Закономерности сорбции серо- и кислородсодержащих соединений в хроматографии и их применение для идентификации летучих органических веществ тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.20 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПИЩЕВЫХ ВЕЩЕСТВ

РГБ ОА

1 О АИР 1995

На правах рукописи УДК 543.544.25:547.72/53

МИШАРИНА ТАМАРА АРСЕНЬЕВНА

ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОРБЦИИ СЕРО- М КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИИ В ХРОМАТОГРАФИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЛЕТУЧИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Специальность 02.00.20 — хроматография

Диссертация

на соискание ученой степени доктора химических наук в форрле научного доклада

МОСКВА 1995

Работа выполнена в лаборатории химии запаха и вкуса Института злементоорганических соединений РАН и в лаборатории анализа и моделирования запаха а вкуса Института пищевых веществ РАН

Официальные оппоненты

доктор химических наук, профессор Руденко Б.А. доктор химических наук, профессор Терентьев П.Б. доктор химических наук, профессор Некрасов Ю.С.

Ведущая организация: Институт злементоорганических соединений Российской Академии Наук

Защита состоится апреля 1995 т. в 14 ч. 30 мин. на заседании Специализированного Совета Д.002.95.02 Института Физической химии РАН по адресу: 117915, Москва, Ленинский проспект, 31.

С диссертацией в форме научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Института физической химии РАН.

Диссертация в форме научного доклада разослана уи~ /''<- 1995 г. Ученый секретарь Специализированного Совета

кандидат химических наук

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 развитии органолептического, газохрома-тографического и хромато-масс-спектрометрического методов анализа.

Для идентификации веществ наряду с масс-спектрами широко используются параметры удерживания, получаемые в процессе хроматог-рафич&ского 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. Сложн'ее осуществлять идентификацию веществ, формирующих запах продуктов, подвергнутых ферментативной или термической обработке, так как их концентра_4 р

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-

1

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

¡сильные 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 неаадитивкого увеличения параметров сорбции дизамещенных фуранов и тиофенов является взаимное влияние заместителей. В рядах гетероциклических и ароматических соединений установлено увеличение сорбционных вкладов а-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 различными 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'бциониых 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 йОО°С, 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 обработку 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, ТЙНРО, АтлантНИРО, ФХИ Украины, УкрНШММП).

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), I, 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. Объекты исследования.

Синтезированы и изучено поведение 26 алифатических меркаптанов, 7 димеркаптанов, 130 диалкилсульфидов, 83 диалкилди-, три-, тетра- и пентасульфидов, 87 а,оо-ди (алкилтио)алканов, 50 пяти- и шестичленных гетероциклов с двумя гетероатомами (сера и кислород), 48 тиофенов и фуранов с алкильными. сульфидными и карбонильными заместителями. Закономерности газохроматографического поведения вышеперечисленных соединений изучены на наполненных колонках с неподвижными фазами разной полярности: апиезон М (Ар М), OV-17, 0V-210, Тритон Х- 305 и ПЭГ- 1000, на стеклянных и кварцевых капиллярных колонках SPB-1, SE-30, 07-101, SE-52., 07-17, SP-2300 и CW 20М в изотермических условиях и при программировании температуры анализа. Определены масс- и Ж-спектральные характеристики изученных соединений, которые наряду с экспериментальными, рассчитанными и литературными величинами индексов удерживания, установленными структурно-сорбционными закономерностями введены в банки данных для идентификации серо- и кислородсодержащих соединений в различных объектах.

1.1. Изучение сорбциокных свойств в гомологических рядах

серосодержащих соединений в в псевдогомологичесгац рядах диалкилполисульфидов.

Из массива изученных алифатических и. гетероциклических соединений было выдел&но 52 гомологических ряда: алифатических меркаптанов, диалкилсульфидов, диалкилдисульфидов, дитиоацеталей, . а,икии(алкилтио)алканов, н-алкил-2- и 3- тйенилсульфидов, н-ал-килфурфурилсульфидов', 2-н-алкил-1,3-диоксоланов, 2-н-алкил-1,3-оксатиоланов и 2-н-алкил-1,3-дитиоланов.

Изучение термодинамики сорбции органических соединений • показало," что энергетические вклады метиленовых звеньев ДССС^) в гомологических рядах не одинаковы. Расчет величин Л0(СН2) проведен из исправленных времен удерживания двух соседних гомологов ^ и 1И_) по формуле:

ла(сн2)=-иг ш (1)

1 2 3 4 5 6 ГО ' 1 2 3 4 5 т Рисунок. 1. Изменение свободной энергии сорбции -ЛС(СН2) в гомологических рядах серосодержащих соединений:

а) КеЗ!^ — , ЕгБР^-х-, РгБКд-о-, РгБ^-л-, КеБСН^-о- (Ар М,130°С) <5Кдрциклопентаны -о-, 1^-1,3-диоксоланы -х-, 1^-1,3-окса-тиоланы -д-, 1^-1,3-дитиоланы -о-, Вщ-фурфурилсульфиды -©-, 1^-2-тиенилсульфиды Ещ-З-тиенилсульфиды -О- (БЕ 30,120°С).

Величины 61(СН2) и да(СН2) в гомологических рядах зависят от длины н-алкильного заместителя и от строения неизменяемого остатка мо-6

лекулы. В рядах алифатических соединений величины АО (СИ,-,) монотонно увеличиваются с ростом углеводородной цепи, приближаясь для высших гомологов к постоянной величине (рис.1). Аналогичная зависимость существует в гомологических рядах тиенил- и фурфурилалкилсульфидов (рис.2). Для этих гомологических рядов нами предложено корреляционное уравнение общего вида:

Г = А + В га + С/га (2)

где А,В и С - константы для данного ряда, неподвижной фазы и температуры анализа, ш ~ число атомов углерода в н-алкиле гомолога.

Экспериментальная проверка показала, что ур.2 позволяет с точностью до 1-2 е.и. рассчитывать индексы удерживания любого члена 38, гомологических рядов алифатических серосодержащих соединений на 4-х колонках с неподвижными фазами разной полярности. Определены константы 152 уравнений,на их основе предсказаны индексы удерживания 92 серосодержащих соединений.

В рядах гетероциклических соединений с двумя гетероатомами (се • рой и кислородом) порядок изменения величин ДО(СН?) иной (рис.й). Величина сорбционного вклада СН2 группы имеет минимум на второй СН? группе, причем вклад первого метиленового звена максимален. Аналогичная зависимость наблюдается- в рядах н-алкил замещенных циклопентана и циклогексана. Для описания таких гомологических рядов были проверены пять корреляционных уравнений, включая полином. Наибольшую точность обеспечивает применение универсального уравнения, предложенного ранее Р.В.Головней и Д.Н.Григорьевой:

1п ш I

I = а ^ (Зт + 7----- + -------------------------(3)

т (т-2)2 +0.1

где а, р, 7 и | - эмпирические коэффициенты для данного гомологического ряда, фазы и температуры анализа, ш - число метиленовых звеньев в н- алкильном заместителе.

Ур.З позволяет описать сорбционные свойства гомологических рядов практически всех классов соединений, оно применимо также для алифатических соединений наряду с ур.2. Коэффициенты ур.З определены для 52 рядов алифатических и гетероциклических соединений.

Диалкилполисульфиды с одинаковыми алкильмыми заместителями и с полисульфидной цепью разной длины являются членами псевдогомологического ряда. Расчет структурно-сорбционных инкрементов атома серы 01(3) для 9 псевдогомологических рядов с метильными, этильными, пропильными, аллильными и пропенильными заместителями показал, что

7

величины 61(Б) не одинаковы в рядах, зависят от числа атомов серы и структуры алкильных заместителей. Они максимальны для диметилполи сульфидов и уменьшаются с увеличением длины алкильного заместителя (рис.3). В каждом из рядов величина 61(Б) максимальна для пары тет-ра- и трисульфидов. С лучшей точностью (до 1 е.и.) псевдогомологические ряды полисульфидов описываются ур.З, которое учитывает неравнозначность вкладов повторявшихся фрагментов - атомов серы. Аналогичным образом изменяются величины 61(5) в режиме программирована температуры анализа. Установленные закономерности явились основой для идентификации диалкшггетра- и пентасульфидов в компонентах запаха лука, впервые обнаруженных в пищевых продуктах.

Рисунок 3. Изменение инкрементов атомов серы в псевдогомологических рядах диалшшюлисульфидов: МеБщКе -о-, ИеБшЕЪ -х-, МеБт?г -Д-. МеБ^И -Д-, ЕЬБ^ -а-. (0У-101, 130°С).

Полученные для ур.З величины коэффициентов внесены в банк данных для ГХ-ЭВМ идентификации. Разработанный алгоритм использует для идентификации экспериментальные и рассчитанные по ур.З величины индексов удерживания.

1.2. Влияние строения алкильных заместителей на параметры сорбции серосодержащих соединение.

В основе большинства методов структурного анализа лежат эмпирически установленные закономерности, получаемые в результате обработки экспериментальных данных. Применение величин индексов удерживания для характеристики сорбции позволяет описать соединения в терминах термодинамики, так как их значения прямо пропорциональны 8

свободной энергии сорбции веществ. Сравнение параметров сорбции для двух веществ количественно отражает специфику взаимодействия с неподвижной фазой структурных фрагментов, различающих эти вещества. Определение структурных инкрементов индексов удерживания для изомерных диалкилзамещенных серо- и кислородсодержащих соединений позволило количественно оценить влияние строения алкильных заместителей на параметры сорбции, предложить корреляционные уравнения и использовать их при идентификации.

Сопоставление энергии сорбции метамерных сульфидов, дисульфидов и а,ш-ди(алкилтио)алканов показало, что сорбционные вклады атомов серы AG(S) (а также фактор гомоморфности) различаются в ряду метамеров. Простые аддитивные схемы в этом случае не могут быть использованы.

Изучение термодинамики сорбции изомерных соединений, различающихся структурой только одного заместителя (н- или изо-строения) показало, что сорбционные инкременты изо-структур (<51н_изо и <3(Дй)н_изо) практически постоянны для каждого заместителя внутри гомологических рядов, а величины 0(ЛЗ)н_изо на Ар М и 07-17 близки (табл.1). Постоянство величин б1н_идо и 6(AG)H_/30 позволяет проводить расчет индексов удерживания изо-алкилзамещенных'соединений, используя индекс удерживания аналогичного соединения с н-алкильным заместителем и величины еГн_изо. Инкременты 61Н_И30 Для алкильных заместителей с 3,4 и 5 атомами углерода определены нами для разных классов соединений и приведены в табл. 2. Значения 61Н_И30 минимальны для пятичленных гетероциклических соединений, одинаковы для дитиоформалей, диалкил-, алкилфурфурил-, алкил- 2-тиенилсульфидов, простых эфиров и максимальны для пропиловых зфиров тиокарбоновых кислот и 3-тиенилсульфидов. Величины °1н_изо максимальны для трет-бутила и трет-пентила. В ряду изо-пропил, 'изо-бутил и изо-пентил величины 51н_изо уменьшаются. Таким.образом, чем разветвленнее за-' меститель и чем ближе разветвление к гетероатому, тем меньше удерживание серосодержащего соединения. Величины 5ГНИ30 для каждого типа заместителя близки на всех наполненных и капиллярных колонках .с неполярными фазами. Более того, величины 51н_1130 практически не зависят от температуры анализа, они сохраняют свои значения в условиях программирования температуры анализа. На полярных неподвижных фазах величины ^1н_из0 больше, чем на неполярных, однако их энергетический эквивалент б(ДС)н_Ш0 практически одинаков на всех изученных неподвижных фазах. Так, величина 51 для н-пентил и

Таблица 1. Величины <31н_изо и о(да)н_и30 для изомерных сульфидов, Лр М, 130°С.

П-1Ц ко." изо-1т изо-Си втор-Ви трет-Ви изо~1Ч трет-РЬ

Этил- Пропил- Бутил- Средние 61Н_Ж 48 43 43 101 38 79 49 44 44 103 39 83 49 44 47 105 39 87 ю 49 44 45 1 03 39 83

кдж/моль Ар 0,93 0,84 0,87 2,00 0,74 1,60 0,99 0,98 1,02 2,07 0,80 1,75

ОУ-17

Таблица 2. Величины 61н И30 для разных классов соединений на двух колонках разной полярности.'

Класс Неподвиж. б1н-изо

соединений фаза изо-Рг изо-Ви втор -Ви трет-Ви изо-Рг трет-14

сульфиды, прос- Ар М 49 44 46 105 39 84

тые эфиры ОУ-1,7 54 53 55 112 43 95

Дисульфиды Ар М 42 46 40 97 40 78

ОУ-17 47 55 48 110 45 91

Тиофор- Ар М 49 44 48 85 - -

мали ОУ-17 57 53 54 95 - -

Фурфурил,2-тие - 0У-101 45 .42 44 - 40 -

нилсульфиды ОУ-17 58 52 54 - 44 -

Эфиры Ар М- 55 41 55 116 - -

тиокислот ОУ-17 66 45 61 136 - -

З-Тиенил- 0У-101 56 47 49 - 41 -

сульфиды ОУ-17 77 54 55 - 46 -

1,3-Диок- 0У-101 35 36 34 - - -

соланы ОУ-17 47 45 42 - - -

1,3-0ксо- 0У-101 35 41 30 - -

тиоланы ОУ-17 48 47 39 - - -

1,3-Дитио- 0У-101 25 45 32 - - -

ланы ОУ-17 37 41 28 - - -

трет-пентилзэмещенных сульфидов на Ар М равна 87 е.и., на ПЭГ-1000 110 е.и., соответствующие величины е(ДЗ)н_изо составляют -1,81 и -1,79 кДж/моль. Это свидетельствует об отсутствии специфических взаимодействий изо-алифатических заместителей с полярными неподвижными фазами, а также об отсутствии влияния атома серы на изо-структурные инкременты. В* таком случае можно использовать схему Эванса и Смита: индексы удерживания несимметричных соединений равны полусумме индексов удерживания соответствующих симметричных соединений.

