Кафедра загальних харчових технологій проф
Кафедра загальних харчових технологій проф. К.-Х. Документи семінару Енгеля (В. Вайс) A 280 нм 250 нм 220 нм
Семінар харчової хімії Вальтер Вайс зимовий семестр 2011/12 Аналіз харчової хімії: необхідність, практичні вимоги, методи, підготовка тесту та подальші дії, підготовка проби, середня проба, статистична оцінка, визначення похибки мінеральних речовин (спалювання), визначення вмісту води та сухої речовини, аналіз білка та амінокислот, аналіз вуглеводів, аналіз жиру (вміст жиру; ключові показники; Спектр жирних кислот) Ферментативний аналіз Оптичні методи (УФ/Візофотометрія) Швидкі методи (тест-смужки, рефлектометрія) Методи хроматографічного розділення (ТШХ, ГХ, ВЕРХ) Приклади застосування 2
Методи 1) Класичні, переважно волого-хімічні процеси, переважно гравіметричні/титриметричні (зважування: дуже точне!) Часто: офіційний метод (арбітражний або еталонний метод) для надзвичайних ситуацій (наприклад, якщо автоматичний аналізатор виходить з ладу), низькі витрати на придбання та пристрій часто використовуються для калібрування швидких методів Недоліки/обмеження: переважно можна визначити лише сумарні параметри (жир, білки тощо), трудомісткі та частково трудомісткі велике споживання хімічних речовин; Утилізація відходів (дорого) 2.) Методи швидкої ідентифікації, напр. Вимірювання щільності або об’єму; Рефрактометрія; Тестові палички (паличка); Рефлектометрія; TLC (напівкількісний) швидкий, недорогий -> для рутинного аналізу, здебільшого для управління процесом під час виробництва LM, ідеально підходить для виявлення перевищення або падіння нижче граничного значення або для попереднього відбору зразків аналізу Недолік: менш точні, ніж еталонні методи 3) Інструментальні (частково або повністю автоматизовані) методи ВЕРХ, GC, FT-IR, ЯМР, ферментативні аналізи, ІФА zt одночасне визначення кількох параметрів (жиру, цукру, білка; наприклад, за допомогою Milkoscan або Winescan) здебільшого дуже швидко; частково також дуже точні недоліки - високі витрати на придбання (пристрій) необхідне часте калібрування складна оцінка 4
Приклад: метод визначення щільності пікнометр (еталонний метод, гравіметричний) згинальний генератор (інструментальний аналіз, повністю автоматизований) ареометр (швидкий метод, об'ємний) 5
Репрезентативна проба/середня проба хліба з сиру: гомогенізуйте сегмент (шматок пирога) Молоко Молоко: вершки -> ретельно перемішайте (уникайте потрапляння повітря, інакше не змінюйте щільність!) Ковбаса; рослинна їжа: видаліть неїстівні частини (шкіру, шкірку)! 7-й
Визначення корисних копалин (зола) Використовуються в основному два методи: сухе спалення мокра (волога) мінералізація 1) сухе спалювання зола = залишок (= переважно мінерали; можливо, також пісок!) Порцеляновий або платиновий тигель робочий метод відпалити та зважити зразок, зважений у порцеляновому/платиновому тигленому обвуглюванні за допомогою ІЧ-випромінювача + пальника Бунзена, а потім спалити органічну речовину в муфельній печі при приблизно 520-550 С; Необхідний час: 2-3 год Температура: 550 C летюча! (-> Втрати солі!) Після повного спалення: Дайте тиглеві охолодитися в ексикаторі та зважте назад. Здебільшого: Додавання прискорювачів реакції (допоміжних засобів для спалювання), напр. H 2 O 2, ацетат магнію Ацетат магнію: - утворення пероксиду -> носій кисню - термічне розкладання -> набряк -> збільшення поверхні -> кращий доступ повітря -> швидше згоряння органічної речовини Недолік: Mg ацетат не горить без залишків -> глухий тест з ацетатом магнію необхідне обмеження Не підходить для визначення високолетучих металів (особливо для токсичних мікроелементів, наприклад, сполук As, Hg, Cd, Pb), оскільки занадто великі втрати -> у цьому випадку: проводити вологу мінералізацію 8
