z bakterii. Długie na kilkaset lub kilkadziesiąt członów - cząstek glukozy - łańcuchy skrobi są rozcinane na krótsze fragmenty i łączone w pierścienie. Zwykle izoluje się trzy najważniejsze frakcję - alfa składającą się z 6 glukoz, beta złożoną z 7 glukoz i gamma złożoną z ośmiu glukoz. Użycie enzymów z różnych gatunków bakterii pozwala na otrzymanie także większych pierścieni, do ok. 36 glukoz.

Cyklodekstryny przyjmują szczególną, nie płaską geometrię - płaszczyzny pierścieni glukozy budujących okrąg nachylają się ku sobie, przez co związek przyjmuje formę zbliżoną do ściętego stożka, lub też, jak to się często określa, do kubka z obciętym dnem.  W takim układzie po stronie szerszego otworu zagęszczają się grupy hydroksylowe, przez co od tej strony cząsteczka jest hydrofilowa, natomiast po stronie otworu węższego, grupy hydroksylowe odginają się na zewnątrz, zaś okolice tego otworu i wnętrze nabierają charakteru hydrofobowego:
Dla zdolności kompleksowania ma to dość istotne znaczenie - cząsteczki organiczne na tyle małe aby zmieścić się we wnęce cyklodekstryny i mające właściwości hydrofobowe będą chętnie wnikać do środka. Duże cząsteczki hydrofilowe nie będą wnikały, ale mogą oddziaływać z zagęszczonymi grupami hydroksylowymi na obrzeżu. Cząsteczki mające fragmenty hydrofobowe i hydrofilowe będą częściowo wsuwać się a częściowo wystawać.
Alfa cyklodekstryna tworzy "kubek" o wysokości 0,78 nanometrów i średnicy wewnętrznej 0,57 nm; beta cyklodekstryna przy tej samej wysokości ma wnękę o średnicy 0,78 nm a gamma 0,95. Wielkości tych wnęk determinują rodzaj cząsteczek które mogą do nich wniknąć - zbyt duże się nie zmieszczą, zaś bardzo małe będą słabiej oddziaływały.

Jeśli chodzi o rodzaj sił wciągających cząsteczki do wnętrza cyklodekstryny, to oprócz sił van deer Walsa znaczenie ma tu też adsorbcja hydrofobowa. Cząsteczka hydrofobowa słabo oddziałuje z wodą i podobnymi do niej rozpuszczalnikami, efekty oddziaływań między cząsteczkami wody prowadzą do odpychania grupy hydrofobowej. W tej sytuacji cząsteczki hydrofobowe będą dążyły do utworzenia agregatów, zaś w naszym przypadku mała cząsteczka hydrofobowa będzie wpychana do mającego takie właściwości wnętrza cyklodekstryny.
Cząsteczki zawierające fragmenty z elektroujemnymi niemetalami mogą dodatkowo tworzyć wiązania wodorowe z grupami -OH na obrzeżu. Ponadto możliwe jest tworzenie kompleksów koordynacyjnych. Cyklodekstryny to jedne z nielicznych cząsteczek organicznych kompleksujących aniony. Gdy hydrofobowa cząsteczka jest dłuższa niż wynosi głębokość pierścienia, możliwe jest dołączenie drugiego. Tak powstały kompleks o stosunku 1:2 nazywa się molekularną kapsułką lub też niezupełnie poprawnie, mikrokapsułką.


Wykazano powstawanie kompleksów z bardzo dużą ilością cząsteczek organicznych i nieorganicznych, nieraz całkiem sporych, na przykład fullereny, i szybko zaczęto ten fakt wykorzystywać. Zamknięte w molekularnej kapsułce związki przechodzą do roztworu w wodzie oraz są w pewnym stopniu chronione przed zewnętrznymi wpływami, stąd chętne użycie cyklodekstryn jako nośnika substancji zapachowych i smakowych dodawanych do żywności. Sama cyklodekstryna ma na liście dodatków oznaczenie E459. Może być też używana do stabilizacji składników odżywczych i witamin, chroniąc je przed utlenieniem w żywności suchej. Udało się w ten sposób stworzyć rozpuszczalną formę kurkuminy, która w normalnych warunkach jest słabo rozpuszczalna.

Zastosowania medyczne
Jednym z ciekawszych przypadków takiego kompleksowania, który znalazł zastosowanie w medycynie, jest tworzenie połączeń z cholesterolem. Cząsteczka cholesterolu jest generalnie hydrofobowa i słabo rozpuszczalna w wodzie natomiast dobrze w tłuszczach. Jej rozmiar i kształt idealnie pasuje do alfa-cyklodekstryny. Po dodaniu cyklodekstryn do żywności duża część cholesterolu zostaje związana co utrudnia jego wchłanianie. W taki sposób produkuje się jedzenie niskocholesterolowe.
Obecnie testuje się pochodne cyklodekstryn jako lek na chorobę Niemanna-Picka typu C. Choroba ta, wywołana pewnymi mutacjami, powoduje zaburzenia w transporcie substancji do komórek, wywołując gromadzenie się cholesterolu w lizosomach i sfingolipidów w neuronach. Prowadzi to do zaburzeń czynności wątroby i trzustki, oraz objawów neurologicznych, w przypadku dzieci wywołujących niepełnosprawność i opóźnienie umysłowe, a w przypadku osób starszych szybko postępującą demencję, głuchotę, zaburzenia psychiczne, padaczki. Podobieństwo objawów powoduje, że czasem nazywa się ją "dziecięcym Alzheimerem".
W 2009 roku zezwolono na eksperymentalne użycie hydroksypropylowej pochodnej beta-cyklodekstryny do łagodzenia przebiegu choroby u sióstr bliźniaczek[1], gdyż usuwa cholesterol z lizosomów, co powinno ograniczyć postęp choroby. Potem zastosowano ją jeszcze u kilkunastu pacjentów ale nie ma jeszcze ostatecznych wniosków na ile jest to sposób skuteczny. Pewne niedawne badanie na kilku pacjentach sugeruje spowolnienie rozwoju choroby. [2] Substancja jest w takich zastosowaniu podawana w formie roztworu do płynu mózgowo-rdzeniowego.

Inny przykład to Sugammadeks, lek odwracający blokadę mięśniowo-nerwową u osób którym podano leki zwiotczające  na przykład przy znieczuleniu ogólnym. Jest to cząsteczka gamma-cyklodekstryny zmodyfikowana przez dodanie grup sulfanylopropionowych. Rodzaj grup i ich długość dobrano tak, aby cząsteczka idealnie pasowała do środka zwiotczającego rokuronium. Początkowo miał to być nośnik leku ułatwiający rozpuszczanie w wodzie, ale po stwierdzeniu wyjątkowo dużej siły kompleksowania, zaczęto stosować zmodyfikowaną cyklodekstrynę do usuwania środka z ustroju. Po wstrzyknięciu do krwioobiegu, sugammadeks kompleksuje rokuronium, w związku z tym związek ten zaczyna być oddawany przez tkanki co znosi działanie zwiotczające.

A co z alkoholem?
Etanol jest małą cząsteczką organiczną z jednym końcem o pewnych właściwościach lipofilowych, i już dawno stwierdzono, że w odpowiednich warunkach możliwe jest stworzenie połączenia inkluzyjnego z cyklodeksytryną, które jednak rozpadało się pod wpływem wody. Pierwsze próby zastosowań spożywczych miały miejsce w latach 70. ale najwyraźniej nie były zbyt udane, dlatego dla przeciętnego konsumenta wynalazek zaistniał dopiero w ostatnich latach. Najczęściej spotykane użycie, to napoje typu "grzaniec" - te dostępne na polskim rynku zawierają enkapsulowany alkohol w ilości odpowiadającej stężeniu 0,5% w gotowym napoju (w zasadzie więc są to ilości dla aromatu).
W Europie dostępne są napoje w proszku o smaku szampana czy wina z dodatkiem alkoholu w ilości wystarczającej, aby się upić.

Proszek taki składa się z drobnych cząstek zawierających wewnątrz masę kompleksu cyklodekstryna-alkohol, otoczoną warstewką ochronną liniowych dekstryn, chroniących wnętrze przed parowaniem. Pył może zawierać do 30% alkoholu.

Cyklodekstryny spożyte doustnie nie wywołują szkodliwych skutków, są częściowo trawione tak samo jak zwykła skrobia. Ze względu na rozmiar cząsteczek nie są wchłaniane do organizmu. Testuje się je jako środek obniżający poziom cholesterolu, zażywany w dawkach kilkugramowych.[3]

---------
* https://en.wikipedia.org/wiki/Alcohol_powder
* https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclodextrin

[1] http://addiandcassi.com/walgreens-support-twins-niemann-pick-type-receive-cyclodextrin-treatments-home/
[2] https://www.sciencedaily.com/releases/2017/08/170810192740.htm
[3] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4941029/

sobota, 14 października 2017

Chemiczne wieści (12.)

Zjonizowane białko najsilniejszym kwasem
Kwasami w ujęciu Brønsteda są substancje, które w reakcji z zasadą odszczepiają proton tworząc anion. Najbardziej znaną skalą określającą ich moc jest skala pH opierająca się o stężenie jonów hydroniowych, które powstają w wyniku reakcji kwasu z wodą. Im większe jest stężenie tych jonów, tym niższa jest cyfra określająca kwaśność roztworu (ujemna skala logarytmiczna). W szczególnych przypadkach dla bardzo silnych kwasów przyjmuje wartości ujemne.
Jak łatwo zauważyć po przeanalizowaniu definicji, skala ta w pewnych przypadkach staje się niewygodna czy wręcz niefizyczna. Trudno zastosować ją na przykład do ciekłych substancji pozbawionych wody jak na przykład 100% kwas siarkowy, bo brak w nich jonów hydroniowych. Jest też problematyczna w roztworach tak bardzo stężonych, że molowo jest w nich więcej kwasu niż wody. Dlatego do tych innych substancji stosuje się inne skale, oparte najczęściej o wartość pKa zależną od stężeń jonów, bądź o energię reakcji oderwania protonu. W ten sposób możemy porównywać kwasowość na przykład stałych, ciekłych i gazowych węglowodorów, stwierdzając, że acetylen jest kwaśniejszy od metanu i łatwiej będzie tworzył sole.

