Zur Kenntnis der lyophilen Kolloide

Zur Kenntnis der lyophilen Kolloide. X X I I . M i t t e i l u n g .

Die Hitzekoagulation des Eialbumins. Von H. R. K r u y t und J. R. de J o n g .

(van't Hoff-Laboratorium der Reichsuniversit~it in Utrecht.) (Mit 9 Figuren.i

(Eiugegangen am 7. Juni 1934.)

1. Einleitung. In der hier folgenden Untersuchung wird der Versuch unternommen,

nachzuweisen, dab die Hitzekoagulation yon Eialbumin gut yon dem Standpunkt aus verstanden werden kann, der in dieser Reihe entwickelt worden ist, dab die Stabilit~it der lyophilen Kolloide yon zwei Gr6t3en: n~imlich dem elektrokinetischen GrenzfIAchenpotential und der Hydra- tation beherrscht wird. Die Arbeitshypothese zur Erkl~irung der Hitze- koagulation wurde bereits bei den ersten Untersuchungen fiber das Agar- sol und seine Gelatinierung (1021) aufgestellt, aber erst in den letzten Jahren sind die hier folgenden Untersuchungen zur Nachprfifung dieses Gedankens ausgeffihrt worden.

Den Ausgangspunkt bildet die folgende Erfahrung, die von H. G. B u n g e n b e r g de J o n g fiber das Agarsol beschrieben worden ist (1).

Die relative Viskosit~t eines X/Tprozentigen Agarsols wurde bei 50 ~ 45 ~ 400 C und dann bei 35 o C, unmittelbar nachdem diese Tempera- tur erreicht war, bestimmt. Die Kurve a in Fig. 1 gibt diese Ergebnisse wieder. Da eine Temperatur von 350 C unterhalb der ffir die Gelatinie- rung gelegen ist, steigt bei 35 o C die Viskosit~t mit der Zeit, vorl~ufig aber so, dat3 das Sol weiterhin dem Gesetz v0n P o i s e u i l l e entspricht. Als nun bei 350 C die relative Viskosit~t, auf Kurve b angegeben, erreicht war, wurde das Sol wieder bei 40 ~ 45 o und 500 C untersucht, was durch die weitere Kurve b wiedergegeben ist.

Diese Untersuchung lehrt uns nun zwei Dinge: Aus dem Verlauf der Kurve a folgt (wie zu erwarten ist), dab die Hydratat ion bei steigen-

56 KOLLOID-BEIHEFTE BAND 40, HEFT t--2

der Temperatur abnimmt; aus dem nahezu parallelen Verlauf der Kurve b auf h6herem Niveau gegentiber Kurve a folgt, daft die Teilchenaggrega- tion, die die Gelatinierung kennzeichnet, eine ErhOhung der Viskositiit mit sich bringt, augenscheinlich infolge yon intermicellar eingeschlosse- nem Wasser und des dadurch vergr6taerten viskosimetrisch aktiven Vo- lumens (q0 in der bekannten Gleichung yon E i n s t e i n ) ; iibrigens macht

sich die abnehmende Hydratat ion bei 1.76

1.70

1.65 i I i �9

3S 4S Temp. FiE. 1.

steigender Temperatur wieder auf fibereinstimmende Weise geltend.

Unsere Arbeitshypothese hin- sichtlich der Hitzekoagulation ist nun folgende. Wenn man gut dialysiertes 0valbumin erhitzt, so geht das lyo- phile Sol fiber in ein lyophobes, d. h. im isoelektrischen Zustande flockt es aus, bei pa-Werten, die eine gentigend positive oder negative Ladung verursaehen, ver~ndert es sieh zu einem elektrolytempfindlichen Sol (Schu l ze -H a rd y -Reg e l ) . Ein solches denaturiertes Sol wird auch durch Zusatz von Alkohol erhalten, dessen Dehydratationscharakter in dieser Reihe vielfach gekennzeichnet worden ist. Die Hitzekoagulation

ist also offensichtiich eine Folge der bei Temperaturerh6hung abnehmen- den Hydratat ion; infolge deren scheint eine Aggregation der Teilchen einzutreten, die bei sinkender Temperatur nicht mehr rfickg~ngig zu machen ist.

Die hier folgende Untersuchung dient nun dazu, die Richtigkeit dieses Gedankenganges zu bestS.tigen.

2. Bereitung der Ovalbuminsole .

Das Sol X wurde bereitet aus Ovalbuminpulver ( v o n d e r Firma Merck), das durch Schtitteln mit zweimal destilliertem Wasser ein un- gefiihr 2prozentiges Sol bildete. Zur Konservierung wurde eine Spur Thymol zugesetzt, worauf das Sol in den Elektrodialysierapparat (Modell nach P a u l i (2)) gebracht wurde. Die mittlere Kammer des Appa- rates war abgeschlossen v0n zwei Kollodiummembranen, welche so gut wie mSglieh gegen Eiweifi impermeabel gemacht waren. Nach dem

KRUYT u. DE JONO, ZUR KENNTNIS DER LYOPHILEN KOLLOIDE 5 7

Gieflen wurden sie nS~mlich 6 Stunden bei Zimmertemperatur an der Luft getrocknet und dann mit destilliertem Wasser gewaschen, bis aller A1- kohol und Ather entfernt waren.

Wenn bei der Elektrodialyse zwei negative Membranen (yon Kollo- dium oder Pergament) verwendet wurden, weehselte die Wasserstoff- ionenkonzentration des Sols vielfaeh, bevor der Endwert erreicht wurde.

Hierdureh konnten sich die Eigenschaften des Sols in sehr unerwtinsch- ter Weise 5mdern.

Eine der Kollodiummembranen wurde daher vor Gebrauch in eine Ovalbuminmembran auf die Weise umgesetzt, wie yon E t t i s c h und E w i g (3) angegeben worden ist. In diesem Falle wurden der Alkohol und Ather nicht durch Wasehen mit destilliertem Wasser entfernt, sondern als Sptilfltissigkeit wurde ein 2prozentiges Ovalbuminsol verwendet, dem durch Dialyse die gr6Bte Menge Elektrolyt entzogen war.

Die Membran wurde dann noch einige Tage lang in dem Ovalbumin- sol aufbewahrt, bis sie undurehsichtig geworden war. Diese Albumin- membran wurde an die Anodenseite der Mittelzelle gesetzt; an der Ka- rhode wurde eine gew6hnliche Kollodiumembran angebraeht.

W~ihrend der Elektrodialyse wurde mit Hilfe eines Vorschaltwider- standes die Stromst~rke so geregelt, daft das Sol nicht megbar erw~trmt wurde. In dem Mafle wie das elektrisehe Leitverm6gen sank, wurde die Stromspannung erh6ht, bis diese 220 Volt erreicht hatte. Als Sptil- fltissigkeit wurde destiIliertes Wasser verwendet, das mit konstanter Geschwindigkeit durch die Seitenkammern des Apparates geftihrt wurde. Die Elektrodialyse wurde fortgesetzt, bis das elektrisehe Leitverm6gen des Sols bis zu 1,1 �9 10 "5 rez. Ohm abgenommen hatte. Die ausgefSJlten Globuline wurden abfiltriert und das Sol bei 0 ~ C aufbewahrt. Sein p• betrug 1,8. Das Sol enthielt ungef~hr 0,2 Proz. Ovalbumin, w~hrend d~ ~ = 0,9981 war.

Das Sol Y wurde auf dieselbe Weise bereitet. Die Elektrodialyse gegen destilliertes Wasser wurde fortgesetzt, bis das elektrisehe Leit- verm6gen des Sols nicht weiter sank. Dann wurde elektriseh dialysiert gegen zweimal destilliertes Wasser, bis die elektrische Leitf~higkeit erneut konstant geworden war, wobei sie einen Wert von 0,9 �9 10 "s rez. Ohm erreichte. Das PH des Sols war 4,8.

Das Sol Z wurde aus dem Eiweifl von 40 Htihnereiern (4) erhalten. Dies wurde mit einem gleichen Volumen einer ges~ttigten L6sung yon Ammoniumsulfat zu Schaum geschlagen. Naehdem die Misehung 12 Stun- den bei 0 ~ C aufbewahrt war, war sie wieder vollstS.ndig flfissig geworden. Der gebildete Niedersehlag wurde abfiltriert und dem Filtrat so viel

5 8 KOLLOID-BEIHEFTE BAND 40, HEFT 1--2

einer ges~tttigten L6sung von Ammoniumsulfat zugef0gt, dab eine deut- liche Trtibung entstand. Darauf wurde 0,$n-Schwefels/~ure zugeftigt, wobei die Opaleszenz verschwand; bei weiterem Zusatz der SAure wurde aber erneut ein Niederschlag gebildet. Die Mischung wurde soweit an- ges/iuert, dab die letztgenannte F~llung durch Rtihren noch gerade in L6sung gebracht werden konnte.

