STUDERENDES BAGGRUNDSLÆSNING TIL EKSPERIMENT A: NATURLIGE NANOMATERIALER

Transkript

1 STUDERENDES BAGGRUNDSLÆSNING TIL EKSPERIMENT A: NATURLIGE NANOMATERIALER Vi er omgivet af utallige naturlige nanomaterialer og i dette eksperiment vil de studerende lære, at to ordinære materialer, gelatine og mælk, minsandten er sådanne. Egenskaberne af disse materialer er direkte forbundet til deres molekylære supra-organisation, deriblandt deres nanostrukturer. I dette eksperiment vil du: 1. Fremstille gelatine og undersøge den med en laserpointer for at bekræfte dens kolloidale karakter. 2. Bekræfte at mælk er en kolloid og behandle den med syre for at inducere aggregation. Dette eksperiment vil give dig et praktisk bevis for linket mellem struktur og funktion og hvorledes manipulationen af den molekylære organisation af et materiale, som f.eks. mælk, leder til materialer med forskellige farver, lugt og smag! BAGGRUNDSINFORMATION Naturlige nanomaterialer Mange materialer der tilhører den naturlige verden (dyr- og mineralriget) har egenskaber som er et resultat af naturlige nanostrukturer. Interaktionen af lys, vand og andre materialer med disse nanostrukturer giver de naturlige materialer bemærkelsesværdige egenskaber som vi kan se med vores øjne. Disse nanostrukturer opstår fra den supramolekylære organisation af disse materialer: ti til hundreder af molekyler der er arrangeret i forskellige former på nanoskala. Vi har hundreder af eksempler på nanovidenskab lige foran vores øjne hver dag, fra gekkoen som kravler ned af en væg, tilsyneladende mod tyngdekraften, til farvestrålende sommerfugle til ildfluer som lyser op i natten. Figur 1. Eksempler på naturlige nanomaterialer. Fra øverste venstre hjørne og uret rundt: en sommerfugl, foden af en gekko, mælk, Tropæolum blade. (figurophav: Øverste venstre, Wiki commons, Creative Commons Attribute ShareAlike 3; Øverste højre: A. Dhinojwala, University of Akron, NISE network, genprintet under NISE network krav; nederste, venstre: Wiki commons, Creative Commons Attribute ShareAlike 3; nederste højre: inano, University of Aarhus, Creative Commons Page 1 of 7

2 I naturen støder vi på nogle enestående løsninger på komplekse problemer i form af smarte nanostrukturer, der giver specifikke funktioner på problemet. I dette eksperiment vil du kigge på de naturlige nanomaterialer: gelatine og mælk. Begge er typer af kolloider. En kolloide er en type af kemisk mikstur hvor en substans er opslemmet (dispersed) jævnt i en anden, men hvor partiklerne af den opløste substans kun er svævende (suspended) i miksturen og ikke opløst i den (modsat en opløsning). Dette sker fordi partiklerne i en kolloid er større end i opløsningen. Generelt talt er en kolloid sammensat af partikler i størrelsen nm. De er små nok til at være opløst jævnt og bibeholde et homogent udseende, men store nok til at sprede lys. Partiklerne i en kolloid kan være så godt opløst at det ser ud som om man har en opløsning (f.eks. transparent). En simple made at teste om en mikstur er en opløsning eller en kolloid er at lyse med en laser stråle gennem miksturen: Lyset vil kun blive spredt af kolloiden. ADVARSEL: lys aldrig en laser stråle mod øjnene eller kig lige ind i lyse med en laser stråle gennem miksturen strålen! I dette eksperiment vil du opdage, at uden disse nanostrukturer vil almindelige materialer som mælk miste dets udseende og funktion. Gelatine Gelatine er et smagsløst fast stof, afledt af kollagen fra af dyrs hud og ben. Det bruges som et geleringsstof i fødevarer (kager osv.), i lægemidler (f.eks. gelatine kapsler), i kosmetikprodukter og til fotografering. Gelatine er et protein produceret ved partiel hydrolyse af kollagen, fundet i knoglerne, forbindende væv, organer og tarme på nogle pattedyr så som grise. Gelatine fra fisk er dog også begyndt at være en almindelig kilde til stoffet. Gelatine findes ofte som et pulver. Når det blandes med vand danner det en opløsning med høj viskositet og danner en gel når det afkøles, kaldet en kolloid-gel. Gelatine gel smelter til en væske når det opvarmes og størkner igen når den afkøles. Derfor er gelens eksistens afgrænset af et specifikt temperaturinterval. HVORDAN ER DET NANO? Nyere studier med Atomart Kraft Mikroskop (Atomic Force Microscope, AFM) har vist at gelatine bestemt er skabt af utallige nanostrukturer som har forskellige former afhængigt af gelatinetypen der analyseres. For eksempel har AFM analyse af gelatine, fra Havkat (Ictalurus punctatus) hud vist tilstedeværelsen af ringformede porer med gennemsnitslig diameter på Page 2 of 7

