Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор литературы
1.1. Способы извлечения, концентрирования и разделения углеводов
1.2. Хроматографические методы определения углеводов 16
1.3. Спектральные методы 21
1.4. Электрохимические методы 25
ГЛАВА II. Методика эксперимента 28
2.1. Характеристика объектов исследования 28
2.2. Экстрагенты и методика экстракции 33
2.3. Фотометрическое определение углеводов 42
2.4. Определение углеводов в концентрате методом хроматографии в тонком слое
2.5. Потенциометрическое титрование экстрактов 48
2.6. Поляриметрическое определение углеводов в экстрактах 50
2.7. Статистическая обработка результатов анализа 50
ГЛАВА III. Экстракция моно- и дисахаридов гидрофильными растворителями 52
3.1. Экстракция углеводов индивидуальными органическими 52
растворителями
3.1.1. Экстракция эфирами и ацетоном 57
3.1.2. Экстракция спиртами 62
3.2. Экстракция бинарными смесями растворителей 65
3.2.1. Экстракция моносахаридов 68
3.2.2. Экстракция дисахаридов 71
3.3. Экстракция углеводов тройными смесями растворителей 74
ГЛАВА IV. Определение моно- и дисахаридов в пищевых продуктах и напитках 78
4.1. Анализ диабетических продуктов 81
4.2. Определение углеводов в натуральных соках 87
4.2.1. Определение моносахаридов 87
4.2.2. Определение сахарозы в натуральных соках, изготовленных без применения сахара
4.3. Анализ молочных продуктов 91
4.3.1. Определение лактозы в молоке 93
4.3.2. Определение сахарозы и лактозы во фруктовых йогуртах
4.3.3. Определение углеводного состава безлактозных молочных продуктов
4.4. Определение углеводного состава энергетических напитков
4.5. Установление качества меда 104
Выводы 108
Список литературы
- Хроматографические методы определения углеводов
- Определение углеводов в концентрате методом хроматографии в тонком слое
- Экстракция моносахаридов
- Определение сахарозы в натуральных соках, изготовленных без применения сахара
Введение к работе
Актуальность работы
Углеводы - жизненно важные составляющие компоненты многих продуктов питания. Распространенные природные углеводы (фруктоза, глюкоза, галактоза, сахароза, лактоза) содержатся во многих плодах, ягодах, млечном соке растений, молочной сыворотке. Определение природных сахаров необходимо для решения различных прикладных задач, включая контроль качества и установление подлинности пищевых продуктов и напитков, предназначенных для диетического питания; мониторинга ферментации при производстве молочных продуктов. Для определения природных сахаров в водных средах широко применяются хроматографические методы. Ввиду нелетучести и хорошей растворимости моно- и дисахаридов в воде наибольшее распространение для их определения получила жидкостная хроматография, в частности ВЭЖХ и ТСХ. Применение современных методов (ВЭЖХ, капиллярный электрофорез) связано с использованием сложного и дорогостоящего оборудования, требует специальной про-боподготовки.
Разнообразие объектов анализа (от пищевых продуктов до фармацевтических препаратов и биологических жидкостей) обусловливает необходимость отделения углеводов от мешающих компонентов, в том числе и основных, составляющих матрицу анализируемого образца.
Жидкостная экстракция является одним из наиболее распространенных методов пробоподготовки при определении микроколичеств органических соединений разных классов. Сведения о коэффициентах распределения и степени извлечения фруктозы, глюкозы, галактозы, сахарозы, лактозы органическими растворителями весьма ограничены. Для решения практических задач с применением жидкостной экстракции необходима разработка новых экстракционных систем, характеризующихся высокими количественными характеристиками.
Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России 2009-2013 гг.» (г/к № П2264 от 13.11.09 г.) и научным направлением кафедры «Экстракция органических соединений» (рег. № 0105 от 10.02.2008).
Цель исследования – разработка комплекса способов извлечения и раздельного определения фруктозы, глюкозы, галактозы, сахарозы и лактозы в пищевых продуктах и напитках, включающих экстракцию углеводов из углеводсодержащих водных вытяжек и последующий анализ экстракта физико-химическими методами.