No i niedawno wykryto specyficzną substancję, dla której entalpia deprotonacji jest tak wysoka, że musi to być najsilniejszy kwas organiczny.

Cytochrom c to enzym stanowiący ważny element oddychania komórkowego, ma też udział w procesie apaptozy, dlatego jest intensywnie badany. Składa się on z białka złożonego ze 104 aminokwasów połączonych z cząsteczką hemu. Ostatnie odkrycie dotyczy jednak nie samego cytochromu lecz jego wersji silnie sprotonowanej. W odpowiednich warunkach można dodać cząsteczce dodatkowych atomów wodoru. Na przykład grupy aminowe białka mogą przyjąć wodór, zamieniając się w dodatnio naładowane grupy amoniowe. Tak nawodorowane cząsteczki będą też oczywiście chętnie oddawać nadmiarowe protony, aby przejść do stanu pierwotnego. Im mocniej uwodorniona jest cząsteczka, tym chętniej oddaje proton, to jest staje się coraz mocniejszym kwasem.

Zespół naukowców z Australii badał powstawanie jonów białkowych w spektrometrze mas. Roztwór białka został rozpylony w silnym polu elektrycznym wewnątrz komory. Ponieważ takie same ładunki odpychają się, małe kropelki rozdzielały się na jeszcze mniejsze, ż na koniec powstała chmura kropelek z pojedynczymi cząsteczkami białka. Ta technika nazywana elektrosprejem pozwala na otrzymanie widma mas całych cząsteczek.
Do roztworu dodano jednak pewien prekursor chętnie w takich warunkach oddający protony. W efekcie powstały cząsteczki uwodornione w ekstremalnym stopniu, zawierające nawet 30 dodatkowych wodorów i ładunek elektryczny 30+. Gdy otrzymamy już chmurę jonów, możemy próbować poddawać je reakcjom z różnymi związkami o znanej energii uwodornienia. Wykrycie kationów pochodnych od tych dodatkowych substancji, cięższych o jeden wodór, umożliwia wyznaczenie energii reakcji. W tym przypadku cząsteczka naładowana do 30+ oddawała proton z energią 130 kJ/mol. Jest to tak duża wartość, że zjonizowany cytochrom protonował azot, czy gazy szlachetne[1]

Najdłuższy acen
Aceny to węglowodory aromatyczne złożone z liniowo ułożonych sześciokątnych pierścieni, połączonych jednym bokiem. Najprostszy acen to naftalem złożony z dwóch pierścieni. Trzy zawiera antracen, cztery tetracen, pięć pentacen. Tych pierwszych kilka związków występuje naturalnie, i izolowano je głównie ze smoły pogazowej, niektóre znalazły zastosowanie jako składniki barwników, leków czy organicznych półprzewodników.
Od dawna trwały prace mające syntetycznie stworzyć jeszcze dłuższe cząsteczki. Heksacen po raz pierwszy wykryto w 1939 roku ale dopiero później wymyślono wydajne metody syntezy. Siedmiopierścieniowy heptacen otrzymano dopiero w 2006 roku, okta i nonacen w 2010 roku. W tym roku natomiast udało się otrzymać dziesięciopierścieniowy dekacen.[2] Zrobiono mu nawet "zdjęcie" przy pomocy mikroskopii tunelowej:
@ TU Dresden

Długie aceny stają się nietrwałe. Rezonans orbitali na tak długiej cząsteczce powoduje pojawianie się reaktywnych struktur rodnikowych, dlatego  zazwyczaj udawało się otrzymywać aceny odpowiednio podstawione.

Ultralekkie aluminium?
Badacze z Rosji donieśli ostatnio o możliwości stworzenia formy glinu o nietypowych właściwościach. Metastabilna, ultralekka forma tego metalu miałaby gęstość zaledwie 0,61 g/cm3, co oznacza, że pływałaby po wodzie i była niewiele cięższa od litu. Odkrycia dokonano metodami obliczeniowymi, więc jest to raczej możliwa struktura niż faktycznie otrzymanie takiego metalu fizycznie. Trudno powiedzieć czy rzeczywiście da się taką odmianę otrzymać.
W zaproponowanej strukturze cztery atomy glinu tworzą małe czworościany, trochę podobne do tych ze struktury białego fosforu, które łączyłyby się poprzez każdy z atomów z czterema innymi takimi czworościanami. Ze względu na geometrię czworościanów ich układ w komórce elementarnej odpowiadałby strukturze diamentu, co nadawałoby metalowi wytrzymałość. Niska gęstość wynika wówczas stąd, że w diamentopodobnej strukturze pojawiają się niewypełnione luki rozmiaru kilku atomów. [3]

-----
[1] William A. Donald et al.  Highly Charged Protein Ions: The Strongest Organic Acids to Date, Angew. Chem. Int. Ed. Volume 56, Issue 29 July 10, 2017 Pages 8522–8526
[2] https://tu-dresden.de/tu-dresden/newsportal/news/wissenschaftler-der-tu-dresden-und-des-ciqus-entwickeln-decacen-das-laengste-acen-das-je-hergestellt-wurde?set_language=en
[3]  Iliya V. Getmanskii, Vitaliy V. Koval, Ruslan M. Minyaev, Alexander I. Boldyrev, Vladimir Isaak Minkin. Supertetrahedral Aluminum - a New Allotropic Ultra-Light Crystalline Form of Aluminum. The Journal of Physical Chemistry C, 2017;

piątek, 6 października 2017

Skąd ten akrylamid?

Co jakiś czas media donoszą o wykryciu tego związku chemicznego w różnych produktach, a to w chipsach, a to w prażonych orzeszkach a to znów w ciasteczkach czy solonych paluszkach. To silna trucizna o działaniu rakotwórczym. I wówczas może was zastanowić, skąd się właściwie w jedzeniu ten akrylamid wziął. Specjalnie go dodają? Czy może sam powstaje?

Chemicznie rzecz ujmując, akrylamid to amid kwasu akrylowego, związek nienasycony zawierający wiązanie podwójne, grupę karbonylową i aminową. Każda z tych grup składowych może wchodzić w różnorodne reakcje, toteż cząsteczka będąca najściślejszym z możliwych ich połączeniem musi być bardzo reaktywna. Na tyle, że po dostaniu się do organizmu reaguje z białkami, lipidami i DNA wywołując różnorodne rozproszone uszkodzenia. Podczas metabolizmu jest utleniany przez komórkowy cytochrom 450 do formy epoksydowej czyli glicydamidu, który jest cząsteczką jeszcze bardziej reaktywną.

Glicydamid
Jako silny środek alkilujący działa mutagennie mogąc wywoływać nowotwory. W modelach zwierzęcych przewlekła ekspozycja na akrylamid w wysokich stężeniach, wywoływała nowotwory nadnerczy, tarczycy, płuc i jąder, oraz działała toksycznie na układ nerwowy.

Związek ten odkryto już bardzo dawno. Ze względu na skłonność do polimeryzacji zaczął być używany do produkcji tworzyw sztucznych o specjalnym przeznaczeniu. Polimeryzacja w roztworze wodnym tworzy twardy hydrożel o dużej przepuszczalności, będący jednym ze standardowych materiałów w elektroforezie białek i DNA. Ponadto używano go jako składnika różnych polimerów, substratu do produkcji pestycydów czy barwników. Przez długi czas wydawało się więc, że jedynym problemem toksykologicznym jest zanieczyszczenie środowiska przez zakłady które go używały, przenikał bowiem do ścieków a stamtąd do wody. Dlatego zaskoczeniem było odkrycie w 2002 roku, że w wyniku specyficznej reakcji może powstawać także w żywności.

Erytryjska badaczka Eden Tareke, zatrudniona na wydziale chemii żywności Uniwersytetu Sztokholmskiego, wprowadzała nową bardziej dokładną metodę badania żywności. Podczas testów z różnymi próbkami zauważyła niepokojący poziom akrylamidu w chipsach ziemniaczanych. Wydawał się zbyt duży aby wytłumaczyć to zanieczyszczeniami przemysłowymi. Wykonała więc prosty eksperyment - przygotowała chipsy z ziemniaków, które wcześniej przebadała pod kątem zawartości akrylamidu. Chipsy smażone w temperaturze przekraczającej 120 stopni nabierały wysokich poziomów akrylamidu, którego nie było w ziemniakach. A więc musiał on w jakiś sposób podczas smażenia powstawać. [1]

Kluczem okazała się znana od dawna reakcja Maillarda. W rzeczywistości jest to zespół reakcji o podobnym przebiegu, podczas których cukry redukujące reagują z aminami w podwyższonej temperaturze. Powstałe produkty ulegają izomeryzacji, dekarboksylacji, dehydratacji, kondensacji itp. w najrozmaitszych możliwych kombinacjach. 20 aminokwasów i jeden cukier redukujący tworzą setki produktów. W żywności zachodzą podczas każdej termicznej obróbki produktów zawierających białka i węglowodany, a więc podczas pieczenia, smażenia, duszenia czy wędzenia; podczas gotowania w mniejszym stopniu.
Powstałe wielkocząsteczkowe produkty kondensacji odpowiadają za brązowy kolor dobrze podpieczonego jedzenia, natomiast te mniejsze wpływają wyraźnie na smak i zapach. Większość składników aromatu pieczonego mięsa, pieczonego chleba czy prażonych ziaren kawy to właśnie produkty reakcji Mailarda, są więc niezbędne aby żywność nabrała pożądanych właściwości smakowych. Jak się jednak okazało, nie każde z możliwych reakcji są dobre.