3 118nm og sferiske nano-aggregater med diameter omkring 260nm. Hypotensen er, at disse strukturer dannes ved gennemtrængning af vand igennem kollagen molekylerne under hydrolysen. Tilstedeværelsen af disse nanostrukturer beviser, at gelatine er en kolloide og forklarer dets opførsel ift. lysspredning på gelatine. Figur 2. AFM billeder af gelatine, ekstraheret fra en havkat, viser tilstedeværelsen af sferiske nanostrukturer. (figur ophavsret: trykket med tilladelse fra Wiley-Blackwell Publishing Ltd fra Yang et al., Journal of Food Science (2006), 72(8), side c430-c440, ophavsret (2006) Wiley- Blackwell Publishing.Ltd.). Mælk Komælk indeholder et utal af biomolekyler, så som lipider og proteiner, som er opslæmmet (dispersed) i vand. Mængden af proteinerne er mellem 2,5 og 3,5 % afhængig af dyreracen, hvor 80 % er kasein (casein) (resten er valle eller serum proteiner). Fire proteiner udgør kaseingruppen og består af: α s1 - kasein, α s2 -kasein, β-kasein and k-kasein. Kaseinerne er karakteriseret ved, at de er fosfoproteiner (phosphoroproteins) der udfældes ved ph 4,6 (isoelektriske punkt, I p.), hvor valle proteinerne forbliver opløselige. En anden egenskab af kaseiner er, at deres eksistens som kaseinmiceller er fra nm i størrelse. Miceller indeholder kaseinen kombineret med calcium, fosfat og små mængder af citrat. Som sådan er mælk en kolloid (en mikstur af nanopartikler jævnt fordelt, men kun fordelt i væskemediet). Forekomsten af disse miceller (sammen med andre biomolekylær som lipider) giver den hvide farve mælk har pga. lysets spredning i mælken. FRA STRUKTUR TIL FUNKTION Den præcise molekylære selv-samling af proteiner og mineraler i mælk er fundamental for at udnytte dets naturlige funktion til transport af kalcium fra moderen til afkom. Utallige studier har vist at denne organisering resulterer i nanostrukturer, der har præcise funktioner (kasein miceller). I den næste sektion vil vi beskrive hvorledes denne organisation er bestemt af elektrostatiske interaktioner, men også hydrofobiske interaktioner mellem proteinerne, der konstituerer mælk, og nogle mineraler der er associeret med proteinerne. Uden denne fine organisation ville kalcium ikke være fanget i mælkemicellerne og den biologiske funktion ikke være aktiv. Page 3 of 7

