Экстракция моно- и дисахаридов и их определение в пищевых продуктах и напитках тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

005552308

На правах рукописи

БЫЧКОВА Анна Александровна

ЭКСТРАКЦИЯ MOHO- И ДИСАХАРИДОВ И ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЕ В ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТАХ И НАПИТКАХ

02.00.02 - Аналитическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Воронеж-2014

11 СЕН 2014

005552308

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

Научный руководитель: Мокшина Надежда Яковлевна

доктор химических наук, доцент ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е.Жуковского и Ю.А.Гагарина»

Официальные оппоненты: Шкинев Валерий Михайлович

доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Института геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН, доцент

Хохлов Владимир Юрьевич

доктор химических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет», доцент

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный

университет имени Н.Г. Чернышевского»

Защита диссертации состоится «16» октября 2014 г. в 14 часов 00 мин на заседании диссертационного совета Д212.035.05 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, Воронеж, пр. Революции, 19, конференц-зал

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные гербовой печатью учреждения, просим присылать ученому секретарю совета Д212.035.05.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «ВГУИТ». Полный текст диссертации размещен в сети Интернет на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» http://www.vsuet.ru. 21 июля 2014 г. Автореферат размещен в сети Интернет на официальном сайте Министерства образования и науки РФ: vak2.ed.gov.ru и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» http://www.vsuet.ru 25 июля 2014 г.

Автореферат разослан «1» сентября 2014 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д.212.035.05, канд. техн. наук, доц

Седых В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Углеводы - жизненно важные составляющие компоненты многих продуктов питания. Распространенные природные углеводы (фруктоза, глюкоза, галактоза, сахароза, лактоза) содержатся во многих плодах, ягодах, млечном соке растений, молочной сыворотке. Определение природных Сахаров необходимо для решения различных прикладных задач, включая контроль качества и установление подлинности пищевых продуктов и напитков, предназначенных для диетического питания; мониторинга ферментации при производстве молочных продуктов. Для определения природных Сахаров в водных средах широко применяются хроматографические методы. Ввиду нелетучести и хорошей растворимости моно- и дисахаридов в воде наибольшее распространение для их определения получила жидкостная хроматография, в частности ВЭЖХ и ТСХ. Применение современных методов (ВЭЖХ, капиллярный электрофорез) связано с использованием сложного и дорогостоящего оборудования, требует специальной про-боподготовки.

Разнообразие объектов анализа (от пищевых продуктов до фармацевтических препаратов и биологических жидкостей) обусловливает необходимость отделения углеводов от мешающих компонентов, в том числе и основных, составляющих матрицу анализируемого образца.

Жидкостная экстракция является одним из наиболее распространенных методов пробоподготовки при определении микроколичеств органических соединений разных классов. Сведения о коэффициентах распределения и степени извлечения фруктозы, глюкозы, галактозы, сахарозы, лактозы органическими растворителями весьма ограничены. Для решения практических задач с применением жидкостной экстракции необходима разработка новых экстракционных систем, характеризующихся высокими количественными характеристиками.

Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России 20092013 гг.» (г/к № П2264 от 13.11.09 г.) и научным направлением кафедры «Экстращия органических соединений» (рег. № 0105 от 10.02.2008).

Цель исследования - разработка комплекса способов извлечения и раздельного определения фруктозы, глюкозы, галактозы, сахарозы и лактозы в пищевых продуктах и напитках, включающих экстракцию углеводов из углеводсодержащих водных вытяжек и последующий анализ экстракта физико-химическими методами.