^XBg = °'5 [ ^XR, + ] (4)

Экспериментальная проверка на примере 120 алифатических соединений показала, что схема (4) позволяет с достаточной для идентификации точностью (3 4 е.и.) рассчитывать индексы удерживания, несимметричных moho-, ди- и трисулъфидов, тиоформалей, а*,ш-(диалкилтио)-алканов, простых' эфиров. Исключение составляют соединения с метиль-ной, трет- бутильной и трет-пентильной группами. Для первых рассчитанные значения были больше экспериментальных на 10-59 е.и., для вторых и третьих - меньше на 6-9 е.и. В этом случае расчет индексов удерживания осуществлялся с использованием инкрементов. е1н~изо (табл.2) по схеме:

1 изo-R = 1 н-R ~ 61 н-изо <5)

Найденные закономерности справедливы и для других классов веществ: простых и сложных эфиров, аминов, альдегидов, кетонов, гетероциклических соединений с алкильными заместителями в боковой цепи. Схема (5) и величины 81н_и , приведенные в табл.2, были использованы нами для расчета индексов удерживания различных изо-алкилзамещенных серосодержащих соединений, производных тиофена и фурана, гетероциклических соединений с одним, двумя и тремя гетеро-атомами (кислород, сера), расчетные величины использованы при расшифровке- летучих компонентов.в различных образцах.

Аналогичный подход был использован для оценки влияния ненасыщенности заместителей на параметры сорбции. Мы попарно сопоставили индексы удерживания этилзамещенных. соединений с винилзамещенными, пропил - с аллил, 2- пропенил и 1- пропинил (пропаргил) замещенными, 2-метилпропил с 2-метил-1-пропенил (2-метилаллил) замещенными.

81н-ненас. = V-R ~ •'-ненас-И ^

ЗДО)

н-ненас.

= -«Г 111 ^н-^'ненас-Н

(7)

Величины б1н_ненас и б(ЛС)н_нензс практически постоянны для нормальных и разветвленных сульфидов, дитиоформэлей и зфиров. В табл. 3 приведены усредненные величины 01н_ненас (по 4-10 значениям) и их энергетические эквиваленты с(лс)н-ненас для кажД°й пары заместителей . В расчете не использовали метил, грет-бутил и трет-пентилалкенилсульфиды, для которых отклонения от средних

значений 51

н-ненас.

превышали 8 е.и.

Таблица 3. Величины б1н_ненас и ^^и-ненас для Разных классо-в серосодержащих соединений на колонках разной полярности.

^н-ненас. - е^н-ненас.13°С

Ненасыщенный 07-101(к) 07-17 (н,к) кДж/моль

заместитель 130°С ГХПТ 130°С ГХПТ 07-101 ОУ-17

Винил Аллил Пропаргил 2-Метилаллил

2 13 11 8

1

14 8

9 2 -58 23

22

-0,02 -0,17

-0,25 -0,04

-0,21 1,07

-0,15 -0,43

(в сульфидах, ди-,три-,тетра- и пентасульфидах, тиоформалях)

Транс-пропенил -8 Цис-пропенил 0

(в дисульфидах) Транс-пропенил -14 Цис-пропенил -5

-8 -1

-14 -7

-16 -7

-16 -10

-17 -10

-17 -8

0,15 0,00

0,27 0,09

0,30 0.13

0,30 0,18

(в три- и тетрасульфидах)

з

Примечание, н - наполненная, к - капиллярная колонки, ГХПТ

• программирование температуры.

В отличие от изо-алифатических заместителей, величина сорбцион-ного вклада двойной и тройной связи зависит от удаленности гетеро-атома и полярности неподвижной фазы. Винил-, аллил- и 2-метилаллилзамещенные соединения удерживаются меньше, чем насыщенные на иеполярных и среднеполярных колонках (Ар М, 07-101 и ОУ-17). На полярной неподвижной фазе удерживание ненасыщенных соединений боль-

те. чем насыщенных. Так, вклад тройной связи в пропаргилсулъфндах на ОУ-17 составляет 1,07 кДж/моль, а на ПЭГ 4,18 кДж/моль, что эквивалентно введению еще одной функциональной группы, например, атома серы. Причиной может быть образование водородной связи мевду водородом пропаргилсульфида и кислородом ПЭГ, что подтвердил Ш спектр смеси пропилпропаргилсульфида с модельным соединением диме-тиловым эфиром дизтиленгликоля.

Удерживание 1-пропенилзамещенных соединений, в которых двойная связь находится в а-положении к атомам серы, зависит от конфигурации пропенила (цис~ или транс-), второго алкильного 'заместителя и. от числа атомов серы в молекуле (табл.З). Величины б1н_ненас. практически постоянны при разных температурных режимах анализа и были использованы для расчета индексов удерживания 86 ненасыщенных соединений различных классов. Экспериментальная проверка показала, что точность расчета составляла 2-4 е.и., расчетные величины были использованы при идентификации компонентов запаха пищевых продуктов.

1.3. Изучение влияния структуры и положения заместителей на сорбциошше характеристики серо- и кислородсодержащих гетероциклических соединений.

Гетероциклические соединения с различными заместителями играют важнейшую роль в запахе многих пищевых продуктов. Возможность позиционной и структурной изомерии в гетероциклах затрудняет их идентификацию, так как часто масс-спектры изомбров одинаковы, или малоинформативны, как, например, в случае 2-алкил-1,3-диоксоланов. Масс-спектры этих соединений практически одинаковы, независимо от длины алкила они имеют молекулярные ионы крайне малой интенсивности (0-2%), самими интенсивными являются ионы с ш/й=73 (или т/а=87 для 4-метил-2-алкил-1,3-диоксоланов) , образующиеся при отщеплении алкильного заместителя. Масс-спектральная идентификация изомерных замещенных тиофенов и фуранов также затруднена, т.к. масс-спектры а- и р-изомеров практически одинаковы. Современная капиллярная хроматография позволяет разделить структурные изомеры гетероциклических соединений и получить для них стабильные, и воспроизводимые характеристики, отражающие структуру каждого вещества, однако получение экспериментальных величин индексов удерживания всех изомеров требует проведения сложных синтезов большого числа соединений-стандартов. В результате проведенного нами изучения термодинамики сорбции замещенных гетероциклов установлены закономерности, позво-

13

лягацие предсказать их сорСционные характеристики и существенно расширить базы данных для идентификации компонентов запаха.

Для количественной оценки влияния положения заместителей, их структуры и числа на удерживание циклических соединений мы рассчи-, тали вклады различных заместителей в величины индексов удерживания, свободной мольной энергии, энтальпии и энтропии сорбции алкилза-мещенных пяти- и шестичленных серо- и кислородсодержащих насыщенных циклов, тиофеиов и фураиов с алкильными, формальными, ацетильными, меркапто- и сульфидными заместителями. В качестве исходных веществ использовали соответствующие незамещенные циклы.

Таблица 4. Вклады заместителей в величины индексов удерживания гетероциклических соединений на капиллярных колонках разной полярности.

Класс соединений Заместитель Вклад в индекс удерживания

SE-30 SE-52 OV-17

1,3 Диоксоланы Ме0 31 27 6

Ме0,0 38 31 6

^0,0 138 134 105

^0,0 237 235 205

^0,0 337 235 307

1,3-0ксатиолани MeS,0 34 30 7

EtS,0 134 131 102

- ^s.o 231 228 201

^s.o 332 329 302

1,3-Дитиоланы Mes 34 29 22

MeS,S 18 12 -5

%,s 122 110 90

^s.s 210 205 186

B^.s 310 303 280

Тиолан Mes 36. 1 31

Mes- 31 14

1,2-Дитианы Mes 44 - 29

1;3-Дитианы Mes 39 - 20

MeS,S 14 - -1

1,4-Дитизны Mes 44 - 28

1,4-0ксатианы Mes 44 — 25

Для пяти- и шсстичленных насыщенных гетероцишюв введем следующие обозначения: Alk Q 0, Alk s q и Alk s s - алкилыше заместители, находящиеся между двумя гетероатомами; Meg или Ме0 • мг-тильная группа рядом с одним из гетероатомов.

Установлено, что наличие гетероатома является важнейшим фактором, определяющим сорбционные характеристики замещенных гртероци)<-лов. Так, вклад метильной группы в индексы удерживания изученных гетероциклических соединений в 1,3-4 раза меньше, чем в-метилцикло-пентане и метилциклогексане и составляет только 14-38 е.и. в зависимости от ее положения-в цикле и от природы гетероатома. На полярных неподвижных фазах вклады метильных групп меньше. Так, величина 6l(Me)0 на 07-17 в 4-5 раз меньше, чем на SE-30. Для 1,3-дитиоланов на 0V-17 сорбционный вклад метильной группы настолько мал, что наблюдается инверсия порядка злюирования веществ: индексы удерживания 2-метил- и 2,4-диметшЫ,3-дитиоланов меньше, чем незамещенного 1,3-дитиолана. Аналогичное поведение отмечено для метил~ дитианов.

Алкильные заместители, как и метильная группа, изменяют сорбционные характеристики гетероциклов в зависимости от природы гетероатома. Величины Ol(Alk) близки в замещенных 1,3-диоксоланах и 1,3-оксатиоланах, для 1,3-дитиоланов они на 12-20 е.и. меньше. Величины öI(Alk) меньше теоретически возможных (равных 100 п, где п -число атомов углерода в алкильной группе), однако гомологическая разница составляет около 100 е.и., величины AG(CH2) близки соответствующим величинам в н-алканах. Таким образом, дефицит вклада алкильных заместителей с п>2 обусловлен первым членом ряда, а именно, метильной группой, вклад которой составляет всего 0,35-0,73 кДж/моль в зависимости от природы гетероатома. Поэтому изученные метилзамещенные гетероциклы можно рассматривать как отдельные.сорб -ционные молекулы, имеющие сложное внутримолекулярное взаимное влияние гетероатомов и метильных групп. Об этом свидетельствуют данные по расчету энтальпийной и энтропийной составляющих алкильных заместителей в общую энергию сорбции серо- и кислородсодержащих пятичленных циклов (табл.5).

Так, вклады метильной группы в энергий сорбции 1,3-диоксолано& в 2 раза, в знтальпийную составлявшую в 6 раз, а в энтропийную в 46 раз больше, чем для 1,3-дитиоланов. Эти различия уменьшаются по .мере роста длины заместителя. По-видимому, введение метильной группы в диоксолан приводит к более драматическому "изменению кон-

15

формации, чем введение той же группы в дитиолан. Последующий рост длины алкильного заместителя не изменяет конформацию цикла. Полученные данные позволили предсказать индексы удерживания алкилзаме-щенных соединений ряда оксолан-3-она и тиолан-3-она и идентифицировать их в компонентах запаха мясных ароматизаторов.

Таблица 5. Вклады алкильных заместителей в общую и энтальпийную и энтропийную составляющие энергии сорбции 1,3-диоксоланов, 1,3-оксатиоланов и 1,3-дитиоланов ( 5Е-30).

2-Алкил - лет), 130° - ¿Н(Ю - ДБ(Ю

в цикле кДж/моль кДж/моль Дж/моль град

4-Метил-2-алкил-1,3-диоксоланы

-Метил 0,73 2,58 4,6

-Этил 2,79 8,14 13,3

-Пропил 4,69 12,89 , 20,4

-Бутил 6,50 16,66 25,2 2-Алккл-1,3-оксатиоланы

-Метил 0,65 1,58 2,3

-Этил 2,51 5,50 7,4

-Пропил 4,28 9,44 12,8

-Бутил 6,10 13,23 17,7 2-Алкил-1,3-дитиоланы

-Метил 0,37 0,50 0,3

-Этил 2,14 ' 4,48 5,8

-Пропил 3,83 8,79 12,3

-Бутил 5,59 12,04 16,0 4-Метил-2-алкил~1,3-дитиоланы

-Метил 0,35 0,39 0,1

-Этил 1,64 4,38 6,8

-Пропил 3,74 8,62 12,1

-Бутил 5,59 .. 12,69 17,6

Вклады метильных, формильных, ацетильных, меркапто и сульфитных групп в величины индексов удерживания замещенных тиофенов и фура-нов приведены в табл.6. Заместители обозначены а- и р- в зависимости от их положения в цикле, для дизамещенных второй заместитель 16

обозначен символами а'- и р'-, в скобках указан второй заместитель (табл.6). В отличие от диоксоланов и дитиоланов гетероатомы оказывают меньшее влияние на энергию сорбции замещенных фуранов и тио-фенов. Обнаружено, что доминирующими факторами в сорбционном поведении этих соединений являются положение заместителей в цикле, наличие и структура других заместителей, полярность неподвижных фаз.

Рассмотрим влияние положения заместителей в цикле на параметры сорбции монозаиещенных соединений. В отличие от газо-адсорбционной хроматографии на графитировааных сажах, где изомеры метилфуранз не разделяются, а а-метилтиофен элюируется позже, чем р-изомер, в газожидкостной хроматографии на неполярных и полярных неподвижных фазах р-метилтиофен и р-метилфуран удерживаются дольше, чем' а-изомеры, причем вклад СН3 группы - в индекс удерживания (3-метилтиофена равен таковому в метилбензоле. Кислород оказывает большее влияние на сорбционный вклад СН3 группы, чем сера, так как разница в индексах удерживания а- и р- метилфуранов больше, чем мевду такими же изомерами тиофена. Поведение а- и' р- тиофентиолов и алкилтиенилсульфидов аналогично поведению а- и р-метилтиофенов. На полярных неподвижных фазах 07-210 и 5Р-2300 вклад СН3 группы в индексах удерживания больше, чем на неполярных и. составляет 124128 е.и. Однако вклад метильной группы в энергию сорбции замещенных фуранов и тиофенов на полярных неподвижных фазах меньше, чем на неполярных (Табл.6). ;

В противоположность фуранам и тиофенам с метильными, меркапто-и сульфидными заместителями, а-формил- и а-ацетшггиофены удерживаются больше, чем р-замещенные изомеры, причем разница в индексах удерживания а- и р-изомеров увеличивается с ростом полярности неподвижных фаз (таОл.6). Это отличает формил- и ацетилзамещенные тиофены от других гетероциклов, например ацетилпиразина, в котором вклад ацетильной группы почти на 100 е.и. меньше. Таким образом, мы имеем два типа а-эффектов для карбонилсодержащих заместителей: неаддитивное уменьшение вкладов а-групп в азотсодержащих соединениях, назовем его "отрицательным" а-зффектом, и увеличение вклада той же а-группы в тиофенах - "положительный" а-зффект. Вклады фор-мильного и ацетильного заместителей в-р-замещенных тиофенах равны таковым в бензальдегиде и ацетофеноне. Это позволяет рассматривать заместители в (З-положенш тиофена как изолированные, не испытывающие влияния гетероатома группы. Взаимное влияние гетероатомов и а-заместителей приводит к увеличению сорбционных вкладов послед-

П

Таблица 6. Вклады различных заместителей в величины индексов удерживания и мольной свободной энергии сорбции замещенных фуранов и тиофенов на фазах разной поляркости.

