Введение к работе
Актуальность работы. Решение многих научных и практических задач связано с установлением структуры органических веществ, содержащихся в следовых количествах. Особую актуальность анализ сложных смесей органических веществ имеет в контроле за состоянием окружающей среда, в производстве и применении лекарственных средств, натуральных пищевых продуктов и их аналогов, пищевых ароматизаторов, продуктов бытовой химии, косметики и т.д. Следовый анализ является ключевой задачей в новой области химической науки - химии пищевых, ароматизирующих и вкусовых веществ или флейвохимии. Успехи в установлении структуры компонентов запаха и создании пищевых ароматизаторов достигнуты благодаря развитию органолептического, газохрома-тографического и хромато-масс-спектрометрического методов анализа.
Для идентификации веществ наряду с масс-спектрами широко используются параметры удерживания, получаемые в процессе хроматог-рафического разделения компонентов, создаются банки индексов удерживания соединений различных классов. Компьютерные программы для идентификации, соединений строятся на основе величин индексов удерживания, которые пропорциональны свободной энергии сорбции и являются физико-химическими характеристиками веществ. Значительно расширить банки индексов удерживания позволяет установление сорб-ционно-структурных корреляций, которые дают возможность рассчитывать параметры удерживания неизученных и трудно доступных соединений с достаточной для идентификации точностью.
В России исследования в области пищевых ароматообразующих веществ были начаты по инициативе акад.А.Н.Несмеянова в ИНЭОС РАН. Методология газохроматографической идентификации компонентов запаха развивалась под руководством проф.,д.х.н. Р.В.Головни.
Исследование компонентов запаха начиналось и успешнее всего проводилось при изучении душистых веществ, поскольку концентрации летучих веществ в них были относительно велики: в цветах фруктов, в эфирных маслах пряно-ароматических растений. Запах этих объектов формируют сложные эфиры, спирты, альдегиды, кетоны, терпены. Для этих классов веществ накоплен большой экспериментальный материал по величинам индексов удерживания и масс-спектрам. Сложнее осуществлять идентификацию веществ, формирующих запах продуктов, подвергнутых ферментативной или термической обработке, так как их концентра-ция в продуктах составляет 10-10 г/г. К ним относятся серосодержащие соединения. Они отличаются крайне низкими пороговыми концентрациями запаха, при этом для многих пищевых продуктов серосо-
держащие соединения являются ключевыми. Крайне малое содержание серосодержащих соединений е продуктах, возможность образования структурных изомеров, о которых очень часто не дает информации масс- спектрометрия, увеличивает значение параметров удерживания при идентификации этих веществ в многокомпонентных смесях неизвестного состава.
Цели и задачи исследования. Целью работы являлось развитие теории и практики газожидкостной хроматографии серо- и кислородсодержащих алифатических и гетероциклических соединений, которые могут быть потенциальными компонентами запаха пищевых продуктов. Была поставлена задача изучить зависимость хроматографических и термодинамических характеристик сорбции соединений от их структуры и свойств неподвижных фаз и провести поиск структурно-корреляционных уравнений и схем для прогнозирования параметров удерживания этих классов веществ. На базе экспериментальных и расчетных величин индексов удерживания, масс- и Ж спектров веществ разработать метод идентификации летучих серо- и кислородсодержащих соединений, применить его для установления состава летучих компонентов в натуральных пищевых продуктах и определения их роли в формировании запаха. Знание структуры и роли отдельных веществ в запахе продуктов открывает широкую возможность получения пищевых ароматизаторов. Поэтому задачей работы являлось" также применение разработанного метода идентификации для изучения путей синтеза ключевых веществ в запахе некоторых термически обработанных продуктов и разработка научных основ получения пищевых ароматизаторов.
Научная новизна. Впервые проведено систематическое изучение и установлены закономерности газохрокатографического поведения алифатических и циклических серо- и кислородсодержащих соединений разных классов на неподвижных фазах разной полярности. Изучена термодинамика сорбции этих соединений и найдены сорбционно-струк-турные закономерности. Получены корреляционные уравнения, описывающие поведение гомологических и псевдогомологических рядов изученных соединений и позволяющие проводить расчет индексов удерживания гомологов. Изучено влияние заместителей на параметры сорбции серо-и кислородсодержащих соединений. Установлено, что сорбция алифатических серосодержащих соединений на изученных неподвижных фазах осуществляется за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Предложены простые и надежные схемы для расчета индексов удерживания несимметричных соединений и содержащих разветвленные и ненасыщенные ал-2
кильные заместители с использованием установленных структурных инкрементов. Установлено.что величина сорбционного вклада метильной группы в насыщенных гетероциклах с одним или двумя гетероатомами зависит от ее положения в цикле, природы гетероатома и полярности неподвижной фазы.
Найдено,.что основной причиной неаадитивного увеличения параметров сорбции дизамещенных фуранов и тиофенов является взаимное влияние заместителей. В рядах гетероциклических и ароматических соединений установлено увеличение сорбционных вкладов сс-карбонильных групп, обусловленное сопряжением двойных связей кольца, гетероатома и заместителей. С учетом взаимного влияния заместителей предложены и экспериментально проверены схемы для расчета индексов удерживания замещенных тиофенов и фуранов.