Задачи:

• установление некоторых закономерностей экстракции моно-и дисахаридов гидрофильными растворителями, их бинарными и тройными смесями;

• разработка новых экстракционных систем для анализа водных сред, содержащих моно- и дисахариды методами фотометрии, поляриметрии, хроматографии в тонком слое и неводного потенцио-метрического титрования;

• применение физико-химических способов определения углеводов с предварительным экстракционным извлечением в анализе объектов со сложной многокомпонентной матрицей (диабетические кондитерские изделия, натуральные соки, кисломолочные продукты, мед);

Научная новизна

Установлены взаимосвязи экстракционных характеристик углеводов со свойствами органических растворителей. Предложены схемы взаимодействия моно- и дисахаридов со спиртами, эфирами и ацетоном. На коэффициенты распределения углеводов в изученных системах наибольшее влияние оказывает диэлектрическая проницаемость и поверхностное натяжение экстрагентов. Наиболее полное извлечение дисахаридов достигается смесью изомерный спирт - ацетон, моносахаридов — смесью ацетон - этилацетат - изопропиловый спирт.

Предложены эффективные условия определения моно- и дисахаридов в водных средах и пищевых продуктах методом хроматографии в тонком слое. Для достижения практически полного разделения углеводов разработана подвижная фаза состава этилацетат - н.пропиловый спирт — концентрированная уксусная кислота — формамид — вода. Оптимизированы условия активации хроматографических пластин.

Практическая значимость

Предложены экстракционные системы, обеспечивающие практически полное (93 %-ное и более) извлечение углеводов (патенты РФ №№ 2429471 и 2471806).

Для определения фруктозы, глюкозы и сахарозы в натуральных соках применены фотометрия и поляриметрия. Продолжительность анализа 30-40 мин, относительная погрешность определения не выше 10 %.

Разработан способ экстракционно-потенциометрического раздельного определения углеводов в пищевых продуктах и напитках, включающая экстракцию бинарными смесями гидрофильных раство-

рителей, и последующее определение углеводов методом неводного потенциометрического титрования.

Фруктозу и сахарозу в диабетических кондитерских изделиях определяли методом восходящей тонкослойной хроматографии. Экстракты из меда, энергетических напитков, молока, фруктовых йогуртов и безлактозных молочных продуктов анализировали потенцио-метрически.

Новизна практических разработок подтверждена материалами Роспатента, они опубликованы в информационных бюллетенях Воронежского ЦНТИ. Разработки апробированы в отделе контроля качества на предприятии ОАО «Молвест».

Основные положения, представляемые к защите:

• эффективные экстракционные системы для концентрирования и практически полного извлечения углеводов из водно-солевых растворов;

• новые подвижные фазы и способы активации хроматогра-фических пластин для разделения углеводов методом хроматографии в тонком слое;

• способ экстракционно-потенциометрического раздельного определения углеводов в пищевых продуктах и напитках, содержащих 5 или менее моно- и дисахаридов;

• комплекс фотометрических, поляриметрических, хромато-графических и потенциометрических способов определения углеводов в водных средах и пищевых продуктах (диабетические кондитерские изделия, натуральные соки, кисломолочные продукты, мед).

Апробация работы

Отдельные разделы диссертационной работы доложены на IV Международной конференции «Экстракция органических соединений» (Воронеж, 2010), XI Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань 2010), XX—XXIV Российской молодежной научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии», (Екатеринбург 2010-2014); Ш Международном симпозиуме по сорбции и экстракции (Владивосток, 2010), 76-81 конференциях молодых ученых «HayKOBi досягнення молод! - виришенню проблем харчування людства в XXI столггп» (Киев, 2010-2014), «Аналитика России» (Краснодар, 2011), «ХП Научной конференции с международным участием «Льв1всьи xímÍ4hí читання» (Львов, 2011), Всероссийской конференции «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2010-2013); Съезде аналитиков России «Аналитическая химия - новые методы и возможности» (Москва,

2010), I Международной конференции «Современные методы аналитического контроля качества и безопасности продовольственного сырья и продуктов питания» (Москва, 2010), V-VI Всероссийских конференциях студентов и аспирантов «Химия в современном мире» (Санкт-Петербург, 2011, 2012), XXI Российской молодежной научной конференции, посвященной 150-летию академика Н.Д. Зелинского (Екатеринбург, 2011), конференции «Химическая технология» (Москва,

2012), IX Всеукрашська конференции з анаттично1 химш (Донецк,

2013), IV Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности (Бийск, 2013), ежегодных отчетных научных конференциях и семинарах ВГУ-ИТ (Воронеж, 2010-2014).