Соединение Заместитель, 61 -<5(да),кДк/маль

его положение 07-101. СУ-17 0У-210 ОУ-101 0У-17 0У-210

Фураны

2-Метил а-СНд 93 101 111 1 ,77 1 ,87 1 ,31

З-Метил р-сн'з 113 110 109 2,13 2,03 1 ,28

2,5-Диметил а-СКд(а'СН3) 102 100 109 1 ,94 1,85 1 ,28

^ _ у р - ^ 7 - -фэ о У% 1, а-С.Ч^Са'СНС) 1 О Л 128 165 2.14 2,36 1,94

З-Метйл-2-формил, |3-СНд(а-СН0). 128 123 160 2,41 2,36. 1,88'

З-Метил-5-ацетил, а-СНз(а'-СОСН3 123 - 149 2,31 - 1,76

2-Формид а-СНО 306 439 584 5,75 8,12 6,80

2-Метил-5-форкил а-СНО(а'-СНд) 341 464 633 6,41 8,58 7,50

2-Ацетил а-С0СН3 387 503 663 7,27 9,28 7,80

2-Метил-5-а цети. а-СОСН,3(а'-СНп 415 - 704 ■ 7,80 - 8,28

2-Формил-5-ацетил,а-СНО(а1-С0СН3) 232 - - 4,45 - -

2-Формил-5-ацетил,а-С0СНг, (а* -СНО) 313 - - 5,86 - -

2-СНоЗН а-СН2БН 398 477 - 7,43 8,81 -

2-СН.?БСН3 а-СН.,5СКо ^ о 434 571 - 9,09 10,65 -

Тиофены

2-Метил а-С% 102 101 104 1 ,95 1,86 1,22

З-Метил р-'ЛЦ 107 108 124 2,02 1 ,99 1,46

2,5-Диметил а-СНз(а'СН3) 93 89 112 1 ,78 1 ,64 1,32

2-Ме тил-5-формил а-СН3(а'СН0) 114 119 141 2,14 2,20 1 ,65

ЗтМетил-2-форсил. 6-СН3(а-СНО) 117 125 139 2,20 2.31 1 ,63

2-Формид а-СНО 305 416 552 5,73 7,60 6,48

3-4 ормил р-сно 292 407 523 5,48 7,52 6,09

2 -Ме т ил -5-ч.орми.я а-СНО(а'-СНо) 313 434 589 5,96 8,03 6,90

З-Мотил -2-форм'-и; а-СНО (З-сНгЛ 315 429 567 5,91 7,93 6,61

а-СССЬ'з 392 504 662 7,34 9,32 7,72

З-Аце-тил р-осскз 384 495 7,20 8,60 7,47

2-зн а-с'Н 262 - 4,91 5,97 -

2-бсн3 356 425 - 6,68 7,85 -

з-бн " а-БН " 233 368 - 5,30 6,80 -

З-БСНо З-БСНо 1 337 482 - 7,27 8,91 -

них. Об этом свидетельствует сопоставление Ж спектров а- и р- фор-милтиофенов и а- и р-ацетилтиофенов, которые были получены нами в газовой фазе методом ГХ-ИК Фурье спектроскопии. Отмечены сдвиги характеристичных полос поглощения тиофенового кольца и карбонильных групп, более значительные для а-замещенных изомеров. Сопряжение связей кольца тиофена с а-карбонильными группами заместителя объясняет увеличение межмолекулярного взаимодействия а-замещенных изомеров с 'неподвижными фазами по сравнению с р-изомерами.

Введение второй метальной группы в а'-положение фурана или тиофена приводит к неаддитивному увеличению индексов удерживания - на 102 е.и. и 96 е.и., соответственно (на неполярных неподвижных фазах). Если метилфуран или метилтиофен имеет вторым заместителем формильную или ацетильную группу, энергия сорбции возрастает также неаддитивно, причем в фуранах этот эффект значительнее. Так, ОКСНд) в 2-метил-5-формилтиофене на 12 е.и. больше, чем в 2-метил-тиофене (ЗРВ-1). В 2-метил-5-формилфуране вклад СН3 группы на 35 е.и. больше, чем в 2-метилфуране. Аналогично поведение заместителей в 2-метил-5- ацетилфуране и тиофене. На полярной неподвижной фазе 07-210 величина 51(СН3) в этих соединениях значительно больше, чем в 2- метилфуране или тиофене и достигает 141- 165 е.и., (табл.6). В 2- метил-3-формилтиофёне и фуране сорбционные вклады заместителей также больше, чем в соответствующих монозамещенных соединениях.

Таким образом, введение формильной или ацетильной группы в ме-тилзамещенные тиофен или фуран приводит к резкому неаддитивному увеличению энергии сорбции. Это необычный эффект, он противоречит общепринятому представлению об уменьшении удерживания замещенных соединений за счет "экранирования" гетероатомов заместителями в «-положении. По-видимому, неаддитивное увеличение удерживания ди-замещенных соединений можно объяснить различным распределением .электронной плотности в моно- и дизамещенных соединениях. Аналогичный эффект, хотя и менее выраженный, найден в других ароматических соединениях. Например, введение СНд группы в мета- и орто-положения бензальдегида приводит к увеличению ее вклада (по сравнению с вкладом в толуоле) на 1-2 е.и., в пара-положение - на 15 е.и. В ацетофеноне отмечена аналогичная тенденция.

Интересный результат получен для заместителей в 2-формил-5-ацетилфуране. Их вклады оказались на 73 е.и. меньше, чем в монозамещенных фуранах. В этом случае мы наблюдаем сильный "отрицатель-

19

ный" а-эффект.

Значительные различия ИК спектров (в газовой фазе) 2-метил-5~ формилтиофена и 2-формил- и 2,5-диметилтиофена также свидетельствуют о взаимном влиянии СН3 и СНО групп, приводящем к сдвигу карбонильной полосы и к изменению характеристичных частот колебаний тиофенового кольца (1215-1207-1234 см~1, 1462-1423-1450 см-1). Интенсивность этих полос в 2тметил-5-формилтиофене увеличивается по сравнению с 2-формилтиофеном. Аналогичные изменения найдены для замещенных фуранов с метильной и формильной или ацетильной группой. Различия в Ж спектрах дизамещенных соединений по сравнению с монозамещенными соединениями свидетельствуют о взаимном влиянии заместителей в изученных гетероциклах, приводящем к изменению сорбционных вкладов заместителей.

Таблица 7. Экспериментальные и рассчитанные величины индексов удерживания некоторых замещенных тиофенов и фуранов (0У-101).

Соединение ^эксп. *расч. Соединение ^ксп. 1 расч.

2,3,5-Триметилфуран 809 810 2-Метилфурантиол-З 849 852

2-н-Пропилфуран 782 781 2-Метилтиофентиол-З 1034 1036

2-н-Пропилтиофен 951 952 2-Пропаноилфуран 1078 1082

2-н-Пентилфуран 980 983 2-Прона ноилт иофе н 1252 1248

2-н-Пентилтиофен 1151 1153 2-Метил-5-ацетилтиофен 1174 1171

Таким образом, во всех ароматических и гетероциклических соединениях заместители оказывают взаимное влияние на сорбционные характеристики молекулы в целом. При расчете индексов удерживания замещенных гетероциклических соединений необходимо учитывать не только структуру заместителя, его положение в цикле, но и наличие, структуру и положение других заместителей. Величины вкладов различных заместителей, приведенные в табл.6, позволяют проводить расчет величин индексов удерживания замещенных фуранов и тиофенов, используя неравнозначность вкладов одинаковых групп в зависимости от структуры соединения, для которого проводится расчет. Для этого мы ввели ряд инкрементов, учитывающих взаимное влияние рассматриваемых заместителей. По этой схеме рассчитаны индексы удерживания 15 ди- и тризамещенных фуранов и тиофенов, экспериментальная проверка показала, что ошибки расчета не превышали 1-4 е.и. для непо-20

лярных неподвижных фаз, что достаточно для идентификации этих соединений (табл.7).

1.4. Аналогия газогроиатографического поведения серо- и кислородсодержащих соединений.

Известно, что соединения двухвалентной серы и кислорода имеют ряд общих свойств, например, близко строение молекул, ряд реакций протекают по одинаковому механизму. Проведенное исследование сорб-ционных свойств показало, что существует аналогия и в газохроматог-рафическом поведении серо- и кислородсодержащих веществ-аналогов.

Количественная оценка различий в сорбции веществ-аналогов разного строения проведена по уравнениям:

б15,0 = ТБ " Х0 <8>

а(даУ5>0 = - кг Шз'/Чд' О)

Величина б(Д05 0 характеризует, главным образом, различие, в энергии ван-дер-ваальсовых взаимодействий неподвижной фазы с атомами серы и кислорода в соединениях аналогичной структуры, включая специфику взаимодействия гетероатома с заместителями. В табл.8 приведены усредненные величины С13 0 и 0(ЛС)3 0 для различных классов Б- и О-содержащих аналогов. На неполярных неподвижных фазах величины 613 0, рассчитанные в изотермическом режиме и при программировании температуры,близки между собой. Более того, величины б15 0 для алкилтиофенов и фуранов, рассчитанные по литературным данным, близки к полученным нами. Это связано с малым по величине температурным инкрементом 51/бТ у серо- и кислородсодержащих соединений. Найденный факт имеет важное значение, т.к. позволяет использовать публикуемые величины индексов удерживания аналогов для определения вкладов различных заместителей и для предсказания сорбционных характеристик различных по структуре соединений.

Величины б15 0 максимальны для алифатических сульфидов и простых эфиров. Для сложных эфиров тиокарбоновых и карбоновых кислот С1д 0 составляет 190±10 е.и. ив этом случае нет полной аналогии. Величины 0, рассчитанные для пятичленных г'етероциклов (табл.8), можно использовать для расчета индексов удерживания шестичленных аналогов: диоксанов, оксатианов и дитианов. Экспериментальная проверка показала, что точность расчета•индексов удерживания пяти- и шестичленных гетероциклов с двумя гетероатомами, в том "числе с примене-

21

Таблица 8. Разница в величинах индексов удерживания и свободной мольной энергии сорбции серо- и кислородсодержащих аналогов.

Сравниваемые классы веществ

И . 5 К/, - К^ О Ко

[ £_ ( £-

Н=Н,Ме;-Н,Ме-Ви

а»

Й=Ме,СНО,СОМе,БН,БА1к,0А1К ПрЯ^НДе; Кз= СНО, СОСНд

0 -есАОд >0,130°С

оу- 101 ОУ-17 кДж/моль

130° гхпт 130° ОУ-101 ОУ-17

212 210 237 3,99 4,39

177 174 211 3,36 3,90

171 172 202 3,25 3,74

152 154 180 2,86 3,32

Таблица 9. Индексы удерживания-изомерных гетероциклов.

Соединение Индекс удерживания

07-101 07-17

2,4-ДиметшЫ ,3-дитиолан 1032 1211

2-Этил-1,3-дитиолан 1095 1285

4,5-Диметил- 1,3-дитиолан 1090 1175

4-Метал-1,3-дитиан 1131 -

2-Метил-1,3-дитиан 1106 1330

2-Метил-1,4-дитиан 1100 1306

нием литературных данных, составляет до 4 е.и. на 0У-101 и ОУ-17, что вполне достаточно для идентификации соединений. Например, величины индексов удерживания изомеров с двумя атомами серы, молекулярной массой 132 и близкими масс-спектрами существенно различаются (табл.9) и соединения могут быть надежно идентифицированы путем проведения анализа на 2-3-х колонках разной полярности.

По величинам 613 0 аналоги тиофена и фурана делятся на две группы: в первую входят монозамещенные и метилмеркаптозамещенные, для них значения 013 0 лежат в пределах 168-175 е.и.(0У-101). Ко второй группе следует отнести соединения с двумя заместителями, для них 013 0 меньше и составляют 151-154 е.и. Такие же величины С1д 0 имеют ди- и триалкилзамещенные тиазолы и оксазолы (Голоаня Р.В., Шендерюк В.В..Журавлева И.Л.,1991). Проверка показала, что применение установленных инкрементов б15 0 (табл.8) позволяет рассчитывать с точностью до 2-5 е.и. индексы удерживания замещенных аналогов тиофена и фурана, используя также литературные данные по величинам индексов удерживания. Такой расчет был проведен для веществ-аналогов ряда тиофена и фурана с алкильными, алканоильными, меркап-то и .сульфидными заместителями. Получены индексы удерживания 35 неизученных соединений, в том числе тех, которые не относятся к гомологическим рядам и труднодоступны. Хорошее совпадение индексов удерживания, рассчитанных разными способами, позволяет использовать полученные величины для идентификации.

Результаты проведенного исследования позволяют считать предложенные способы расчета индексов удерживания серо- и кислородсодержащих соединений достаточно надежными. Применение установленных в работе закономерностей и схем позволило рассчитать величины индексов удерживания 220 серо- и кислородсодержащих соединений, которые в совокупности с экспериментальными величинами индексов удерживания, масс- и Ж спектральными характеристиками веществ являются основой для их идентификации в различных объектах.

II. Идентификация летучих веществ в натуральных продуктах и модельных реакциях, продуцирующих запах пищевых продуктов.

В результате многолетних исследований разработан общий подход к решению проблемы изучения компонентов запаха натуральных пищевых продуктов и получения пищевых ароматизаторов.. Он включает следующие этапы:

1. Получение концентратов летучих веществ, имеющих запах, идентичный запаху исследуемого пищевого продукта.

?,. Получение сорбционных, спектральных и органолептических характеристик компонентов концентратов летучих веществ, их идентификация на основе баз данных аналогичных характеристик для веществ-стандартов.

3. Определение соединений, формирующих, запах продукта, установление их структуры. Определение возможных предшественников аромато-образуицих соединений, установление путей образования ароматообра-зугащих соединений.

4. Разработка и изучение модельных систем из выбранных предшественников и оптимизация параметров модельных реакций, приводящих к синтезу ароматообразумцих соединений.

5. Разработка способов получения пищевых ароматизаторов, изучение свойств ароматизаторов, состава летучих соединений в них (п.1-3) и сопоставление с натуральными продуктами.

Применение такого подхода позволило нам определить соединения, формирующие запах термически обработанных продуктов (мяса, крабов, креветки, рыбы, какао), установить пути образования ключевых соединений и разработать пищевые ароматизаторы, идентичные природным.•

2.1. Идентификация летучих компонентов в, продуктах реакции Майара, продуцирующей мясной запах, и в мясных ароматизаторах.