Установлена аналогия в сорбционных свойствах серо- и кислородсодержащих алифатических и гетероциклических соединений, одинаковых по структуре и различающихся только гетероатомом. Найдены структурные инкременты индексов удерживания, не зависящие от температуры анализа и позволяющие с достаточной для идентификации точностью рассчитывать индексы удерживания аналогов, в том числе и по литературным данным.
Определены масс- и ИК спектральные характеристики диалкилполи-сульфидов, тиофенов и фуранов с различньми заместителями, серо- и кислородсодержащих гетероциклов, установлены закономерности их фрагментации и созданы базы спектральных характеристик веществ для их идентификации.
Развит метод бесстандартной идентификации серо- и кислородсодержащих соединений на основе совокупности термодинамических функций растворения, индексов удерживания и их инкрементов, структур-но-сор'бционных зависимостей, масс- и Ж спектральных характеристик сорбатов. Разработан метод идентификации изомерных тиофеновых и фурановых соединений с применением их химической модификации и структурнр-сорбционных и масс-спектральных инкрементов получаемых производных.
Установлена структура и изучены пути образования на модельных реакциях ключевых соединений в запахе мяса, краба и какао-продуктов. Впервые в пищевых продуктах найдены диалкилтетра- и пента-сульфиды. Разработаны научные основы получения пищевых ароматизаторов по реакции Майара.
Практическая значимость. Сформирована база данных, включающая
экспериментальные и рассчитанные величины индексов удерживания более 600 серо- и кислородсодержащих соединений на колонках ' разной полярности, масс- и Ж спектры этих соединений в газовой фазе при йООС, являющаяся основой для анализа и идентификации летучих соединений в сложных смесях различного происхождения.
Разработанный метод идентификации использован для изучения состава летучих компонентов натуральных пищевых продуктов и для изучения путей образования ключевых соединений в запахе термически обработанных продуктов на модельных системах. Разработаны научные основы получения пищевых ароматизаторов с мясным и крабовым запахом, с запахом какао-продуктов. Исследованы и установлены различия в запахе приготовленной говядины и курицы, найдены условия проведения реакции и необходимые предшественники для получения зтих ароматизаторов, изучены условия получения, хранения и стабилизации разных форм мясных ароматизаторов и ароматизаторов-для мясных продуктов с применением эфирных масел, полученных из отечественных пряно-ароматических растений. Разработано 12 вариантов мясных и комплексных ароматизаторов, разрешенных Минздравом РФ для применения в пищевой промышленности и защищенных Авторскими свидетельствами. Выпущены опытные партий и определена эффективность ароматизаторов в продуктах с мясным и крабовым запахом. Показана эффективность газо-хроматографического метода анализа летучих веществ для изучения процессов созревания, хранения и способов технологической обработки на примере исследования компонентов запаха лука, жидких и сухих форм мясных ароматизаторов.
Разработанные методы анализа используются отраслевыми институтами для изучения реакций образования ключевых соединений в ходе реакции Майара, для исследования влияния состава исходного сырья, пищевых добавок и технологических режимов на качество получаемых пищевых продуктов и ароматизаторов (ВНИИМП, Академия биотехнологии, ВНШПП и СПТ, ТИНРО, АтлантНИРО, ФХИ Украины, УкрНИИММП).
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на I, V и VI Всесоюзных конференциях по аналитической химии органических соединений (Москва, 1976, 1984 и 1991), на Международном симпозиуме Применение хроматографии для анализа окружающей среды (Самарканд, 1976), на 14-ом Международном симпозиуме "Достижения в хроматографии" (Лозанна, Швейцария,1979), Международном симпозиуме "Исследование запаха - концепции и методы"(Рид-жина, Польша, 1981), V Дунайском международном симпозиуме по 4
хроматографии (Ялта,1985), І, II и III Всесоюзных конференциях "Разработка процессов получения комбинированных продуктов питания" (Москва, 1982. 1984 и 1988), I, II, III и IV Международных Вартбургских симпозиумах по исследованию запаха ( Эйзенах, Германия, 1978, 1987, 1991 и 1994), Всесоюзном совещании "Синтез и применение пищевых добавок"'(Могилев, 1985), Всесоюзной конференции "Химия запаха пищи" (Каунас, 1987), Всесоюзной конференции "Химия пищевых добавок" (Черновцы,1989), 18-ом Международном симпозиуме по хроматографии (Амстердам, Голландия, 1990), 11-ом и 15-ом Международных симпозиумах "Капиллярная хроматография" (Мон-терей, США, 1990; Рива дель Гарда, Италия, 1993), 8-ом Международном симпозиуме "Наука и технология пищи" (Торонто,Канада, 1991), 7-ом Международном Вермановском симпозиуме "Исследование запаха" (Голландия,1993).
По теме диссертации опубликовано 69 статей и тезисы 27 докладов.