Содержание к диссертации
Введение
Некоторые аспекты проблемы запаха и вкуса ( литературный обзор )
I. Вкус, запах и химическая структура .
2. Аналитические проблемы в изучении запаха .
ГЛАВА II Фзико-химические основы газохроматографической идентификации летучих компонентов пищевых продуктов
I. Система индексов удерживания .
- Вкус, запах и химическая структура
- Аналитические проблемы в изучении запаха
- Система индексов удерживания
Вкус, запах и химическая структура
В Советском Союзе идея о своевременности начала практических работ по получению полноцевной белковой пищи промышленными методами была высказана академиком А.Н.Несмеяновым в начале 1961 г. Эти работы начаты и успешно ведутся в Институте элемен-тоорганических соединений АН СССР.
Перспективным планом развития народного хозяйства СССР предусматривается значительное расширение производства белково--витаминных дрожжей, содержащих до 60% белка. По питательной ценности дрожжевой белок приближается к лучшим животным белкам. В этой связи основное внимание при создании новых форм пищи направлено на решение вопросов, связанных с использованием биомассы микроорганизмов, в первую очередь дрожжей, непосредственно в питании человека.
Развитые капиталистические страны широко используют белковые добавки в пищевых продуктах. В 1980 г. около I млн. тонн белковых добавок планируется применять в пищевой промышленности США х).
Расширение потребления белковых концентратов в пищевых продуктах вызывает неуклонный рост производства ароматизирующих добавок, вкусовых веществ и интенсификаторов вкуса. Как правило, ароматизирующие и вкусовые вещества являются наиболее дорогостоящей частью готового пищевого продукта, которая составляет в среднем от 15 до 20% от общей стоимости.
Крупнейшие капиталистические фирмы: "Нестле" (Швейцария), "йнтернейшенал Флейворс энд Фрагрансес" (США), "Аджиномото" х)См.ее.164. -3 (Япония) создали большие научные центры по исследованию проблемы запаха и вкуса и ежегодно расходуют миллионы долларов на аналитические исследования по созданию ароматизаторов.
В мировой практике широко применяют имитаторы пищевых запахов и интевсификаторы вкуса. В США и Японии выпускаются интен-сификаторы вкуса не только для людей, но и для животных с целью повышения усвояемости корма. Потребление ароматизаторов пищи в США возросло за десятилетие с 1955 г. по 1965 г. с 15,2 до 29,2 миллионов кг. Важно подчеркнуть, что из 1100 различных веществ, используемых для ароматизации пищевых продуктов, 750 получены химическим синтезом.
В СССР также активно ведутся исследования по проблеме новых форм пищи. Под руководством А.Н.Несмеянова в нашей стране заложен фундамент новой науки о синтетической и искусственной пище, разработан и решен ряд теоретических и прикладных вопросов биохимии, органической, физической и аналитической химии.
Для превращения безвкусного порошкообразного дрожжевого и микробного белка в источник питания для человека необходимо придать ему определенную структуру, питательную полноценность, вкус и запах привычного пищевого продукта. Получение имитаторов запаха и ароматизирование новых пищевых форм представляет сложную задачу в проблеме синтетической и искусственной пищи. Человек способен различать до 17000 запахов. Огромное количество лабильных компонентов, присутствующих в запахе в микро-, нано-и пикограммовых количествах, требует разработки специальных приемов концентрирования и использования тонких методов анализа. Отсутствие теории запаха не позволяет предсказывать аромат на основе физико-химических свойств молекул. Создание ароматичес - 4 ких композиций основано на расшифровке запаха природных пищевых продуктов.
Перед нами стояла задача разработать научный подход к исследованию компонентов запаха природных продуктов и на этой основе получить имитаторы запаха для новых пищевых форм. Отсутствие отечественного опыта исследования компонентов запаха усложняло стоявшие перед нами проблемы.
Анализ литературных данных х показал, что для успешного решения поставленной задачи необходимо создание специальных газохроматографичееких методов идентификации. Сложный состав природных ароматизирующих композиций требовал разработки принципиально нового подхода к анализу. Мы пошли по пути максимального использования специфических донорво-акцепторных взаимодействий анализируемых веществ с насадкой колонки. Для наиболее успешного применения таких взаимодействий возникла необходимость разделять сложные композиции запаха на отдельные классы с однотипной функциональной группой. Следовало также создать бесстандартные методы газохроматографической идентификации органических веществ одного класса. В основу положена идея об использовании количественной оценки термодинамических характеристик газохроматографического процесса. Мы предположили,что детальное изучение подобных закономерностей с применением индексов Ковача обеспечит выбор оптимальных условий анализа и даст возможность найти уравнения, описывающие газохроматогра-фическое поведение исследуемых веществ в зависимости от числа углеродных атомов, температуры кипения и структуры анализируемых соединений.