Unter raschem Rahren trat nact/ einigen Stunden bereits eine Ab- scheidung des ,,kristallisierten Ovalbumins" auf. Die Mischung wurde sieben Tage lang bei Zimmertemperatur aufbewahrt, worauf der gebildete Niederschlag auf fanf Filtern yon der Fltissigkeit getrennt wurde.

Nun wurde genau geprtift, welehe Konzentration einer Ammonium- sulfatl6sung gegeben werden mut3te, damit 10 ccm davon, mit ~ ecm Filtrat zusammengebraeht, dieses gerade noch nicht zur Opaleszenz braehten.

Eine L6sung yon dieser Stiirke wurde dann als Waschfltissigkeit ftir den Niederschlag verwendet. Die Filter wurden damit geffillt und die F~illung wurde dureh Rtihren m6glichst rein in der Fltissigkeit ver- teilt. Naehdem die Ammoniumsulfatl/Ssung abgeflossen war, wurde das Albumin durch feines Verreiben in zweimal destilliertem Wasser gel6st.

Das so erhaltene Sol wurde erneut mittels einer ges~ttigten L6sung yon Ammoniumsulfat niedergesehlagen. Hiervon wurde so viel zugeffigti dab der gebildete Niedersehlag noch gerade durch rasches Rtihren in L6sung gebraeht werden konnte. Die Fltissigkeit wurde mit etwas kristallisiertem Ovalbumin geimpft und nach 7 Tagen war das EiweiB yon neuem gef~llt.

Diese fraktionierte F~llung wurde noch ftinfmal wiederholt, wodurch ein Ovalbuminsol erhalten wurde, das kein Mukoid und Konalbumin enthielt, und das praktisch aschefrei war.

Ein Teil des Sols wurde in einem Ster~dialysator (5) gegen destilliertes Wasser 100 Stunden lang dialysiert, wobei eine Spur Thymol zugesetzt war, um Bakterienwaehstum zu verhindern. Das Sol enthielt nun einen I)berschuB an Sehwefels~ture; es wurde daher mit verdtinn- tern Ammoniak versetzt, bis es gegen Phenolrot gerade basisch reagierte. Dann wurde die DiMyse fortgesetzt, bis in ein Liter der ablaufenden Fltissigkeit (nach Eindampfung auf 10 ecru) mit Bariumchlorid keine Sulfationen mehr nachweisbar waren.

Da es wahrscheinlieh war, daft das Sol Verunreinigungen aus Teilen des Dialysators aufnahm, wurde dlese Methode nieht welter angewendet.

In einem B echh ol d-Beeher far Ultrafiltration (6) wurde eine Kollo- diummembran angebracht, die sehr wenig permeabel for Ovalbumin war.

KRUYT u. DE JONG, ZUR KENNTNIS DER LYOPHILEN KOLLOiDE 59

Nach einer sorgf~ltigen Reinigung des Ganzen wurde der Becher mit 150 ccm Sol geffillt. Darauf wurden 120 ccm Intermicellarflfissigkeit mit Hilfe eines angebrachten Vakuums durch die Membran gesogen. Die in dem Becher zurfickgebliebene Fltissigkeit wurde mit zweimal destilliertem Wasser wieder auf 150 ecru aufgeffillt und das Absaugen fortgesetzt. Durch ungefghr zehnmalige Wiederholung dieses Vorganges erwies es sich als mSglich, nahezu alle Elektrolyte dem Sol zu entziehen.

Die verwendeten Stoffe waren Pr~parate p. a. vonder Firma M e r c k. Das Ammoniumsulfat wurde aut3erdem dureh L6sen in zweimal destilliertem Wasser und Niederschlagen mit fraktioniertem Athylalkohol ge- reini~. Diese Behandlung wurde noeh zweimal wiederholt.

3. Methodik der Messungen.

Die in vorigen Abhandlungen dieser Serie beschriebene Viskosit/~ts- methodik wurde angewendet.

Ffir die Zeitmessungen diente eine Stoppuhr, die 0,1 Sekunden an- gab. Durch Anwendung yon Viskosimetern mit langen Durchlaufzeiten (zwischen 200 und 600 Sekunden) wurden die relativen Fehler in den Zeitmessungen mSglichst vermindert.

Die Bestimmungen wurden im allgemeinen durch Messung der Viskosit/~t bei 20,01~ und darauffolgende brberffihrung des Viskosi- meters mit Inhalt in bereitstehende Thermostaten mit verschiedenen stets hSheren Temperaturen ausgeffihrt. Bei Temperaturen fiber 40 o C konnte diese Behandlung nicht fortgesetzt werden, well das Albuminsol dann mit meflbarer Geschwindigkeit einer irreversiblen Zersetzung unterlag, bei der einfachere Verbindungen aus dem Eiweit3 freigemacht wurden. Wie aueh bei anderen lyophilen Solen festgestellt wurde, muff dies der hydrolisierenden Wirkung des Wassers zugeschrieben werden (7, 27).

Viskosit~ttsmessungen sind im allgemeinen sehr geeignet, um Zer- setzung yon Eiweit]stoffen im Solzustand nachzuweisen. Die gebildeten Albumosen und Peptone zeigen n/~mlich in LSsung eine viel kleinere Viskosit~t als das ursprfingliche Eiweit]sol (8).

Diese Zersetzungsreaktion war die Ursache, dat3 bei hSheren Tempe- raturen Viskosit/itswerte gefunden wurden, die w~hrend der Beobachtung dauernd abnahmen. Um die erhaltenen Ergebnisse untereinander vergleichen zu kSnnen, war es erwfinscht, hierffir eine Korrektur einzu- ffihren. Auf diese Weise wurden alle Viskosit/iten dutch Extrapolation auf den Zeitpunkt 0 berechnet; dieser bedeutet den Augenblick, in dem das Viskosimeter in den betreffenden Thermostaten gebracht wurde.

60 K O L L O I D - B E I H E F T E BAND 40, HEFT 1--2

Das folgende Beispiel (vgl. Tabelle !) mSge zur Erl~iuterung dienen. Ffir die relativeViskositgt wurden bei Sol Y bei einem Pr~- 2,6 die folgenden Werte bei 90,14~ C gefunden. (Man beaehte, dab sowohl die hohe Temperatur als aueh das niedrige PH die Zersetzung bei diesem Bei- spiel sehr stark f6rdern.)

Tabel le 1.

Zeit

15,50 15,55 16,00 16,07 16,20 16,30 16,40

~,

Sol auf 90,140 C gebracht 0,040 0,037 0,034 0,028 0,026 0,024

Um den korrigierten Wert ffir die Viskosit~t zu finden, mut3te dureh Extrapolation der Wert bestimmt werden, welchen diese um 15,50 Uhr gehabt h~tte. In diesem Augenblick n~mlich wurde das Viskosimeter in den Thermostaten yon 90,140 C gebracht und schnell geschfittelt. In

oo5o _,

0.040

0.030

Zeit I I I I I-

0.020 I O0 16.20 16.40- Fig. 2.

diesem Falle wurde der Wert der relativen Viskosit~t beim Zeitpunkt 0 zu 0,043 (vgl. Fig. 2) festgestellt.

Bei Temperaturen fiber 40 o C wurde ffir jede Messung, die bei einer bestimmten Temperatur stattgefunden hatte, das Viskosimeter mit einer neuen Menge Sol besehiekt.

Um verfolgen zu k6nnen, ob w~hrend der Zeit, in der eine Reihe yon Bestimmungen ausgeffihrt wurde, die Viskosit/*t des Sols sieh nieht

KRUYT u. DE JONG, ZUR KENNTNIS DER LYOPHILEN KOLLOIDE 61

~inderte, wurde von jeder Ftillung ebenfalls die Durchlaufzeit bei 20,010 C gemessen. Alle Bestimmungen wurden doppelt ausgefiihrt ; die Werte, die den Charakter des Kurvenverlaufs bestimmten, wurden dreifach festgelegt.

Sowohl vor jeder Messung als auch unmittelbar darauf wurde das p~ der verwendeten Menge Albuminsol be1 200 C bestimmt. Die beiden so erhaltenen Werte zeigten ohne Ausnahme Abweichungen, die inner- halb der Fehlergrenze der verwendeten Methoden fielen (:J: 0,05 Proz.).

Fiir pa-Werte kleiner als 5,0 wurde die kolorimetrische Methode angewendet. Die Farbe, die der dem Sol zugeftigte Indikator annahm, wurde verglichen mit der Farbe, welche derselbe Indikator in einer Reihe Puffermischungen mit bekannten Wasserstoffionenkonzentrationen (9) zeigte.

Um die Salz- und EiweiBfehler der verschiedenen Indikatoren so gut wie mSglich auszuschliei3en, wurde jeder pH-Wert mit Hilfe von minde- stens zwei Indikatoren bestimmt. Die Wasserstoffionenkonzentrationen,

welche einem PH gr6t3er als 5,0 entsprachen, wurden mit einer Wasser- stoffelektrode iaach dem Modell von Mi c h a eli s (10) gemessen, deren Po- tential in Verbindung mit einer 0,1 n-Kalomelelektrode bestimmt wurde.