W jednej z możliwych dróg grupa aminowa aminokwasu reaguje z grupą aldehydową cukru redukującego, a więc na przykład glukozy. Powstaje przejściowy produkt w którym dwie części połączone przez azot zawierają grupę karboksylowa i hydroksylową w pobliżu tego połączenia. W wysokiej temperaturze następuje odszczepienie cząsteczki wody i powstanie iminy w formie zasady Schiffa. Ta z kolei dekarboksyluje odszczepiając cząsteczkę dwutlenku węgla. Powstały nietrwały produkt bądź rozpada się z wytworzeniem podwójnego wiązania, bądź hydrolizuje. Jednym z produktów ostatecznych jest akrylamid. Ze względu na budowę najlepszym substratem do reakcji jest aminokwas asparagina, zaś cukrem redukującym jest najczęściej glukoza występująca w formie wolnej lub powstająca w wyniku rozpadu skrobi.[2]
W odpowiednio wysokich temperaturach możliwa jest też formacja bez cukrów, z gliceryny towarzyszącej tłuszczom. Gliceryna utlenia się do akroleiny, będącej aldehydem; ta reaguje z wolnymi aminami i w podobny sposób jak opisane wcześniej reakcje, zamienia się w akrylamid.
Reakcje te wymagają odpowiedniej temperatury, zaczynają ruszać w temperaturach powyżej 120 stopni i w większości produktów zachodzą najwydajniej około 140-150 stopni.

Największe stężenia wykrywa się w takich produktach jak frytki, chipsy ziemniaczane, mocno palona kawa, kawa rozpuszczalna, przypalone tosty, prażone orzechy. Ogółem są to zatem połączenia typu "skrobia + białko". Ważnym źródłem jest też dym papierosowy i dym ze spalania śmieci w niskich temperaturach.

Toksyczność
Jak już wspominałem, w badaniach na zwierzętach wykazano, że ekspozycja na akrylamid wywołuje różnego rodzaju nowotwory. Tymczasem w przypadku ludzi wpływy są najwyraźniej dużo subtelniejsze i trudne do precyzyjnego wyrażenia. Jak wracają uwagę krytycy, w badaniach na zwierzętach efekty kancerogenne pojawiały się przy stężeniach wielokrotnie większych niż spotykane w jedzeniu i ciężko jest je przełożyć na skutki dla ludzkiego organizmu. Zakładając liniową zależność prawdopodobieństwa dodatkowych nowotworów od stężenia, przy przeciętnej diecie wzrost ryzyka staje się tak mały, że mniejszy niż wpływ narażenia na dym.

Badania populacyjne osób narażonych na tą substancję w jedzeniu są niejednoznaczne. Chętnie spożywający chipsy i frytki mają zwiększoną częstość różnych chorób, ale ciężko przypisać to wyłącznie temu składnikowi a nie spożyciu tłuszczów, nadmiaru soli czy narażeniu na utlenione nienasycone kwasy tłuszczowe. Badania pracowników narażonych w pracy na akrylamid w większych niż w żywności stężeniach dawały różne wyniki, od większej częstości chorób po brak efektu. Ze względu na to, że stykamy się z nim od początków gatunku, gdy tylko zaczęliśmy piec mięso mamutów nad ogniskiem, możliwe że wykształciliśmy sobie jakiś sposób detoksyfikacji. Dlatego też formalnie składnik ten jest klasyfikowany jako substancja podejrzewana o rakotwórczość u ludzi.[3]
Przesadne są więc internetowe artykuły straszące szybkimi skutkami zdrowotnymi i wysoką toksycznością, czy opinie w rodzaju "zjadłem smażeninę, od razu rozbolała mnie głowa, to przez akrylamid". No nie, raczej od okazjonalnego zjadania czegoś mocno podpieczonego wiele się nam nie stanie, niemniej warto pamiętać o tym, że pewne trudne do określenia ryzyko faktycznie jest. I wobec tego może jednak trochę się ograniczyć ze spożywaniem czegoś przypalonego, podpieczonego do ciemnego brązu czy podprażonego. 

Redukcja
Czy da się tak produkować żywność, aby z jednej strony nie utracić wartości smakowych a z drugiej zredukować poziomy akrylamidu do możliwie najniższych wartości? Da się, i to na kilka różnych sposobów. Zauważono na przykład, że reakcji w której powstaje sprzyjają sole amonowe, w związku z czym więcej jest go w ciasteczkach w których jako spulchniacza użyto amoniaczku (węglan amonu) niż proszku do pieczenia (wodorowęglan sodu), można więc zastąpić jeden spulchniacz innym i zauważalnie zmniejszyć zawartość niepożądanego składnika.
Innym czynnikiem hamującym są sole zawierające kationy dwudodatnie, w przypadku pieczywa możliwe jest więc wzbogacenie ciasta w sole wapnia. Kolejny inhibitor to aminokwas glicyna. Ma on najprostszą możliwą budowę, tylko dwa węgle w cząsteczce. Ulega reakcji Maillarda ale nie może zamienić się w akrylamid. Wzbogacenie glicyną pierwotnego produktu przed obróbką termiczną powoduje, że część wolnych cukrów redukujących łączy się z nią zamiast z innymi aminokwasami co zużywa niezbędny substrat. Ma to jednak tą wadę, że produkty reakcji z glicyną powodują dużo mocniejsze zbrązowienie oraz niekiedy niepożądany posmak, więc nie wszędzie da się ją zastosować.

Najbardziej oczywistym sposobem jest obniżenie temperatury tak aby nie przekraczała 120 stopni lub skrócenie czasu ogrzewania. (jeśli macie wrażenie, że w ostatnich latach ciastka kruche i herbatniki są jakby mało wypieczone, to możliwe że to jest tego przyczyną). W przypadku chipsów i frytek pewne znaczenie ma też branie do produkcji bulw krótko przechowywanych. Podczas przechowywania, w ziemniakach zachodzi proces rozpadu skrobi z powstaniem wolnej glukozy, będącej przecież cukrem redukującym. W skrajnych przypadkach długo przechowywane ziemniaki mogą się stać słodkawe w smaku.[4]
-------
*  http://www.efsa.europa.eu/en/topics/topic/acrylamide

[1] Eden Tareke et. al., Analysis of Acrylamide, a Carcinogen Formed in Heated Foodstuffs,
. Agric. Food Chem., 2002, 50 (17), pp 4998–5006

[2] Maria D. Villagran et al. Acrylamide Formation Mechanism in Heated Foods, J. Agric. Food Chem. 2003, 51, 4782−4787
[3]  https://www.cancer.gov/about-cancer/causes-prevention/risk/diet/acrylamide-fact-sheet
[4]  Guidance on reducing acrylamide in food, FDE

sobota, 23 września 2017

Poison Story (9.) - Błękitny kwiat

Miał to być kolejny szczęśliwy dzień. Lakhvinder Cheema wrócił z pracy do swojego domu w Feltham, zachodniej dzielnicy Londynu i odgrzewał potrawkę z kurczaka w sosie curry, zagadując do swojej narzeczonej Gurjeet. A mieli dużo do obgadania, zaledwie za dwa tygodnie, w Walentynki, zamierzali wziąć ślub, który przy okazji zalegalizuje pobyt narzeczonej w Anglii. Znali się dopiero od kilku miesięcy, ale byli zupełnie zdecydowani aby przeżyć ze sobą następne lata.

Potrawka podlana ostrym sosem smakowała mu tak bardzo, że zjadł podwójną porcję. Jednak gdy już kończył w znajome pieczenie w ustach wkradło się nietypowe wrażenie drętwienia i mrowienia. Zdziwiony dotknął palcem języka i ust stwierdzając, że zupełnie nic nie czuje.
- Źle się czuję - powiedział do narzeczonej. - To chyba coś w jedzeniu.
Próbował wstać, ale nogi się pod nim załamały. Gurjeet nie mogła mu pomóc, bo sama znalazła się w podobnym stanie. Poczuła zawroty głowy a światło w kuchni osłabło aż do zupełnych ciemności. Przezwyciężając osłabienie Cheema zadzwonił na pogotowie, dodając ostatkiem sił:
- Ktoś dodał truciznę do jedzenia. To moja była dziewczyna.
Zaledwie kilka minut później oboje byli już bezwładni a ich ciałami wstrząsały drgawki. Godzinę po przyjęciu do szpitala, Cheema zmarł, a Gurjeet musiała zostać podłączona do respiratora. Najważniejszym było teraz dociec jaka substancja wywołała tak gwałtowne skutki.
Jeszcze tego samego dnia policja zatrzymała Lakhvir Singh, byłą kochankę Cheema. Podczas przeszukania znaleziono przy niej torebeczkę z drobnym, roślinnym pyłem.
- To proszek na wysypkę - tłumaczyła. Początkowo jednak nie zbadano tego tropu. Objawy były tak gwałtowne, że sądzono, że to zatrucie cyjankiem potasu.

Singh poznała Lakhvindera dawno temu. Uwikłana w niezbyt szczęśliwe małżeństwo, możliwe że aranżowane, szybko zwróciła uwagę na młodego Sikha który zaczął wynajmować u nich pokój. Był świeżo po rozwodzie, samotny, nic więc dziwnego, że między nim a żoną najemcy zawiązała się bliższa zażyłość. Nawet gdy znalazł sobie inne mieszkanie i tak przychodziła do niego niemal codziennie, gotowała, sprzątała i sypiała z nim jak prawdziwa żona. Gdy mąż Singh zachorował na raka i musiał przejść długotrwałe leczenie, uznała to za dobrą okazję aby częściej bywać z kochankiem. W trakcie trwającego 16 lat romansu dwa razy zaszła w ciążę, którą na jego prośbę usunęła.
Ale w miarę upływu lat Cheema starał się od niej oddalić, będąc zmęczony jej zaborczym podejściem. W 2008 roku krewni zaczęli swatać go z o połowę młodszą Gurjeet Choongh, która niedawno przyjechała do Anglii. Od razu się sobie spodobali i szybko formalnie się zaręczyli. Odrzucona kochanka szalała ze złości, wysyłając mu nienawistne wiadomości. Mimo to jeszcze przez pewien czas przychodziła do jego domu, aż na początku grudnia Cheema powiedział dość.
Lakvinder Cheema i jego narzeczona Gurjeet Choongh

Zbadanie rodzaju trucizny pomimo zabezpieczenia proszku z kieszeni podejrzanej, porcji nie zjedzonego sosu curry i wymiocin ofiar, okazało się jednak dużo trudniejsze niż się to początkowo wydawało. Cyjanek szybko wykluczono. Ze względu na objawy sugerujące porażenie nerwów, brano pod uwagę neurotoksyczne pestycydy, ale mogły być to też trucizny roślinne. Trudno było choćby przybliżyć rodzaj substancji, dlatego analitycy postanowili użyć metody najbardziej ogólnej, która powinna wykrywać i zidentyfikować niemal wszystko - analizy chromatograficznej sprzężonej ze spektrometrią mas.