Аналитические проблемы в изучении запаха
Нормальная жизнедеятельность человека зависит от источников питания, которые должны содержать углеводы, белки, жиры, витамины и минеральные соли. Виды пищевых продуктов, обеспечивающих поступление в организм этих составляющих, значительно различаются и зависят от образа жизни, национальных традиций и культурных особенностей. Нельзя предложить приемлемый для всех наций и народов унифицированный набор пищевых продуктов в обозримом будущем. В то же время пищевая промышленность различных стран быстро увеличивает свой ассортимент, с учетом традиции и национальных привычек. Одновременно разрабатывается искусство формирования запаха. Развитие промышленных методов получения пищевых продуктов и введение ускоренных технологических схем, как правило, влечет за собой ухудшение аромата. Нежелательные привкусы и оттенки в запахе пищевых продуктов появляются также в связи с проблемами упаковки, консервирования и хранения готовой продукции в пищевой промышленности.
Основные ингредиенты пищи обычно безвкусны. Ощущения запаха и вкуса в процессе потребления пищи связаны с сопутствующими химическими веществами. Наши органы обоняния и вкуса детектируют совокупность "загрязнений" летучими компонентами основного продукта и поэтому неспособны безошибочно определять питательную ценность пищи. Тем не менее сенсорные ощущения человека могут корректироваться синологическими потребностями организма. Так пищевые запахи приятны только при ощущении голода, в случае сытости, наблюдается равнодушие и даже отвращение к ним, в отличие от запахов парфюмерного характера. Известно, что нарушение обмена чеще всего приводит к изменению пищевого предпочтения /92-94/. Приятное действие фруктовых и цветочных запахов и неприятная реакция на гнилостный, являются, по-видимому, врожденными, как показали опыты с грудными детьми /95,96/. "Специфический аппетит" определяется обычно физиологическими потребностями, однако, большую роль играют и обонятельные ощущения. Важное значение последних показано на животных, которым оказалось гораздо труднее скоррелировать диету при наличии в пищевых образцах "приятных" запахов /97-100/. Весьма интересны исследования влияния запаха пищи на аппетит и регуляторные механизмы организма /94,101/. Установлено, что между сенсорными анализаторами пищи и поведенческой реакцией животных и человека имеются сложные двухсторонние связи. Нейрофизиология механизма этого явления пока не ясна /94/.
Как уже отмечалось, запах и вкус сопутствуют пищевому продукту и однозначно не свидетельствуют о питательной\цен - 38 ности. В то же время в случае известного традиционного продукта, они безошибочно определяют его качество. Запах представляет собой композицию нескольких сотен веществ, возникающих в результате многих реакций. Эти вещества находятся в определенных соотношениях. При наличии нежелательных процессов в продукте, например, его порче, соотношение компонентов запаха меняется. Появляющиеся в таком случае посторонние оттенки служат безошибочным критерием качества привычного продукта питания.
По мнению многочисленных специалистов при исследовании запаха пищевого продукта следует изучать состав летучих компонентов в парах над пищевым продуктом или в конденсатах этих паров. В научной литературе подобный подход даже получил специальный термин Ua,d s/нис анализ /102-106/.
Давление пара вещества і , находящегося в газовой фазе над пищевым продуктом, выражается уравнением /102/: где Pta - давление пара і -компонента в газовой фазе над образцом Pi - давление насыщенного пара чистого вещества при той же температуре XI - мольная доля вещества і в пищевом продукте tfL - коэффициент активности вещества і в пищевом продукте при концентрации Хі .
При постоянной величине ос; значение Y может меняться на несколько порядков в зависимости от природы вещества и среды (липиды, вода), в которой оно растворено /107/. Значение в водной фазе пищевого продукта меняется от присутствия солей металлов, их способности к комплексообразованию с анализируемым веществом I , а также от величины рН.
Таким образом, давление пара исследуемых веществ над пищевым продуктом не эквивалентно их действительному содержанию в пище /107/. Доля компонентов в летучих веществах над пищевым продуктом зависит от изменения содержания воды, липи-дов, белков и других ингредиентов в исследуемом образце. Образцы одного и того же пищевого продукта, приготовленные в разное время из различных партий сырья, могут иметь как качественные, так и количественные различия в ароматических композициях.
Уравнение (1.5) справедливо в условиях равновесия. При длительном улавливании летучих компонентов скорость диффузии из образца в газовую фазу меняется и может привести к искажению соотношений летучих веществ в конденсате по сравнению с газовой фазой над образцом. Ряд летучих веществ находится в пищевом продукте в связанном состоянии, в виде нелетучих "предшественников", из которых они поставляются в газовую фазу в результате ферментативных или химических процессов. Предварительная механическая иди термическая обработка также могут изменять концентрацию летучих веществ в газовой фазе над образцом.