&. B e s t i m m u n g e n der Viskosit l i t bei Tempcraturen z w i s z h e n 20~ und 90 o C.

Bei dem Soi X (Mercks Ovalbumin) ~nderten sich die Viskosit~tswerte mit der Temperatur, wie in Tabelle 2 angegeben ist.

Ftir das 5ol Y (Mercks Ovalbumin) sind diese Werte in Tabelle 3 untergebracht.

Das Sol Z lieferte die Ergebnisse, welche in Tabelle 4 zu finden sind.

Tabe l l e 2.

Korri- gierte Temp. in ~

20,01 29,01 40,00 50,26 60,28 70,05 80,24 90,14

~s

~e

PH

2,4 3,0 4,1 4,5 !4,8--5,5i6,5--7,01 7,8 Ii,3

0,025 0,026 0,028 0,029 0,030 0,032 0,036 0,037

0,055 0,055 0,055 0,056 0,062 0,068 0,076 0,084

0,060 0,060 0,061 0,062 0,078 0,089 0,101 0,112

0,032 0,035 0,043

[0,09( Aus-

flockunl

0,013 0,015 0,014 0,017 0,015 I 0,017 0,01910,025 Aus- / Aus-

ockunglflockun~

0,017 0,018 0,019 0,027 Aus.

ockun

0,023 0,023 0,025 0,031 0,040 0,047 0,055 0,064

62 KOLLOID-BEIHEFTE BAND 40, HEFT 1--2

T a b e l l e 3. r

Korri- gierte Temp. in ~

20,01 40,00 50,02 60,02 80,24 90,14

~S - - - - 1 ~e

PH 1,2

0,008

0,016 0,018 0,021 0,020

1,5 I

0,013

0,017 0,017 0,020 0,019

1,8 i 2,3

0,017 0,019 0,019 0,022 0,019 0,024 0,022 0,024 0,022 0,027

F 0,021 ] 0,028

2,6

0;033

0,033 0,035 0,039 0,043

4,0

0,038 0,039 0,043 0,044 0,048 0,049

4,3

0,023 0,024

[[o,o451 Aus. flok- kung

5,0 9,7

0,006 0,009 0,005 0,008 Aus- 0,012 flok- 0,014 kung 0,016

0,019

11,5

0,018 0,018 0,019 0,032 O,O38

0,039

T a b e l l e 4.

Korrigierte Temperatur

in ~

20,01 29,91 40,00 50,26 60,28 70,05 80,24 90,14

~e PH

2,5 3,0 4,2 4,8

0,064 0,065 0,067 0,095 0,117 0,135 0,159 0,199

0,094 ! 0,094

0,096 0,097

Ausflockung

0,072 0,071 0,071 0,069

Ausflockung

0,054 0,056 0,051

Ausflockung

Aus diesem Material geht hervor, dab in keinem Falle eine Vis- kosit/~tsabnahme, die eine Dehydratation der Albuminteilchen andeuten wtirde, wahrzunehmen war. Die Viskosit~t nahm sogar mit der Tempe- ratur zu.

Die Eigenschaften des auf 100 ~ C erhitzten Albuminsols wiesen darauf hin, dab unter den obwaltenden Umst~nden die Koagulation beim Erw~rmen als ein irreversibler Vorgang angesehen werden rout3. Es war daherwichtig, nachzuprtifen, ob auch die gefundenc Zunahme-der Vis- kositi~t nicht umkehrbar war.

Hierzu wurde der Viskosit/itsverlauf eines Sols bestimmt, das yon niederer auf hShere Temperatur gebracht und darauf wieder zu der ur- sprtinglichen Temperatur abgektihlt wurde. Sowohl die Viskosit/it, welche bei hoher Temperatur bestimmt, als auch die, welche nach Abktihlung des $ols gemessen wurde, mut3ten ftir die Zersetzungsreaktion, welche

KRUYT u. DE JONG, ZUR KENNTNIS DER LYOPHILEN KOLLOIDE 6 3

das Albumin w~ihrend der Zeit zeigte, die es auf hoher Temperatur ge- halten hatte, korrigiert werden.

Aus der folgenden Bereehnung m6ge man ersehen, wie diese Kor- rekturen festgestellt wurden. Ffir das Sol Y wurde bei 90,14~ C und Pit = 2,6 aus der Abnahme der Viskosit~it mit der Zeit gefunden, dab

im Zeitpunkt 0 ein Wert gleich 0,043 fiir ~" - - 1 angenommen werden ~e

mui3te. 20 Minuten spiiter war die Viskosit~it auf 0,032 gesunken (vgl. Tabelle 1). Nach 20 Minuten wurde das Viskosimeter schnell auf 20,010 C abgekfihlt, worauf die Viskosit~it gleich 0,019 geworden war. Bei 90,140 C betrug die Abnahme in dieser Zeitspanne 0,011.

Die Zersetzungsreaktion verminderte somit die relative Viskosit~it des Sols um 34 Proz. des erreichten Endwertes. Die darauf bei 20,010 C bestimmte Viskositlit mutlte bei Zurfiekffihrung auf den Zeitpunkt 0 um einen gleichen Betrag erh6ht werden. Diese Korrektion wurde dann zu 34 Proz. yon 0,019 ~ 0,006. Als korrigierter Weft ffir diese Viskosi- tlit wurde also 0,025 gefunden.

An dem Sol X wurden die irreversiblen Reaktionen gemessen, welche in der Tabelle 5 angegeben sind.

Tabelle 7 gibt die Ergebnisse yon iibereinstimmenden Messungen wieder, die an dem Sol Y ausgeffihrt wurden, wlihrend in Tabelle 6 die Werte ffir das Sol Z gefunden werden.

Aus diesen Tabellen geht noch hervor, dab in verschiedenen Fiillen die irreversible Reaktion auch bei Temperaturen gemessen worden ist, die zwischen 900 und 20 o C liegen. Die so gefundenen Punkte bilden kontinuierliche Kurven, deren Verlauf vollst~indig analog dem der Linien in Fig. 3 ist.

Die Sole unterlagen somit bei hSheren Temperaturen Veriinderun- gen, bei denen die relative Viskositiit dauernd irreversibel zunahm. Sp~iter sollen noch einige Beweise angeftihrt werden, die daffir sprechen, dab eine beginnende Aggregation der Solteilchen ihre Ursaehe war.

Wenn sich das Sol in der N~ihe des isoelektrischen Punktes befand, bei dem das Potential der Teilchen seinen Minimumwert erreichte, so folgte bei h6heren Temperaturen auf diese Aggregation so rasch eine Aneinanderlegung der Teilchen, daft das Sol nicht stabil blieb, sondern beginnende Ausflockung zeigte. Die relative Viskositiit nahm hierbei stark zu und war bald nieht mehr meflbar, well die Kapillare des Vis- kosimeters sich verstopfte. Unter diesen Umstlinden war es allein zwischen 20 o und 40 o C m6glich, reproduzierbare Viskosit~tswerte zu erhalten.


Tabe l l e 5.

P H = 2,4 Korri- gierte ~s Temp. in oC %

20,01 0,025

90,14 0,037 +

20,01 0,022

40,00 0,028 +

90,14 0,037 +

40,00 0,026

PIt = 4,1

20,01 0,060

90,14 0,112 +

20,01 0,097

20,01 0,060 +

70,05 0,089 +

20,01 0,060

Pt-I = 3,0 Korri- gierte ~s Temp. in ~ ~e

PH= 11,3 Korri- gierte - - - - X Temp. in 0C

~s

20,01

90,14 +

20,01

40,00 4,

90,14

40,00

60,28 +

90,14 +

60,28

20,01

60,28 +

20,01

0,055

0,084

0,058

[0,055 0,084

0,061

0,062

0,084

0,069

0,055

0,062

0,057

20,01

90,14

20,01

40,00 +

90,14

40,00

60,28! +i

90,14 i, t + 60,28

20,01

70,05 +

20,01

0,023

0,064

0,059

0,025

0,064

0,060

0,040

0,064

0,061

0,023

0,047

0,046

Tabe l l e 7.

Tabe l l e 6.

PH = 2,5 Korri- gierte ~s

. ~ - - 1 Temp. ~ J e , in ~

20,01 0,064 +

90,14 0,199 +

20,01 0,182

60,28 0,117 +

90,14 0,199 +

60,28 0,185

20,01 0,064 +

70,05 0,135

20,01 0,081

20,0I 0,064 +

40,00 0,067 +

20,01 0,067

Korri- ~s gierte % Temp. PH in ~ 1,2 1,5 1,8 2,3 2,6

20,01 +

90,14 +

20,01

0,008 0,013 0,017

0,020 0,019 0,021

0,010 0,013 0,010

0,019

0,028

0,017

0,033

0,043

0,025

4,0 9,7 11,5

0,038 0,009 0,018

0,049 0,019 0,039

0,036 0,019 0,029

Wenn durch Zusatz einer bestimmten Menge S~ure oder Base das Potential der Solteilchen m/iflig erhSht wurde (das Sol befand sich im pH-Gebiet zwischen 3,5 und 12,0), so trat bei h6heren Temperaturen nut eine beginnende Aggregation auf. Die Stabilit~t der Albuminteilchen hatte bereits so stark zugenommen, daft das Zusammenschmelzen zu gr6fleren Flocken nicht mehr eintrat. Es war daher auch nicht m6glich,

I~RUYT u. DE JONG, ZUR KENNTNIS DER LYOPHILEN KOLLOIDE 6~

beim Erhitzen eines derartigen Sols beginnende Koagulation oder Opaleszenz wahrzunehmen.

Wenn die Sole grSt3ere Mengen einer starken SAute enthielten, so erreichte das Potential der Teilchen seinen Maximumwert. Die beginnende Aggregation wurde vollstAndig gehemmt und konnte anscheinend sogar in eine Peptisation des Sols tibergehen (beim Sol Y war dies z. B.

der Fall bei PH-Werten zwischen 1,8 und 2,6). Die Viskosit~it des Sols, das auf 90 o erhitzt und dann auf 200 C abgekiihlt wurde, sank n~imlich

bis unter den ursprfinglichen Wert. Diese Wirkung t ra t unabh~ngig yon der friiher besprochenen Abnahme der ViskositAt, die dutch die Zer- setzungsreaktion Verursacht wurde, auf . A l l e erhaltenen Ergebnisse waren hierauf bereits korrigiert. In diesen FAllen hatte das wirksame Volumen der Solteilchen somit irreversibel abgenommen.

Wurde das Sol mit einem Uberschui3 an S~iure zersetzt, so wirkten dem potentialerhShenden Einflufl der Wasserstoffionen stark die Anionen entgegen, die in hoher Konzentrati0n vorhanden waren. Das Potential der Albuminteilchen nahm dabei ab, wodurch eine beginnende Aggrega- tion bei hSheren Temperaturen erneut ermSglicht wurde. Dies schien bei Sol Y bei Pit = 1,5 in der Tat der Fall zu sein. Bei noch hSheren Wasserstoffionenkonzentrationen war das Sol nicht mehr stabil und beim Erhitzen t ra t erneut Koagulation auf.

5. P r i i f u n g a n d e m G e s e t z y o n t t a g e n . P o i s e u i l l e .

Es wurde nun der Frage nachgegangen, ob in allen soeben besprochenen StabilitAtsgebieten der Albuminsole das Gesetz von H a g e n - P o i s e u i l l e seine Giiltigkeit behielt.

Hierzu wurde die ViskositAt in einem fiir diesen Zweck entworfenen

u bestimmt. Dieses konnte mit 10, 20 und 30 ccm Sol ge- ftillt werden, wodurch der Solmeniskus in dem weiten Schenkel auf verschiedenen HShen zu stehen kam, so dab die StrSmungsgeschwindigkeit damit variierende Werte annahm. Die Methode, nach der diese Bestim- mungen zur Ausftihrung gebracht wurden, ist ausftihrlich yon B u n ge n- b e r g de J o n g ( l l ) and T e n d e l o o ( 1 2 ) beschrieben worden.

In allen FAllen, in denen es mSglich war, reproduzierbare Viskosi- tAtswerte zu erhalten, zeigte sich, dab das Gesetz yon P o i s e u i l l e Giil-

t i g k e i t hatte.

Als Beispiel m6gen die an dem Sol Y ausgefiihrten Messungen

dienen. Bestimmt wurde die relative ViskositXt des Sols, das vorher auf

P~I----3,9 gebracht war (vgl. Tabelle 8).

5


Tabel le 8.


inoC

~s - - - - 1

Fiillung des Viskosimeters in ccm

30 10 20

20,01 0,039 0,040 0,039 40,00 0,041 0,042 0,042 80,02 0,047 0,047 0,045 80,84 0,049 0,048 0,047

h/1 1,08 0,83 0,59

Hierin gibt h den hydrostatischen Druck und 1 die L~nge der Kapillare an, so daft h/1 ein MaB ftir die StrSmungsgeschwindigkeit ist.

Die erhaltenen Resultate weisen somit darauf hin, dab die Aggre- gate, die bei h6herer Temperatur aus den Albuminteilehen entstanden, klein waren gegentiber dem Durehmesser der Kapillare und keinen Ver- ~inderungen infolge der StrSmungsgeschwindigkeit unterlagen.

Starke Abweichungen von dem Gesetz yon Poiseui l le wurden festgestellt unter den Umst~nden, bei denen diese Aggregate sich schnell zu gr6t3eren Teilchen vereinigten, so dab nach einiger Zeit Koagulation des Sols eintrat. Die Flocken, die aus den Aggregaten entstanden, wurden dureh die StrSmungsgeschwindigkeit hier und dort zwar auseinander- gesehlagen, gaben aber ab und zu auch Veranlassung zu einer mechani- schen Verstopfung der Kapillare.

Die mit dem Sol X erhaltenen Ergebnisse bei P~I ~ 4,5 sind in Ta- belle 9 zusammengestellt.

Tabel le 9.

Korrigierte Tempera tur

in oc

20,01 29,91 40,00 50,26

hf


10 20 30

0,033 0,035 0,040 0,095

1,08

0,032 0,035 0,044 0,100

0,83

0,032 0,034 0,043 0,121

0,59

KRUYT u. DE JONO, ZUR KENNTNIS DER LYOPHILEN KOLLOIDE 67

Tabelle 10 enth~lt die Ergebnisse, die mit dem Sol Y unter gleichen UmstS~nden (PH ---- 5,0) erhalten wurden.

Tabel le 10.


in oC

20,01 40,00 50,02

~e


10 20 30

0,006 0,004 0,015

0,006 0,006 0,019

0,005 0,004 0,025

Mit dem isoelektrischen Sol Z (PH m_ 4,8) wurden die Werte gefunden, die in Tabelle 11 zusammengefal3t sind.

Tabel le 11.


in o c

20,01 29,91 40,00 50,26

~s

~e


10 20 30

0,054 0,057 0,047 0,081

0,055 0,057 0,051 0,089

0,053 0,055 0,052 0,112

Um die erhaltenen Ergebnisse untereinander so sauber wie mSg- lich vergleichen zu kSnnen, wurden alle beschriebenen Messungen mix einem Viskosimeter ausgeftihrt. Nur ftir die Viskosit~itsbestimmungen an Ovalbuminsolen, die _Athylalkohol enthielten, wurde ein anderer Apparat verwendet (vgl. S. 75 u. 76).

6. B e s t i m m u n g de r V i s k o s i t [ i t be i T e m p e r a t u r e n z w i s c h e n 0 u n d 2 0 ~ C.

Durch das Auftreten der besprochenen irreversiblen Ver~nderungen in den Solen war es also nicht m6glich, bei den genannten Temperaturen eine eventuelle VerS~nderung im Hydratationsgrad der Teilchen viskosimetrisch festzustellen. Darum wurde versucht, diese letztere bei niederen Temperaturen festzustellen, wobei m6glicherweise der Einflufl der Ag- gregation der Teilchen vielleicht mehr im Hintergrund blieb. So wurden Messungen zwischen 0 ~ und 200 C (Tabelle 12) vorgenommen.

5*

6 8 KOLLOID-BEIHEFTE BAND 40, HEFT t - - 2

Tabel le 12.

Sol X.

Korri- ~s___ 1 gierte ~ Tem-

peratur Pi-I m ~ 4,1 4,5 4,9--5,5 11,3

0,01 9,07

20,01

_ _ ~ 3,0

0,029 0,059 0,026 0,057 0,025 0,055

0,067 0,063 0,060

0,032

0,032

0,016 0,014 0,013

7,8 Z _ _

0,020 0,025 0,023

0 , 0 1 7 0,023

Sol Y.


in ~

0,01 9,07

20,01

- - I 1 ~e

PH

2,3 4,0 4,3 5,0 9,7 11,5

0,023 0,021 0,019

0,043 0,040 0,038

0,025 0,023 0,023

0,007 0,006 0,006

0,013 0,010 0,009

0,024 0,018 0,017

0.1 O0

0.080

02)60

02) 40

0.020

0

P. 4.0

PN- 113

" P~' 4.9

' 2b 4'o 6b eb Temp.

Fig. 3.

Wie aus den Fig. 3 und 4 hervorgeht, sank hier die Viskosit~it bei steigender Temperatur. Auf S. 56 wurde bereits angegeben, dab dies

e iner Abnahme des wirksamen Volumens der Albuminteilchen infolge

K R U Y T u. DE JONO, ZUR KENNTNIS DER LYOPHILEN KOLLOIDE 69

einer Senkung des Hydratationsgrades zugeschrieben werden muff. Bei den Betrachtungen fiber die Stabilit~it der Ovalbuminsole auf S.64ff. wurde die Hydratation der Teilchen daher auch nicht besprochen. Bei hSheren Temperaturen War diese anscheinend stark vermindert und besaff somit als Stabilit~itsfaktor keine Bedeutung mehr.