Chromatografia to metoda rozdziału mieszanin oparta o różne powinowactwa składników mieszaniny do adsorbentu wypełniającego długi przewód lub kolumnę. Każda substancja, której roztwór lub opary są przepuszczane przez dobrze adsorbujący, porowaty materiał, w jakimś stopniu oddziałuje z jego powierzchnią. Siła tego oddziaływania zależy w dużym stopniu od tego jaka to jest cząsteczka, a więc jakie ma grupy funkcyjne, jaki ma moment dipolowy, hydrofilowość, rozmiar cząsteczki itp. Jedne będą więc mocniej się wiązały z wypełnieniem a inne słabiej. Podczas przepuszczania porcji mieszaniny substancji przez kolumnę z odpowiednim wypełnieniem, te najsłabiej z nim oddziałujące substancje będą najefektywniej wymywane przez rozpuszczalnik, wypierane przez mocniej oddziałujące i w efekcie oddzielą się jako osobna porcja, podróżująca przez kolumnę szybciej, na przedzie.
Chromatografia wyciągu z zielonego liścia na płytce pokrytej warstwą adsorbentu. Od góry: karoten, feofityna, karotenoidy, chlorofil a i b

Sumą tych wszystkich procesów powinno być zatem pooddzielanie składników mieszaniny i możliwość zbadania czystych. Jednakowoż oddzielenie i oczyszczenie składnika mieszaniny, niczego nam o nim nie mówi, dlatego dla identyfikacji wykorzystuje się inny skutek wyżej opisanych procesów - dla danej substancji w danych warunkach czas przejścia przez kolumnę z określonym rodzajem wypełnienia jest taki sam.
Jeśli więc najpierw przepuścimy przez kolumnę mieszaninę, rejestrując detektorem pojawianie się kolejnych składników i czasy ich przebiegu, a potem, nie zmieniając warunków, małe ilości wzorców substancji których obecności się w mieszaninie spodziewamy, to stwierdzenie, że pewne składniki miały identyczny czas przebycia co dany wzorzec jest równoznaczne z potwierdzeniem, że są to te same substancje.

No dobrze. A co w przypadku gdy nie wiemy nawet jakiego użyć wzorca, bo morderczyni użyła trudno powiedzieć jakiej trucizny? Tutaj z pomocą przychodzi dołączenie do zestawu chromatograficznego detektora, który prócz wykrycia, że dotarł do niego rozdzielony składnik mieszaniny, może nam coś o nim powiedzieć - analizatora przy spektrometrii mas.

Spektrometria mas to metoda bardziej bezpośredniego badania składu substancji. Zasada działania jest generalnie bardzo prosta - jeśli zjonizujemy badaną substancję i poddamy otrzymane jony działaniu pola elektrycznego, to będą się w nim poruszać nabierając pewnego pędu. Jony o tym samym ładunku ale różnej masie w tym samym polu zyskają różny pęd. Możliwe jest zbudowanie takiego układu, w którym następować będzie odsiewanie jonów o niepasującej masie. Może to być na przykład rurka skręcająca pod ostrym kątem, w której układ magnesów tworzy kanał zaginający jony. Jony lekkie będą zbyt silnie zaginane i uderzą w ściankę, te zbyt ciężkie  nie będą się wyrabiały na zakręcie i też uderzą w ściankę. Zmieniając moc magnesów możemy zmieniać optymalny zakres mas w którym jony są w stanie przejść przez układ filtrujący. W efekcie z wiązki jonów najpierw zarejestrowane zostaną te o jednej masie a potem te o innej.
Wiedząc jak zmienialiśmy parametry układu filtrującego możemy zatem określić jaką dokładnie masę cząsteczkową musiały mieć jony które w danym momencie, po przejściu przez układ uderzyły w detektor i zostały wykryte. Szybkie przemiatanie ustawieniami analizatora po zjonizowaniu próbki da nam widmo masowe jonów powstałych z danej substancji, a to jest już w stanie powiedzieć nam coś o tym z jaką konkretnie substancją mamy do czynienia.

Zależnie od metody i siły jonizacji analizuje się bądź masy jonów pojedynczych cząsteczek, bądź masy jonów pochodnych, bowiem przy dużej energii jonizacji cząsteczka rozpada się na fragmenty. Przy dużej dokładności określenia masy możliwe jest odróżnienie różnych jonów o zdawałoby się tej samej masie molowej, w oparciu o różnice na trzecim czy czwartym miejscu po przecinku i dodatkowe sygnały od izotopów. Dla większego ułatwienia analizy oprogramowanie aparatów MS zwykle zawiera bibliotekę znanych widm masowych, z którą można porównać wyniki.

No dobra - mamy więc zestaw analityczny. Teraz tylko kwestia dobrania warunków i sprawdzenia czy wyniki zgadzają się z czymś nam znanym. Początkowo użyto techniki chromatografii gazowej, w której rozdział następuje w długiej kolumnie przez którą przepuszcza się gaz obojętny, a próbka jest odparowywana na małej grzałce, jednak ten sposób nie dał żadnych ciekawych wyników. Najprawdopodobniej użyta toksyna była mało lotna lub rozkładała się przy odparowaniu próbki.
Musiano więc przestawić się na technikę chromatografii cieczowej, z próbką rozpuszczaną w odpowiednim rozpuszczalniku. Jest to metoda o tyle gorsza, że do roztworu przechodzi dużo przeszkadzających substancji.

Dopiero teraz dało się wyłapać charakterystyczny sygnał, który pojawiał się we wszystkich trzech próbkach - roślinnym proszku, sosie curry i próbkach pobranych od otrutych. Widmo masowe pokazało stosunkowo dużą masę cząsteczkową, leżącą w zakresie w którym pojawia się wiele alkaloidów roślinnych. Po porównaniu masy głównego jonu i fragmentów cząsteczki z biblioteką zarejestrowanych widm nie otrzymano konkretnego wyniku - widocznie było to trucizna na tyle rzadko spotykana, że nie zapisano jej analiz. Jednak analiza zarejestrowanych fragmentów i wiedza na temat tego w jaki sposób przejonizowane cząsteczki rozpadają się w spektrometrze, pozwoliła dojść analitykom do wniosku, że musi być to któraś z toksyn z grupy akonityn.
Skrupulatne przejrzenie literatury doprowadziło badaczy do najbardziej prawdopodobnego wyniku - pseudoakonityny, toksyny z rosnącej w Indiach rośliny z rodzaju tojad, której europejski odpowiednik jest też znany jako ogrodowa roślina ozdobna. Aby potwierdzić przypuszczenia, laboratorium poprosiło ogród Kew Gardens o próbki roślin.


Tojad mocny, nazywany też mordownikiem, jak to wprost nazwa sama wskazuje jest rośliną silnie trującą. Należy do rodziny jaskrowatych, konkretnie plemienia Delphinieae, wraz z ostróżką i ostróżeczką. Jest byliną o charakterystycznych, głęboko podzielonych liściach i ukwieconym pędzie dorastającym do półtora metra wysokości. Kwiaty duże, intensywnie granatowe z charakterystycznym "hełmem" z przerośniętego piątego płatka. Z tego też powodu nazywany był także błękitnym lub mnisim kapturem. Występuje w Europie głownie na terenach górskich i pogórzu, kilka stanowisk znanych jest z polskich Karpat. Bardziej rozpowszechniony jest tojad mołdawski, rosnący też na wyżynach i w dolinie Wisły. Pojedyncze stanowiska na nizinach to głównie wynik ucieczki z ogrodów.
Ze względu na bardzo efektowny wygląd i intensywną barwę, tojad jest uprawiany jako roślina ozdobna. Wiele osób może go mieć u siebie nie wiedząc z jak niebezpieczną rośliną mają do czynienia, wyhodowano liczne odmiany o kolorach białym czy różowym, z plamkami czy jasnym obrzeżeniem. Jest uważana za jeden z klasycznych kwiatów tradycyjnego angielskiego ogrodu.

Właściwości tojadu poznano już bardzo dawno. Wedle mitologii greckiej miał powstać w miejscu, gdzie na ziemię spadła ślina Cerbera, demonicznego psa pilnującego wejścia do Hadesu. Czarodziejka Medea miała zatruć tojadem wino przeznaczone dla Tezeusza, gdy ten zażądał należnego mu tronu. Atena użyła tej rośliby aby zamienić dumną Arachne w pająka. Przypuszcza się, że posłużyła do otrucia cesarza Klaudiusza, któremu podano zatrutą potrawę z grzybów, przy czym szybkie pojawienie się objawów i drętwienie języka nie bardzo pasowały do trujących grzybów; podobne podejrzenia dotyczą śmierci jego syna Brytanika. W późniejszych wiekach zyskała sławę "roślinnego arszeniku".
Ludy zamieszkujące Syberię, Kazachstan i Kamczatkę, oraz Ajnowie będący pierwotnymi mieszkańcami północnych wysp archipelagu japońskiego, używały soku z tojadu do zatruwania strzał i wnyków podczas polowania na niedźwiedzie czy łosie.