Задачи:
установление некоторых закономерностей экстракции моно-
и дисахаридов гидрофильными растворителями, их бинарными и
тройными смесями;
разработка новых экстракционных систем для анализа вод
ных сред, содержащих моно- и дисахариды методами фотометрии,
полярим етрии , хрома тографии в тон ком слое и неводного потенци о-
метрического титрования;
применение физико-химических способов определения уг
леводов с предварительным экстракционным извлечением в анализе
объектов со сложной многокомпонентной матрицей (диабетические
кондитерские изделия, натуральные соки, кисломолочные продукты,
мед);
Научная новизна
Установлены взаимосвязи экстракционных характеристик углеводов со свойствами органических растворителей. Предложены схемы взаимодействия моно- и дисахаридов со спиртами, эфирами и ацетоном. На коэффициенты распределения углеводов в изученных системах наибольшее влияние оказывает диэлектрическая проницаемость и поверхностное натяжение экстрагентов. Наиболее полное извлечение дисахаридов достигается смесью изомерный спирт – ацетон, моносахаридов – смесью ацетон – этилацетат - изопропиловый спирт.
Предложены эффективные условия определения моно- и дисаха-ридов в водных средах и пищевых продуктах методом хроматографии в тонком слое. Для достижения практически полного разделения углеводов разработана подвижная фаза состава этилацетат – н.пропиловый спирт - концентрированная уксусная кислота - формамид - вода. Оптимизированы условия активации хроматографических пластин.
Практическая значимость
Предложены экстракционные системы, обеспечивающие практически полное (93 %-ное и более) извлечение углеводов (патенты РФ №№ 2429471 и 2471806).
Для определения фруктозы, глюкозы и сахарозы в натуральных соках применены фотометрия и поляриметрия. Продолжительность анализа 30-40 мин, относительная погрешность определения не выше 10 %.
Разработан способ экстракционно-потенциометрического раздельного определения углеводов в пищевых продуктах и напитках,
включающая экстракцию бинарными смесями гидрофильных растворителей, и последующее определение углеводов методом неводного потенциометрического титрования.
Фруктозу и сахарозу в диабетических кондитерских изделиях определяли методом восходящей тонкослойной хроматографии. Экстракты из меда, энергетических напитков, молока, фруктовых йогуртов и безлактозных молочных продуктов анализировали потенцио-метрически.
Новизна практических разработок подтверждена материалами Роспатента, они опубликованы в информационных бюллетенях Воронежского ЦНТИ. Разработки апробированы в отделе контроля качества на предприятии ОАО «Молвест».
Основные положения, представляемые к защите:
эффективные экстракционные системы для концентрирова
ния и практически полного извлечения углеводов из водно-солевых
растворов;
новые подвижные фазы и способы активации хроматогра-
фических пластин для разделения углеводов методом хроматографии
в тонком слое;
способ экстракционно-потенциометрического раздельного
определения углеводов в пищевых продуктах и напитках, содержа
щих 5 или менее моно- и дисахаридов;
комплекс фотометрических, поляриметрических, хромато-
графических и потенциометрических способов определения углево
дов в водных средах и пищевых продуктах (диабетические кондитер
ские изделия, натуральные соки, кисломолочные продукты, мед).
Апробация работы
Отдельные разделы диссертационной работы доложены на IV Международной конференции «Экстракция органических соединений» (Воронеж, 2010), XI Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань 2010), XX–XXIV Российской молодежной научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии», (Екатеринбург 2010–2014); III Международном симпозиуме по сорбции и экстракции (Владивосток, 2010), 76–81 конференциях молодых ученых «Науковi досягнення молодi – виришенню проблем харчування людства в XXI столiттi» (Киев, 2010–2014), «Аналитика России» (Краснодар, 2011), «XII Научной конференции с международным участием «Львівські хімічні читання» (Львов, 2011), Всероссийской конференции «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2010-2013); Съезде аналитиков России
«Аналитическая химия – новые методы и возможности» (Москва, 2010), I Международной конференции «Современные методы аналитического контроля качества и безопасности продовольственного сырья и продуктов питания» (Москва, 2010), V-VI Всероссийских конференциях студентов и аспирантов «Химия в современном мире» (Санкт-Петербург, 2011, 2012), XXI Российской молодежной научной конференции, посвященной 150-летию академика Н.Д. Зелинского (Екатеринбург, 2011), конференции «Химическая технология» (Москва, 2012), IX Всеукраiнська конференции з аналiтичноi химиi (Донецк, 2013), IV Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности (Бийск, 2013), ежегодных отчетных научных конференциях и семинарах ВГУ-ИТ (Воронеж, 2010–2014).