Влияние отмеченных выше факторов в процессе концентрирования ароматических компонентов из газовой фазы над образцом делает практически невозможным получение количественных данных о полном составе компонентов запаха в изучаемом природном образце. Несмотря на это, следует отметить, что анализ конденсата паровой фазы оказался плодотворным при изучении веществ, участвующих в формировании запаха. Газохромато-графические и органолептические исследования позволяют выявить и идентифицировать эти вещества. По образному выражению Дрэвникса /102/ "Wot з/веис " хроматограммы служат картой для локации ароматообразующих веществ.
На рис. 1.6 приведена диаграмма /102/, отражающая число веществ, имеющих пороги запаха в соответствующих областях концентраций. Из диаграммы видно, что большая часть изученных веществ имеет пороги запаха в области от 10 до 100 пикограммов.
Система индексов удерживания
Наилучший способ выражения данных по удерживанию - одна из наиболее дискутируемых проблем в газовой хроматографии /206,207, 228,229/.
При анализе компонентов запаха чаще всего применяет исправленные времена удерживания ( і. ). Они, однако, имеет плохую воспроизводимость. Проще и точнее определяются относительные времена (объемы) удерживания, которые меньше зависят от условий анализа /230,231/. При анализе сложных смесей полезность этих параметров сильно уменьшается, а множество применяемых стандартов затрудняет корреляцию между различными публикациями /206,228/. Использование относительных характеристик удерживания также осложняет установление связи со структурой исследуемого соединения.
Удельный удерживаемый объем , введенный Литтлвудом с сотрудниками /232/, не применяется для целей идентификации /228, 229/, хотя имеет ряд достоинств: он не зависит от таких экспериментальных величин, как температура анализа, количество жидкой фазы, скорость газа носителя, градиент давления в колонке. 6 то же время применение Vq связано с рядом существенных неудобств; невозможно измерить с достаточной точностью скорость газа-носителя, количество жидкой фазы и давление на входе в колонку. Трудоемкость расчета, а также неудовлетворительная воспроизводимость температуры колонки приводят к ошибкам, которые трудно компенсировать /229,233/. Величина У$ не имеет наглядного характера, т.к. она всегда относится к температуре (Я. С ее помощью нельзя выразить зависимость величины удерживания от температуры анализа.
Отмеченные трудности устраняются при использовании в качестве газо-хроматографических характеристик индексов удерживания, предложенных Ковачей в 1958 г. /234,235/. Эта система наиболее логична и удобна для обобщения данных по удерживанию. К настоящему времени налажена систематическая публикация величин индексов удерживания в журнале І СІШУтаМоу,ґа.рки
Индексы удерживания - величины относительные, для их определения в качестве стандартных веществ принят гомологический ряд н-алканов. Хроматографическое поведение всех веществ с помощью индексов удерживания выражают в единой шкале, определяемой серией однотипных стандартов. Независимо от температуры колонки и стационарной фазы, точки, соответствующие максимумам выхода н-алканов с общей формулой СпН2і1+2, имеют величины индексов, равные ІОО п, /234-236/: при условии V„ Vx Vy,H , где Vx , l , V , - исправленные объемы удераивания исследуемого вещества и стандартных н-ал-канов с числом углеродных атомов п . и п+1 соответственно.
Для вычисления величин индексов по формуле (2.1) необходимо знать время удерживания несорбируемого газа в колонке - "мертвый" объем. Петерсон и Хирш предложили определять "мертвый" объем колонки из времен удерживания трех н-алканов, взятых в качестве стандартных /237/. поясняет расчет времени выхода несорбируемого газа по трем углеводородам.1 Обозначим через t0 расстояние от момента пуска смеси до выхода воз-духа,а через У0 - расстояние от момента впуска до некоторой условно выбранной точки. Разность У.- t « о . Смысл величин У , Vj, У2, Уз и ясен из рис. 2.1.а. По методу работы /237/ величина выражается следующим образом:
Таким образом, зная положение на хроматограмме трех н-угле-водородов, для нахождения величины 0 необходимо измерить лишь значения У0, Yj и Уд и подставить их в уравнение (2.3). Формула (2.3) упрощает расчет величин индексов исследуемых веществ.
Из уравнения (2.1) следует, что для расчета индексов можно использовать любые, исправленные на мертвый объем параметры удерживания: времена, объемы или соответствующие им расстояния на хроматограмме. Можно также применять абсолютные величины, например, удельные удерживаемые объемы /228,231,236/.
Важно отметить, что выбор в системе индексов в качестве стандартных точек н-алканов, позволяет путем сравнения газохрома то графического поведения веществ с н-парафинами, лишенными функциональных групп, выявить структурные особенности исследуемого соединения. Величина индекса аддитивно зависит от количества функциональных групп и структурных фрагментов молекулы. а) Об использовании линейное логарифмической зависимости приведенных параметров удерживания н-алканов для вычисления индексов.
При анализе сложных смесей практически невозможно располагать каждое исследуемое вещество между двумя н-алканами, вероятно, поэтому индексы не применяли в этом случае. Нами для расчета величин индексов использовалась следующая формула:
