L-亮氨酸在硝酸钙/硝酸镁水溶液体系中的溶解行为及溶剂化热力学机制研究

本研究通过"Formol Titrimetry"法测定L-亮氨酸在278.15-318.15 K温度区间、0.00-0.05 (m)浓度硝酸钙/硝酸镁水溶液中的溶解度，结合PXRD分析和转移吉布斯自由能(ΔGt0)计算，揭示该疏水性氨基酸在稀电解质溶液中的反常盐析效应及溶剂化机制，为蛋白质稳定性研究和生物制药工艺提供理论依据。

　　

在生物体系中，氨基酸作为蛋白质的基本组成单元，其溶解行为直接影响蛋白质的折叠稳定性和生物活性。L-亮氨酸作为含疏水性异丁基侧链的必需氨基酸，其在不同电解质环境中的溶解特性对理解蛋白质-离子相互作用具有重要意义。尽管已有研究探讨高浓度盐溶液（>2.0 m）对氨基酸溶解度的影响，但生物体液中普遍存在的稀电解质环境（<0.1 m）的作用机制仍不明确。特别是在含Ca²⁺/Mg²⁺等生理重要离子的体系中，L-亮氨酸的溶解热力学尚未系统研究。

为解决这一问题，Visva-Bharati大学的研究团队在《Journal of Molecular Liquids》发表论文，通过多温度梯度实验结合理论计算，首次阐明L-亮氨酸在稀硝酸钙/硝酸镁水溶液（0.00-0.05 m）中的反常溶解行为。研究采用"Formol滴定法"精确测定278.15-318.15 K温度区间的溶解度数据，通过粉末X射线衍射（PXRD）验证溶质相纯度，并建立包含空穴形成、偶极-偶极相互作用的标准转移能量学模型，定量解析不同离子环境下的溶剂化机制。

关键技术方法包括：1）采用恒压（0.1 MPa）Formol滴定法测定九组温度下的溶解度；2）PXRD分析确认无盐类共沉淀；3）基于密度和介电常数数据计算表观偶极矩（μ_S）；4）构建包含ΔG_t⁰(i)和TΔS_t⁰(i)的热力学模型，分离化学相互作用贡献值。

主要研究结果

1. 溶解度温度依赖性：在两种电解质体系中，L-亮氨酸溶解度均随温度升高而增加，符合Arrhenius动力学规律。318.15 K时在0.05 m Ca(NO₃)₂中的溶解度比278.15 K高42.7%。

2. 反常盐析效应：与传统Hofmeister序列预测相反，稀浓度下Ca²⁺比Mg²⁺产生更强的盐析效应（0.05 m时溶解度降低23.1% vs 15.8%），表明离子水合能力（Ca²⁺ > Mg²⁺）主导溶剂重组能。

3. PXRD分析：特征峰位分析证实固态L-亮氨酸保持晶型稳定性，排除了盐类吸附或水合物形成的干扰。

4. 热力学计算：转移吉布斯自由能分解显示，Ca(NO₃)₂体系中空穴形成能贡献率达61.3%，显著高于Mg(NO₃)₂体系（54.2%），证实Ca²⁺更强的离子水合层破坏作用。

结论与意义
该研究首次定量揭示稀电解质浓度下（<0.05 m）二价阳离子对疏水性氨基酸的溶解调控机制：1）突破Hofmeister序列的浓度适用范围，提出"反向离子效应"新现象；2）建立包含ΔG_cavity⁰和ΔG_dipole⁰的能量分解模型，证实Ca²⁺通过增强溶剂重组能（ΔG_tr⁰ = +8.7 kJ/mol）产生特异盐析效应；3）为理解生理浓度离子环境中蛋白质稳定性提供新视角，对优化生物制药配方和氨基酸给药系统具有指导价值。

这项工作由Bijoy Krishna Dolui教授团队完成，Sumana Mete等研究者通过系统的实验设计与理论计算，填补了稀电解质-氨基酸相互作用研究的空白。研究成果不仅推动生物物理化学理论发展，也为下游生物技术应用如蛋白质结晶、药物缓释制剂开发提供了重要参数数据库。