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 7 статьях в журналах, входящих в перечень ВАК, 8 научных статьях, 3 патентах РФ, а также материалах Всероссийских и Международных конференций.
Объем и структура работы
Хроматографические методы определения углеводов
Жидкостная экстракция – наиболее распространенный метод извлечения и концентрирования органических соединений разных классов [1]. Преимущества метода – универсальность, экспрессность, возможность экспериментирования в широком интервале концентраций, сочетание с различными способами анализа концентрата, минуя стадию реэкстракции [2]. История метода начинается с 40х-50-х годов ХХ века, когда экстракция в основном применялась для извлечения и концентрирования неорганических и радиоактивных соединений [3 – 8].
Впоследствии объектами экстракции становятся органические веществ. Наиболее полно изучена экстракция ароматических соединений, в первую очередь фенола, нафтолов, бензойных кислот, их многочисленных и разнохарактерных производных [9 – 16]. Большинство исследований в области экстракции до недавнего времени относилось к системам с гидрофобными растворителями [17 – 19].
Исследования последних лет показали, что для извлечения органических веществ из водных растворов значительно эффективнее системы гидрофильный растворитель – электролит (высаливатель) [20 -24]. С целью повышения количественных характеристик экстракции разработаны новые подходы, в частности, экстракция бинарными смесями гидрофильных растворителей и водорастворимыми полимерами («зеленая» экстракция) [21, 25 – 28].
В настоящее время все бльшую актуальность приобретают исследования в области экстракции биологически активных веществ (аминокислоты, витамины, пуриновые алкалоиды, анестетики) [23 – 25, 29 – 32]. Что касается углеводов, то изучено распределение фруктозы, глюкозы и сахарозы только в системе диэтиловый эфир (третичный бутиловый спирт) – вода [33]. Коэффициенты распределения углеводов в таких системах не превышают 110-1, что не позволяет применять их для эффективного извлечения и концентрирования углеводов. Сведения об экстракции лактозы и продукта ее распада галактозы отсутствуют.
Углеводы - важные составляющие многих продуктов питания и напитков, их определение необходимо для осуществления контроля качества пищевых продуктов, мониторинга с целью их маркировки, установления аутентичности, анализа заменителей сахара, наполнителей и заменителей жиров, а также для мониторинга ферментации при производстве спиртосодержащих напитков [34, 35]. Разнообразие объектов анализа обусловливает необходимость отделения углеводов от мешающих компонентов, в том числе и основных, составляющих матрицу анализируемого образца [36].
Известны многочисленные методики извлечения сахарозы из твердых объектов (стружка свеклы, свекловичный порошок) с применением водных систем на основе растворов извести [37].
Разработана методика извлечения сахарозы из свекловичной стружки, обеспечивающая получение качественного диффузионного сока и применяющая легкодоступные реагенты (известь, гипс). Эксперимент проводили на производственных водах: приводятся данные о влиянии электромагнитного поля низкочастотного диапазона на степень выживаемости микроорганизмов, а также качественные показатели диффузионного сока, полученного различными способами извлечения сахарозы из свекловичной стружки [38].
Для оптимизации условий извлечения сахара при подготовке жомопрессовой воды примененяют химические реагенты. Показано, что отпаривание свекловичной стружки, обработанной с применением жомопрессовой воды, содержащей гипс, интенсифицирует экстрагирование сахарозы (коэффициент диффузии возрастает), улучшает качественные показатели диффузионного сока, снижает потери сахара с жомом [39].
Изучено влияние формы сигнала постоянного тока на одновременную экстракцию глюкозы и лактата методом обратного ионофореза. Эксперименты проводили с применением диффузионных ячеек. Постоянный ток ионофореза (0,3 мА/см) подавали на Al/AgCl электроды в течение 90 мин при различных формах сигналов. Содержание глюкозы и лактата в экстракте определяли спектрометрически. Установлено, что для экстракции глюкозы и лактата импульсный биполярный ток более эффективен по сравнению с биполярным постоянным током [40].
Предложен способ совершенствования экстрагирования сахарозы из свекловичной стружки на основе метода кальцинации с применением электрохимически активированных растворов [41, 42].