Podobnie jak inne silnie trujące rośliny, tojad był dawniej używany w medycynie. Skoro bowiem toksyna działa na organizm tak silnie, to w odpowiednio dobranej dozie powinna być silnie lecznicza. Medycyna europejska stosowała tojad i preparaty pochodne jako środek pobudzający czynności organów. W bardzo małych dawkach wskutek podrażnienia zakończeń nerwowych poprawiała pracę układu pokarmowego i krążenie, równocześnie uspokajając pracę serca. Wyciągi użyte zewnętrznie powodowały porażenie nerwów czuciowych a co za tym idzie lokalne znieczulenie. Używano go jednak ostrożnie, bowiem naturalny surowiec posiadał mocno zmienną zawartość toksyny i trudno było precyzyjnie dobrać dawkę.[1]
W medycynie chińskiej i ayurwedyjskiej lokalne gatunki tojadu są środkiem rozgrzewającym i zwiększającym poziom energii w nerkach, stąd też chętnie używany w przewlekłych chorobach związanych ze starością, których przyczyną miało być "wychłodzenie" i gromadzenie się "wilgoci". Roślina musiała być w tym celu odpowiednio przygotowana aby obniżyć jej toksyczność. Najczęściej brano pojawiające się jesienią bulwki korzeniowe i bardzo długo gotowano, przez co toksyna bądź częściowo rozkładała się, bądź była wymywana. Gorzkie w smaku bulwki zawierają skrobię, dlatego lokalnie są spożywane po prostu jako warzywo. Łukasz Łuczaj miał okazję spróbować takiego właściwie przyrządzonego dania.[2]

Główną toksyną europejskiego tojadu jest akonityna, alkaloid o dość skomplikowanej, przestrzennej budowie:
Należy do najsilniejszych toksyn roślinnych, dawka śmiertelna czystej substancji to zaledwie 1 mg/kg m.c. ustnie dla myszy, dla człowieka szacowane LD 50 to 3-4 mg/kg. Dawka toksyczna przy podaniu dożylnym lub przezskórnym jest jeszcze niższa. Odpowiada to spożyciu około 2 gramów rośliny lub 20-30 ml nalewki. Najbardziej toksyczna jest jesienna bulwa korzeniowa oraz nasiona. Nie znalazłem informacji czy toksyna występuje też w płatkach kwiatów.
Jest stosunkowo dobrze wchłaniana przez skórę. Podczas prac ogrodowych trzeba pamiętać aby nie pobrudzić skóry sokiem z łodyg, powoduje bowiem pieczenie a potem znieczulenie, może nawet miejscowe zdrętwienie.  W 2014 roku ogrodnik pracujący w rezydencji milionera Christophera O. Thompsona stracił przytomność. Po przewiezieniu do szpitala zmarł z powodu ustania czynności narządów. Po kilku tygodniach pojawiło się podejrzenie, że mógł zatruć się tojadem, który w tym czasie kwitł. Prawdopodobnie ścinając rośliny z rabaty, pobrudził ręce dużą ilością soku, dalej toksyna bądź wchłonęła się przez skórę bądź została połknięta z jakąś kanapką. Ostatecznie nie udało się tej wersji potwierdzić, bo możliwość taką zgłoszono już po pogrzebie, gdy próbki krwi były już zutylizowane. [3]

Działanie toksyczne akonityny wynika z zaburzenia działania komórek nerwowych. Przeciętna komórka nerwowa utrzymuje we wnętrzu  nierównowagę ilości jonów, wyrzucając je za pomocą kanału jonowego tzw. pompy sodowo-potasowej. Jest to baryłkowaty twór ze splecionych łańcuchów białkowych, który przechodzi na wylot przez błonę komórkową. Wyrzuca on na zewnątrz dodatnio naładowane kationy sodu, przez co na błonie powstaje niewielki ładunek ujemny. Impuls nerwowy powstaje gdy kanał jonowy otworzy się, a kationy sodu napływają do komórki. Potencjał elektryczny błony najpierw staje się zerowy (depolaryzacja) a potem na krótko dodatni. Potem kanał się zamyka i w ciągu następnych kilku mikrosekund pompa wyrzuca kationy sodu na zewnątrz, przywracając pierwotny potencjał. Powstały w ten sposób impuls zmiany potencjału rozchodzi się od neuronu do neuronu, generując przepływ informacji i umożliwiając między innymi czytanie tego tekstu.

Kanały jonowe generujące impulsy mogą być otwierane dzięki czynnikom chemicznym które łączą się z odpowiednimi receptorami białkowymi mającymi połączenie z takim kanałem. Naturalne takie substancje to neuroprzekaźniki, zaś te sztuczne to najczęściej substancje pobudzające i psychoaktywne.
Akonityna po dostaniu się do organizmu przyłącza się do białkowej podjednostki alfa kanałów jonowych i powoduje, że po otwarciu takiego kanału, jego zamknięcie następuje później niż zwykle. Skutkuje to przedłużeniem fazy depolaryzacji. Jeśli wiele takich kanałów na powierzchni komórki nerwowych zostało obsadzonych przez cząsteczki akonityny, faza depolaryzacji może trwać tak długo aż neuron przestanie wysyłać i odbierać impulsy. Jeśli zaś z kolei tych niemych neuronów będzie w organizmie odpowiednio dużo, to zatrzymanie impulsów zatrzymuje pracę narządów.
Hamowanie impulsów w nerwach obwodowych skutkuje osłabieniem pracy mięśni. Dalej pojawia się porażenie mięśnia sercowego. Działanie na mózg wywołuje brak odbioru wrażeń zmysłowych. Nieskoordynowane próby odnowienia aktywności mózgowej kończą się drgawkami, zaburzeniami oddychania i krążenia. Ostatecznie śmierć następuje po ustaniu oddechu lub pracy serca, prawdopodobnie przy zachowanej świadomości.
To zdecydowanie nie jest przyjemna śmierć.

W przypadku zatrucia pokarmowego leczenie polega na zapobiegnięciu dalszego wchłaniania trucizny, poprzez płukanie żołądka i podanie węgla aktywnego.  Należy sztucznie podtrzymywać oddech a czasem też pracę serca, do czasu aż receptory nie zostaną odblokowane a toksyna usunięta. Odtrutką specyficzną jest atropina, alkaloid bielunia, która ma na komórki nerwowe działanie przeciwne.

Jak wspomniałem, tojad należy do rodziny jaskrowatych a konkretnie do "plemienia" Delphinieae. Do tej samej grupy należy inny popularny kwiat ostróżka, oraz częsty chwast polny ostróżeczka. Obie te rośliny także mogą zawierać substancje o podobnej budowie, głównie metyllykakonitynę. Toksyna ostróżki ma działanie kilkukrotnie słabsze od akonityny a ponadto występuje w dużo mniejszej ilości. Ze względu na działanie na receptory nikotynowe była testowana jako środek pomagający rzucenie palenia, ma ponadto działanie przeciwstawne do cannabioidów. Wyciągi z ostróżki są czasem stosowane w "ekologicznych" opryskach przeciwko bielinkowi kapustnemu i innym owadom będącym szkodnikami warzyw.
Z kolei ostróżeczka polna, będąca chwastem, i uprawiana jako ozdobna ostróżeczka ogrodowa zawierają niewielką ilość alkaloidów, które od dawna są wykorzystywane w preparatach przeciwko wszom i pchłom.

Jak skończyła się sprawa o otrucie Cheema?
Gdy już dowiedziono, że użytą trucizną był tojad, pozostawało tylko udowodnić Lakhvir Singh winę. Znaleziono przy niej roślinny proszek będący sproszkowanym indyjskim gatunkiem tojadu Aconite forex, zawierającym pseudoakonitynę, a więc ten sam alkaloid który ostatecznie po długich badaniach udało się wykryć w próbkach od zatrutych. Ona sama tłumaczyła jednak, że to używane przez nią zioła i że niczego byłemu narzeczonemu nie dosypywała.
Sprawdzono skąd mogła mieć proszek - kilka tygodni wcześniej była na krótko w Indiach, tam kupienie większej ilości nie nastręczało żadnych trudności. Zeznania Gurjeet, którą ostatecznie udało się odratować, także dużo wniosły. Próby definitywnego zakończenia poprzedniego związku były dość burzliwe. Singh jeszcze wielokrotnie przychodziła do domu byłego kochanka, robiąc mu awantury i strasząc, że załatwi deportację jego narzeczonej. W międzyczasie wyszło na jaw, że Cheema oszukiwał narzeczoną, mówiąc jej że rozstał się z panią Singh trzy lata temu i teraz są tylko przyjaciółmi. Była zaskoczona gdy dowiedziała się, że jeszcze niedawno spędzała u niego wolne dni. W Boże Narodzenie 2008 narzeczeni uczestniczyli w spotkaniu towarzyskim, na którym znalazła się też Singh. Gurjeet próbowała po przyjacielsku załatwić sprawę mówiąc jej, że wie o wszystko o ich wieloletnim romansie i radziła jej, że powinna jednak mimo wszystko zająć się mężem i trójką dzieci. To jednak nie poskutkowało.
  Na początku stycznia 2009 Singh znów przyszła do domu kochanka, robiąc awanturę o to, że narzeczeni już ze sobą śpią choć nie mają ślubu. Wiedziała to bo zakradła się pod dom i podglądała ich przez okno. Dwa tygodnie później narzeczeni zatruli się sosem curry.

Kolejną zastanawiającą okolicznością było wcześniejsze zatrucie. Cheema zatruł się na początku grudnia potrawką warzywną i kilka dni spędził w szpitalu. Stało się to kilka dni po poważnej rozmowie, podczas której odtrącił Singh. Już wtedy podejrzewał, że dodała mu czegoś do jedzenia, ale zbagatelizował sprawę, bo w końcu zatrucie nie było silne.
Za dowód rozstrzygający uznano jednak zeznania dwóch lokatorów Cheemy, którzy po południu w dniu tragicznego zdarzenia, widzieli jak Singh przyszła do domu byłego kochanka, otwierając sobie własnymi kluczami. Nie bardzo się orientowali jak to między nimi ostatecznie było i jak się dogadali, a ponieważ widywali ją już wcześniej, nie widzieli niczego podejrzanego w tym, że skierowała się do kuchni i zaglądała do lodówki.