0.050

0040

0.030

0.020

0.0 I0

"q~-I

P.4.0 ~ ~ ~ , ~

O, II.S

P. ~0

d 2'o ' 4'o ' 6'o ' 8 b

Fig. 4.

Gleichfalls wurde yon dem Sol Y, das auf 400 C erwlirmt war, die Viskositlit nach Abkfihlung auf 0 ~ C erneut bestimmt (vgl. Tabelle 13).

Tabel le 13.

~s Korrigierte ~e Temperatur

in o C PH

2,3 4,0 4,3 5,0 9,7 11,5

0,01 40,00

0,01

0,023 0,022 0,023

0,043 0,039 0,044

0,025 0,024 0,032

0,007 0,005 0,010

0,013 0,008 0,015

0,024 0,018 0,023

Man muff das Hydratatiousgleichgewicht als reversibel betrachten; aus Tabelle 13 folgt daher auch, daft die Dehydratation, die die Teilchen beim Erwlirmen zeigen, aufgehoben wird, wenn das Sol yon neuem auf 0 ~ C gebracht ist.

Daft im isoelektrischen Gebiet die Viskosit~it bei 0 ~ C hSher gefunden wurde als der ursprfingliche Wert, ist dem Auftreten einer beginnenden Aggegration der Teilchen mit Einschlieffung des Dispersionsmittels (32)

7 0 KOLLOID-BEIHEFTE BAND 40, HEFT 1--- 9

zuzuschreiben. Die ErwS~rmung verursacht nAmlich diese Teilchenver-

gr6t3erung, welche als irreversibel angesehen werden muff, wie aus den Tabellen 5--7 abgeleitet worden ist. Wenn man daher das Sol yon 400 C auf 0 ~ C abkfihlt, behS.lt es die hShere Viskosit~tt, die durch den

genannten Vorgang verursacht ist. Der Hydratat ionsgrad nimmt wieder den ursprfinglichen Wert an und 15~fft die ViskositS~t bei 0 ~ C sich also nicht ver~ndern. Die Gesamtwirkung ist, dab das Sol nach Erw~trmen auf 400 C eine etwas gr6ffere relative Viskosit~it zeigt.

Die bei h6heren Temperaturen auftretende Dehydratation, die den Verlust eines der beiden StabilitS.tsfaktoren des Sols bezeichnet, f6rdert

die Aneinanderlegung der Albuminteilchen. Es ist verst~ndlich, daff dieser Vorgang am deutlichsten zu beob-

aehten ist, wenn das PH des Sols ungef~thr den Wert des isoelektrisehen Punktes hat. Dann hat aueh der zweite Stabilit~tsfaktor, das Potential der Teilchen sein Minimum erreicht, so daff die Umst~tnde far Aggrega-

tion am gfinstigsten sind. Gleichfalls wurde geprfift, ob die Sole im Gebiet zwischen 0 und

200 C dem Gesetz yon P o i s e u i l l e folgten. Dies erwies sieh stets als zu-

treffend, wie aus Tabelle 14, gfiltig ffir das Sol Y bei einem pn = 3,9,

abzuleiten ist.

T a b e l l e 14.


in ~

0,01 9,07

20,01

V1

~s - - - - 1 ~e


10 20 32

0,043 0,040 0,039

1,08

0,045 0,043 0,040 0,039 0,040 0,038

0,83 0,59

Aus den Viskosit~tsmessungen, die an den Solen bei konstanter Temperatur ausgeftihrt wurden, zeigte sich, dab gleiehzeitig mit dem Potential der Hydratat ionsgrad der Teilchen am kleinsten ist im isoelektrischen Sol (13).

Durch Zusatz einer S~ure oder Base nahm die Hydrata t ion und parallel damit die Viskosit~t bis zu einem H6chstwert zu. Die Werte, aus denen Tabelle 15 und Fig. 5 zusammengestellt sind, wurden bei 20,01 o C bestimmt.


Tabel le 15.

2,4 3,0 4,1 4,5 4,9 6,5 7,8

11.3

Sol X

- - - - 1 Tie

0,025 0,055 0,060 0,032 0,013 0,015 0,017 0,023

Sol Y

PH

0.060

0s

a040

O133O

0.020

0.010

2.0 4,'0

1,2 1,5 1,8 2,3 2,6 4,0 4,3 5,0 9,7

11,5

'/]$

r/e

0,008 0,013 0,017 0,019 0,033 0,038 0,023 0,006 0,009 0,018

6.'0 Fig. 5.

PM

Man konnte also erwarten, dab beim Erw~rmen der Sole die De- hydratation die gr6gte Abnahme der Viskosit~t bei den Wasserstoff- ionenkonzentrationen verursachen wtirde, bei denen der Hydratations- grad der Albuminteilchen hoch ist. Dies erwies sich in der Tat als richtig beim Vergleieh der versuchsm~gig gefundenen Abnahme der Viskosi- tAtswerte bei P~I = 4,1 mit der bei Pit ~-~ 4,9 (Tabelle 12) gefundenen.

7. S c h l u f l f o l g e r u n g e n aus d e n v o r h e r g e h e n d e n B e s t i m m u n g e n .

Aus dem Vorhergehenden kann die SchluBfolgerung gezogen werden, daft die Viskosit~tskurven zwischen 0 ~ und 90 o C aufzufassen sind als die Resultanten yon zwei verschiedenen Vorg~ngen, die nebeneinander

72 KOLLOID- BEIHEFTB BAND 40, HEFT 1--2

verlaufen, aber bei einer bestimmten Temperatur ungleiche Geschwin- digkeit besitzen.

Bei niederen Temperaturen bleibt die Aggregation der Albumin- teilchen im Hintergrund, weil die Stabilit~t des Sols grofl genug ist, diese Reaktion zu hemmen. Die sinkende Hydratat ion ist dann deutlich aus der ,~nderung der Viskosit~tt abzulesen. Diese Erscheinung wird, sofern dabei keine sekundliren Reaktionen stattfinden, ihren Aus- druck linden in einer Viskosit~its-Temperaturkurve (m in Fig. 6), die

yon 0 auf 900 C sinkt. Diese n _ ~ _ j . . 7~e / I Reaktion mut3 als der eigent-

liche ,,Denaturierungsvor- I " gang" des Ovalbumins be-

t rachtet werden, wie die 1 / - - - - ~ _ ~ Hydratationsverminderung

~s ~ ~ der Solteilchen in der Lite-

ratur meistens genannt wird. , Temp. Bei Temperaturen ober-

0 " 4'0 ' O0 halb 50~ ist die De- Fig. 6. hydratation bereits soweit

gegangen, dab die Teilchen einen betr~chtlichen Teil ihrer Stabili- tlit verloren haben. Hierdurch wird eine Aggregation mSglich, welche bei hSheren Temperaturen immer stXrker in den Vordergrund tritt. I)as wirksame Volumen der Teilehen nimmt dabei zu, und die Viskositiits- kurve (n in Fig. 6) wird einen steigenden Verlauf nach der Seite der hSheren Temperaturen zu zeigen. Die durch Versuch gefundenen Kurven sind alle aus dem Verlauf der Linien m u n d n abzuleiten. Unterhalb 400 fiberwiegt der Einflut3 der erst-, oberhalb 50 o d e r der letztgenannten.

Wenn die Teilchen ein bestimmtes Potential besitzen, wird das Zu- sammenkleben verhindert, und zwar um so stlirker, je hSher das Po- tential ist. Aus den besprochenen Diagrammen ist dann auch abzulesen, dab die Zunahme der ViskositAt zwischen 50 o und 90 oum so kleiner wird, je mehr das Sol durch Zusatz einer S~ure oder Base stabilisiert ist. Beim Sol Y beispielsweise wird das Ansteigen der Viskositlit mit der Tempe- ratur bei zunehmender Wasserstoffionenkonzentration im Sol merklich kleiner.

Wird das Sol mit einem Llberschut3 an S~ure versetzt, so vermindern die S~iureanionen, welche eine hohe Konzentration erreichen, den poten- tialerhShenden Einflut3, den die Wasserstoffionen auf das Kolloid ausfiben.

Das Potential und die Hydratat ion der Teilchen nehmen dadurch ab, so dab die beginnende Aggregation mehr in den Vordergrund tritt.

KRUYT u. DE JONO, ZUR KENNTNIS DER LYOPHILEN KOLLOIDE 73

Bei Pn = 1,2 nimmt die Viskosit~tt for das Sol Y zwischen 500 und 900 C daher auch mehr zu als bei pa = 1,8 (vgl. Tabelle 16 und Fig. 7).

T a b e l l e 16.

P~

1,2 1,5 1,8 2,3 2,6 4,0

~s

7/e

Korrigierte Temperatur in o C

50,02 90,14

A,j

0,016 0,017 0,019 0,024 0,033 0,043

0,020 0,019 0,021 0,028 0,043 0,049

0,004 0,002 0,002 0,004 0,010 0,006

O.OSO

Q040

0.030

0.020

0.010

"-qs -1 E,

~ P.4.0

x ~ P.2-.3

~ ~ PN 1.8

2 o ' '

Fig. 7.