Исследовано влияние параметров пульсирующего электрического поля на экстракцию сахарозы (1–7 кВ/см, 5–40 пульсаций, удельная энергия 0,006 – 0,19 кДж/кг за одно колебание, частота пульсации 1–10 Гц, продолжительность колебания 2 – 5 мкс, температура 20 – 700 C). Установлено, что экстракция не зависит от частоты колебаний поля, продолжительности и формы колебаний при мощности 7 кВ/см, но зависит от температуры. Применение 20 пульсаций при напряжении 7 кВ/см (3,9 кДж/кг) увеличивает выход сахарозы в 7 и 1,6 раза при 20 и 400 C соответственно. Предложена математическая модель прогнозирования влияния пульсирующего электрического поля на экстракцию. Извлечение 80 % сахарозы возможно в течение 60 мин при уменьшении температуры с 400 до 70 C и напряжении поля 7 кВ/см [43].
Известны способы извлечения углеводов из концентрированных растворов. Приведены результаты исследования экстракции глюкозы и фруктозы изопропиловым спиртом из водных растворов с относительным содержанием моносахаридов 25 и 50 %. В первом варианте при смешивании компонентов образуются жидкая и кристаллическая фазы, во втором – две жидкие фазы. В обоих вариантах верхняя фаза обогащается фруктозой, нижняя – глюкозой [44]. Приведена математическая модель экстракции фруктозы изопропиловым спиртом из инвертных сиропов. Известны примеры использования критериев характеристики обогащения глюкозно-фруктозных сиропов фруктозой методом кристаллизации в присутствии изопропанола. В разработанных условиях достигается 35 - 45 % извлечение фруктозы [45]. Описан способ извлечения фруктозы из инвертных сиропов ацетоном. Разработана математическая модель экстракции, установлены оптимальные технологические параметры процесса экстракции для максимального выхода продукта (содержание фруктозы 55% к массе сухих веществ) [46]. Построена математическая модель процесса обогащения фруктозой глюкозно-фруктозных сиропов методом кристаллизации в присутствии изопропанола [47]. Приведены расчеты характеристик и критериев эффективности процесса в зависимости от технологических параметров [48]. Методики рекомендована для получения концентрированных фруктозных сиропов.
Определение углеводов в концентрате методом хроматографии в тонком слое
Углеводы составляют примерно 3/4 объектов биологического мира, встречаются в свободной или связанной форме в любой растительной, животной или бактериальной клетке [163]. Согласно принятой в настоящее время классификации углеводы подразделяются на три основные группы – моно-, олиго- и полисахариды [164, 165]. Объекты данного исследования – глюкоза, галактоза, фруктоза, сахароза, лактоза (табл. 1) содержатся во многих плодах и ягодах и составляют основную часть пчелиного меда (табл. 2) [166, 167].
Для пищевой и фармацевтической промышленности из моносахаридов наибольшее значение имеют глюкоза, галактоза и фруктоза [169].
Глюкоза (виноградный сахар) в свободном состоянии содержится в винограде – до 8 %, сливе и черешне – 5-6 %; меде – 36 % (табл. 2), а также входит в состав сахарозы и лактозы [170]. Глюкоза исключительно важна для живых организмов как один из основных продуктов обмена веществ. Глюкоза обеспечивает клетки энергией (в процессах дыхания, гликолиза, брожения), служит исходным продуктом для биосинтеза многих метаболитов. Образует полисахариды, используемые живыми организмами в качестве запасных источников энергии - крахмал и гликоген, а также целлюлозу. Для здорового человека уровень глюкозы в крови составляет не более 7,8 ммоль/дм3 и поддерживается путем синтеза и распада гликогена [171]. Быстрый подъем уровня глюкозы в крови вызывают моносахариды и дисахариды, особенно сахароза. Таблица 1. Некоторые физико-химические свойства объектов исследования [163, 168, 181]
Основным способом получения глюкозы является ферментативный гидролиз крахмала, источником которого служат ценные сельскохозяйственные культуры – зерно, кукуруза, картофель и некоторые другие [172 – 175].
В молочной промышленности широко применяется моносахарид галактоза. Как продукт расщепления молочного сахара, галактоза содержится в молоке млекопитающих, растительных тканях, семенах [176].