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 7 статьях в журналах, входящих в перечень ВАК, 8 научных статьях, 3 патентах РФ, а также материалах Всероссийских и Международных конференций.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитируемой литературы (210 источников) и приложения (материалы Роспатента, акты апробации практических разработок, материалы Воронежского ЦНТИ). Работа изложена на 160 страницах машинописного текста, включает 27 рисунков и 26 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы и перспективность применения экстракции и физико-химических методов анализа для определения моно- и дисахаридов в пищевых продуктах и напитках.

ГЛАВА I. Обзор литературы. Приводится обзор методов извлечения и концентрирования углеводов из водных сред. Обобщены известные физико-химические способы определения углеводов в пищевых продуктах и напитках. Обзор литературы позволяет сделать вывод об отсутствии систематических исследований в области извлечения, концентрирования и определения углеводов. Недостаточно изучена экстракция моно- и дисахаридов из водных сред, не разработаны способы их определения непосредственно в концентратах.

ГЛАВА II. Методика эксперимента. Обоснован выбор объектов исследования. Изложена методика выполнения эксперимента. Для опти-

мизации условий экстракции (продолжительность, соотношение объемов фаз) углеводов применяли методы планирования эксперимента. Модель экстракции имеет вид уравнения регрессии, рассчитанного на основе эксперимента с применением центрального композиционного униформ-планирования (полный факторный эксперимент второго порядка 2 ). Оптимальные условия экстракции вычисляли методом неопределенных множителей Лагранжа. Экстрагенты - спирты (этиловый, н.пропиловый, изопропиловый, н.бутиловый, изобугиловый, н.пентиловый, н.гекси-ловый, н.октиловый, нониловый), ацетон, эфиры (этилацетат, бутилаце-тат, пентилацетат, 1,4-диоксан) и их смеси. Высаливатели - сульфат аммония и карбонат калия; соотношение объемов водной и органических фаз (f) 15 : 1 (индивидуальные экстрагенты) и 10 :1 (бинарные и тройные смеси). Изучена зависимость коэффициентов распределения углеводов от реакции среды. Установлено, что независимо от характера применяемого высаливателя максимальные коэффициенты распределения углеводов достигаются при рН 4,0 — 5,0. Коэффициенты распределения определялись при разных концентрациях исследуемого моно- и дисахарида и оказались постоянными в диапазоне от 0,1 до 20 мг/см3. Количественные характеристики экстракции найдены в условиях установившегося межфазного равновесия (~ 10 мин) при 20° С и рН ~ 4,7.

Экстракты анализировали методами неводного потенциомет-рического тирования (иономер И-130, хлоридсеребряный и платиновый электроды, титрант - изопропанольный раствор борной кислоты), поляриметрии, а также хроматографически (пластины Sorbfil (Россия) и Silufol (Чехия)).

Фотометрическое определение углеводов в водных растворах выполняли на фотоэлектроколориметре КФК-2МП по реакции с резорцином, тимолом или дихроматом калия (стеклянная кювета / = 0,5 см, X = 490-540 нм, область линейности градуировочных графиков углеводов 0,02 - 0,001 мг/см3).

Обработку и оценку достоверности результатов анализа проводили методами математической статистики (п = 3, Р = 0,95).

ГЛАВА Ш. Экстракция моно- и дисахаридов гидрофильными растворителями.

Эффективность распределения биологически активных веществ в системах гидрофильный органический растворитель - насыщенный водно-солевой раствор определяется способностью экстра-гентов образовывать с извлекаемым веществом устойчивые комплексы, - сольваты, гидрато-сольваты. Сольватация обусловлена образованием водородных связей между ОН-группами углеводов (фрукто-

зы, глюкозы, галактозы, сахарозы, лактоза) и атомами кислорода (ке-тоны, эфиры) или водорода ОН-групп (спирты). При этом преимущественно происходит связывание ОН-группы при атоме Сб за счет усиления полярности связи О—Н именно в этом положении.

Установленные корреляции между коэффициентами распределения углеводов в системе вода - сульфат аммония — гидрофильный экстрагент и физико-химическими параметрами экстрагентов (диэлектрической проницаемостью растворителей (е), дипольным моментом (ц), поверхностным натяжением (о)) позволяют прогнозировать экстракционные характеристики углеводов.

Экстракция эфирами и ацетоном. Апротонный полярный растворитель ацетон, характеризуется дифференцирующим действием в отношении большинства электролитов, хорошо растворяет многие органические вещества. Химические свойства ацетона обусловлены высоким дипольным моментом карбонильной группы, положительным зарядом С-атома и поляризуемостью двойной связи. Распределение углеводов между ацетоном и водно-солевым раствором возможно с образованием ассоциатов, в том числе с участием «мостиков» воды.

Подобно экстракции ацетоном, сольватация алкилацетатами и 1,4-диоксаном объясняется образованием водородных связей между ОН-группами углеводов и атомами кислорода эфиров. При однократной экстракции ацетоном и эфирами наиболее полно извлекаются лактоза и сахароза степень извлечения достигает 80 и 70 % соответственно при Г = 15 (табл. 1). Это объясняется повышенным содержанием ОН-групп в молекулах дисахаридов по сравнению с моносахаридами.

Таблица 1. Коэффициенты распределения углеводов в системе гидрофильный растворитель — водный раствор сульфата аммония; п=3, Р = 0,95.

Экстрагент Фруктоза Глюкоза Галактоза Сахароза Лактоза

1,4-диоксан 11,1 ±0,7 17,8 ±0,9 13,1 ±0,7 30,9 ±1,5 52,6 ±2,6

этилацетат 19,5 ±1,1 23,6 ±1,2 14,2 ±0,7 34,6 ±1,7 65,1 ±33

бутилацетат 12,7 ±0,7 15,7 ±0,8 9,7 ±0,5 20,4 ±1,0 34,5 ±1,7

пентилацетат 9,5 ± 0,5 13,0 ±0,5 6,6 ±03 10,4 ±0,5 18,4 ±0,9

ацетон 16,5 ±0,9 23,4 ± 15,2 ±0,8 35,3 ±1,8 60,6 ±3,0

Экстракция спиртами. Межфазное распределение углеводов в системах со спиртами осуществляется преимущественно за счет атома кислорода ОН-групп углеводов и атома водорода ОН-групп спиртов, а также взаимодействием атома кислорода альдегидной (кетонной) группы углевода в ациклической форме и ОН-групп спиртов, которое в 2 раза превосходит силы, обусловливающие взаимодействие экстрагентов с ОН-группами углеводов.

Коэффициенты распределения углеводов в системах со спиртами нормального строения повышаются в ряду галактоза < фруктоза < глюкоза < сахароза < лактоза (табл. 2).

Таблица 2. Коэффициенты распределения углеводов в системе спирт -водный раствор сульфат аммония — углевод; п = 3, Р = 0,95.