Na początku 2010 roku Lakhvir Singh została skazana na dożywocie z  możliwością przedterminowego zwolnienia dopiero za 23 lata. O tym jak wyjątkowy i rzadki jest to przypadek świadczy to, że poprzedni wyrok w sprawie o otrucie tojadem zdarzył się w Wielkiej Brytanii w roku 1892.
---------------------------------
Źródła:
[1]  http://www.independent.co.uk/news/uk/home-news/gardener-dies-after-brushing-against-deadly-wolfsbane-flower-on-millionaires-estate-9845675.html
[2]  http://rozanski.li/278/tojad-mocny-aconitum-napellus-l-ranunculaceae-jak-to-dawniej-z-nim-bylo-w-medycynie/
[3] http://lukaszluczaj.pl/tojad-lek-pozywienie-i-trucizna-w-jednym/

* https://www.chemistryworld.com/feature/its-a-bloody-business/8378.article
* http://akrokorinthos.blogspot.com/2013/11/the-poison-aconite-or-wolfsbane.html
*  https://en.wikipedia.org/wiki/Aconitine
* https://en.wikipedia.org/wiki/Methyllycaconitine
*  http://murderpedia.org/female.S/s/singh-lakhvir.htm

poniedziałek, 18 września 2017

Poison Story (8.) - Podstępny grzybek

Jesienią 1952 służby medyczne w ówczesnych powiatach konińskim i aleksandrowskim zaczęły notować niepokojący wysyp chorób gastrycznych. Chorzy z początku dostawali lekkiego rozstroju żołądka, nudności, wymiotów i zaparć. Do objawów dołączało przemożne pragnienie, ból brzucha bez konkretnej lokalizacji, dreszcze i ciągłe uczucie zimna. W cięższych stanach zachorowanie kończyło się utratą przytomności. We wszystkich przypadkach stwierdzano ciężkie uszkodzenia nerek, prowadzące do ustania ich czynności i martwicy.
Zachorowania szybko przyjęły postać epidemii - do końca jesieni zachorowały 102 osoby, z czego aż 11 zmarło.

Sprawą zajął się pracujący w tym rejonie lekarz Stanisław Grzymała. Najważniejsze było powiązanie zachorowań z konkretnym czynnikiem.  Jeśli czynnik toksyczny lub mikrobiologiczny zadziałał aż tak silnie, musiał zacząć działać szybko. Wstępne badania na obecność bakterii i wirusów wykluczyły aby przyczyną był zarazek chorobotwórczy, bardziej prawdopodobna wydawała się zatem toksyna. Pytano więc chorych co takiego jedli w dniu w którym po raz pierwszy poczuli się źle, lecz wywiady te nie dały niczego konkretnego. Grzymała zaczął więc pogłębiać wywiad, pytając o jedzenie, napoje i alkohol spożyte wcześniej, nawet kilka dni przed pojawieniem się objawów. Pojawił się pewien wspólny punkt, ale mało prawdopodobny toteż dopiero zimą nastąpił wyraźniejszy przełom. Pod koniec grudnia pojawiły się nieoczekiwanie nowe zatrucia. Czynnik chorobotwórczy ujawnił się ponownie tuż po Wigilii. Ale co takiego mogli zjeść zatruci zimą, z czym do czynienia mieli inni poprzednią jesienią? A no grzyby.

Wiele tradycyjnych dań wigilijnych zawiera w składzie grzyby przechowane do tego czasu w formie marynaty lub suszu. W jednym takim przypadku z Ruszkowa koło Radziejowa, od rodziny gdzie siedem osób zachorowało a trzy zmarły, udało się pozyskać jeszcze trochę suszonych grzybów zebranych tej jesieni, które były używane do dań świątecznych. Współpracująca z lekarzem botaniczka Alina Skirgiełło posegregowała pokruszone kawałki grzybów, rozpoznając w nich głównie znane gatunki z rodzaju Borowikowatych, Pieczarkowatych i Zasłonaków. Wszystkie były znane jako jadalne, pojawiła się jedynie domieszka uważanego zazwyczaj za niejadalny maślaczka pieprzowego o zbyt ostrym smaku. Postanowiono jednak na wszelki wypadek zrobić próbę biologiczną - mieszankę suszonych grzybów podano zwierzętom. Część zwierząt padła z objawami uszkodzenia nerek.

Wyglądało na to, że jakieś grzyby zbierane w okolicy wywoływały zatrucia, pozostawało tylko pytanie jakie konkretnie. Rozpoznanie gatunku po pokruszonych suszonych kapeluszach było trudne, niekiedy nie było pewności nawet co do rodzaju, należało więc zdobyć próbki świeżych. Istniała przecież możliwość, że w lasach rośnie jakiś rzadki gatunek trujący na tyle podobny do grzybów jadalnych, że nie dało się go wcześniej rozpoznać. Nie można było zakazać ludziom zbioru wszystkich grzybów z oznaczonych trzech grup obejmujących kilkadziesiąt chętnie zbieranych gatunków.

Ponieważ jesień się skończyła, dopiero w następnym roku doktor Grzymała ze Skirgiełło i mykologiem Andrzejem Nespiakiem ruszył w las aby zebrać jak najwięcej różnorodnych gatunków. Mieli jednak pecha, rok ten nie obfitował w grzyby, mimo przeprowadzonych badań nie udało się powtórzyć toksycznego efektu ze znalezionymi owocnikami. Podobna sytuacja powtórzyła się jesienią 1954, a lekarz zaczął tracić nadzieję na znalezienie rzeczywistej przyczyny zatruć. W końcu równie dobrze przyczyną mogło być jednak coś innego, może nie grzyby a jakieś opryski na terenie lasów albo pasożytująca na grzybach pleśń nadająca toksyczne właściwości jadalnym gatunkom. Sam przebieg zatrucia związany z uszkodzeniami nerek, był jak na działanie grzybów nietypowy i nigdy wcześniej nie obserwowany.
W 1955 roku w połowie jesieni ponownie pojawił się urodzaj na grzyby. Badaczom udało się pozyskać kilkadziesiąt gatunków. Rozsegregowane wedle gatunku owocniki suszono a część zachowywano w formalinie aby nadawały się do dokładniejszych oznaczeń. Dla niektórych grzybiarzy było to jednak za późno - w rejonie pojawiły się kolejne zatrucia z objawami uszkodzeń nerek. U dwóch różnych rodzin zachorowało dziewięć osób, z czego dwie zmarły. Tym razem działano szybko, prosząc rodziny o przekazanie jedzenia i niespożytych grzybów, póki jeszcze były świeże. Wśród próbek przekazanych od zatrutych z Lisewa znalazły się również gatunki z rodzaju zasłonak oznaczone wcześniej w suszu otrzymanym od ofiar "epidemii Konińskiej".

Bazując na próbkach od zatrutych oraz na okazach znalezionych podczas grzybobrania, wykonano kolejne badania na zwierzętach. Spośród 127 osobników część padła po zjedzeniu karmy z dodatkiem fragmentów trzech owocników. Pozostawało już tylko precyzyjnie oznaczyć gatunek. Na podstawie cech wyglądu, prób chemicznych i wyglądu zarodników udowodniono niezbicie, że trującym gatunkiem był Cortinarius orellanus, czyli zasłonak rudy.
We wszystkich ówczesnych atlasach oznaczany jako grzyb jadalny.

Publikacje Grzymały jakie ukazały się później w fachowych czasopismach, wywołały zdumienie u europejskich mykologów. Wszystko wskazywało na to, że przez bardzo długi czas nikt nie zorientował się, że gatunek ten należy do najsilniej trujących grzybów. Aby nakreślić zdumienie i przerażenie jakie przyniosła ta informacja, należy zaznaczyć, że Zasłonaki to bardzo liczna grupa grzybów. W samej tylko Polsce oznaczono ich około 220 gatunków a w całej Europie ponad 500. Większość uważana była za grzyby jadalne niskiej wartości, typowe bełdki. Niektóre na surowo wywoływały rozstrój żołądka, inne miały nieprzyjemny smak i zapach, w rodzaju zapachu czosnku, rzodkiewki, gazu czy kurzu. Wiele atlasów grzybów stwierdzało, że żaden z zasłonaków nie jest trujący, więc nie ma potrzeby rozpoznawać gatunków i można jeść wszystkie, jeśli tylko smak i zapach na to pozwalają.

Zasłonak rudy to  grzyb blaszkowy średniej wielkości, o brunatno-rudym zabarwieniu, młode osobniki mogą jednak być ciemnopomarańczowe. Dopiero wyrastające owocniki posiadają między trzonem a kapeluszem włóknistą błonę składającą się z łatwo pękających nitek, nazwaną zasnówką lub zasłoną. Stąd nazwa rodzajowa. Powierzchnia kapelusza skórzasta, sam kapelusz nie licząc blaszek dość cienki, wypukły, niekiedy z lekkim garbkiem pośrodku. U młodych osobników brzeg podwinięty, u starych bardziej postrzępiony niekiedy wywrócony.

Blaszki szerokie i rzadkie, o takim samym kolorze co kapelusz. Trzon pełny, włóknisty, często wygięty.  Miąższ kapelusza cielisty, po przekrojeniu nie sinieje.
Zapach świeżych grzybów słaby, podobny do rzodkiewki. Smak świeżych niewyczuwalny, gotowanych lub podsmażanych przyjemny, grzybowy z kwaskowatym posmakiem. Rośnie od września do października głównie w lasach mieszanych. (Grzymała podaje, że oznaczone owocniki zebrano z lasów iglastych, głownie pod sosną, tymczasem inne źródła podają że gatunek ten woli buki i brzozy; najwyraźniej z. rudy jest mylony z zasłonakiem rudawym który lubi kwaśną glebę)

Sam zasłonak rudy nie jest w Polsce gatunkiem częstym, znalazł się nawet na czerwonej liście gatunków zagrożonych. Grzymała podaje w swoich artykułach kilka odnalezionych stanowisk: Las Głębocki koło Ślesina, Las Kaźmierzowski koło Kaźmierzowa, Las Wilczyński, Las Orzelski koło Topólek w pobliżu Radziejowa i las w pobliżu FWP w Mrągowie na Mazurach. Szukając w internecie znalazłem też wzmianki o stanowiskach w lesie na obrzeżach Gdańska i w rejonie puszczy Białowieskiej.