Гззохроматографический и хромато-масс-спектрометрический анализ показал, что концентраты летучих веществ натуральных мясных продуктов представляют собой сложные смеси, содержащие до 300 соединений различных классов. Аромат этих продуктов формируют серосодержащие производные тиофеиа и фурана, которые являются минорными компонентами в концентратах летучих веществ натуральных мясных продуктов. Эти соединения образуются в результате многочисленных реакций, протекающих при термической обработке между аминокислотами, белками, 24

углеводами, липидами и продуктами их расщепления. Важнейшими предшественниками ключевых соединений в мясном запахе являются серосодержащие аминокислоты и моноуглеводы, а также тиамин. Изучение модельных реакций позволяет определить структуру образующихся летучих соединений и установить их роль в формировании запаха, так как концентрация этих соединений в модельных реакциях на 2-4 порядка больше, чем в натуральных продуктах с аналогичным запахом.

Мы изучили серию модельных реакций между выбранными предшественниками и идентифицировали образующиеся летучие соединения, формирующие мясной аромат (табл.10). Из алифатических соединений в зависимости от состава предшественников наиболее часто образуются 2-мер-каптобунан-3-он, изомерные 2-меркаптопентан-З-он и 3-меркаптопен-. тан-2-он, метиональ, диакидди- и трисульфиды, а также альдегиды и кетоны. В реакциях с тиамином присутствуют, как правило, производные тиазола, идентификация которых проведена по их литературным величинам индексов удерживания и масс- спектрам. Большая часть веществ относится к замещенным фуранам и тиофенам, причем возможно присутствие изомерных соединений.

Для идентификации замещенных фуранов и тиофенов наряду с экспериментальными сорбционными и спектральными характеристиками веществ-стандартов мы использовали величины индексов удерживания, рассчитанные по установленным корреляционным уравнениям и схемам для 5- и 0-аналогов и замещенных гетероциклов (разделы 1.2-1.4). Установление структуры этих веществ связано с проблемой соотнесения масс-спектров для изомерных замещенных тиофенов и фуранов с алкильными, формильными, ацетильными, пропионильными, окси, алкокси, меркапто и сульфидными заместителями. В ряде случаев различные сочетания заместителей дают серии изомерных соединений, которые имеют близкие сорбционные и масс-спектральные характеристики и поэтому их идентификация затруднена. Более того, эти соединения являются ключевыми в мясном аромате и поэтому чрезвычайно важно знать их структуру. Для решения этой задачи мы использовали химическую модификацию компонентов концентрата мясного запаха. Микрометод был отработан на модельной смеси замещенных тиофенов и фуранов. Газохроматографичес-ки проверена полнота протекания реакций при получении производных, отработаны условия их проведения, определены изменения величин индексов удерживания исходных и модифицированных соединений и различия в их масс- спектрах. В результате разработана и использована

для идентификации компонентов мясного запаха схема анализа, включа-

25

Таблица 10. Летучие соединения, идентифицированные ГХ, ГХ-МС и ГХ-ИКС Фурье методами в модельных реакциях и ароматизаторах с мясным запахом.

Соединение

Образец 1 2 345678 9*

10

2,3-Бутандион 2-Вутанон

2-Метилфуран

3-Бутен-2-он З-Метилбутаналь 2-Метилбутаналь 2,3-Пентандион Пентач-2-он Пентаналь Тиазол Оксолан-З-он Диметилдисульфид 2-Метилоксолан-У-он 2-Пентеналь

2-Метилпентаналь

3-Фурантиол ** Пентанол-1 2-Метилтиофен 2-Мерка птобута н-3-он Гексаналь 2-Пропилфуран

4-Метшгтиазол Метилпиразин Фурфурол

2-Метил-4,5-дигидротиофен 2-Метилфурантиол-З ** 2,5-Диметилтиофен 2-Метил-2,3(2Н)-фура нтиол-З* Гептан~2-он

2-Меркаптопентан-З-он ** Метиональ **

3-Меркаптопентан-2-он ** Гептаналь

26

**

560 .+'++++++

-578 --_+ + + + +

580 __-.___ +

590 ____■__ +

632 -•-- + + + +

633 - -- + + -662 + + + + + + -676 -_---_ + 680 - _■-__- + 688 - + + + -- + 694 + + + + + + -720 +- + - + + + 723 + + + + + + + 735 -•----- +

746 -----_ +

754 .+ -- + + + +

760 ---- + + -

762 + + + + + + -

769 +- + + + + -

778 ______■ +

790 +

795 - + + +-- +

799 + - + + + + -

803 ++-* + + + -

826 + + + + + + -

849 + ■+ + + + + +

852 +-- + + + +

► 860 -- + + + + -

865 __---- +

870 +- + + + + -

872 ---- + + +

875 +- + + + + -

878 ----__ +

+ + - +

Фурфурилмеркаптан ** Нонан

Тиолан-З-он

2-Метилфурил-З-метилсульфид*

2-Гептеналь

Тиофентиол-3 **

2-Метилт иола н-3-он

Диметилтрисульфид

Октан-2-он

Метилфурфурилсульфид **

2-Пентилфуран Октаналь

4-Метил-5-этилтиазол

3-0ктен-2-он 2-Метилтиофентиол-З ** 2-0ктеналь 2-Ацетилтиазол 2-Метилтиолантиол-З ** 2-Ацетилтиофен 2-Метилтиолантиол-З ** 2-Аце тил-2-тиазолин Нонаналь

2-Метил-5-формилтиофен 2-Метил-З-формилтиофен 2-Ацетил-4-метилтиазол 2-Ноненаль

2-Метилфурил-З-метил-

880 + + + + + + + + + +

900 __-__- + _- +

914 + - + + + + + + + +

925 - -- + + + - + +■-

932 - -__-- + _ + +

944 + + + + + + + + + +

947 + + + + + + + + + +

949 "---- + + + + + -

966 '------ + + + +

972 - -- + + + - + + +

980 - -- -- - + + + +

983 - -- -- - + + + +

986 - + + +- - + - + +

1016 - -- -- _ + _ + +

1034 +-■+ + + + + + + +

1036 - -- -,-__ + +

1038 - + + +- - + - + +

1042 + - + + + + - + + +.

1058 + - + + + + + + + -

1060 - - + + +. + + + + +

1066 - + + + -- + - + +

1075 - -- -- - + + + +

1086 + - + + + + + + + +

1089 - -- + + + + + + -

1094 - + + + + + + + + +

1130 _--.---__ + +

дисульфид 1Т37 - - - + + + - + + +

2-Тиенил(пропанон-2) 1140 - + - + - - + - + +

Кавеофуран ** 1151 - - - + + + - + + +

З-Мегил-1,2-дитиан-4-он 1162 — +. + + + - - + + +

2-Метил-5-ацетилтиофен 1170 - - - + + + + + + +

Этилацетилтиазол 1176 - + + + - - + - + -

.Деканаль 1180 _ _ - - - - + - + +

Метилфурфуриддисульфид ** 1185 - - - + + + - - + -

Нонадиеналь 1190 + +

З-Ацетил-1,2-дитиолан 1216 + - + + + + + + + +

7-0кталактон 1230 + + + +

2-Метилтиолан-4-он-»3-тиол** 1237 + - + + + + - + + -

2-Деценаль 5-(2-Гидроксиэтил)~ -4-метилтиазол 2,4-Декадиеналь 2,4-Декадиеналь н-Тридекан 2-Ундеценаль Додеканаль н-Тетрадекан 2-Додеценаль н-Пентадекан Бис(2-метилфурил-З)-дисульфид (2-Метилфурил-З)-(2-метил-

1246 - + + + -- + - + +

1275 -_-___-_ + +

1290 - _- ___ + _ + +

1300 ------ + + + +

1335 -.---_--_ + +

1375 - -- -- - + + + +

1400 _--__- + + + +

1432 - -_-_-__ + +

1500 ---___ + + + +

1508

+ + + + + + +.

дигидрофурил-3)-дисульфид* * 1538 - - + + + + - + +

Бис-(2-метил-дигидрофурил-3)-

дисульфид ** 1538 - - + + + + - + + +

н-Гексадекан 1600 + + + +

Пентадеканаль 1670 + + + +

(2-Метилфурил-З)-(2-метил-

тиенил-3)-дисульфид ** 1680 - - + + + + - + + +

Бисфурфуршщисульфид ** 1710 + + + + + + + + + +

н-Октадекан 1800 + + + +

Бис-(2-метилтиенил-З)-

дисульфид ** 1840 - - — — + + ■ - - + + -

1 - Модельная система цистеин/ ксилоза

2 - Модельная система тиамин / глюкоза /сульфид натрия / аск к-та

3 - Модельная система цистеин / тиамин / ксилоза / сульфид натрия

4 -Модельная система цистеин /тиамин/глицин/аланин/глутаминовая

кислота/ ксилоза

5 - Мясной ароматизатор из автолизата пекарских дрожжей '

6 - Мясной ароматизатор из гидролизата соевого белка

7 - Мясной ароматизатор "Арома-1"

8 - Мясной ароматизатор из плазмы крови

9 - Мясной ароматизатор из бульонов и плазмы крови 10- Куриный ароматизатор

* - Идентификация компонентов осуществлена ГХ.ГХ-МС и ГХ-ШС методами Ключевые соединения в мясном запахе.

**

28

+ +

етцая получение триметилсилильных производных соединений с окси- и меркаптогруппами, восстановление карбонильных и дисульфидных групп боргидридом натрия до спиртовых и меркаптогрупп с последующим получением триметилсилильных производных. Образцы анализировались до и после каждой обработки концентрата летучих веществ. Сопоставление сорбционных и масс-спектральных характеристик исходного концентрата и обработанного силилирующим реагентом позволяет выявить и идентифицировать изомерные фураны с меркаптогруппами и тиофены с оксигруп-пами, имеющими разные сдвиги величин индексов удерживания для триметилсилильных производных. При этом остаются неизмененными соединения с алкокси и сульфидными заместителями, их разделение после сдвига изомерных спиртов (51=110-120 е.и.) и меркаптанов (31=250-290 е.и.) существенно улучшается и увеличивается надежность идентификации. Сравнение характеристик исходного концентрата и обработанного боргидридом натрия позволяет определить соединения с карбонильными и дис.ульфидными группами. Последующий анализ силили-рованных после восстановления компонентов концентрата запаха дает возможность установить положение и структуру заместителей в фуранах и тиофенах.

В результате проведенного изучения в серии модельных реакций и ароматизаторов с мясным запахом идентифицированы все основные компоненты запаха (от 27 до 80 веществ), установлена структура ключевых соединений, к которым относятся меркаптозамещенные тиофены и фураны, их гидрированные аналоги, соответствующие симметричные и несимметричные дисульфиды (Табл.10). Найдено, что качество и интенсивность мясного запаха коррелирует с содержанием ключевых веществ, а также некоторых других соединений, необходимых для - получения запаха, аналогичного запаху натуральных мясных продуктов. Определены факторы, влияющие на состав и концентрацию летучих веществ и, как следствие, на качество запаха.

Основным научным результатом проведенного исследования явилось установление ряда важных общих закономерностей в протекании реакции Майара, позволивших нам целенаправленно регулировать состав-летучих веществ и влиять на качество получаемых ароматизаторов, а также выявить некоторые возможные пути образования ключевых соединений.

Изучение модельных систем, идентификация и сопоставление состава летучих органических веществ в ароматизаторах с мясным и куриным запахом показало, что качество запаха определяется соотношени-

29

ем концентраций ключевых серосодержащих соединений и альдегидов: при близком соотношении концентраций получаем запах продуктов из говядины, если же концентрация альдегидов на 2-3 порядка больше, чем концентрация серосодержащих соединений, реакционная смесь имеет запах продуктов из курицы. Для установления структуры изомерных карбонильных соединений в ароматизаторе с запахом курицы дополнительно использовали метод ГХ-Ж-Фурье спектроскопии, т.к. масс-спектры этих веществ мало информативны. Сложность состава изученных образцов иллюстрируют рис.3 и 4, на которых приведены хроматограм-мы летучих веществ двух ароматизаторов: мясного до 9) и куриного ДО 10), полученных из натуральных мясных ингредиентов. Также даны Ж спектры ключевых соединений (рис.3) и некоторых ненасыщенных альдегидов (рис.4), полученные в газовой фазе при 200°С.

В результате термической обработки смеси аминокислот, углеводов и липидов образуется ряд соединений, содержащих карбонильные, окси и тиольные группы, способных далее вступать в реакции конденсации, циклизации, дегидратации и дегидрирования. Алифатические полифункциональные соединения в результате внутримолекулярной конденсации меркапто- или оксигрупп с карбонильной могут образовывать гетероциклические соединения разной степени ненасыщенности. Проведенные исследования показали, что непосредственными предшественниками ключевых фуран и тиофентиолов являются 2-метилоксолан-З-он и 2-метилтиолан-3-он. Они способны образовываться в реакции Майара также из продуктов расщепления .кетоиминов, получающихся при перегруппировке Амадори с последующим гидролизом. Взаимодействие оксолано-нов и тиоланонов с сероводородом приводит к синтезу ключевых соединений. Доказательством возможности протекания таких реакций является то, что увеличение концентрации Н2Б путем добавления в системы сульфида натрия (рН=5.6-5.8) приводит к увеличению концентрации 2-метилфурантиола-3 и его симметричного дисульфида в 5-8 раз, при этом концентрация 2-метилоксолан-З-она уменьшается в 3-5 раз. Проведение реакции в оптимальных условиях с животными белками позволяет получать ароматизаторы, в которых из 40-50 летучих соединений доля ключевых составляет 25-30 %, что обусловливает интенсивный стабильный мясной аромат без посторонних оттенков.

В результате проведенного исследования разработано 12 вариантов ароматизаторов с запахом продуктов из говядины и курицы, для 5 наиболее перспективных из них совместно с заинтересованными организациями составлена и утзэрвдена нормативно-техническая документация 30|

Рис.3. Хромагограмиа летучих компонентов мясного ароматизатора на БЕ-ЗО и Ж спектры ключевых соединений, полученные в газовой фазе при 200°С: а - 2,3-пентандион (И 4), б - 2-метилфурантиол-З (М 15), в - 2-метилтиолан-З-он (N23), г - 2-ацетилтиофен (М 31), д - 3-метил-1,2-дитиан-4-он (М 41) в е - 2-ацетил-4-метилтиазол„ (М 35).

Рис.4. Хроиатограииа летучих кошонентов ароматизатора с запахом курицы на БЕ-ЗО и ИК спектры некоторых альдегидов, подученные в газовой фазе при 200°С: а - 2-октеналь, б - 2-ноненаль, в - 2,4-нонадиекаль,г - 2-деценаль, д - 2-ундеценаль, е - 2,4-декадиеналь.