2) Мокра (волога) мінералізація (мокре спалення) При вологій (вологій) мінералізації аналіту обробляють леткі окислювачі в теплі, поки вся органічна речовина не розкладеться. Зазвичай у посудині для розщеплення під тиском або при дефлегмаційному охолодженні -> переважно уникають втрат. Окислювачі: конц. Сірчана кислота + азотна кислота Перхлорна кислота (60%) 65% азотна кислота (HNO 3) рідше: 50% перекис водню (H 2 O 2) Основна область застосування: Підготовка зразка для визначення сильно летючих (особливо токсичних) мікроелементів. Фактичне кількісне визначення: за допомогою атомно-абсорбційної спектроскопії (AAS ) Небулайзерний апарат із зворотним холодильником Принцип джерела лінії AAS (лампа з порожнистим катодом) Монохроматор Детектор Посудина для перетравлення тиску Полум'я без зразка Полум'я із солоним зразком Безперервний, а також спектр випромінювання та поглинання 9
Переваги відносно недорогі (сушильна шафа, ваги, алюмінієвий посуд, морський пісок) паралельний метод (одночасний аналіз декількох десятків зразків) порівняно невеликі зусилля хороша відтворюваність значень -> часто прописується як еталонний метод (офіційний метод) Недоліки тривале витрачання часу (3-4 год) інші фіксуються також летючі речовини (спирти, ефірні олії). Насправді визначається не вміст води, а втрати при висиханні -> при необхідності рекомендується калібрування за допомогою хімічного методу визначення води (наприклад, за Карлом Фішером). Для термічно нестійких речовин (наприклад, меду) значення, які є занадто високими через Розкладання або хімічні реакції (наприклад, реакція Майяра) Варіант: Вакуумна сушильна шафа при 70 С 2) Інфрачервона сушка Переваги швидше, ніж метод сушильної шафи (10-30 хв) можна автоматизувати у поєднанні з інтегрованими вагами; Онлайн-вимірювання Недоліки Наносити зразок слід лише тонким шаром Калібрування за допомогою еталонного методу (наприклад, сушильний шафа з морським піском або метод Карла Фішера) Сфери застосування Швидкий метод, особливо під час виробництва харчових продуктів, наприклад для м’ясних продуктів, рибної ІЧ-сушарки 3) Сушіння в мікрохвильовій печі Перевага: потрібно дуже мало часу (5-10 хв) Недоліки: подібно до ІЧ-сушильної мікрохвильової сушарки 12
4) Принцип азеотропної дистиляції: Вода, що міститься в їжі, відганяється від аналізованого зразка гідрофобною рідиною (трактор), зазвичай толуолом або ксилолом. Після конденсації в градуйованій пробірці обсяг виділеної води можна зчитувати. Можливе використання великих кількостей зразків -> ідеально підходить для неоднорідних харчових продуктів (наприклад, квашеної капусти) або з високим вмістом жиру, в'язких зразків (наприклад, кремів) Недолік відносно неточний, оскільки вимірювання об'єму дефлегматора конденсатора зразка конденсованої води на шкалі нагрівальної пластини трактора 5) Спеціальні методи визначення додавання води ) Принцип: Температура замерзання розчину (наприклад, молока) підвищується додаванням води -> виявлення/кількісне визначення розведення Переваги в принципі дуже точні; найкращий метод для молока можна автоматизувати (в даному випадку також дуже швидко) Недолік вимагає дуже точного вимірювання температури (для молока: близько 10% кріоскопу з додаванням води; 30 проб/год 13
5.2 Інші методи виявлення додавання води Вимірювання густини (пікнометр, ареометр, згинальний осцилятор) Рефрактометрія (наприклад, заломлення сироватки в молоці) Принцип: Густина або показник заломлення розчину змінюється при додаванні води. Зміна (в певних межах) пропорційна кількості доданої води Перевага: дуже швидке вимірювання (виняток: пікнометр) Примітка: потрібен точний контроль температури, оскільки об’єм (вимірювання) сильно залежить від температури! РЕЗЮМЕ: Визначення води - чому? Підтвердження фальсифікації або розведення (молоко!) Термін придатності харчових продуктів залежить від вмісту води (точніше: від його водної активності) (-> мікроорганізми; активність ферментів) Розрахувати теплотворну здатність: Визначення вуглеводів зазвичай важке -> тому часто:% KH = 100 - (вода + Жир + білок + попіл), якщо в їжі немає більшої кількості інших компонентів (наприклад, харчових волокон) 14