Sinkt das PH unter 1,0, so trit t bei hSheren Temperaturen erneut Ausflockung des Sols auf, so daft Viskosit~tsmessungen nicht mehr m6g- lich sind.

Merkwfirdig ist, dab die maximale Stabilit~t des Sols, abgeleitet aus der st~rksten Hemmung der auftretenden Aggregation, nicht bei demselben PH beobachtet wird, bei dem die Viskosit~t und die Hydra- ration der Teilchen ihr Maximum erreichen.

Auch die Konzentration der Albuminsole fib~ einen merklichen EinfiuB auf die beginnende Aggregation aus. Das Sol Z zeigte die grS~3te Albumin- und ebenfalls die gr6~te Elektrolytkonzentration. Das Sol

74 KOLLOID-BEIHEFTE BAND 40, HEFT 1--~

war niimlich nicht elektrisch dialysiert. Der Elektrolytgehalt war daher auch betr~ichtlich h6her als der der Sole X und Y. Dies war die Ursache der geringen Stabilit~it des Sols Z. Bei hSheren Temperaturen trat stets eine sehr starke Aggregation ein, so dall die ViskositS~tskurve einen steilen Verlauf zeigte. Das Sol Y war als eine vierfache Verdiinnung des Sols X anzusehen, w~ihrend die Elektrolytkonzentration darin durch lange fortgesetzte Elektrodialyse noch weiter erniedrigt wurde. Die Stabilit~t des Sols Y war somit auch grSger als die des Sols X, was aus dem geringeren Matte hervorgeht, in dem Aggregation der Teilchen bei h6heren Temperaturen eintrat.

Vergleicht man yon beiden Solen die Viskosit~itskurven bei demselben PH, so kann man beim Sol X eine deutlich st~irkere Zunahme mit der Temperatur beobachten als beim Sol Y (Tabelle 17).

T a b e l l e 17.

Korri- li gierte [J Tern-rl

peratur T in ~

50,26

90,14

50,26

90,14

PH

4,0

Sol X

~e ~ 1 A, l

0,029 0,008

0,037

0,062 0,050

0,112

Sol Y

~ - - 1 A, 1

0,024 0,001

0,025

0,043 0,006

0,049

Sol Z

~s ~ - - 1 A~

0,095 0,104

0,199

8. V i s k o s i t i i t s m e s s u n g e n a n m i t A l k o h o l d e h y d r a t i s i e r t e n O v a l b u m i n s o l e n .

Nachdem jetzt der Verlauf der Viskositiits~inderungen beim Er- wSxmen yon Ovalbuminsolen erklS~rt ist, wird es mSglich, daraus weitere Eigenschaften dieses Systems abzuleiten. Mit Hilfe des Vorhergehenden kann man ohne weiteres verfolgen, welchen Einflufl Athylalkohol auf die Viskosit~it ausfiben wird. Wenn Athylalkohol in h6heren Konzen- trationen im Sol vorhanden ist, werden die Albuminteilchen dehydratisiert, wodurch das Sol einen Stabilitlttsfaktor verliert.

Ein derartiger Vorgang mull sich zu erkennen geben durch Ver- minderung der relativen Viskosit~it gegentiber dem Dispersionsmittel.

K r u y t und B u n g e n b e r g de J o n g ( l l ) ftihrten bei 45~ Viskosi- tAtsbestimmungen an versehiedenen Agarsolen aus, in denen die Agar-

KRUYT u. DE .JONO, ZUR KENNTNIS DER LYOPHILEN KOLLOIDE 75

konzentration immer denselben Wert hatte, denen aber 2kthylalkohol in verschiedenen Mengen zugeffigt war.

Die gefundenen Viskosit~ten wurden bezogen auf Wasser-Alkohol- Mischungen, in denen die Alkoholkonzentrationen mit der in den ge- messenen Solen tibereinstimmten.

Die Ergebnisse, die eine halbe Stunde und 24 Stunden nach der Mischung erhalten wurden, sind in Tabelle 18 mitgeteilt.

Die Werte, die in den Spalten 4 und 5 aufgenommen sind, bilden ein Marl ftir die Hydratat ion der Teilchen. Diese nahm, wie sich zeigte, in dem Gebiet, in dem die Alkoholkonzentration 40--60 Gewichts- prozent betrug, pl6tzlich sehr stark ab.

T a b e l l e 18.

Gewichtsprozent Alkohol

0 40,6 52,1 65,0

~w+a

1,309 1,306 1,272 1,269 1,149 1,146 1,018 1,017

~s+a

~w+a

0,309 0,306 0,272 0,269 0,149 0,146 0,018 0,017

Gleichzeitig verschwindet hiermit der Einflui3, den die LiMe m (in Fig. 6) auf den Verlauf der ViskositS.tskurve zwischen 0 ~ und 900 C aus- tibt. Die relative Viskosit~it wird daher in dem genannten Gebiet mit der Temperatur stetig zunehmen.

Von dem Sol Y wurde die relative Viskosit~t bestimmt, nachdem es mit versehiedenen Mengen A-thylalkohol versetzt war. Dieser Alkohol war durch Destillation gereinigt. Durch Zusatz der ben6tigten Menge 0,1 n-Salzs~iure wurde das Sol auf PH = 4,0 gebracht, worauf die folgenden Mischungen bereitet wurden:

I. Zu 10 ccm des Sols wurden 10 ccm zweimal destilliertes Wasser geftigt.

II. 10 ccm des Sols wurden mit 10 ccm einer Mischung gleicher Volu- mina von 96prozentigem Alkohol und zweimal destilliertem Wasser versetzt.

III. 10 ccm des Sols wurden mit 10 ccm 96prozentigem ~_thylalkohol vermischt.

Durch die hohe ViskositS.t der Alkohol-Wasser-Mischungen war es nicht m6glich, diesen Tell der Untersuchung mit demselben Viskosimeter auszuffihren, das bei den bis jetzt besprochenen Messungea in Gebrauch


gewesen war. Wohl aber wurden alle in diesem Hauptstfick beschriebenen Bestimmungen mit e i n e m Apparat ausgeffihrt.

Tabelle 19 und Fig. 8 geben einen Oberblick fiber die ausgeffihrten Beobaehtungen.

T a b e l l e 19.


in ~

~e

I

(Reines Sol) II

(Sol + 24 Proz. Alkohol)

III (Sol + 48 Proz.

Alkohol)

0,01 20,01 40,00 60,02

0,011 0,009 0,016 0,018

0,007 0,013 0,021 0,024

0,025 0,032 0,037 0,040

Die Kurven verliefen wie erwartet werden konnte: Von den Mischun- gen II und III war die Viskosit~t bei 0,01 ~ C kleiner als die bei 20,010 C. Uberdies lag dieser Weft bei 0 ~ C ffir die Mischung II niedriger als die ffir das reine Sol in derse|ben Verdfinnung. Die h6here Viskosit~t des

0.040

0.030

0.020

0.0 I0

-~-r - I me

, Ter~,p. 2b 40 ' 80

Fig. 8.

letztgenannten Sols muB also in der Tat einer st~rkeren Hydratat ion der Albuminteilchen zugeschrieben werden.

Bei steigender Tem- peratur verliefen die Kurven der alkoholhaltigen Sole steiler als die des reinen Sols . Im ersteren Falle wirkten n~mlieh zwei dehydra-

tisierende Faktoren auf die Teilchen ein: die Erwiirmung und der Alkohol. Auch wird bei einer bestimmten Temperatur die Dehydra- tation der alkoholhaltigen Sole st/irker sein, je hSher die Alkohol- konzentration ist. Die Stabilit~t der Teilchen wird dann kleiner, so dat~ die Aggregation vergr6t]ert wird. Bei einem Ovalbuminsol, das 24 Proz. }~thylalkohol enthielt, war die relative Viskosit~tt bei 0 ~ C kleiner als die des reinen Sols bei derselben Temperatur. Eine geringe Erw~irmung des erstgenannten Sols war aber ausreichend, um die Aggregation so

K R U Y T u. DE .JONG, ZUR KENNTNIS DER LYOPHILEN KOLLOIDE 77

stark zunehmen zu lassen, daft die Viskosit~t fiber die des reinen Sols stieg; bei 20 o C war dies bereits der Fall.

Bei einem Sol mit 48 Volumprozent Athylalkohol war diese Neigung zum Zusammenkleben der EiweiBteilehen soviel starker geworden, dab die ganze Kurve sich betrXchtlich zu den h6heren ViskositXtswerten hin verschob. Bei Temperaturen zwischen 0 ~ und 600 C fibertraf dadurch die ViskositXt dieses Sols die des Sols, das keinen Alkohol enthielt.

Welter wurde ein verdtinnteres Ovalbuminsol untersucht. Von dem Sol Y wurden je 1O ccm (mit PH ---- 4,0) wie folgt verdtinnt:

I. Zugesetzt wurden 30 cem zweimal destilliertes Wasser. II. Zugesetzt wurden 20 ccm zweimal destilliertes Wasser und 10 ccm

96prozentiger fi~thylalkohol. III. Gemischt wurde mit 10ccm zweimal destilliertem Wasser und

20 ccm 96prozentigem Athylalkohol. IV. Gemischt wurde mit 30 cem 96prozentigem Athylalkohol.