(ТУ 18.28.69-35, ТУ 1Q.02.01.13-86, ТУ 10.04.18.20-90, ТУ 10.02.01. 168-92, ТУ 10.02.01.209-94), получено разрешение Минздрава, выпущены опытные партии ароматизаторов и продуктов с ними. Мясной ароматизатор "Аромат-1" выпускался в г.Киеве, внедрение двух других -ароматизаторов проводится на опытном заводе. ВНШМП.

2.2. Идентификация компонентов запаха натуральной вареной креветки и краба и получение крабового ароматизатора."

Летучие вещества детально исследованы в различных видах криля, так как это дешевое сырье для пищевой промышленности-и медицины. Запах креветки и краба ранее не исследовали. Для получения крабового ароматизатора необходимо иметь информацию о соединениях, формирующих запах краба, что дает возможность определить их предшественники. В результате газохроматографического и хромато-масс-спектрального изучения летучих веществ в варе-ном мясе креветки мы идентифицировали 84 соединений, в крабе - 88 (рис.5). Оба образца имеют близкий качественный состав летучих веществ, но в креветке концентрации летучих веществ больше в 2-100 раз, чем в крабе. Сопоставление полученных результатов с имеющимися данными по изучению запаха ракообразных, а также органолептическая оценка хроматографи-ческйх зон злюата позволили определить необходимые для формирования запаха краба соединения. Наряду с алифатическими альдегидами, кетонами и спиртами с числом атомов углерода Cg-C1^, важны типичные продукты реакции Майара: пиразины, тиазолы, метиональ, moho-, ди- и трисульфиды, а также диметилсульфид. Полученные данные о составе летучих веществ в крабе и креветке позволили нам выбрать исходную модельную систему, оптимизировать условия проведения реакции и разработать ароматизатор с запахом крабов, используя в качестве критерия состав и концентрацию образующихся летучих соединений.

Идентификация летучих веществ в крабовом ароматизаторе осуществлена тремя методами: капиллярной газовой хроматографией, хромато-масс- и. хрома то- ИК- Фурье спектрометрией (рис.6). Сопоставление летучих веществ полученного ароматизатора, краба и креветки показало, что все образующиеся в ароматизаторе летучие соединения присутствуют в запахе ракообразных, .то есть ароматизатор идентичен натуральным продуктам. В отличие от креветки и краба, ароматизатор не содержит углеводородов, которые были найдены в мясе натуральных . продуктов (26 Н-алканов, алкилбензолов, нафталинов), причем их содержание превышает содержание основных ароматообразующих веществ

33

в*

га

Рис.5. Хроиатограцмц летучих компонентов вареной креветки (А) и краба (Б), капиллярная колонка оу-101, программирование температуры 50 -4 /мин-230 С. Номера пиков соответствуют соединениям: 1-2-иетилпропаналь, 2 - 2,3-бутандион, 3 - бутаналь, 4 - 3-' иетилбута-нол-1, 5 - зтилацетат, 6 -'З-метилбутанон-2, 7-3- иетилбутаналь, 8 - тетрахлорметан, 9 - бутанол, 10 - 2,3- пектандиок.П - лентаналь, 12 - пентанол, 13 - гептан, 14 - пиразин, 15 - диэтоскиэтан, 16 - 3-иетилпентаналь, 2 - пентеналь, 17 - диивтилдисульфид, 18 - 2-гексанон, 19 - толуол, 20 - гексаналь. 21 - 4-метил-4-пентен-2-он, 22 - метилпиразин, 23 - бутилацетат, 24 - 3-гептанон, 25 - 2-гексеналь, 26 - 4-негилтиазол, 27,28 и 31 - диметилбэкзолы, 29 - 2-гептанон, 30 - мет.окаль, 32,33 - дашетшширазины, 34 - н-нонак, 35,43 и 47 - триметилбензолы, 36 - дииетилтиазол, 37 - 5-иетил-З-гексен-2-он, 38 - бензальдегид, 39 - «-пилен, 40;41 и 44 - метил-зтилбензолы, 42 - даметилтрисульфид, 45 - п-цииен, 46 - октаналь, 47 - триметилпиразин, 48 - матилбутиддисульфид, 49 - н-декан, 50 -а-тершшан, 51 - 2-метилбензальдегид, 52 - фенилэтаналь, 53 - лимонен, 54 - метилизопропилбензол, 55 - диметилзтилбензол, 56,57 и 59 -дазтилбензолы, 58 - доиетилзтилпиразин, 60,61 - октадиенали, 62,64 и 65 - октадиеноны, 63 - тетраиетилпаразин, 66 - нонаналь, 68 - н- ун-декан, 69 - пропилбутилдасульфвд, 70 - зтилазопропилбензол, 71 - ме-тилацетофенон, 72 - 2,4-дииетилбензальдегид, 73 ~ циннаиаль, 74 -3,5-диметилбензальдегид, 78 - деканаль, 79 - н-додекан, 80 - бутил-изобутилдисульфид, 81 - 1-иетилнафталин, 82 - н-тридекян, 83 - 2,3-ддастшмафталин, 84 - н-тетрадекан, 85 - н-пентадекан.

Н И-и

ьз

_^ЛУЦ^^Ха--»

а.

1 ё к 1

к- .Г", г'"^."" ""' ""»«

У 9

- ! <Г

............ ■ J з -= 1

(1 Ц11 1М* им !Ш ""па'ки

Е!.;» „ „,.„.„.„, ""Г"'

■ 11И

5 = Я

И 1 !

Рис.6. Хроывтограмма летучих компонентов крабового ароматизатора и ИК спектры некоторых соединений, полученные в газовой фазе. Номера пиков соответствуют соединениям: I - 2,3-йутандаон (б), 3 - 3-метилбутаналь, 4 - бутанол, 5 - 2,3-пентандион, 6 - пентаналь, 7 -пентанол, 8 - пиразин, 10 - динетилдисульфид (д), 12 - 2-гексанон, 13 - гексаналь, 14 - иетшширазин + фурфурол (в), 15 - фурфуриловый спирт, 17 -2- гексеналь, 18 - 4-метилтиазол. 23 - метиональ (а), 24 - 2,5- и 2,6-диметшширазины, 25 - 2- ацетилфуран (г), 26 - этилпи-разин, 27 - 2,3-диметилпиразин, 28 - 4,5-даметилтиазол, 29 - бен-зальдегид (е), 30 - 2-метил-5- формилфурак, 31 - диметилтрисуль-фид, 32 - октаналь, 33 - триметилпиразин, 34 - иетилбугиддиеульфид, 35 - 5-метил-2-этилтиазол, 36 - фенилэтаналь, 37 - тетраметилпира-зин, 38 - 3,5-октадиен-2-он, 39 - диметилэтилпиразин, 40 - нонакаль, 41 - 2-метил-5- формилтиофен, 42 - 2-метал-5-ацетилтиофен, 43 - 2,6-нонадиеналь.

(рис.5 и 6). Они, вероятно, являются загрязняющими океан веществами и аккумулированы ракообразными. Совместно с АтлантНИРО разработана технология получения крабового ароматизатора (ТУ 15.02.511^88) и его применения взамен японского ароматизатора в производстве "Крабовых палочек". Процесс внедрен на Мурманском рыбокомбинате.

2.3. Изучение образования заиещвшшх пиразинов в модельных реакциях.

Пиразины играют важнейшую роль в формировании запаха таких пищевых продуктов и ароматизаторов, как кофе, какао, шоколад, орехи. Процесс образования пиразинов в продуктах может быть смоделирован проведением реакции между углеводами и аминокислотами в инертных растворителях, содержащих небольшое количество воды, например, в глицерине. Мы изучили влияние реакционной среды (вода, глицерин), структуры аминокислот, условий проведения реакции на качественный и количественный состав образующихся летучих пиразинов. Идентификацию летучих компонентов 28 модельных систем проводили по величинам индексов удерживания и масс- спектрам.

При проведении реакции в глицерине число и концентрация замещенных пиразинов в 2-4 раза больше, чем в водной среде. В реакции глюкоза/аммиак образуется 18 алкилпйразинов, в воде только 9, в реакциях глюкоза/ аммиак/ аминокислота образуется от 14 до 23 пиразинов в зависимости от структуры аминокислоты. Продукты реакции глюкозы с лейцином и изолейцином имели интенсивный шоколадный запах, поэтому эта реакция исследована более детально. Установлено, что максимальный выход пиразинов в водной среде достигается за 4 ч при 120°С (1,6г/кг), в глицерине - за 6 ч при той же температуре (2,8 г/кг). Максимальный выход пиразинов (6,2 г/кг) получен при проведении реакции в запаянной ампуле, при этом реакцион ная смесь состоит из 23 пиразинов и только двух веществ другого класса. Соотношение пиразинов также зависит от условий проведения реакции. В табл.11 приведены соединения, найденные в реакции глюкоза/аммиак/ лейцин, проводимой в воде и в глицерине при 120°С в течение 2 ч. В водной среде основная доля приходится на метилпиразин, в глицерине его доля составляет только 37%. В среде глицерина синтезируются ди-и триалкилзамещенные пиразины, в том числе важнейшие для формирования запаха шоколада диметилэтил- и диметил-изопентилпиразины. Такие модельные реакции перспективны для получения ароматизаторов с запахом какао-продуктов. 36

Таблица 11.Качественный состав и количественное соотношение пирази-нов (отн.%), образующихся в модельных реакциях лейцин/глюкоза/аммиак в воде и в смеси глицерин-вода (93:7), (120°С, 2 час.).

Соединение

Содержание пиразинов (отн.%), реакционная среда

Вода

Глицерин : вода(93:7)

Глицерин:вода (93:7),ампула

Пиразин 1.1 3,9 2,0

Метилпиразин 81,1 37,2 51 ,2

2,5- и 2,6-Диметилпиразины 12,2 26,1 15,6

Этилпиразин 0,5 1.0 0,7

2,3-Диметилпиразин 0,4 3,2 1.7

2,5- и 2,6-Метилэтилпиразины 0,2 1.1 5,3

Триметилпиразин 0,7 4,1 1 .8

2,5-Диметил-З-этилпиразин 0,1 0,1 0,1

2,6-Диметил-З-этилпиразин - 0,6 0,2

Тетраметилпиразин 0,1 0,3 0,2

Вторпентилпиразин 2,4 5,0 6,9

Диметшшзобутилпиразин - 8,3 8,3

Диметилизобутилпиразин 0,4 4,2 2,2

Диметилбутилпиразин - 0,9 - 0,4

Диметилизопентилпиразин - 2,2 2.2

Диметилизопентилпиразин - 0,2 0,2

Диметилпентилпиразин + о;э 0,5

Диметилпентилпиразин - 0,3 0,4

Диметилпентилпиразин - + 0,2

триметилизопентилпиразин - + • +

Диметилзтилизопентилпиразин - + +

2.4. Применение ГХ и ГХ-МС методов анализа для решения некоторых практических задач в химии пищевых йеществ.

Многолетний опыт работы по изучению запаха пищевых продуктов и ароматизаторов показал,, что ГХ анализ летучих веществ является эффективным методом для решения многих практических задач, для установления степени загрязнения пищевых продуктов посторонними органическими веществами. Так, в проведенных ранее исследованиях летучих

37

веществ ракообразных упоминалось об идентификации в них только н-алканов. В образцах креветки и краба, выловленных е 1989 г.,мы нашли 26 углеводородов, в том числе алкилбензолы, н-алканы и нафталины, что свидетельствует об увеличении загрязнения мирового океана.

Одним из важнейших вопросов в пищевой химии является контроль качества пищевых продуктов и ароматизаторов, выявление изменений в продуктах при их хранении и переработке. Анализ летучих веществ дает возможность проводить объективную оценку этих процессов, так как изменения в составе макрокомпонентов продуктов неизбежно приводят к изменениям летучих веществ. Примером может служить проведенное нами исследование летучих веществ в исходных жидких мясных ароматизаторах и высушенных в разных условиях с применением инертных носителей. Результаты исследования позволили выбрать наиболее эффективный способ получения сухих форм мясных ароматизаторов, не сопровождающийся потерей ключевых соединений. Изучены изменения в составе летучих веществ в процессе хранения разных форм ароматизаторов. Показано, что в жидких ароматизаторах при их хранении в стерильных условиях концентрации ключевых соединений возрастают за 6 месяцев хранения и затем не изменяются в течение 3-5 лет. . Новых веществ при этом не образуется. При хранении жидких ароматизаторов при -12°г -18°С, а также сухих мясных ароматизаторов концентрация ключевых соединений увеличивается к 3-4 месяцам хранения, остается стабильной до 6-7 месяцев, затем уменьшается. В сухих ароматизаторах, полученных с применением животных липидов, отмечено увеличение концентрации насыщенных и ненасыщенных альдегидов после 6 месяцев хранения, что связано с окислением ненасыщенных жирных кислот липидов. Проведенное исследование позволило выбрать и обосновать оптимальные сроки хранения мясных ароматизаторов.

На базе мясных ароматизаторов разработаны способы получения ароматизаторов с добавлением коптильных препаратов и пряностей. Простое смешение этих компонентов дает продукт, не имеющий стабильного запала. Анализ летучих веществ показал, что концентрация ключевых веществ в такой смеси крайне мала. Важным фактором стабильности мясного запаха является установление в системах определенного редокс-потенциала, который поддерживает в равновесии концентрации тиолов и дисульфидов и предотвращает их дальнейшее окисление в сульфоны, сульфоксиды и т.д. В таких стабилизированных системах определенная концентрация фуран- и тиофентиолов, сохраняется в течение 2-5 лет. Нарушение редокс- потенциала системы, например, 38

добавлением эфирных масел или коптильных препаратов, изменяет ход реакции Майара, если они добавлены в исходную реакционную смесь и приводит к резкому уменьшению концентрации летучих меркаптосоедине-ний, если они введены в жидкие системы после проведения реакции. Эти процессы менее выражены при смешении и хранении сухих форм мясных ароматизаторов с различными полимерными пищевыми носителями, вкусовыми и сухими ароматическими добавками для получения ароматизаторов с разными оттенками запаха.

Хроматографическое и хромато-масс-спектрометрическое изучение формирования запаха сыро-вяленых и вареных колбас показало, что основная роль 'в з-,пахе этих продуктов принадлежит терпеновым соединениям, источником которых являются добавляемые пряности. Сравнение состава летучих веществ исходных пряностей и колбас показало, что соотношение концентраций отдельных веществ в двух образцах разное, что обусловлено двумя причинами: неодинаковой необратимой сорбцией отдельных веществ макрокомпонентами (белками, углеводами, липидами) продукта и возможными химическими превращениями отдельных веществ в процессе получения продукта. Для формирования запаха наиболее важны те соединения, концентрация которых в продукте максимальна. Мы провели идентификацию компонентов 11 эфирных масел отечественных пряно-ароматических растений и в соответствии с найденными концентрациями отдельных веществ в продукте и в маслах, а также с учетом пороговой концентрации запаха этих веществ разработали несколько композиций из 3-4 эфирных масел', позволяющих воспроизвести состав летучих веществ традиционных импортных пряностей. Экспериментальная проверка на основе органолептических и хроматографических данных показала, что такие смеси, эфирных масел успешно могут быть использованы для замены импортных пряностей в производстве колбасных изделий. Работа выполнена совместно с ВНИИМП.