Фруктоза (фруктовый сахар) относится к наиболее распространенным в природе моносахаридам. Фруктоза характеризуется многими положительными свойствами, которые могут быть применены в производстве различных пищевых продуктов [177, 178]. Фруктоза отличается повышенной сладостью, тонизирующим действием, способностью усиливать ароматы и образовывать новые ароматические субстанции, пониженной вязкостью. Кроме того, фруктоза практически не влияет на уровень глюкозы в крови, т.к. попадая в кровь, участвует в обменных процессах и не требует инсулина для своей утилизации [179].
Дисахариды – основной источник углеводов в пище человека и животных. По строению дисахариды относятся к группе гликозидов, в которых две молекулы моносахарида соединены гликозидной связью, по наличию свободных гидроксильных радикалов делятся на восстанавливающие и невосстанав-ливающие [180].
Среди невосстанавливающих дисахаридов особенно широко известна сахароза – тростниковый или свекловичный сахар. Молекула сахарозы содержит по одному остатку глюкозы и фруктозы. Наиболее распространенные источники промышленного получения сахарозы – сахарный тростник (его содержание в соке достигает 20 %) и сахарная свекла (10–20 %) [181]. Сахароза – важнейший гликозид для пищевой промышленности (табл. 2), в частности, широко применяется при выработке хлебопекарных и кондитерских изделий, а также как пищевая добавка к корму скоту, в бродильной промышленности – для производства алкогольной продукции методом ферментации.
Восстанавливающий дисахарид лактоза (молочный сахар) содержится преимущественно в молоке и состоит из галактозы и глюкозы. В растениях встречается только в каучуконосном растении Achrassapota и в тычинках цветов Torsythia [182]. Лактоза, обеспечивающая питательную ценность молока, является незаменимым компонентом для питания новорожденных, исходным веществом в процессе брожения при получении кисломолочных продуктов [183]. В пищевой промышленности лактоза применяется как частичный заменитель сахара в производстве печенья, хлебобулочных изделий, диетических продуктов. Кроме того, лактоза находит применение в фармацевтической промышленности как основа для формирования таблеток [184, 185]. Употребление молочного сахара стимулирует пищеварение, способствует улучшению иммунитета и обмена веществ. Однако по данным Мин-30 здравсоцразвития РФ около 10 % населения Земли страдают заболеванием «лактозная непереносимость», вызванным недостатком фермента лактулозы, расщепляющего молочный сахар на моносахариды [186]. Таким больным необходимо ограничивать потребление лактозы максимум до 4,5 г в день. Содержание лактозы в молочных продуктах различно (табл. 3) и колеблется в интервале от 0,8 – 1,9 (в разных сортах масла) до 6,2 – 7,0 (в молоке различного производства). Наибольшим содержанием лактозы характеризуются сгущенное и сухое молоко, а также продукты, изготовленные на их основе; минимальным – твердые сорта сыров, сливочное мало и натуральный творог [187].
В XXI веке заметное распространение получили продукты с пониженным содержанием молочного сахара, изготавливаемые путем ферментативного гидролиза. 2.2. Экстрагенты и методика экстракции
В качестве экстрагентов применяли полностью (этиловый, н.пропиловый, изопропиловый) или частично (н.бутиловый, изобутиловый, н.пентиловый) растворимые в воде спирты, эфиры – 1,2-диоксан и алкилаце-таты (этилацетат, бутилацетат, пентилацетат), кетон (ацетон), а также гидрофобные растворители – н.гексиловый, н.октиловый и н.нониловый спирты; хлороформ. Экстрагенты очищали дистилляцией, степень очистки контролировали по показателям преломления [188, 189]. Некоторые свойства экстра-гентов приведены в табл. 4.
Для образования двухфазной системы применяли высаливатели – карбонат калия и сульфат аммония квалификации ч.д.а.. Известно, что эти соли – эффективные высаливатели органических соединений разных классов [190, 29, 31].
Углеводы экстрагировали в мерных цилиндрах со шлифами (ГОСТ 1770 – 74), вместимость цилиндров 50 и 100 см3. Растворы перемешивали на вибросмесителе "Microvibro" (Польша), частота колебаний 120 – 140 в мин. Предварительно установлены условия экстракции (количество высаливателя, соотношение объемов исходных фаз, рН, состав смеси экстрагентов).