Экстрагенг (спирт) Фруктоза Глюкоза Галактоза Сахароза Лактоза

н.пропиловый 16,9 ±0,9 24,7 ±13 14,8 ±0,7 47,0 ±2,4 83,0 ± 4,2

н.бугиловый 11,9-0,7 22,0 ±1,2 10,7 ±0,5 25,9 ±13 56,6 ±2,8

н.пентиловый 93 ±0,6 16,2 ±0,8 8,0 ±0,4 10,6 ±0,5 30,0 ±1,5

изопропиловый 9,5 ±0,6 133 ±0,7 10,0 ±0,5 35,3 ±1,8 673 ±3,4

изобугиловый 7,4 ±0,5 11,8 ±0,6 7,7 ±0,4 18,4 ±0,9 43,0 ±2,1

изопенгиловый 6,0 ±03 9,5 ± 0,5 6,2 ±0,3 83 ±0,4 22,7 ±1,1

Установлена корреляция между коэффициентами распределения (^О) и температурой плавления углеводов, связанной со способностью углеводов образовывать гидраты. Минимальные коэффициенты распределения характерны для моносахарида галактозы, две гидроксильные группы которой находятся в аксиальном положении, вследствие чего, образование гидратов и сольватов этими углеводами затруднено. Максимальные значения коэффициента Б установлены для дисахарида лактозы, характеризующейся наибольшим значением температуры плавления и в кристаллической форме находящейся в форме дигидрата.

Степень извлечения углеводов гидрофильными растворителями при однократной экстракции и Г = 15 не превышает 85 %. Повышение степени извлечения углеводов может быть достигнута с применением бинарных смесей растворителей.

Экстракция бинарными смесями растворителей. Экстракция углеводов бинарными смесями растворителей сопровождается си-нергетическим эффектом, максимум отклонения коэффициентов

распределения от аддитивности достигается при содержании этил-ацетата в смеси не более 0,5 мол. доли (рис. 1).

Для всех изученных углеводов наиболее эффективна экстракция смесью на основе изопропилового спирта, что объясняется наибольшим содержанием воды в органической фазе по сравнению с экстракцией другими изученными нами спиртами, при этом максимальная степень извлечения достигается для лактозы (89 % при однократной экстракции и Г= 10; табл. 3).

мол. доля этилацетата моя. доля ацетона

Рис. 1. Зависимость коэффициентов распределения глюкозы (а) и сахарозы (б) от содержания этилацетата при экстракции в смеси с пропиловым (1); бутиловым (2); изобугаловым спиртами (3); пунктиром указаны линии аддитивности.

Таблица 3. Степень извлечения углеводов смесями растворителей на основе изопропилового спирта при однократной экстракции; __{= 10,п = 3,Р=0,95.__

Углевод Второй компонент смеси (спирт), мол. доля

этилацетат ацетон

0,2 0,4 0,6 0,8 0,2 0,4 0,6 0,8

фруктоза 63 73 78 80 71 81 82 76

глюкоза 67 73 73 67 67 72 75 73

галактоза 57 64 64 56 54 59 63 62

сахароза 75 78 78 77 79 81 82 80

лактоза 88 87 86 85 89 88 88 87

Экстракция смесями ацетон - спирт характеризуется более высокой степенью извлечения моносахаридов по сравнению с соответствующими величинами для систем на основе алкилацетатов (табл. 3). Для извлечения изученных моносахаридов наиболее эффективна смесь ацетон - изопропиловый спирт (2 : 3). К примеру, степень извлечения фруктозы в такой системе достигает 82 %. Применение экс-трагента состава ацетон - изопропиловый спирт эффективно для извлечения индивидуального моносахарида из раствора.

Для сахарозы экстракционная система алкилацетат (либо ацетон) - изопропиловый спирт более эффективна в соотношении 2 : 3; степень извлечения 79 (82 %). Лактоза максимально извлекается (88 и 89%) смесью этилацетат (ацетон) - изопропиловый спирт в соотношении 4:1 (табл. 3).

Экстракция тройными смесями растворителей. Применение трехкомпонентных смесей растворителей значительно повышает экстракционные характеристики моносахаридов. Максимальные коэффициенты распределения моносахаридов установлены при экстракции смесью этилацетат - ацетон - изопропиловый спирт при содержании ацетона в смеси не более 0,1 мол. доли. Так, при объемном соотношении этилацетата, ацетона и спирта 20 : 1 : 4 достигается практически полное извлечение фруктозы и глюкозы (II = 96, 94 %) из водного раствора.

Применение тройных смесей не повышает количественные характеристики дисахаридов, процесс описывается характерными антагонистическими кривыми.