Проведенное комплексное изучение различий в составе летучих веществ вызревшего и невызревшего лука, изменений состава при термообработке, измельчении, замораживании и хранении в разных условиях позволило предложить способ хранения невызревшего лука и обосновать возможность его применения в производстве быстрозамороженных продуктов. Для получения концентратов летучих веществ был разработан быстрый и эффективный метод'извлечения, позволяющий свести к минимуму тепловую обработку, при этом образец сохраняет запах сырого лука. Метод состоит в очень быстрой неравновесной содистилляции при нормальном давлении смеси паров воды-зфира-летучих органических ве-

39

Рис.7. Хроматограииа летучих компонентов репчатого лука на капиллярной колонке с БЕ-30. Пики: I- 2-метилбутаналь, 2- диметил-дисульфид, 3- 2-иетилпентаналь, 4- 2-иетилпент-2-еналь, 5- 2,5-дииетилтиофен, 6- 2,4-динетилтиофен, 7- летилаллилдисульфид, 8-метилпропилдисульфид, 9,10- иетилпропенилдисульфиды, II- диые-тилтрисульфид, 12- этшшзопропилдисульфид, 13- зтшшропилдису льфид, 14- диаллилдисульфид, 15- аллилпропилдисуль^од, 16- дипро-пилдасульфид, 17,18г пропилпропенилдисульфиды, 19,20- дипропе-нилдисульфида, 21- цетилаллилтрисульфид, 22- нетшшропилтрисуль-фид, 23,24 - метилпропенилтрисульфида, 25- дипропенилдисульфид, 26- изопропилбутилдисульфид, 27- даметилтетрасульфид, 28- н-додекан (внутр.стандарт), 29- пропилбутилдисульфид, 30- диаллил-трисульфид, 31- аллилпропилтрисульфид, 32- дипропилтрисульфид, 33,34- пропилпропенилтрисульфиды, 35,36- дипропенилтрисульфиды, 37- нетшшропилтетрасульфид, 38,39- метилпропенилтетрасульфида, 40- диметилпентасульфид, 41- 2-гексил-5-метил-2,3(2Н)-фуранон-3, 42- дипропилтетрасульфид, 43,44- пропшшропеналтетрасульфида, 45- дипропенилтетрасульфид, 46- метилпропилпентасульфид.

ществ. Проверка метода на модельной смеси веществ разных классов показала, что максимальная степень извлечения достигается при соотношении эфир - вода 1:5. В зависимости от структуры веществ она составляла '70-90%. Метод очень прост в исполнении и позволяет проводить подготовку серии образцов за короткое время. С применением внутренного стандарта он позволяет сопоставить разные образцы, проследить и количественно оценить влияние обработки или хранения объекта на состав летучих соединений.

Идентификацию компонентов запаха лука проводили сопоставлением сорбционных и масс-спектральных характеристик с полученными нами для стандартных веществ, а также на основе найденных закономерностей сорбции диалкилполисульфидов (разделы 1.1-1.2). Идентифицировано 46 соединений (рис.7), впервые в луке были найдены диалкилтетра-и пентасульфиды, некоторые ненасыщенные диалкилтрисульфиды.

Таким образом, приведенные примеры свидетельствуют, что установленные в результате систематического изучения газохроматографичес-кого поведения структурно-сорбционные закономерности и разработанный на их основе метод анализа летучих веществ может быть успешно использован для изучения состава летучих веществ в различных объектах, для изучения хода сложных многостадийных реакций, для получения пищевых ароматизаторов, разработок методов контроля качества пищевых продуктов, ароматизаторов, для выявления загрязняющих веществ и примесей в различных образцах.

III. ВЫВОДЫ

1. В результате систематического газохроматографического изучения термодинамики сорбции алифатических меркаптанов, димеркапта-нов, диалкилмоно-, ди-, три-. тетра- и пентасудьфидов, а,ш-ди(алкилтио)алканов, дитиоацеталей, пяти- и шестичленных гетероциклических серо- и кислородсодержащих соединений, замещенных тиофенов и фуранов установлены некоторые физико-химические закономерности их разделения. Впервые определены экспериментально величины-индексов . удерживания 418 соединений на наполненных и капиллярных колонках в разных температурных режимах.

2. Установлена зависимость хроматографических и термодинамических характеристик сорбции соединений от их структуры и свойств неподвижных фаз, найдены структурно- корреляционные уравнения, позволяющие проводить прогнозирующий расчет величин индексов удерживания серо- и кислородсодержащих соединений разных классов.

- Установлена неравнозначность гомологической разницы энергии

сорбции гомологов и псевдогомологов серосодержащих соединений. Предложены уравнения, описывающие поведение членов гомологических и псевдогомологических рядов и позволяющие рассчитывать индексы удерживания с Точность до 1-2 е.и.

- Установлено отклонение от аддитивности вкладов функциональных групп и заместителей в энергию сорбции серо- и кислородсодержащих соединений на примере алифатических метамеров сульфидов, дисульфидов, а, ш- (диалкилтио)ажанов.Для алифатических серосодержащих соединений предложены простые и надежные схемы для расчета индексов удерживания несимметричных соединений и содержащих разветвленные и ненасыщенные заместители с использованием установленных инкрементов. Рассчитаны индексы удерживания различных алифатических и циклических соединений с разветвленными и ненасыщенными заместителями.

- Установлена неравнозначность сорбционных вкладов СН3-групп в насыщенных пяти- и шестичленных гегероциклах с одним и двумя гете-роатомами. Показано, что нарушение аддитивности энергетических вкладов алкильных заместителей обусловлено взаимным влиянием гете-роатомов и заместителей, что приводит к изменению энергии ван-дер-ваальсовых взаимодействий в условиях хроматографии. Показана существенная роль энтропийной составляющей энергии сорбции гетероциклов.

- Найдено, что основной причиной неаддитивного увеличения параметров сорбции дизамещенных фуранов и тиофенов является взаимное влияние заместителей. Установлено увеличение сорбционных вкладов а-карбонильных групп, обусловленное сопряжением двойных связей кольца, заместителей и гетероатома. С учетом неравнозначности сорбционных вкладов заместителей и их взаимного влияния рассчитаны и использованы при идентификации индексы удерживания замещенных тиофенов и фуранов - важнейших компонентов запаха пищевых продуктов.

- Установлена аналогия в сорбционных свойствах серо- и кислородсодержащих алифатических и гетероциклических соединений, одинаковых по структуре и различающихся только гетероатомом. Найдены инкременты индексов удерживания, не зависящие от температуры анализа и позволяющие с достаточной для идентификации точностью рассчитывать индексы удерживания веществ-аналогов, в том числе и по литературным данным.

3. Определены масс-спектральные и ИК спектральные характеристики диалкилполисульфидов, тиенил- и фурфурилалкилсульфидов, пяти- и шестичленных серо- и кислородсодержащих гетероциклов, замещенных тиофенов и фуранов комбинированными методами ГХ-МС и ГХ-ЙК Фурье 42

спектроскопии.

4. Сформированы Сазы данных, включающие экспериментальные и рассчитанные на основе установленных закономерностей величины индексов удерживания 538 соединений, масс- и Ш ■спектральные характеристики серо- и кислородсодержащих соединений разных классов. Разработан метод идентификации по сорбционным и спектральным данным с применением химической модификации ряда изомерных тиофеновых и Фурановых соединений. Показана высокая достоверность Г'Х/ЭВМ идентификации.

5. Разработанный метод бесстандартной идентификации серо- и кислородсодержащих соединений применен для исследования компонентов, запаха натуральных продуктов и модельных реакций.

- Впервые изучены компоненты запаха вареного мяса креветки и крабов, идентифицировано 88 летучих соединений, установлены соединения, формирующие запах ракообразных. Впервые в пищевых продуктах найдены диалкилтетра- и пентасульфиды - компоненты запаха лука.

- Предложены модельные реакции, продуцирующие запах приготовленного мяса, крабов и какао-продуктов. Установлена структура ключевых соединений, найдены оптимальные пути их образования из природных предшественников. Показано, что запах продуктов из мяса и курицы формируют серосодержащие производные фурана и тиофена в сочетании с карбонильными соединениями в определенных концентрациях, запах крабов обусловлен алифатическими серосодержащими соединениями, альдегидами и пиразинами, а запах какао и шоколада - смесью замещенных пиразинов. Разработаны научные основы промышленных способов получения пищевых ароматизаторов, идентичных по составу натуральным. На основе изученных эфирных масел отечественных пряно-ароматических растений разработаны ароматизаторы для мясных продуктов без применения импортных пряностей. Способы получения ароматизаторов защищены 12 Авторскими свидетельствами, для пяти ароматизаторов утверждена нормативно-техническая документация, выпущены промышленные партии ароматизаторов с запахом мяса и крабов.

- Разработан метод оценки качества пищевых продуктов и ароматизаторов по составу летучих веществ. Показана эффективность применения разработанного метода анализа летучих веществ для изучения процессов созревания, хранения, для оценки влияния технологической обработки пищевых продуктов и ароматизаторов, что позволило оптимизировать режимы производства и применения ароматизаторов.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Головня Р.В., Гарбузов В.Г., Мишарина Т.Д. Газохроматографи-ческая характеристика серосодержащих соединений. Сообщение 1. Меркаптаны и димеркаптаны. //Изв.АН СССР. Сер.хим. 1976.N 1.

С. 103-107.

2. Головня Р.В.,.Гарбузов В.Г., Мишарина 7.А. Газохроматографи-ческая характеристика серосодержащих соединений. Сообщение 2. Нормальные сульфиды. // Изв. АН СССР. Сер.хим. 1976. N 10. C.22G6-2270.

3. Головня Р.В., Гарбузов В.Г., Мишарина Т.А. ГХ анализ летучих компонентов реакции Майара, имитирующей запах приготовленного мяса .//Тез.докл.Всес.конф. по аналит.химии органических соединений. Москва. 1976.С.105.

4. Golovnya R.V., Mlsharlna Г.A. Characterization of the selectivity oi stationary phases from the partial molar tree energies of solution of standards. //Chromatographia.1SffT.V.10.P.658-660.

5. Головня P.В., Мишарина Т.А. Термодинамическая оценка полярности неподвижных фаз в газовой хроматографии. //Изв.АН СССР. Сер.хим. 1977. N 7. С.1622- 1625.

6. Головня Р.В., Мишарина Т.А. Зависимость термодинамических функций растворения от характера гетероатома в серо- и кислородсодержащих соединениях. // Изв. АН СССР. Сер.хим. 1978. N 8. С.1794-1797.

7. Головня Р.В., Гарбузов В.Г., Мишарина Т.А. Газохроматографи-ческая характеристика серосодержащих соединений. Сообщение 3. Н.алкилизоалкилсульфиды. // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1978. N 2. С.387- 391.

8. Головня Р.В., Мишарина Т.А..Гарбузов В.Г., Газохроматографи-ческая характеристика серосодержащих соединений. Сообщение 4. Влияние ненасыщенности радикалов на величины индексов удерживания винил-, аллил- и пропаргилалкилсульфидов. //Изв.АН СССР. Сер. хим.1978. N 11.С.2539-2543.

9. Головня Р.В., Мишарина Т.А. Универсальный метод классификации стационарных фаз и оценки их полярности и селективности на основе термодинамических характеристик. // Изв. АН СССР. Сер.хим. 1979.

N 4. С.787-794.

10. Головня Р.В., Мишарина Т.Д., Гарбузов В.Г. Газохроматографи-ческая характеристика серосодержащих соединений. Сообщение ь.Ди-изоалифатические сульфиды. //Изв.АН СССР.Сер.хим. 1979. N 5. С.1029- 1032.

11. Головня Р.В., Мишарина Т.Д..Гарбузов В.Г., Газохроматографи-ческая характеристика серосодержащих соединений. Сообщение 8. Ди-,три- и тетрасульфиды со связью S-S. //Изв.АН СССР.Сер.хим. 1979. N 9. С.2039-2044.

12. Головня P.R., Мишарина Т.Д..Гарбузов В.Г., Газохроматографи-ческая характеристика серосодержащих соединений. Сообщение 9. 44

Тиоацетали, тиокетали и а,ш-бис(алкилтио)алканы. //Изв.АН СССР. Сер. хим. 1980. N 11. С.2503-2508.

13. Golovnya R.7., Mlsharlna Т.A. Determination ol the energy of intermolecular Interactions In gas chromatography Irom retention Indices. //J. Chromatogr. 1980. V.190. P. 1-12.

14. Golovnya R.7., Mlsharlna T.A. Polarity and selectivity In GC Irom the thermodynamic viewpoint. Part I.//High Resol.Chromatogr. & Chromatogr. Commun. 1980. V.3. P.4-10.

15. Golovnya R.7., Mlsharlna T.A. Polarity and selectivity in GC from the thermodynamic viewpoint.Part II.//High Resol.Chromatogr. & Chromatogr. Commun. 1980. 7.4. P.51-61.

16. Головня P.В..Мишарина Т.А. Газохроматографическое определение из индексов удерживания энергетических вкладов атомов серы в сульфидах, дисульфидах и метамерных тиатридеканах. //Изв.АН СССР. Сер.хим. 1980. N 12. С.2764-2770.

17.Головня Р.В., Мишарина Т.А. Термодинамическая трактовка полярности, и селективности в ГХ.//Успехи химии.1980.Т.49.N 1.С.171-191

18. Головня Р.В. .Мишарина Т.А., Семина JI.A. Оценка полноты извлечения экстракцией, адсорбцией и парофазным методом серосодержащих соединений из разбавленных водных растворов. //Ж.аналит.химии. 1981. Т.36. N 5. С.933-940.

19. Головня Р.В., Мишарина Т.А. Аналитические проблемы исследования компонентов запаха пищевых продуктов и других биологических объектов. //Ж.аналит.химии. 1981. Т.36. N7. С.1390-1420.

20. Головня Р.В., Мишарина Т.А. Применение аминокислот для получения искусственных ароматизаторов.// Тез.докл. Всесоюзн. сов."Аминокислоты для с/х промышленности, здравоохранения и научных исследований". Фрунзе. 1981.С.182.