4 MÆLKEBEHANDLING Behandling af mælk ved forskellige behandlinger er brugt i udstræk grad i mejeriindustrien. For eksempel: Yoghurt er et fermenteret mælkeprodukt skabt ved den kontrollerede vækst af specifikke mikroorganismer, hovedsageligt bakterier som konverterer lactose (mælkesukker) til mælkesyre (lactic acid). Ved at sænke ph af mælk ændres dets konsistens og smag. I ostefremstilling bruges enzymer til at inducere aggregationen og udfældningen af kaseiner. Som det diskuteres i næste sektion, i alle mælke behandlingsmetoder, ændres den molekylære organisation af kasein, hvilket leder til fortykkelsen, udfældningen og andre effekter. Udseendet, smagen og andre makro -egenskaber af mælk er dybt forankret i dens supramolekylære (nano) struktur. I dette eksperiment vil de studerende bruge eddike (en syrekilde) og varme til at ændre egenskaberne af mælk. KASEINER Kaseiner er en af den type proteiner der findes I mælk. Kasein i mælk (som har en ph nær neutral, omkring 6,7) er negativt ladet (I p er 4,6). Alle kaseiner, pånær k-kasein, besidder egenskaben at binde til Ca 2+ som hovedsageligt sker gennem deres fosfat-rester. Bindingen af Ca 2+ er fundamental for mælk for at kunne udføre sin opgave, det er, at transportere kalcium (og andre næringsstoffer) fra moderen til afkommet. Hver kasein er dannet af en forskellig peptid-sekvens og har derfor en anderledes sekundærog tertiær-struktur. KASEIN MICELLER: STRUKTUR OG FUNKTION Kaseiner I mælk menes at eksistere som kasein miceller i størrelsesordenen nm i dimension. Micellerne indeholder kaseinerne kombineret med calcium, fosfat og små mængder af citrat. Strukturen af kasein micellerne (ligesom kasein selv) er stadigvæk til debat og undersøges stadig. Siden alt kasein indeholder en hydrofob region og en polær region er det troet, at hydrofobe interaktioner såvel som elektrostatiske interaktioner spiller en rolle for selv-associeringen af kaseiner til at danne kasein miceller. Kasein miceller adskiller sig fra polymererne af de enkelte kaseiner i et signifikant aspekt: de indeholder uorganisk calciumfosfat, hvilket eksisterer som små mikrokrystalinske inklusioner benævnt kalcium nanoklynger. Kendsgerningen at stabiliteten af kasein miceller ikke kun er pga. elektrostatisk interaktioner er før blevet demonstreret af at kasein miceller kan disassocieres ved tilsætning af urea, som er en forbindelse der ikke sprænger calciumfosfat-forbindelserne. To typer af bindinger mellem kasein I kasein miceller er hævded: Page 4 of 7

5 - Den første binding er hydrofobisk, hvor to eller flere hydrofobiske regioner fra forskellige molekyler (α-kaseiner and β-kaseiner) danner en forbundet klynge. Disse er indikeret som en rektangulær kasse på figur 3. - Den anden binding af hydrofile ladede regioner indeholder fosfoserin-klynger som binder til kolloidale kalcium fosfat nanoklynger (indikeret som CCP i figur 3). K-kaseinerne har ikke fosfoserin gruppen at binde til kalcium nanoklyngerne og deres er deres association kun mulig gennem hydrofobe interaktioner. Derudover kan micellen ikke gro yderligere hinsides K-kaseinerne, som derfor også fungerer som et yderste lag I micellen. Rollen af K-kasinerner er at stabilisere kasein micellen, forhindre overdreven vækst og aggregation af micellerne, hvilket ville lede til udfældning af disse. KASEIN MICELLER DISSOCIATION OG AGGREGATION Som beskrevet ovenfor er det troet at kasein miceller har en Figue 3. Dobbelt bindings model af kasein micellen, med a, b og k-kasein afbilledet som set. Genprinted fra: Horne D.S., Inter. Dairy Journal (1998), 8 (3), , med tilladelse fra Elsevier. kompliceret struktur, der er et samspil af hydrofobe og elektrostatiske interaktioner. Vedligeholdelsen af den micellare integritet er en balancegerning og adskillige metoder eksisterer til at forstyrre denne balance. Disse metoder er vidt udbredt i mejeriindustrien til at fremstille ost og fermenterede produkter som yoghurt. - forøgelse af ph (til omkring 8) leder til kasein micelle dissociation, og effekten er at opvarmet mælk bliver endnu mere gennemskinnelig. Årsagen til dette er, at forøgelsen af ph fra den naturlige neutralitet konverterer fosfoseryl grupperne fra enkelt til dobbelt ladede enheder, som ikke længere har evnen til at binde til calcium fosfat nanoklyngerne. Den øgede negative ladning af micellerne inducerer en elektrostatisk repulsion og micellerne disassocierer. - sænkning af ph til det isoelektriske punkt (4,6) inducerer dissociation af kasein micellerne. Dette skyldes at calcium micellerne kun kan eksisterer pga. tilstedeværelsen af calcium fosfat; opløsning af dette forårsager nødvendigvis ændringen i stabiliteten af micellen. Konsekvensen af at sænke ph er titrationen af fosfoseryl- og carboxyl-grupper i proteinerne. Uden deres negative ladning binder disse grupper ikke til de kolloide kalcium fosfat nanoklynger, så disse frigives fra micellerne. Det bør noteres at dette ikke nødvendigvis får kasein til at dissociere fra micellerne og lede til udfældning. Ved Page 5 of 7