Готовили исходные водно-солевые растворы моно- и дисахаридов с концентрациями в интервале 10 – 30 мг/см3. Серии стандартных растворов с концентрациями 10; 5; 1; 510-1; 110-1 и 110-2 мг/см3 готовили разбавлением исходных водно-солевых растворов. Необходимую кислотность среды создавали аммонийным и ацетатным буферными смесями; рН водных растворов измеряли на приборе И-130 со стеклянным и хлоридсеребряным электродами.
Экстракция моносахаридов
В соответствии с государственными стандартами углеводы в пищевых продуктах (кондитерские изделия, мед, йогурт, творожный крем) и напитках (фруктовые и овощные соки, молоко) селективно определяют фотометрически с предварительной ферментативной обработкой анализируемой пробы [112–114, 163, 199–200]. Общее содержание углеводов устанавливают титри-метрическим, фотометрическим и поляриметрическим методами [124]. Известно определение свободных и общих углеводов в кофе с применением высокоэффективной жидкостной хроматографии [67–70].
На основании установленных нами закономерностей экстракции (глава 3) разработаны эффективные экстракционные системы для извлечения углевода или группы углеводов [201-204] с целью их фотометрического, хрома-тографического и потенциометрического определения в пищевых продуктах и напитках [205]. Экстракционное концентрирование позволяет совмещать пробоотбор с пробоподготовкой, улучшает метрологические характеристики методик определения.
Разработан комплекс методик селективного определения фруктозы, глюкозы, галактозы, сахарозы и лактозы. Методики включают экстракцию углеводов из водных вытяжек, полученных из анализируемых продуктов, и последующий анализ экстракта физико-химическими методами (рис. 25).
Для определения фруктозы, глюкозы и сахарозы в натуральных соках нами применены оптические методы (фотометрия, поляриметрия). Тонкослойная хроматография
Комплексная схема определения углеводов; экстрагенты: ацетон, ЭА – этилацетат, ИП – изопропиловый спирт, н.пропиловый спирт. А П Фруктозу и сахарозу в диабетических кондитерских изделиях определяли методом восходящей тонкослойной хроматографии. Экстракты из меда, энергетических напитков, молока, фруктовых йогуртов и безлактоз-ных молочных продуктов анализировали потенциометрически.
Помимо углеводов в диабетических продуктах, меде и энергетических напитках содержится значительное количество -аминокислот. С целью раздельного определения углеводов (фруктоза, глюкоза, сахароза) и -аминокислот (фенилаланин, триптофан, тирозин) нами установлены количественные характеристики экстракции некоторых смесей моносахаридов и -аминокислот (табл. 13) [206].
В градуированную пробирку вместимостью 25 см3 помещали по 7,5 см3 водно-солевых растворов углеводов и -аминокислот (с = 1 10 мг/см3), 1 см3 смеси этилацетат – изопропиловый спирт (1 : 4). После достижения фазового равновесия экстракт отделяли. -Аминокислоты в растворе после экстракции определяли спектрофо-тометрическим методом. Оптическую плотность равновесного водно-солевого раствора измеряли на УФ-спектрофотометре (SHIMADZU UV MINI-1240, кварцевая кювета, l = 1 см, = 257, 275 и 279 нм для определения фенилаланина, тирозина и триптофана соответственно) [21]. Концентрацию -аминокислот определяли методом градуировочного графика [21].
Наиболее полно разделяется смесь сахароза – тирозин, фактор разделения 878. При этом степень извлечения сахарозы достигает 84 %, тирозин в этих условиях извлекается не более, чем на 0,6 %.
Отметим, что высокие факторы разделения получены и для других систем, содержащих фруктозу, например 614 и 720 для смесей с триптофаном и тирозином соответственно.
Во всех изученных системах степень извлечения -аминокислот не превышает 2 %. Анализ диабетических продуктов В производственных условиях определение углеводов в кондитерских изделиях осуществляют согласно ГОСТу «Изделия кондитерские. Методы определения сахара» (титриметрический, фотометрический, поляриметрический) [127]. Такие методы применимы только для установления в пищевых продуктах общего содержания редуцирующих сахаров.
Разработана экстракционно–хроматографическая методика раздельного определения фруктозы и сахарозы в водных вытяжках, насыщенных сульфатом аммония, включающая экстракцию углеводов смесью ацетон – изопропиловый спирт (2 : 3). Смеси гидрофильных растворителей, как правило, обеспечивают практически полное извлечение фруктозы и сахарозы из водных вытяжек, полученных при анализе диабетических продуктов (конфеты и печенье, изготовленные с применением фруктозы).