21. Golovnya R.7., Mlsharlna Г.A. 7olatlle sulphur containing compounds In salmon Ilesh flavour.// Abstr.-of Aroma Symp."Flavour research - concepts and methods". Bydglna.1981 .P.7.

22. Мишарина Т.А., Головня P.В. Теоретические и практические аспекты создания искусственных ароматизаторов.//Матер. I Всес.конф. "Разработка процессов получения комбинированных мясопродуктов". Москва. 1982. С.145-150.

23. Мишарина Т.А., Головня Р.В.,Страшненко Е.С..Медведева И.Б. Получение структурированных продуктов со вкусом и запахом мяса. //Тез. 1-ой Всес.конф. " Разработка процессов получения комбинированных мясопродуктов".М.1982.С.153.

24. Головня Р.В., Мишарина Т.Д., Гарбузов В.Г., Медведев Ф.А. Летучие серосодержащие соединения в запахе мясного ароматизатора . и сравнение их состава с натуральным мясом.//Прикл.биохим. и микробиол. 1983.Т.19. N 5.С. 681-691.

25. Golovnya R.7., Mlsharlna Т.А., Garbusov 7.G., Medvedev P.А. 7olatlle sulphur containing compounds In simulated meat flavour. // Nahrung. 1983.7.27. N3. P.237-249.

26. Мишарина Т.Д., Головня Р.В., Токмакова В.Н., Ляная А.И., Страшненко Е.С. Количественный анализ методом ТСХ состава аминокислот в мясных ароматизаторах и белковых гидролизатах.//Тез. 3-его Всес.сов. по аминокислотам. 1984. Ереван. С.219.

27. Мишарина Т.Д., Головня Р.В., Токмакова В.Н., Ляная А.И., Страшненко Е.С. Количественное определение методом ТСХ цистеина и цистина в белковых гидролизатах и мясных ароматизаторах.//Тез. 3-его Всес.сов. по аминокислотам. 1984. Ереван. С.223.

28. Mikhallova Ï.V.,Gren A.I.,Vysotskaja I.E..Mlsharina Ï.A., Vitt S.V..Golovnya R.Y. Identification oi sulphur-organic compounds obtained by thermal treatment of the meat broths In the presence of alkyl-mercaptopropanol. //Nahrung. 1985,7.29. N 7. P.671-680.

29. Гарбузов В.Г., Мишарина Т.А.. Аэров А.Ф., Головня Р.В. Газо<-хроматографические индексы удерживания органических соединений серы (II).// Ж. аналит. химии. 1985. Т. 40. N 4. С.709-720.

30. Мишарина Т.А., Головня Р.В., Витт C.B. Летучие серосодержащие соединения в филе лососины. // Прикл. биохим. и микробиол. 1985. Т.21. N 1. С.107-113.

31. Михайлова Т.В., Грень А.И., Высоцкая Л.Е., Витт C.B., Мишарина Т.А., Головня Р.В. Изучение серосодержащих компонентов ароматизатора мяса методами ГЖХ и хромато-масс-спектрометрии. // Ж.аналит. химии. 1985. Т.40. N 4.С.740-743.

32. Григорьева Д.Н., Мишарина Т.Д., Головня Р.В. Алгоритм ГХ/ЭВМ идентификации серосодержащих соединений.//Тез. 7 Дунайского Между-нар. симп. по хроматографии. 1985. Ялта.С.34.

33. Мишарина Т.Д., Головня Р.В. Получение мясных ароматизаторов из различных видов сырья.//-Тез. докл. Всесоюзн. сов. "Синтез и применение пищевых добавок". Могилев. 1985.С.66.

34. Мишарина Т.Д., Головня Р.В..Страшненко Е.С.,Ляная А.И..Медведева И.Б. Изучение компонентов запаха модельных систем,полученных на основе соевых белковых гидролизатов. //Там же. С.78.

35. Grlgoryeva D.M., Golovnya R.7..Mlsharina T.A., AeroY A.F. Computer algorithm lor the Identification of sulphur containing compounds In complex mixtures with the use of gas chromatographic data.// J.Cnromatogr. 1986.V.364.P.63-77.

36. Мишарина Т.А., Витт C.B., Головня Р.В., Беликов В.M. Применение химической модификации для хромато-масс-спектрометрической идентификации изомерных тиофеновых и фурановых соединений.

//Ж.аналит. химии. 1986. Т.41. N 10.С.1876-1880.

37. Григорьева Д.Н., Мишарина Т.А., Головня Р.В., Азров А.Ф. Идентификация серосодержащих соединений в природных объектах ГХ-ЭВМ методом. Алгоритм идентификации. //Ж. аналит. химии. 1987. Т.42. N 3. С.532-537.

38. Мишарина Т.А., Григорьева Д.Н., Головня Р.В., Аэров А.Ф. Идентификация серосодержащих соединений в природных объектах ГХ-ЭВМ методом. Оценка достоверности.// Ж. аналит. химии. 1987. 46

T.42. N 5. С.929-934.

39. Талызин B.B..Анисимов В.Я..Яковлева 0.И..Мишарина Т.А., Головня Р.В. Извлечение и концентрирование летучих диалкил-полисульфидов компонентов запаха лука. // Ж. аналит. химии. 1987. Т.42. N 11..С.2076-2079.

40. Михайлова Т.В..Мишарина Т.А.,Азров А.Ф.,Ляпин В.А.,Грень А.И., Высоцкая Л.Е.. Головня Р.В. Газохроматографические характеристики (2-метилпроп-2-енил)алкилсульфидов. // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1987. N 4. С.1525-1529.

41. Мишарина Т.А., Витт C.B..Головня Р.В. Хроматомасс-спектрометрическое исследование летучих компонентов модельных систем с мясным запахом.// Биотехнология. 1987. Т.З. N 2. С.210-215.

42. Мишарина Т.А., Головня Р.В., Загоревский Д.В., Семина Л.А., Страшненко Е.С., Медведева И.Б. Летучие серосодержащие соединения в продуктах реакции Майара на основе кислотных и ферментативных соевых гидролизатов.// Прикл.биохим. и микробиол. 1987.Т.23.N 2. С.237-244.

43. Якуш Е.В., Мишарина Т.А., Головня Р.В. Гетероциклические органические основания в компонентах запаха консервированного кальмара.// Прикл.биохим. и микробиол. 1987.Т.23.N 1. С.131-134.

44. Мишарина Т.А., Журавлева И.Л., Головня Р.В. Методы концентрирования следовых количеств органических соединений.//.Ж. аналит. химии. 1987. Т.42. N 4. С.586-605.

45. Mlsharlna Г.A., Golovnya R.V. Sulphur-containing compounds in model systems with meat flavour.//Abstr. 2nd Wartburg Aroma Symp. Eisenach. 1987. P.16.

46. Anisimov V.Ya., Talysln V.7., Mlsharlna T.A., Aerov A.P., Golovnya R.V. New sulfur containing compounds In onion flavour.// Abstr. 2nd Wartburg Aroma Symp. Eisenach. 1987. P.36.

47. Мишарина Т.А. Ключевые компоненты модельных систем с мясным запахом, получаемые по реакции Майара. //Тез.докл. Всесоюзн.сов. "Химия запаха пищи". Каунас. 1987. С.15.

48. Мишарина Т.А., Медведева И.Б., Страшненко Е.С., Головня Р.В. Получение сухих форм модельных систем с мясным запахом. //Там же. С.20.

49. Калугина В.И., Новосельцева Л.П., Головня Р.В., Мишарина Т.А. Характеристика запаха продуктов реакции цистина с метилмеркапто-пропанолом.// Там же. С. 35.

50. Калугина В.И., Новосельцева Л.П., Головня Р.В., Мишарина Т.А. ГХ изучение запаха пщевой добавки "Аромат-1". // Там же. С. 35.

51. Mlsharlna Т.А., Golovnya R.V. Sulphur containing compounds In meat aroma model systems. In: Characterization, production and application of food flavours. /Ed.M.Rothe. Proc.2nd Wartburg Aroma Symp.Elsenach.1988. P.115-127.

52.Мишарина Т.Д., Азров А.Ф..Головня Р.В..Степанова O.B., Высоц-

кая Л.Е., Грень А.И. Индексы удерживания алкилфурфурилсульфидов в изотермической и температурно-программированной капиллярной хроматографии.// Ж.аналит.химии. 1988. Т.43. N 8. С.1489-1493.

53. Талызин В.В., Анисимог В.Я., Головня Р.В.» Мишарина Т.А.,Витт С.В. Идентификация компонентов запаха репчатого лука.// Ж. ана-лит.химии. 1988.-Т.43. N5. С.911-916.

54. Мишарина Т.А., Головня Р.В. Ключевые компоненты мясных ароматизаторов.//Сб. "Разработка процессов получения комбинированных продуктов". Москва. 1988.С.115-120.

55. Талызин В.В., Анисимов В.Я., Мишарина Т.А., Головня Р.В. Использование нетоварного лука в производстве готовых быстрозамороженных мясных блюд и полуфабрикатов.//Холод.техника. 1988.Т.6. С.22-24.

56. Мишарина Т.А., Головня Р.В. Закономерности удерживания псевдогомологических рядов диалкилполисульфидов в капиллярной газовой хроматографии. Ж.аналит.химии. 1989. Т.44. N 3. С.514-519.

57._ Талызин В.В., Анисимов В.Я., Яковлева О.И., Мишарина Т.А., Азров А.Ф., Головня Р.В.. Исследование состава летучих веществ свежего вызревшего и невызревшего лука. // Доклады ВАСХНИЛ. 1989. Т.4. С.22-25.

58. Талызин В.В., Анисимов В.Я., Яковлева О.И., Мишарина Т.А., Головня Р.В. Состав летучих веществ замороженного вызревшего и невызревшего лука. // Доклады ВАСХНИЛ. 1989. Т.12. С.19-21.

59. Мишарина Т.А., Шендергак В.В.,'Аэров А.Ф., Головня Р.В. Нейтральные летучие.компоненты модельной системы, продуцирующей запах ракообразных. //Тез.док. Всес.конф."Химия пищевых добавок". Черновцы. 1989. С.27.

60. Журавлева И.Л., Теренина М.В., Головня Р.В., Мишарина Т.А. • Ароматизатор с запахом лососевых рыб. // Там же. С. 44.

61. Мишарина Т.А., Головня Р.В., Яковлева О.И., Талызин В.В., Анисимов В.Я. Изменение содержания ключевых соединений в процессе хранения лука. // Там же. С. 48.

62. Мишарина Т.А., Аэров А.Ф.,Головня Р.В. Хромато-ИК-спектроско-пические и хромато-масс-спектрометрические.данные для идентифика- ■ ции изомерных алкилтиенилсульфидов.// Ж.аналит.химии. 1990. Т.45. N 3. С.535-543.

63. Артамонова М.П., Журавская Н.К., Головня Р.В., Мишарина Т.А. Динамика изменения содержания ключевых компонентов запаха в процессе хранения замороженного и сухого мясного ароматизатора.

// Холод, техника. 1990. Т. 5. С.27-30.

64. Шендерюк В.В., Головня Р.В., Журавлева И.Л., Мишарина Т.А. Летучие азотсодержащие основания вареной креветки.//Рыбное хоз-во. 1990.Т.1.С.86-89.

65. Mlsharlna Т.A., Golovnya R.V. Capillary GC. Non-equality free energy of soretion or methylene units In homologous series ol lurluryl and thlenyl alkyl sulfides.// Abstr. 18th Int. Symp. on 48

chromatogr. Amsterdam. 1990.P.60.

66. Mlsharlna T.A., Golovnya R.V. Meat flavour compounds. Model system with thiamine and lipids. // Abstr.11th Inxernat.symp. Capillary- chromatography. Monterey. 1990. P.56.

67. Мишарина Т.Д., Головня P.B., Яковлева B.H., Витт С.В. Пира-зины, образующиеся в модельных системах в глицериново-водной среде. //Изв. АН СССР. Сер. хим. 1991. N 9. С.1972-1979.

68. Мишарина Т.А., Азров А.Ф., Головня Р.В., Калугина В.И.,Высоцкая Л.Е., Шевцов В.К. Идентификация летучих компонентов ароматизатора с запахом курицы методами хромато - масс- и хромато - Ж-Фурье спектроскопии. //Ж.аналит.химии.1991.T.46.N 8.С.1635- 1641.

69.Мишарина Т.А., Головня Р.В., Чарномский В.В. Газохроматогра-фическое и хромато-масс-спектрометрическое изучение летучих компонентов вареного мяса креветки FuncMlia woodwardl и краба Сетует marltae.// Ж.аналит.химии. 1991. Т.46. N 7.С. 1421-1429.

70. Мишарина Т.А., Соколова Л.И., Головня Р.В., Витт С.В. Идентификация летучих компонентов модельной системы с мясным запахом. //Тез. VI Всесоюз. конф."Аналитическая химия органических соединений". Москва.1991. С. 295.

71. Мишарина Т.А. Эффективность извлечения летучих компонентов пищевых систем различными методами.//Там же.С.275.

72. Мишарина Т.А., Шендерюк В.В., Булычев А.Г.. Головня Р.В. Изменение состава летучих компонентов в процессе-созревания пресервов из сардины. // Тез.докл. Всес.конф. 'Химические превращения пищевых полимеров". Светлогорск. 1991. С.120.

73. Golovnya R.V., Mlsharlna Т.A. Composition oi ripe and unripe onion volatlles and Its changes during storage, freezing and cooking. //In: Aroma production and application. /Eds. M.Rothe, H.P.Kruse. Proc.3-rd Wartburg Aroma Symp. 1992.P. 101-114.

74. Mlsharlna T.A., Golovnya R.V., YaJcovleva V.N., Vltt S.V. Pyra-zlnes obtained In model systems In glycerine-water medium.// In: Aroma production and application. /Eds. M.Rothe, H.-P.Kruse. Proc. 3- rd. Wartburg Aroma Symp. 1992. P.165-172.

75. Grlgoryeva D.N., Golovnya R.V., Syomlna L.A., Mlsharlna i.A. Optimization or Malllard reaction parameters by GC and proflle-ranK methods. In: Aroma production and application. /Ms. M.Rothe, H.- P.Kruse. Proc.3-rd Wartburg Aroma Symp. 1992.P.407-415.

76. Mlsharlna T.A.., ShenderyuK V.V., Zhuravleva I.L., Golovnya R.V. Crab flavouring. In: Aroma production and application. /Eds. M.Rothe, H.-P.Kruse. Proc.3-rd Wartburg Aroma Symp.1992.P.425-431:

77. Головня P.В..Мишарина Т.А. Современные тенденции в исследовании компонентов запаха.// Изв. АН.Сер.хим. 1992. N 2.С.1257-1269.