6 temperaturer under 25 C er dissociationen forøget, men ellers forbliver kaseinen i micellerne. Denne effekt vil blive testet i dette forsøg ved at tilsætte eddike (en syrekilde) til kold mælk. Forklaringen lægger i at stabiliteten af kasein micellerne ikke kun er forbundet til de elektrostatiske interaktioner, men også de hydrofobe interaktioner. Sidstnævnte er ekstremt temperaturafhængige: hydrofobe er stærkere ved højere temperature. Derfor vedligeholder de hydrofobe interaktioner stabiliteten af kasein micellerne i kold mælk sågar når ph er blevet sænket til det isoelektriske punkt. På den anden side, hvis forsyringen sker efter mælken er blevet varmet (omkring 60 C), er micellerne dissocieret (calcium fosfaten er frigivet fra micellerne) og de vil aggregere pga. de forøgede elektrostatiske kræfter og forøgede hydrofobe interaktioner. Dette vil blive testet i denne øvelse ved at tilsætte eddike til varm og kold mælk. - Angreb af chymosin leder til micelle nedfældning og formationen af en ostemasse. Denne proces er brugt i fremstillingen af ost. Chymosin er et enzym som er den aktive del af osteløbe, udtrækket af en kalvs mave, brugt i ostefremstilling. Chymosin angriber specifikt en enkeltbinding i k-kaseinet. Som nævnt før er tilstedeværelsen af k-kaseiner fundamental for den gennemsnitslige stabilitet af kasein micellen. Derfor vil en forstyrrelse af dette få micellen til at destabilisere sig, aggregere og endeligt danne en ostemasse. - Den kontrollerede addition af mælkesyre bakterier (bakterier som producerer mælkesyre, så som Lactobillus, Lactococcus og Leuconostoc) under specifikke procesbetingelser leder til fermenterede mælkeprodukter så som yoghurt. Denne proces varierer fra den simple forsyrelse, da mælken er varmebehandlet og hvedeproteinerne også inkorporeres. Koagulationen er induceret af forsyrelsen, men leder ikke til formationen af en ostemasse, men til et produkt som er mere tyktflydende end mælk. HVAD KAN DETTE EKSPERIMENT LÆRE OS OM NANOETKNOLOGI? I denne øvelse vil du lære to fundamentale koncepter: - Struktur betyder fysiske egenskaber (farve, lugt, mv.): materialer i den rigtige naturlige verden, som mælk, fremstår som de gør pga. de fine nanostrukturer de besidder. Mælk er hvid fordi det indeholder kolloidale nanopartikler (miceller). Hvis vi ændrer strukturen af disse miceller, ændrer vi makro egenskaber af mælken så som farven og lugten. - Struktur betyder funktion: Naturlige materialer har meget specifikke funktioner, som er dikteret af den fine supra-organisation af deres molekyler (nanostrukturer). Hvis vi ændrer disse, kan vi opnå et materiale med en ny funktion. I osteproduktionen vil ændringen af kasein micellerne igennem specifikke processer (f.eks. chymosin behandling eller mælkesyre bakteriefermentering) leder til forskellige Page 6 of 7

7 produkter (ost, yoghurt osv.) Dette er præcist konceptet i nanoteknologien: At skabe nye materialer med nye funktioner fra manipulationen af deres molekylære organisation. Page 7 of 7