Die relativen Viskosit~ten dieser Mischungen sind in Tabelle 20 und Fig. 9 wiedergegeben.

T a b e l l e 20.

- - 1 He Korrigierte

Temperatur I II III IV in ~ (reines Sol) (Sol+ 24 Proz. (Sol+48Proz. (Sol + 72 Proz.

Alkohol) AlkohoI) Alkohol)

0,01 20,01 40,00 60,02 80,24

0,010 0,007 0,013 0,018 0,020

0,005 0,007 0,009 0,015 0,023

0,006 0,010 0,016 0,019 0,024

0,016 0,017 0,020 0,022

In diesem Sol waren die Konzentrationen des Albumins und der noch vorhandenen Elektrolyte bis auf ein Viertel der ursprfinglichen Werte erniedrigt. Die Stabilit~t der Teilchen war dadurch betr~chtlich vergrSflert. Die Aggregation wurde bei h6heren Temperaturen so stark gehemmt, dab bei Mischung II die Dehydratation (durch Alkohol verursacht) deutlich aus der Viskosit~t hervorging.

Diese war zwischen 0 ~ und 60 o C niedriger als die des reinen Sols, das dieselbe Ovalbuminkonzentration besaB (I). Eben bei 80,24 o C wurde eine geringe Aggregation bemerkbar.

Ffir die Mischung III verlief die Kurve analog; die Dehydratation war hier aber soviel starker und die Stabilit~t des Sols so gering, dab

die Aggregation merklich bei 200 C eintrat. Doch konnte bei diesem Ge- misch aus den Messungen abgeleitet werden, dab die Hydratat ion der Albuminteilehen bei 0 ~ C kleiner war als in dem reinen Sol bei derselben Temperat ur.

Wenn das Albuminsol 72 Volumprozent )kthylalkohol enthielt (Mischung IV), war die Stabilit~tt soweit gesunken, dab iiberall zwischen

0025 "Ti...~s - I

OD20

0.015

0.0 I0

O.OOS

78 I~OLLOID-BEIHEFTE BAND 40, HEFT 1--2

Temp. o 2b &. ' ' Bb

Fig. 9.

0 und 90 ~ C Aggregation der Teilchen eintrat. Die Viskosit~tskurve kam dadureh vollst~ndig tiber der des normalen S01s (I) zu liegen.

Die Ergebnisse, welehe mit den alkoholhaltigen Ovalbuminsolen erhalten wurden, entspraehen vollst~ndig der Erwartung. Die Erkl~run- gen ffir das Verhalten der Sole beim Erw~rmen, wie sie in dem vorigen Hauptstfiek aufgestellt wurden, fanden hierdureh eine vorzfigliehe ]3e- st~ttigung.

9. Literaturfibersicht3)

Die beschriebenen Ergebnisse befinden sieh in guter Ubereinstim- mung mit Ergebnissen, die yon anderen nach abweichenden Unter- suehungsmethoden erhalten wurden.

DaB erwgrmte Sole yon HiihnereiweiB in ihren Eigenschaften grot~e {Jbereinstimmung mit hydrophoben Kolloiden zeigen, wurde bereits von H a r dy (15) festgestellt.

Umfangreiehe Untersuehungen braehten P a u l i und seine Mit- arbeiter (16) dazu, die Erwgrmung von EiweiBsolen als einen Dehydrat'a-

]) Eine ausfiihrliche kritische Betrachtung der Literatur findet sich in der Doktorarbeit des einen yon uns: J. R. de Jong, Diss. {Utrecht 19aa), aa--70.


tionsvorgang aufzufassen. In Analogie mit den Eigenschaften yon Kongofarbstoffsolen betrachtet P a u l i (17) einen Ubergang der Zwitter- ionen in den neutralen Zustand als den Anfang der Koagulation yon Eiweit3stoffen durch Erhitzen oder durch Alkohol. Hiernach wird gleiehfalls Dehydratation auftreten, wodureh eine Reaktion zwischen mehre- ren positiven und negativen Gruppen m6glieh wird. Die Anhydrid- bildung und die Aggregation der Teilehen werden als Folgen davon angesehen werden massen. Bei dieser Aneinanderlegung seheinen Amino sAuren als Kupplung wirken zu k6nnen. Wenigstens wfirde bei Zufagung dieser Stoffe zu Ovalbuminsolen die Koagulationstemperatur merklich

erniedrigt (Pau l i und L a m b r e e h t s ) ( 1 8 ) . Auch S 6 r e n s e n und J a r gensen(19) ver6ffentlichten derartige Auf-

fassungen. Ebenso wie S c h o r r (20) machtensie einen scharfen Untersehied zwischen den kolloidchemischen VerS.nderungen, die das EiweiB beim ErwS.rmen zeigte (die eigentliche ,,Denaturierung") und chemisehen Um- setzungen, welche gleichzeitig verliefen (Hydrolyse). Ebenfalls erhielten sie einen Einbliek in die Gr6t3e der HydratationsS.nderung, die bei er- wS.rmten Eiweifistoffen eintrat. Die Zusammensetzung der gebildeten Koagula wurde aus vergleichenden Analysen des Niederschlages mit der anhaftenden Mutterlauge und des Filtrates erhalten, das dutch Beseiti- gung des Niederschlages entstand. Far in einer AmmoniumsulfatlSsung peptisiertes Ovalbumin wurde die Menge des ,,gebundenen" Wassers zu 0,35 g far 1 g wasserfreies Eiweit3 bestimmt. Diese Menge wurde gemessen als Wasser, das nicht zum Aufl6sen des im Sol vorhandenen Salzes ver-

fa gbar war. Oberdies wurde ein isoelektrisehes Sol yon ,,kristallisiertem"

Ovalbumin dadurch ausgeflockt, dab es kurze Zeit unter Sehatteln auf 1000 C erhitzt wurde. Nachdem das Gleichgewicht zwisehen Flassigkeit und Niederschlag eingetreten war, wurden auf analoge Weise, wie es beim nativen EiweiB gesehah, Analysen ausgefahrt. Die Menge des ,,gebundenen" Wassers ergab sich zu 0,17 g far 1 g wasserfreies Eiweifl. Beim Er- wiirmen gab der Eiweigstoff somit einen Teil des Hydratationswassers ab. Aus den Beobachtungen wurde gleichfalls abgeleitet, dab der er- hitzte Eiweiflstoff noeh stets etwas ,,gebundenes" Wasser enthielt und also nicht vSllig dehydratisiert war. Dureh Alkohol ausgeflocktes EiweiB erwies sich als weniger dehydratisiert als das durch Kochen erhaltene Ko- agulum. Obwohl die Ergebnisse bei Salzkonzentrationen, welche zwischen 10 Proz. und 9.5 Proz. variierten, konstant waren, kSnnen sie nieht quan- titativ far reine Eiweiflstoffe gelten. Denn der Hydratationsgrad wurde ja stets in Solen gemessen, in denen ein gelSster Stoff vorhanden war.


Die Methode von G o r t n e r (21) zur Bestimmung der Menge des ,,gebundenen" Wassers in Kolloiden wurde yon W e b e r und Ver s - m o l d (22) auf das Ovalbumin angewendet. Die Messungen wurden an einem Ovalbuminsol ausgeffihrt, das mit Stoffen versetzt war, die ver- schieden stark adsorbiert wurden (Glykose, Glyzerin). Die verwendeten Konzentrationen wurden derartig variiert, daft das Gebiet erreicht wurde, in dem die adsorbierten Mengen ziemlieh konstant waren. Die Menge des durch 1 g Ovalbumin ,,gebundenen" Wassers wurde mit Glukose zu 0,25 g festgestellt; naeh Koagulation des Eiweifles dutch ErwSxmen war dieser Wert auf 0,16 g gesunken. Aueh in quantitativer Hinsicht bestand also eine gute Ubereinstimmung mit den yon SSrenLen erhaltenen Resultaten.

Auf vollstSmdig anderen Wegen kamen versehiedene Autoren [ A l e x a n d e r (23), B o o t h (24), H o p k i n s (25), L e p e s e h k i n (26), Ro- b e r t s o n (27)] zu denselben Schlfissen.

Einige Versuchsanstellungen lassen nicht zu, theoretische Betraeh- tungen damit zu verbinden; hierzu mCtssen Experimente gerechnet werden, die mit Solen ausgeffihrt wurden, welehe nieht aus gereinigtem isoelektrischem Albumin bereitet waren [ B a n c r o f t und R u t z l e r (28), M i c h a e l i s und R o n a (29)].

Die yon dem Obenstehenden abweiehenden Auslegungen k6nnen in zwei Gruppen eingeteilt werden.