Аналіз білка та амінокислот Білки складаються з амінокислот; їх вміст азоту коливається лише у вузьких межах (N 15-18%; ø 16%), інші джерела азоту в продуктах харчування, як правило, незначно З цих причин вміст білка в їжі зазвичай визначається вмістом азоту На практиці два методи: а) за Кьельдалем б) за методом Дюма за Кьельдалем конц. H 2 SO 4 + Кат. + T H 3 BO4 4 HCl + NaOH Спрощене представлення! Зразок зроблений з конц. Сірчана кислота перетравлюється окисно в присутності каталізатора (переважно сульфату міді). Додатково додавання K 2 SO 4 для підвищення температури кипіння (приблизно 370 С!) -> білковий азот перетворюється в сульфат амонію: конц. H 2 SO 4 білковий азот (NH 4) 2 SO 4 каталізатор, T Після завершення перетравлення: Дайте колбі охолонути (!). Після додавання dist. Надлишок води і NaOH (перевірити лужну реакцію!) Виділяється із сульфату амонію [(NH 4) 2 SO 4] аміаку (NH 3) (сильна основа NaOH витісняє слабку основу NH 3 з її солі) і перетворюється в парову дистиляцію кислий приймач (переважно борна кислота) перебільшений (NH 4) 2 SO 4 + 2 NaOH 2 H 2 O + 2NH 3 + Na 2 SO 4 15
Охолоджувач NH 3 пов'язаний борною кислотою (слабкою кислотою) у приймачі: H 3 BO 3 + NH 3 (NH 4) H 2 BO 3 (спрощене подання) Кількість зв'язаного аміаку (NH 3) визначається титруванням 0,1 М Соляна кислота (HCl) (титрування витісненням) визначається (NH 4) H 2 BO 3 + HCl NH 4 Cl + H 3 BO 3 (спрощене подання) Надлишок NaOH Келдальська колба H 3 BO 3 Перегонка на пару Споживання HCl може бути Обчисліть вміст азоту N у зразку і з цього вміст сирого протеїну P за допомогою LM або фактора, специфічного для білка F (фактор Келдаля) (зазвичай 6,25): Їжа LM/специфічний для білка фактор F молоко 6,38 м'ясо, риба, яйце 6, 25 желатин 5,55 Горіхи 5,40 P = N x F Приклад: вміст N (яйце) = 2,0% вмісту білка = (2,0 x 6,25)% = 12,5% 16
Апаратне обладнання Kjeldahl - оригінальний апарат Звичайний апарат для паралельного аналізу Повністю автоматичний апарат для багаторазового аналізу 17
Визначення азоту за принципом Дюма Повне окислення органічного матеріалу в зразку шляхом згоряння в атмосфері кисню при температурах 900 С - 1000 С. Гази згоряння (CO 2, H 2 O, NO x і N 2 пропускають через гарячу мідь для додавання кисню видалити та перетворити існуючі оксиди азоту (NO x) в азот (N 2) Отриману газову суміш пропускають через уловлювач CO 2/H 2 O Решта N 2 здійснюється об'ємно (традиційним методом) або - в повністю автоматичних пристроях - за допомогою детектора теплопровідності а вміст білка визначають із кількості азоту за допомогою формули перетворення Структура апарату (принцип) O 2 CO 2 N 2 CuO + CuO Cu Мережева речовина приблизно 900 CN 2 OO 2Cu + 2NO 2CuO + N 2 50% KOH Переваги порівняно з Кельдалем Метод Надзвичайно короткий час аналізу (лише 3-5 хв на зразок) Не потрібно агресивних хімічних речовин Високий ступінь автоматизації Ідеально підходить для серійних аналізів Недоліки Високий рівень інвестиційні витрати; Крім того, для чистого аналізу реєструються також високочисті гази, необхідні на додаток до аміно (білкового) азоту, інших сполук азоту (наприклад, нітросполук (R-NO 2)): метод Кельдаля дешевший 19
Автоматизоване визначення азоту за датчиком Дюма Гелій O 2 - подавальна піч конденсатор води мідний TCD GC колонний детектор CuO CO 2 - видалення 20
Спеціальні методи визначення білка та амінокислот Приклади: Колориметрично-фотометричні методи визначення білка (наприклад, за Лоурі або Бредфордом) Титрування формолу Гідроксипролін (сполучна тканина) 595 нм (червоно-фіолетовий) -> фотометричне визначення Калібрувальна крива Coomassie Brilliant Blue 250 G Область застосування: Переважно в клінічній хімії та біохімії; рідше при аналізі їжі (раніше: визначення вмісту білка в молоці) Титрування формолу Для підсумкового запису вільних амінокислот, напр. у фруктовому соку Номер формули позначає кількість 0,1 М розчину NaOH в мл, який використовується для нейтралізації іонів Н +, що виділяються, коли 100 мл досліджуваної рідини реагують з водним розчином формальдегіду R-CH-COO - + 2 HCHO R-CH-COO - + H + II NH 3 + N- (CH 2 OH) 2 титрування формальдегіду амінокислоти з 0,1 M NaOH 21