Навеску продукта ( 10 г) помещали в химический стакан, добавляли 75 см3 насыщенного раствора сульфата аммония, перемешивали при нагревании на водяной бане (90 С), жиры и мучную массу (твердый остаток) отделяли фильтрованием. Полученный гомогенный раствор помещали в мерную колбу емкостью 100 см3 и доводили до метки насыщенным раствором сульфата аммония. К 20 см3 анализируемой пробы добавляли 2 см3 смеси ацетон – н.пропиловый спирт (2 : 3), экстрагировали и отделяли экстракт.
Концентрат, содержащий сахарозу и фруктозу, анализировали методом восходящей хроматографии в тонком слое на пластинах «Silufol» или «Sorbfil».
Силикагель – полярный неорганический сорбент, его поверхность содержит силанольные и силоксановые группы (рис. 24). а) б) в) г) Рис. 24. Функциональные группы в структуре силикагеля: а – свободные силанольные группы; б – геминальные (парные) силанольные группы; в – вицинальные (расположенные рядом) силанольные группы; г – силоксановые группы.
Силоксановые группы характеризуются протоно-акцепторными свойствами, силанольные группы действуют как доноры протонов и слабокислотные ионообменники. Силикагель – гидрофильный сорбент, частично растворяется в воде, образуя 0,01 %-ный раствор (при 20 оС). Гидролиз и растворимость сорбента существенно возрастают при рН 9. При нагревании силикагеля до 150 – 200 оС с его поверхности удаляется физически связанная вода и происходит постепенная трансформация силанольных групп в силоксановые [207].
Липофильный внешний слой сорбента на пластине возникает вследствие применения в качестве подвижной фазы гидрофильных растворителей или водных растворов.
Углеводы – высокогидрофильные соединения, поэтому подвижная фаза должна содержать воду (как основной компонент) и, при необходимости, гидрофильный растворитель. В качестве подвижной фазы нами изучены тройные смеси на основе н.пропилового, изопропилового и н.бутилового спиртов, ацетона, этилацетата, уксусной кислоты и воды. Установлено, что для разделения углеводов наиболее селективна смесь изопропиловый (н.пропиловый) спирт – этилацетат – уксусная кислота – вода. При добавлении в состав подвижной фазы формамида получали хроматограммы с более четкими пятнами. При этом пятна фруктозы и сахарозы окрашиваются в розовый цвет, глюкозы, галактозы и лактозы – в голубой.
Оптимальный состав подвижной фазы этилацетат – н.пропиловый спирт - концентрированная уксусная кислота - формамид - вода в объемном соотношении 5 : 5 : 1 : 1 : 3 обеспечивает практически полное разделение углеводов. Повышение содержания воды и органических растворителей в составе подвижной фазе приводит к размыванию пятен. Увеличение содержания уксусной кислоты и формамида снижает степень разделения углеводов и замедляет анализ.
Определение сахарозы в натуральных соках, изготовленных без применения сахара
Проанализированы алкогольные и безалкогольные энергетические напитки, производимые в России: «Adrenaline nature» (производство ООО «Мегапак»), «Adrenalinerush» (ООО «Мегапак»), «Jaguar» (ООО «Юнатед Боттлинг групп»), «Strike» (ООО «Артисан»), «Coca-cola» (ООО «Кока-кола ЭйчБиСи Евразия»).
Содержание углеводов в напитках «Adrenalinenature», «Adrenalinerush», «Jaguar» и «Strike» по данным производителя не превышает 12 мг на 100 см3. Установленные нами количества определяемых веществ приведены в табл. 24.
В проанализированных нами энергетических напитках найденное содержание углеводов соответствует заявленному, фальсификации не обнаружены. В этих напитках в качестве подсластителя применяют сахарозу, гидролизующуюся в кислой среде, или глюкозно-фруктозный сироп. Невысокое содержание моносахаридов в проанализированных напитках указывает на применение при их производстве сахарозы в качестве подсластителя.
Разработанная нами методика селективна, экспрессна (продолжительность анализа 30 – 40 мин) и не требует дорогостоящего оборудования и реактивов. Относительная погрешность определения в пределах 10 % (S = 0,13 0,30), предел обнаружения – 0,1 мг/100 см3 (табл. 23).