Einige wie J. C la rk (30) stellten bei EiweiBstoffen beim Erhitzen yon 40 o C auf 100 ~ C eine Viskosit~itszunahme fest und glaubten:diese Erseheinung einer Vergr6Berung der Hydratat ion zuschreiben zu miassen. Die Bestimmungen wurden bei PI~ = 6,0 ausgeffihrt, so daft beim Er- wSxmen keine Ausfloekung eintrat. Wurde das Sol darauf bis zu der ur- sprtingliehen Temperatur abgekfihlt, so zeigte es eine grSt3ere relative ViskositS~t als das native Eiweit]. Die auch von uns festgestellte Viskosi- tS.tszunahme wurde einer vergrSBerten Hydratation des Albumins zu- gesehrieben. Wenn damit der yon C la rk gefunddne Eff~kt richtig erklSxt w~ire, so miifite in dem erw~rmten und wieder abgekfihlten Sol die ViskositS.t gleieh grot3 sein. Denn B u n g e n b e r g de J o n g (31) hat festgestellt, dab Hydratationsgleichgewichte irreversibel sind: Bei Abkfihlung des Soles yon 100 ~ auf 150 C mfiBte sich also der ur- sprfingliehe Hydratationsgrad des Eiwei~es erneut eingestellt haben, wodureh die relative Viskosit~tt auf den Anfangswert zur0ckgekehrt

sein wtirde. Bei h6heren Temperaturen trat aber eine Aggregation der dehydra-

tisierten Eiweiflteilehen ein, so dab die Viskosit~t irreversibel zunahm.


Nach Abktihlung des Sols auf Zimmertemperatur konnten die Folgen davon also noch festgestellt werden (32).

Die erh6hte Viskosit~Lt entsprach in diesem Falle somit nieht einem erh6hten Hydratationsgrad des Eiweillstoffes.

Dieselben Bemerkungen kSnnen gemacht werden beztiglieh Auf- fassungen, die yon L o u g h l i n und W.C. MeLewis(33) , Ch ick und M a r t i n (34), A n s o n und M i r s k y (35) ver6ffentlieht wurden. Ebenso wie wir nahmen Chick und L u b r z y n s k a (36) Messungen an Solen von ,,kristallisiertem" Albumin zwischen 0 ~ und 400 C vor. Die Resultate waren v611ig tibereinstimmend: die relative Viskosit~it war um so kleiner, be i je h6herer Temperatur sie bestimmt war. Als ErklSxung ftir diese Er- schemung wurde angenommen, daft bei h6heren Temperaturen weniger Wasser zur Peptisation des Eiweillstoffes nStig sein wfirde als bei 0 ~ C.

Andere glaubten die chemische Zersetzungsreaktion als den grund- legenden Vorgang der Denaturierung ansehen zu mtissen [Arno ld (37), H a r r i s (38)]. Man mull sich aber dartiber Rechenschaft geben, daft ver- schiedene Einfltisse die kolloidchemisehen Eigenschaften des Eiweit3- stoffes ver~indern k6nnen, bevor einige Anderung in der chemischen Zu- sammensetzung der Stoffe nachweisbar ist [Mast in und S c h r y v e r (39)

und S S r e n s e n (19)].

Be:i den Versuchsanstellungen von Wu und Yen Wu (40), H e n - d r i x und W i l s o n (41) traten derartige chemische Reaktionen in grSfle- ren~ oder geringerem Malle auf, so dab ihre Betrachtungen viel eher auf die Hydrolyse Bezug haben als einen Einbliek in den Mechanismus des Dehydratationsvorganges geben.

Durch nicht gentigende Berficksiehtigung dieser Zersetzungserschei- nungen werden auch die Versuche von P. S. Lewis (42) und F r e u n d und L u s t i g (43) in ihrem Werte herabgemindert. Aullerdem waren die letztgenannten Untersucher bei ihren dilatometrischen Proben mSglicher- weise nicht in der Lage, Gleichgewiehtszust~nde zu messen. Gerade an der Oberfl~iehe des Sols findet leicht , ,Denaturierung" statt, wie unter anderem yon R a m s d e n (44) festgestellt wurde. Dies kann zur Folge haben, dab beim Erhitzen ein Oberfl~ichenh~iutchen entsteht, dureh das die Einstellung des Verdampfungsgleichgewichtes beeintr~ichtigt wird.

Im allgemeinen wird in den meisten VerSffentlichungen eine stark dehydratisierende Wirkung von.Athylalkohol auf Eiweillstoffe angenommen. Untersuchungen von P a u l i , Brt i l l (45) und S ch o r r (4 6 ) [auch von L e p e s c h k i n (26)] zeigten, dab gr6llere Mengen Alkohol imstande waren, die Hydratat ion von EiweiBstoffen so sehr zu vermindern, dab

6


diese Gr6Be nicht mehr zur Stabilit~it des Kolloids beitrug. Ebenso wie erhitztes Albumin zeigten die mit Alkohol versetzten Eiweiflstoffe die Eigensehaft nur stabil zu sein, wenn das Potential der Teilchen gr6Ber war als der kritisehe Wert.

S p i r o (47) lenkte jedoch die Aufmerksamkeit darauf, dab Eiweifi- stoffe unter besonderen Umst~inden dureh Zusatz von ~.thytalkohol eine erh6hte Stabilit~tt erhalten konnten. Mehrwertige Alkohole wirkten noeh st~irkef solvatisierend. Ein fibereinstimmender EinfluB yon Alkohol und Azeton auf saure Kaseinsole wurde von K r u y t und Lie r (48) fest-, gestetlt, w~ihrend B u n g e n b e r g de J o n g und K l a a r ( 4 9 ) in diesem Zusammenhange Untersuchungen an sauren Gelatinesolen ausftihrten.

DaB beztiglich Serum- und Ovalbumin eine derartige solvatierende Wirkung yon Alkoholen und anderen organischen Verbindungen unter bestimmten Umst~tnden gleiehfalls eintritt, kann man aus Versuehen yon J i r g e n s o n s (50) ableiten. Der Untersueher stellte einen Zusammen- l{ang zwischen dem Stabilisierungsverm6gen und der Dielektrizit~ts- konstante der zugeftigten Stoffe fest. In den yon uns untersuchten F~tllen konnte eine Erh6hung der Stabilit~tt des Ovalbumins durch Zusatz yon A_thylalkohol nicht festgestellt werden.

10. Zusammenfassung.

1. Bei verschiedenen Temperaturen wurden Viskositiitsmessungen an dialysierten Ovalbuminsolen ausgefiihrt, welche teils aus Htihner- eiweiB, teils aus Ovalbumin von M e r c k bereitet waren.

= '~1. Die Beobachtungen schlieBen an Ergebnisse an, die von K r u y t und B u n g e n b e r g de J o n g mit Agarsolen erhalten waren. Mit HiKe der durch sie aufgestellten Hypothesen konnten die ver6ffentlichten Er- gebnisse ungezwungen erkl~irt werden.

3. Zwischen 0 ~ und ~0 ~ C wurde eine Abnahme der relativen Viskosi- t~it festgestellt, welehe als eine Verminderung der Hydratat ion der Ei- weii3teiichen ausgelegt wurde.

4. Zwischen ~0 ~ und 900 C nahm die relative Viskosit~it der Sole zu, am stiirksten ftir die isoelektrischen Sole, weniger stark ftir elektrisch geladenen EiweiBstoff. Diese Wirkung wurde einer Aggregation der

Albuminteilchen zugeschrieben.

5. Im letztgenannten Temperaturgebiet unterlag der EiweiBstoff auilerdem einer chemischen Zersetzung, die eine immer weiter gehende


A b n a h m e der re la t iven Viskosi t~t der Sole zur Folge ha t te , wenn diese

auf kons t an t e r T e m p e r a t u r gehal ten wurden. Ffir diese W i r k u n g wurde

eine K o r r e k t u r eingeffihrt .

6. Wenn das PH der Eiweit3sole gentigend yon der isoelektr ischen

Reak t ion abwich, bl ieb die Aggrega t ion der Teilchen so gering, daft die

Sole dem Gesetz yon H a g e n - P o i s e u i l l e gehorchten.

7. Ovalbuminsole , die durch Zusa tz yon .&thylalkohol tei lweise

dehydra t i s i e r t wurden, l ieferten Ergebnisse, die vollst~tndig denen analog

waren, welche mit e rh i tz ten Solen erhal ten wurden.

Literaturverzeichnis .

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~6 KOLLOID-BEIHEFTE BAND 40, HEFT 1--2

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50. J i r g e n s o n s , Kolloid-Z. 41, 331 (1927); 42, 59 (1927); 44, 76 (1928); 46, 114 (1928); 47, 236 (1929); 61, 41 (1932); 63, 78 (1933); Biochem. Z. 193, 109 (1928); 195, 134 (1928); 240, 218 (1931); Z. physik. Chem. Abt. A 158, 56 (1931). Vgl. auch: P u p k o , Kolloid-Z. 49, 150 (1929); 54, 170 (1931). Boo th , Biochemical J. 24, 1699 (1930).

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Zur Kenntnis der lyophilen Kolloide