Dlaczego jednak nikt wcześniej nie zauważył właściwości zasłonaka rudego? Głównie ze względu na niesamowicie długi czas opóźnienia objawów. Z wykonanych później wywiadów wynikało, że słabe, niespecyficzne objawy rozwolnienia czy niedyspozycji żołądkowych pojawiały się po kilkunastu godzinach od spożycia, lecz bagatelizowane same mijały. Zależnie od osobniczej wrażliwości i ilości zjedzonych grzybów dalsze, poważniejsze objawy, pojawiały się po dwóch, trzech i więcej dniach. U połowy chorych czas opóźnienia przekraczał tydzień a w jednym przypadku ciężkie objawy pojawiły się dopiero po 17 dniach od zjedzenia grzyba!

Już około 12-godzinne opóźnienie pojawiające się po zjedzeniu muchomora sromotnikowego jest uważane za czas długi, a co dopiero w przypadku, gdy sam zatruty może już nie pamiętać co zjadł dwa tygodnie temu. Pojedyncze pojawiające się wcześniej zatrucia były więc wpisywane jako "uszkodzenie nerek o nieznanej etiologii" ewentualnie winę zrzucano na przewlekłe choroby lub pokątny alkohol. Grzymała przejrzał zresztą dokumentację szpitali z okolicy szukając przypadków gdy charakterystyczne uszkodzenie nerek dało się powiązać ze zjedzeniem grzybów. Odnalazł kilkanaście zatruć następujących w okresie po Wigilii, to jest po zjedzeniu suszonych grzybów, sięgających wstecz aż do 1938 roku, zwykle zatruciu ulegały dwie-trzy osoby z tej samej rodziny, liczne były przypadki śmiertelne.

Aby móc lepiej przestrzec ludność, udawał się w region z zasuszonymi oraz zachowanymi w formalinie okazami, aby ustalić na ile gatunek ten jest znany i jakie ma regionalne nazwy. Mieszkańcy okolic Skulska i Ślesina dobrze znali tego grzyba. Nazywano go "rzędówką" lub "cukrówką" niekiedy "cyganką" i uważano za smaczny, jadalny, znany od dawna i używany wraz z innymi grzybami do jedzenia. Wypowiadali się tak także członkowie rodzin w których zdarzyły się zatrucia. Ze względu na to, że zwykle stanowił domieszkę wśród innych chętnie zbieranych grzybów, najwyraźniej często mogło być tak, że zjadano go bez szkody, bo było go w potrawie za mało. Jeśli zaś dawał objawy, to po tak długim czasie, że nikt go z zatruciem nie kojarzył. Aby zapobiec dalszym zatruciom wydano ulotkę z opisem zasłonaka rudego oraz opublikowano odpowiednie informacje w prasie. Jednak zmiana zwyczajów grzybiarzy okazała się trudna, jeszcze w 1957 podczas kolejnego masowego wysypu zasłonaków zachorowało 21 osób z czego 6 zmarło.

Późniejsze badania pozwoliły na wyizolowanie toksyny, nazwanej Orellaniną, która okazała się mieć ciekawą budowę. W zasadzie jest to prosta bipirydyna:
formą aktywną jest podwójny N-tlenek, możliwe są też formy zredukowane. Jest to związek łatwo ulegający reakcjom utlenienia i redukcji, utleniona forma N-tlenku w czasie metabolizmu komórkowego generowała wolne rodniki powodujące uszkodzenia organelli komórkowych. Powstająca wówczas forma zredukowana utleniała się w ustroju i ponownie generowała wolne rodniki.
Toksyna jest bardzo wolno eliminowana z organizmu, krążąc w krwiobiegu. Przepływając przez nerki powoduje ich uszkodzenia na etapie zagęszczania moczu, z którego jednak jest wchłaniana ponownie. Efekty toksyczne kumulowały się aż po kilku dniach doprowadzały do niewydolności i zatrzymania pracy tego narządu. Właśnie dlatego objawy zatrucia pojawiały się po tak długim czasie. Mechanizm wydaje się zresztą podobny do działania toksycznego herbicydu parakwatu, także będącego bipirydyną, tylko z pierścieniami połączonymi w pozycjach 4,4 (para-bipirydyna). Z powodu kumulowania się objawów, możliwe jest zatrucie w wyniku małych ale powtarzanych porcji grzybów, na przykład raz ktoś zjadł kilka zasłonaków poniżej dawki toksycznej, a po tygodniu w następnej porcji dania jeszcze jeden i to już wystarczało.
Orellanina jest bardzo słabo rozpuszczalna w wodzie oraz odporna termicznie, gotowanie, nawet kilkukrotne, oraz suszenie i marynowanie nie usuwają jej.

W czasie izolacji toksyny z grzybów udało się odnaleźć reakcję barwną z kwaśnym roztworem chlorku żelaza III. Części badanych grzybów były rozgniatane lub miksowane z dodatkiem wody. Po przesączeniu do odsączonego roztworu dodawano 3% roztwór chlorku żelaza III w 0,5 N kwasie solnym. W razie obecności orellaniny pojawiało się ciemne zielonkawo-niebieskie zabarwienie, podobne do rozcieńczonego atramentu. Reakcję dawały gatunki zasłonaków znane z tego że wywoływały zatrucia, a nie dawały zasłonaki co do których takich skutków nie odnotowano. Potencjalnie mogłaby to być reakcja pozwalająca odróżnić grzyby, choć nie wiem na ile daje się ją zastosować w warunkach domowych. W przypadku kurek które potencjalnie mogą zostać pomylone z zasłonakiem rudym, reakcja barwna z pojawieniem niebieskiego koloru miąższu pokropionego odczynnikiem, nie następuje.[1]
Inną zauważoną reakcją było pojawienie się czarnego zabarwienia kapelusza po naniesieniu nań kropli 10% wodorotlenku sodu. Orellanina ma właściwości redukujące, więc wodne lub alkoholowe wyciągi odbarwiają nadmanganian potasu.
Zasłonak rudawy

Po opisaniu w wielu artykułach własności toksycznych zasłonaków, podobne przypadki zaczęto zgłaszać także z innych krajów, pojawiły się też doniesienia o innych gatunkach trujących. W Finlandii, Szwecji, Francji i Szkocji odnotowano między innymi zatrucia zasłonakiem rudawym (Cortinarius rubellus/C. speciosissimus ), o charakterystycznej spiczastej górce pośrodku kapelusza. Raz opisano zatrucie zasłonakiem pięknym. Cały czas badane są kolejne gatunki i dotychczas w około 30 stwierdzono obecność toksyny, wśród nich rosnący też w Polsce zasłonak osłonięty [2], rzadki zasłonak niebieski i drobny, możliwy do pomylenia z twardzioszkiem zasłonak purpurowoblaszkowy  Trudno powiedzieć ile jeszcze gatunków okaże się trujących. Z tego powodu obecne atlasy grzybów zalecają raczej nie zbierać zasłonaków.

Zasłonaki mogą być mylone z innymi grzybami blaszkowymi, odnotowano już pomyłki z kurkami, możliwe są pomyłki z innymi gatunkami pieprzników, o ciemniejszym wierzchu kapelusza, zdarzały się też pomyłki z grzybami halucynogennymi. Możliwa jest też pomyłka z płachetką, grzybem chętnie zbieranym zwłaszcza do marynat. Nic zresztą dziwnego, bo płachetka, nazywana też turkiem, kołpakiem czy niemką, należy do zasłonakowatych, choć nie jest trująca. Wydaje się możliwe pomylenie z niektórymi gąskami czy gołąbkami o podobnym ubarwieniu, zwłaszcza ze starymi owocnikami które mogą być podobnie ukształtowane. Znalezione przez Grzymałę regionalne w rejonie Konińskim nazwy zasłonaka, w innych rejonach są używane na określenie innych jadalnych grzybów, w tym gołąbek cukrówka, niektóre źródła donoszą o możliwości pomyłki z gąską żółtą, która różni się przede wszystkim żółtymi blaszkami.
W zeszłym roku prasa donosiła o zatruciu nastolatki z Bygdoszczy, która miała pomylić zasłonaka z kurką - choć fakt, że ostatecznie doszło do uszkodzenia wątroby sugeruje, że między grzyby musiało się jej wmieszać jeszcze coś innego. W 2008 roku zasłonakiem zatruł się pisarz Nicholas Evans, znany jako autor "Zaklinacza koni". Po kilku lat dializowania ostatecznie dostał przeszczep nerki pobranej od siostry.

Jak na razie nie ma dobrej metody leczenia zatruć, pewne pozytywne efekty może dać hemoperfuzja pozwalająca na usunięcie toksyny z krwiobiegu co zapobiega dalszym uszkodzeniom, natomiast nie pomoże w przypadku już powstałych.

-------
Źródła:
*  Grzymała S (1958) Śmiertelne zatrucia rzekomo jadalnym gatunkiem grzybów. Rocz, Państw. Zakl. Hig. 9:115-119
* Grzymała S (1961) Śmiertelne zatrucia rzekomo jadalnym gatunkiem grzyba II. Niektóre cechy farmakologiczne zasłonaka rudego (Cortinarius orellanus Fr.). Rocz Państw Zakl Hig 12:363-371
* Grzymała S (1961) Śmiertelne zatrucia rzekomo jadalnym gatunkiem grzyba III. Wyodrębnienie trującej substancji - orellaniny. Rocz Państw Zakl Hig (Poland) 12:491-498
* Skirgiełło A, Nespiak A (1958) Cortinarius (Dermocybe) orellanus Fr., non Qurl. - przyczyna licznych zatruć grzybowych w Polsce w latach 1952-1955. Acta Soc Bot Polon (Poland) 27:215-220
*  Trond Schumacher, Klaus Hoiland, Muschroom Poisoning Caused by Species of the Genus Cortinarius Fries, Arch. Toxicol (1983) 53. 87-106
* Wysocki K, Ruszkowski M, Raszeja S (1958) Cięźkie toksyczne uszkodzenie nerek w przebiegu zatrucia zasłonakiem rudym (Cortinarius orellanus). Pol Tyg Lek (Poland) 13:1314-1317

[1]  http://www.mushroomexpert.com/kuo_06.html
[2]  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26915341

piątek, 1 września 2017

Zrób sobie sam: plastik z mąki

Kolejne proste doświadczenie, możliwe do wykonania w domowej kuchni - otrzymywanie przezroczystej masy plastycznej z mąki.