78. Мишарина Т.А., Головня Р.В., Яковлева В.Н. Хромато-масс- и ИК-спектрометрические характеристики 2-алкил- и, 4-метил-2-алкил-1,3-диоксоланов, // Ж. аналит. химии. 1992. Т.47. N 2."С.304-311.

79. Мишарина Т.А.., Головня Р.В., Артамонова М.П., Журавская Н.К. Идентификация летучих компонентов модельной системы с запахом мяса. //Ж. аналит. химии. 1992. Т.47. N 5. С.850-856.

80. Головня Р.В., Григорьева Д.Н., Семина Л.А., Мишарина Т.А. Использование газохроматографического и органолептического методов для оптимизации условий получения мясных ароматизаторов. //Ж. аналит. химии. 1992. Т.47. N 5. С.844-849.

81. Мишарина Т.А., Головня Р.В., Яковлева В.Н. Влияние времени и температуры на получение пиразинов в модельных реакциях синтеза ароматообрззулцих веществ.// Изв.АН.Сер.хим. 1992.N 7.С.1628-1634.

82. Мишарина Т.А., Головня Р.В. Эффективность извлечения летучих веществ из пищевых продуктов разными методами. //Ж. аналит.химии. 1992. Т.47. N 4. С.650-659.

83. Golovnya K.V., MIsharina Т.A., Beletskly I.V. Influence ol methyl, formyl and acetyl groups on retention of- substituted furans and thiophenes in capillary GC. // Chromatographia. 1992. V.34. N 9/10. P.497-501.

84. MIsharina T.A., Golovnya R.V. Hydrocarbon contaminants in boiled meat of shrimp and crab. //J.Sigh Resol.Chromatogr. 1992. V.15. P.332-336.

85. MIsharina T.A., Golovnya R.V., Artamonova M.P..Zhuravskaya N.K. Meat flavour components on model system with thiamine and lipids.// Chem.Microbiol.technol.Lebensm. 1992.V.14.P.27-32.

86. Мишарина Т.А., Головня Р.В. Динамика изменения летучих компонентов вызревшего и невызревшего лука при хранении, замораживании и термообработке.// Прикл. биохимия и микробиология. 1993. Т.29. N 6. С.911-921.

87. Golovnya R.V. , MIsharina Т.A. Identification of volatiles 1л. boiled crab, shrimp and crab flavouring by capillary GG, GG-MS and GC-FTLR methods. // Proc. 15th Internat.symp. on capillary chromatogr. /M.P.Sandra. Riva del Garda. 1993. Т.1196-1206.

88. Golovnya R.V., MIsharina I.A. Comparison of efficiency of Isolation of volatiles from foodstuffs by codlstillation and Ll-kens-Nickerson methods.//In:Trends in flavour Research./Eds.H.Ma-arse, D.G.ven der Vel;}.Elsevier Sci.B.V.Amsterdam.1994.P.117-120.

89. Мишарина Т.А., Головня P.B., Белецкий И.В. Сорбционные свойства в капиллярной хроматографии гетероциклических соединений, отличающихся гетероатомом.//Изв.АН.Сер.хим.1993. N. 7. С.1224- 1227.

90. Мишарина Т.А., Головня Р.В. Спектральные и газохроматографи-ческие характеристики замещенных 4-метил-2-алкил-1,3-оксотиоланов и 1,3-дитиоланов.// Ж.аналит.химии. 1994. Т.49. N 4. С.395-401.

91. Мишарина Т.А., Головня Р.В.,. Страшненко Е.С., Медведева И.В. Сорбционно-структурные и масс-спектрометрические характеристики летучих компонентов модельных систем и ароматизаторов с запахом мяса. //Ж.аналит. химии. 1994. Т.49. N7. С.722-728.

92. Мишарина Т.А., Белецкий И.В., Головня Р.В. Хроматографические и Ж-спёктроскопические характеристики метил-, формил- и ацетилза-мещенных фуранов и тиофенов. //Изв. АН.Сер. хим.1994.N 1.С.70-75.

93. Golovnya В.Ч., Mlsharlna T.P., Shenderyuk V.V., Bullchev A.G. Flavour formation of sardine preserves.//Abstr. 4-th Wartburg Aroma Symp. 1994. Eisenach. P.25.

94. Grlgoryeva D.N., Golovnya R.V., Mlsharlna Ï.A., Sokolova L.I. GC/MS and sensory analysis of Iresh and stored meat-mushroom fla-vourlng.//Abstr. 4-th Wartburg Aroma Symp.1994. Eisenach. P.31.

95. Mlsharlna Î.A., Golovnya R.V., Beletsky I.V.. Efficiency of isolation of volatiles from salted fish and meat flavouring by water-ether co-dlstlllatlon.//Abstr. 4-th Wartburg Aroma Symp. 1994. Eisenach. P.50.

96. Mlsharlna T.A., Golovnya R.V., Beletsky I.V., Andreenkov

V.A. .Romanova N.V. Investigation of essential oils of herbs growing in Russia for sausage production.//Abstr. 4-th Wartburg Aroma Symp. 1994. Eisenach. P.51.

77/

I о г\ п г \л Сл гА/ л а &!/« псим

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПИЩЕВЫХ ВЕЩЕСТВ

На правах рукописи УДК 543.544.25:547.72/53

МИШАРИНА ТАМАРА АРСЕНЬЕВНА

ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОРБЦИИ СЕРО- М КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИИ В ХРОМАТОГРАФИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЛЕТУЧИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Специальность 02.00.20 - хроматография

Диссертация

на соискание учнпр 111 мши цпгтпрп щмичггги" наук в форме [одного ЩНйЩ^ДИУМ ВДЧ

19&Г. Протокел

лР'КУ£кд

УЧОНу.Э с-О.

м о с к в А, ;'| 9&5°Ра ^

У-'--'- .9тлела .£/'/

Ыд/Ь!

т7/.- ЯГ- <ь/£/-6

Работа выполнена в лаборатории химии запаха и вкуса Института злементоорганических соединений РАН и в лаборатории анализа и моделирования запаха и вкуса Института пищевых веществ РАН

Официальные оппоненты

доктор химических наук, профессор Руденко Б.А. доктор химических наук, профессор Терентьев П.Б. доктор химических наук, профессор Некрасов B.C.

Ведущая организация: Институт элементоорганических соединений Российской Академии Наук

Защита состоится 20 апреля 1995 г. в 14 ч. 30 мин. ка заседании Специализированного Совета Д.002.95.02 Института физической химии РАН по адресу: II79I5, Москва, Ленинский проспект, 31.

С диссертацией в форме научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Института физической химии РАН.

Диссертация в форме научного доклада разослана лг.. />*ч 1995 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета

кандидат химических наук t&utec^ Л.Н.Коломиец

гМГДДРСтденнИ}

МВЛМвТЕКА

1

021-т

Актуальность работа. Решение многих научных и практических задач связано с установлением структуры органических веществ, содер-■ жащихся в следовых количествах. Особую актуальность анализ сложных смесей органических веществ имеет в контроле за состоянием окружающей среды, в производстве и применении лекарственных средств» натуральных пищевых продуктов и их аналогов, пищевых ароматизаторов, продуктов бытовой химии, косметики и т.д. Следовый анализ является клетевой задачей в новой области химической науки - химии пищевых ароцатизирупцих 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 ароматообразупцих 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 прочилось при изучении душистых веществ, поскольку концентрации ле-/чих веществ в них были относительно велики: в цветах фруктов, в Мирных маслах пряно-ароматических растений. Запах этих объектов —-чрмируют сложные эфиры, спирты, альдегиды, кетоны, терпены. Для ■их классов веществ накоплен большей экспериментальный материал по §>личинам индексов удерживаний ™с(^?<Штрам. Сложнее осуществит» идентификацию веществ, 'ф®рми'рувщА"запЯг продуктов, подвергну,-^ х ферментативной или термическЪй обработке, так как их концентра-а в продуктах составляет 10~6-10~ г/г. К ним относятся серосо-ржащие соединения. Они отличаются крайне низкими пороговыми кон-,'нтрациями запаха, при этом для многих пищевых продуктов серосо-

1

держащие соединения являются ключевыми. Крайне малое содержание серосодержащих соединений в 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 ИК 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 пищевьрс 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 газохроматографического 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, описыва-вдие поведение гомологических и псевдогомологических рядов изученных соединений и позволяющие проводить расчет индексов удерживания гомологов. Изучено и 111111111111Дня ниП на параметры сорбции серо-и кислородсодержащих свфинейий. Остановлено, 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 неам-метричных соединений и содержащих разветвленные и ненасыщенные ал-2

кильные заместители с использованием установленных структурных инкрементов. Установлено,что величина сорбционного вклада метальной 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 а-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 й по литературньм данным.

Определены масс- и ИК спектральные характеристики диалкилполи-сульфвдов, тиофенов и фуранов с различными 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 ИК спектральных характеристик сорбатов. Разработан метод идентификации изомерных тиофеновых и фурановых соединений с применением их химической модификации и структурно-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 200°С, 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 клшевых 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 этих 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 партии 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 обработку 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, ВНИИПП и С1ГГ, 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"(Риц-жина, Польша, 1981), 7 Дунайском международном симпозиуме по 4

хроматографии (Ялта, 1985), I, II и III Всесоюзных конференциях "Разработка процессов получения комбинированных продуктов питания" (Москва, 1982. 1984 и 1988), I, II, III и IV Мездународных 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. Объекты исследования.

Синтезированы и изучено поведение 26 алифатических меркаптанов, 7 димеркаптанов, 130 диалкилсульфидов, 83 диалкилди-, три-, тетра- и пентасульфидов, 87 а,(|)-ди(алкилтио)алканов, 50 пяти- и шестичленных гетероциклов с двумя гетероатомами (сера и кислород), 48 тиофенов и фуранов с алкильными, сульфидными и карбонильными заместителями. Закономерности газохроматографического поведения вышеперечисленных соединений изучены на наполненных колонках с неподвижными фазами разной полярности: апиезон М (Ар М), OV-17, 0V-210, Тритон Х- 305 и ПЭГ- 1000, на стеклянных и кварцевых капиллярных колонках SPB-1, SE-30, 0V-101, SE-52, OV-17, SP-2300 и CW 20М в изотермических условиях и при программировании температуры анализа. Определены масс- и ИК-спектральные характеристики изученных соединений, которые наряду с экспериментальными, рассчитанными и литературными величинами индексов удерживания, установленными структурно-сорбционными закономерностями введены в банки данных для идентификации серо- и кислородсодержащих соединений в различных объектах.

1.1. Изучение сорбционных свойств в гомологических рядах

серосодермщх соединение и в псевдогомологических рядах диалкилподисульфидов.

Из массива изученных алифатических и гетероциклических соединений было выдел&но 52 гомологических ряда: алифатических меркаптанов, диалкйлсульфидов, диалкилдисульфидов, дитиоацеталей, а,ш-ди(алкилтио )алканов, н-адкил-2- и 3- тиенилсульфидов, н-ал-килфурфурилсульфидов, 2-н-алкил-.1,3-диоксоланов, 2-н-алкил-1,3-оксаТиоланов и 2-н- алкил-1,3-дитиоланов.

Изучение термодинамики .сорбции органических соединений показало, что энергетические йнаады метйюновых звеньев ДС(СН2)

одинаковы. .Расчет велявд ШСЩ) проведен из исправленных времен удерживания двух соседних гомологов (Гц^ и по формуле:

(1)

-ДС (СВ^) кДж/моль 2.32.22.12.01.91.81-71.61.51.41 .'3-

-ДС(С^) кДж/моль 2.3-

1 2 3 4 5 6 » Рисунок 1. Изменение свободной энергии сорбции -АС(СН^) в гомологических рядах серосодержащих соединений:

а) МеБ!^ -.-, 8131^-*-. РгЗВ^-о-, Ргб^-д-, МеБСН^-о- (Ар М,130°С) бЖ^Н -•-, Нщ-циклопентаны -о-, 1^-1,3-диоксоланы -х-, Вщ-1,3-окса-тиоланы -д-. ¿^-1,3-дитиолань! -о-, Лщ-фурфурилсульфиды -е-, ^-2-тиенилсульфиды -V-, Нщ-З-тиенилсульфиды О- {БВ 30,120°С).

Величины 01(СН2) и ДС(СН2) в гомологических рядах зависят от длины н-алкильного заместителя и от строения неизменяемого остатка мо-6

лекулы. В рядах алифатических соединений величины Л(1(СН?) монотонно увеличиваются с ростом углеводородной цепи, приближаясь для высших гомологов к постоянной величине (рис.1). Аналогичная зависимость су ществует в гомологических рядах тиенил- и фурфурилалкилсульфидов (рис.2). Для этих гомологических рядов нами предложено корреляционное уравнение общего вида:

I = А + В ш + С/т ('¿)

где А.В и С - константы для данного ряда, неподвижной фазы и температуры анализа, т - число атомов углерода в н-алкиле гомолога.

Экспериментальная проверка показала, что ур.2 позволяет с точностью до 1-2 е.и. рассчитывать индексы удерживания любого члена 38 гомологических рядов алифатических серосодержащих соединений на 4 х колонках с неподвижными фазами разной полярности. Определены константы 152 уравнений,на их основе предсказаны индексы удерживания 92 серосодержащих соединений.

В рядах гетероциклических соединений с двумя гетероатомами (се рой и кислородом) порядок изменения величин Д0(СН2) иной (рис.2). Величина сорбционного вклада СН2 группы имеет минимум на второй СН2 группе, причем вклад первого метиленового звена максимален. Аналогичная зависимость наблюдается- в рядах н-алкил замещенных циклопентана и циклогексана. Для описания таких гомологических рядов были проверены пять корреляционных уравнений, включая полином. . Наибольшую точность обеспечивает применение универсального уравнения, предложенного ранее Р.В.Головней и Д.Н.Григорьевой:

1п л £

I = а + рт + 7----- + --------------------------(3)

ш (т-2)2 +0.1

где а, р, 7 и 5 - эмпирические коэффициенты для данного гомологического ряда, фазы и температуры анализа, ш - число метиленовых звеньев в н- алкильном заместителе*

Ур.З позволяет описать сорбционные свойства гомологических рядов практически всех классов соединений, оно применимо также для алифатических соединений наряду с ур.2. Коэффициенты ур.З определены для 52 рядов алифатических и гетероциклических соединений.

Диалкилполисульфиды с одинаковыми алкильными заместителями и с полисульфидной цепью ра