Визначення гідроксипроліну (сполучної тканини) Амінокислота 4-гідроксипролін зустрічається лише в сполучній тканині, у постійній пропорції приблизно 12,5%. Тому її можна використовувати для визначення частки сполучної тканини (сухожиль, хрящів, шкіри) у м’ясних продуктах. Принцип гідроксипролін (I ) вивільняється з білка сполучної тканини за допомогою кислотного гідролізу і окислюється до піролу (II) хлораміном Т. Цей продукт окислення утворює червоно-кольоровий продукт конденсації (IV) з додаванням п-диметиламінобензальдегіду (III), концентрація якого визначається фотометрично при 558 нм. Бик (I) (II) (III) (IV) Кольорова реакція (див. Вище) + + 6N HCl Кислотний гідроліз білка Фотометричне вимірювання Зчитуйте концентрацію гіпсу з калібрувальної кривої 22
Тонкошарова хроматографічна детекція окремих цукрів AV 1 V 2 A Визначення цукрового складу харчового продукту швидкий, простий у використанні, недорогий і надійний метод Розміри та інтенсивність плям дозволяють отримати напівкількісну оцінку кількості окремих цукрів, часто використовуваних також для попереднього відбору зразків для подальших аналізів. Ферментативне визначення окремих цукрів УФ-фотометричні тести для визначення моносахаридів (наприклад, глюкози, фруктози), дисахаридів (сахароза, лактоза, мальтоза) та полісахаридів (крохмаль, інулін) Переваги: високоспецифічне визначення окремих видів цукру в сумішах 24
Принцип визначення POZ визначає кількість зразка жиру, розчиненого в хлороформі/льодовиковій оцтовій кислоті, змішаній з йодидом калію (KI), через окислювально-відновну реакцію з вільним йодом гідропероксидів (I 2) (-> жовто-коричневий колір), визначення кількості I 2, отриманого титруванням тіосульфатом натрію Стандартний розчин (індикатор: крохмаль) R 1 - CH-R 2 + 2 I + 2 H + R 1 -CH-R 2 + H 2 O + I 2 II OOH OH I 2 + 2S 2 O 3 2-2I - + S 4 O 6 2- Виявлення/визначення епігідрину або малонового диальдегіду Подальша реакція або розкладання гідропероксидів -> альдегідів/кетонів Виявлення окремих альдегідів на кінці ланцюга деградації (особливо епігідрину та малонового диальдегіду) відбувається за допомогою кольорової реакції (чим інтенсивніший колір, тим більша кількість альдегіду доступний) або за допомогою ВЕРХ + 2 малоновий диальдегід (таутомерний до епігідридериду) 2-тіобарбітурова кислота, забарвлений/флуоресцентний продукт конденсації + + + 32
Готовність до окислення олії/жиру лише POZ дозволяє лише обмежені твердження про стабільність зберігання олії, оскільки вміст поглинача радикалів (наприклад, токофероли, вітамін Е) також відіграє важливу роль (ці поглиначі радикалів пригнічують самоокислення) Прискорення самоокислення після споживання цих антиоксидантів готовність до окислення після зберігання при підвищеній температурі шляхом визначення POZ або за допомогою Rancimat. Визначення стійкості до окислення жирів/масел за допомогою Rancimat. Пропускання повітряного потоку через зразок при 50 220 C (залежно від жиру/олії) Летючі продукти окислення (включаючи леткі кислоти) переноситься в повітряний потік у мірній посудині з розчином поглинання, а потім кількісно вимірюється провідність 120 C 110 C вимірювальний зонд 100 C вхід повітря реакційна ємність нагрівальний блок олія/жир (50-200 C) вимірювальна камера з абсорбційним розчином (вода) 10 год 15 год час індукції при 120 C 3 h 110 C 6 h 100 C 12 h Часи індукції самоокислення в залежності від температурного навантаження жиру/олії Провідність Вимірювальний пристрій Rancimat Час індукції 33