Установление качества меда Углеводный состав меда регламентируется ГОСТ Р 19792-2001 [167]. В натуральном цветочном меде в зависимости от сорта растения-медоноса содержится редуцирующих углеводов не менее 76–82 г/100 г, сахарозы – в пределах 6–10 г/100 г, на долю глюкозы и фруктозы приходится 80–90 % от всех сахаридов в меде [165, 166]. Массовую долю редуцирующих сахаров находят фотометрически по реакции с феррицианидом калия. Государственный стандарт для селективного определения углеводного состава меда не существует.
Разработанная нами методика установления углеводного состава меда включает экстракционное концентрирование фруктозы, глюкозы и сахарозы из водно-солевого раствора меда смесью ацетон – изопропиловый спирт (1 : 1) и потенциометрический анализ концентрата.
Пробу цветочного меда (10 г) помещали в химический стакан емкостью 200 см3, добавляли 50 см3 насыщенного раствора сульфата аммония и перемешивали при нагревании (50 С) до полного растворения. Полученный раствор помещали в мерную колбу емкостью 100 см3 и доводили до метки насыщенным раствором сульфата аммония. В градуированную пробирку емкостью 25 см3 отбирали 20 см3 водно-солевого раствора меда, вводили 2 см3 смеси ацетон – изопропиловый спирт, экстрагировали. После достижения фазового равновесия экстракт отделяли и анализировали методом потенциометрического титрования по методике, приведенной в разделе 4.3.1.
Раздельное содержание фруктозы, глюкозы и сахарозы (Q, г) в экстракте рассчитывали по формуле: Q = K 0,1V M 1010 , где K – коэффициент, учитывающий потери углевода при экстракции (фруктоза – 1,20; глюкоза – 1,25; сахароза – 1,06); 0,1 – концентрация тит-ранта, моль/дм3; V – объем титранта, затраченный на титрование, дм3; М – молярная масса углевода, г/моль; 10 – кратность разбавления экстракта изопропиловым спиртом; 10 – кратность разбавления пробы насыщенным раствором сульфата аммония.
Установлено, что во всех проанализированных пробах меда содержание сахарозы не превышает 8 г/100 г продукта, что соответствует требованиям ГОСТ для натурального цветочного меда [167].
Минимально определяемые концентрации фруктозы, глюкозы и сахарозы в водных вытяжках из меда по предлагаемой методике селективного определения находятся в интервале 1 - 100 г/100 см3, относительная погрешность – 7 % (табл. 25), продолжительность анализа 40 – 50 мин.
1. Установлены закономерности экстракции пяти углеводов в системах водно-солевые растворы - индивидуальные гидрофильные растворители (алифатические спирты, алкилацетаты, ацетон, диоксан). С применением математических методов планирования эксперимента подобраны условия (высаливатель, продолжительность экстракции, соотношение объемов фаз, рН) для эффективного извлечения углеводов. Найдено, что наиболее полное однократное извлечение моно- и дисахаридов (85 %) из водно-солевых растворов достигается с применением ацетона, этилацетата, изо- и н.пропилового спиртов при соотношении объемов водной и органических фаз 15 : 1.
2. Для повышения количественных характеристик экстракции углеводов применены бинарные и тройные меси растворителей. Смеси ацетона с изопропанолом, а также тройные смеси ацетон-изопропанол-этилацетат обеспечивают практически полное ( 90 %) извлечение индивидуальных моносахаридов при однократной экстракции.
3. Предложены условия хроматографического разделения углеводов в водной фазе и концентрате: подвижная фаза - смесь этилацетат – н.пропиловый спирт - концентрированная уксусная кислота - формамид -вода (5 : 5 : 1 : 1 : 3); пластины - «Silufol» или «Sorbfil», пропитанные смесью 1 моль/дм3 растворов сульфата и гидроксида аммония.
4. Показана возможность раздельного количественного титриметри-ческого определения моно- и дисахаридов в пищевых продуктах и напитках. Установлены условия титрования углеводов в неводной среде потенциомет-рическим методом (индикаторный электрод - платиновый, электрод сравнения – хлоридсеребряный; титрант – 0,1 моль/дм3 раствор борной кислоты в изопропиловом спирте). Погрешность селективного определения углеводов в органическом концентрате не превышает 10 %.
Похожие диссертации на Экстракция моно- и дисахаридов и их определение в пищевых продуктах и напитках