Jednym z głównych problemów współczesnego rozpowszechnienia tworzyw sztucznych, są rosnące góry odpadków, które w przypadku odpornych chemicznie materiałów jeszcze długo pozostaną w środowisku w niezmienionej formie. Plastikowe śmieci, które nie trafią do koszy na śmieci i dalej na wysypiska, staną się częścią gleby lub trafią do jezior, rzek i mórz i pozostaną tam na długo. Jest to problem nie tylko estetyczny czy związany ze skończoną pojemnością składowisk - plastik szkodzi też ostatecznie zwierzętom. Już teraz obserwujemy ptaki, morskie ssaki i ryby, które giną z powodu niestrawialnych plastikowych części połkniętych z powodu podobieństwa do czegoś pożywnego, lub za sprawą zaplątania w nici i sieci.
Pod wpływem działania słońca, wody i organizmów plastik zamiast degradować rozpada się na mikroskopijne cząstki, które włączają się w łańcuch pokarmowy. Możliwe, że już teraz zjadamy je z jedzeniem, zupełnie o tym nie wiedząc.

Jednym ze sposobów na zmniejszenie tych efektów, oprócz recyklingu, akcji sprzątania czy uświadamiania społeczeństwa, jest rozpowszechnianie tworzyw ulegających rozkładowi. Zamiast torebki foliowej, niech będzie papierowa, opakowanie ciastek niech będzie zrobione z celofanu. Poszukuje się też nowych materiałów o właściwościach podobnych do dotychczasowych tworzyw sztucznych i możliwie najtańszych w produkcji.
Biodegradowalne są alifatyczne poliestry jak nylon-6 czy polikaprolakton, dostatecznie przy tym odporne na wodę i tłuszcze, coraz większy udział ma w ostatnich latach poli-kwas mlekowy, w zastosowaniach medycznych na przykład na absorbowalne nici chirurgiczne od dawna stosowany jest poliglikolid.
Jednak materiałem biodegradowalnym mającym największy udział w rynku a przy tym stosunkowo prostym w produkcji jest termoplastyczna skrobia.

Skrobia to naturalny polimer wytwarzany przez rośliny jako substancja zapasowa. Składa się z połączonych wiązaniami alfa-glikozydowymi cząsteczek glukozy, tworząc łańcuchy długie do kilku tysięcy członów. W naturze występuje w formie ziaren złożonych z liniowej amylozy, która rozpuszcza się w gorącej wodzie i rozgałęzionej amylopektyny która zaczyna się rozpuszczać już w zimnej. Rozgotowując zawiesinę skrobi w wodzie otrzymujemy kleisty koloid stosowany jako krochmal do tkanin, oraz jako tani klej do papieru i drewna. Rozgotowana skrobia z dodatkiem cukru i soków owocowych, to zaś kisiel.
Po wysuszeniu takiego kleiku otrzymujemy twardą masę, która w miarę upływu czasu staje się krucha. Cząsteczki skrobi łączą się w zagęszczone struktury podobne do kryształów, tworząc twarde ziarna. Ta tak zwana retrogradacja uniemożliwia wykorzystanie masy wysuszonego krochmalu jako materiału, oraz przy okazji odpowiada za proces czerstwienia pieczywa.

Można jednak zmienić skrobię w materiał o bardziej pożądanych właściwościach - trzeba ją po prostu stopić.  Skrobia ma bardzo wysoką temperaturę topnienia - około 200 stopni, praktycznie w punkcie termicznego rozkładu. Można jednak dodać do niej substancje, które znacznie obniżają temperaturę topnienia i pozwolą przetwarzać skrobię bez przemian chemicznych. Są to tak zwane plastyfikatory.
W tym przypadku są to substancje silnie oddziałujące z cząsteczkami skrobi i tworzące między nimi mostki za pomocą wiązań wodorowych. Dzięki temu każdy łańcuch połączonych glukoz zostaje otoczony małymi cząsteczkami plastyfikatora, zaś luźniejsza struktura materiału łatwiej daje się kształtować. Plastyfikatorami dla skrobi są polialkohole - sorbitol, ksylitol oraz gliceryna. Ta ostatnia ma tą zaletę, że jest płynna, pozwala więc otrzymać masę bardzo miękką i elastyczną nawet w niskich temperaturach. Oraz jest tania i łatwo dostępna.
Sztućce ze skrobi

Powstała w ten sposób masa może być dostatecznie twarda i odporna na rozrywanie aby można było zrobić z niej opakowania, torby czy jednorazowe sztućce. Po spienieniu tworzy materiał podobny do styropianu, nadający się do opakowań a w formie granulatu jako wypełniacz pudeł z przesyłkami w zastępstwie drobnych styropianowych kulek. Termoplastyczna skrobia jest też niestety rozpuszczalna w wodzie. Dla zachowania właściwości w wilgotnych warunkach, na przykład w kontakcie z jedzeniem, dodaje się do niej substancje zmniejszające nasiąkliwość, na przykład kwas stearynowy powodujący, że masa staje się woskowata i nie wchłania wody, można też pokryć powierzchnię naturalnym woskiem. Skrobię można także mieszać z innymi biodegradowalnymi tworzywami o większej odporności, na przykład polilaktydem. Przy dobrym doborze składników można z takiej masy wyprodukować na przykład kubki czy butelki na wodę, ulegające całkowitemu rozkładowi w ciągu kilku miesięcy po zakopaniu w ziemi.
Biodegradacja butelki z polilaktydu
Domowym sposobem raczej trudno będzie zrobić ekologiczny kubek czy butelkę, ale stworzenie choćby próbki materiału podobnego do plastiku samo w sobie jest ciekawe.

Wykonanie
Do stworzenia bioplastiku potrzebujemy mąki zawierającej dużo skrobi, ja użyłem po prostu czystej skrobi ziemniaczanej. Plastyfikatorem będzie gliceryna, możliwa do kupienia w aptece w buteleczkach po 30 i 50 g. Użyłem też jako dodatku kwasku cytrynowego, który polepsza właściwości tworzywa. [1]
Masę będziemy mocno podgrzewali, najlepiej użyć małego garnka lub rondelka. Po otrzymaniu, płynną skrobię trzeba będzie na czymś rozprowadzić, najlepsza będzie metalowa tacka, może foremka, ja używałem metalowej miski. Nie próbowałem z fajansowymi i szklanymi talerzami, bo nie byłem pewien czy nie pękną.

Po paru próbach stwierdziłem, że najlepsza proporcja przy której tworzywo dobrze wyglądało, to 3 płaskie łyżki stołowe skrobi i 1 łyżka stołowa płynnej gliceryny (80%). Do skrobi i gliceryny dodajemy kilka łyżek wody, musi nam powstać bardzo leista mieszanka, bardziej wodnista niż kleik. Podczas dalszego procesu woda zostanie odparowana, ale na razie potrzebna jest aby masa była gładka i bez grudek.

Do mieszanki dodałem jeszcze szczyptę kwasku cytrynowego. Następnie przelałem ją do garnka i szybko mieszając podgrzewałem na średnim ogniu (a raczej średnim grzaniu maszynki). W pewnym momencie mieszanina staje się kleista, aby wszytko dobrze się wymieszało trzeba szybko mieszać od dna i rozcierać formujące się grudy.

W końcu cała mieszanina formuje gęsty, bardzo lepki glut o szklistym wyglądzie. Zanik białego koloru to oznaka rozpuszczenia całej skrobi.

Ale to jeszcze nie koniec - powstały gęsty ulepek należy jeszcze podgrzać. Ja rozcierałem go po dnie łyżką, aby w miarę równomiernie się ogrzał. W miarę upływu czasu stawał się coraz bardziej płynny, pienił się od pary wodnej:

Aż w końcu przybrał konsystencję syropu:

W zasadzie w tym momencie można uznać, że mamy do czynienia ze stopioną masą skrobi w glicerynie, dalsze podgrzewanie powoduje jedynie odparowanie wody i warunkuje to na ile łatwo będzie końcową masę uformować, oraz jak szybko stwardnieje. Za pierwszym razem grzałem masę niemal do karmelizacji, była bardzo gęsta i zastygała zaraz po wylaniu na dno miski. Otrzymałem z niej gruby kawałek lekko spienionej masy, dosyć przezroczystej i elastycznej:

Za drugim razem grzałem płynną masę krócej, chcąc otrzymać cieńszą warstwę. Wylałem ją na dno odwróconej miski, tak aby się rozpłynęła i aby powstał arkusz podobny do folii:

Tym razem stwardnienie i wysychanie trwało dłużej. Po jakiejś godzinie stwierdziłem, że z wierzchu jest już sucha i twarda, ale pod spodem nadal bardzo kleista. Obawiając się, że w ostatecznej wersji przyschnie mi do miski nie do oderwania, ostrożnie podważyłem i zerwałem z naczynia cały płat, aby podsuszyć go z obu stron. Ostatecznie powstał mi płat grubszej folii podobnej trochę do folii do pakowania:

Skrobiowy bioplastik jest półprzezroczysty, miękki w dotyku i elastyczny. Twardość i elastyczność zależy ostatecznie od stosunku skrobi do gliceryny, metodą prób i błędów można sobie ustalić idealną proporcję. Okazał się też bardziej niż się spodziewałem odporny na rozerwanie. W temperaturze około 110-120 stopni ponownie się topi, można więc kształtować go na gorąco.

Ostrożność
Ze względu na to, że masa jest mocno podgrzewana w garnku, zaś pieniąc się może pryskać, raczej nie jest to doświadczenie do robienia dla dzieci. Możliwe jest przypalenie garnka przy niedostatecznym mieszaniu, mi się to nie zdarzyło ale innym może się przydarzyć. Z domyciem garnka nie było problemu.

-------
[1] The Effects of Citric Acid on the Properties of Thermoplastic Starch Plasticized by Glycerol; Starch Volume 57, Issue 10 No. 10 October 2005 Pages 494–504