ГЛАВА IV. Определение углеводов в пищевых продуктах и напитках.

На основании установленных нами общих положений экстракции разработаны эффективные экстракционные системы для извлечения углевода или группы углеводов с целью их фотометрического, хроматографического и потенциометрического определения в пищевых продуктах и напитках. Методики включают экстракцию углеводов из водных вытяжек, полученных из анализируемых продуктов, и последующий анализ экстракта физико-химическими методами (рис. 2).

В соответствии с ГОСТ углеводы в пищевых продуктах (кондитерские изделия, мед, йогурт, творожный крем) и напитках (фруктовые и овощные соки, молоко) селективно определяют фотометрически с предварительной ферментативной обработкой

анализируемой пробы. Общее содержание углеводов устанавливают титриметрическим, фотометрическим и поляриметрическим методами.

Рис. 2. Комплексная схема определения углеводов, экстрагенты: А — ацетон, ЭА — этилацетат, ИП — изопропиловый спирт, П — н.пропиловый спирт.

Экстракционно-хроматографическая методика раздельного определения фруктозы и сахарозы в диабетических кондитерских изделиях, включает получение водной вытяжки из анализируемого продукта, экстракцию углеводов смесью ацетон - изопропиловый спирт (2 : 3) и анализ концентрата методом восходящей хроматографии в тонком слое на пластинах «5Пий>1» или «БогЬШ» с последующей компьютеро-сканерометрической обработкой. Для активации сорбента пластины «БогЬШ» предварительно пропитывали смесью растворов сульфата и гидроксида аммония с концентрацией 1 моль/дм3, термостатировали при 20±2 °С.

Обоснован выбор подвижной фазы и ее состав. Установлен оптимальный состав подвижной фазы: этилацетат - н.пропиловый спирт — концентрированная уксусная кислота - формамид - вода в объемном соотношении 5:5:1:1:3. Расчет содержания углеводов в концентрате по площади пятен осуществляли с применением персонального компьютера и офисного сканера по уравнениям градуи-ровочных графиков.

Приводим результаты экстракционно-хроматографического определения углеводов в диабетических продуктах (табл. 4).

Таблица 4. Определение углеводов в кондитерских изделиях, изготовленных

на основе фруктозы; п = 3, Р - 0,95

Продукт, производитель Заявленое содержание углеводов, г/100 см3 Найденное содержание углеводов, г/100 см3 Из них

фруктозы сахарозы

конфеты «Суфле в шоколаде», ОАО Воронежская КФ» 54,5 523±2,1 32,3±1,4 15,9±0,6

конфеты «Курага с суфле в шоколаде», ООО «Вишнево-городская КФ» 62,5 62,0±1,9 39Д±1,3 12,7±0,5

печенье «Добрый совет», ОАО «Воронежская КФ» .67,6 66,6±2,5 26Д±0,9 7,6±0,5

печенье «Без сахара на фруктозе», ОАО «Воронежская КФ» 67,7 65,2£2,3 11,8±0,9 9,8±0,3

Установлено, что в проанализированных диабетических конфетах (печенье) содержание фруктозы 30 - 40 (10 - 30) г/100 г и сахарозы 10 - 16 (7 - 10) г/100 г продукта.

Определение фруктозы, глюкозы и сахарозы в натуральных соках включает экстракцию смесью ацетон — этилацетат -изопропиловый спирт и последующее определение фотометрическими и поляриметрическими методами анализа (табл. 5). При этом в органическую фазу переходит 94 % фруктозы и 91 % глюкозы, водная фаза содержит 90 % сахарозы.

Таблица 5. Углеводный состав яблочных соков; п = 3, Р = 0,95

Сок, производитель Заявлено производителем, г/100 см3 Найдено, г/100 г

фруктоза глюкоза сахароза

«Сады придонья», Волгоград ПЛ 5,2±0,4 4,6±0,3 1,2±0,1

«Сады придонья» детский, Волгоград 11,0 5,6±0,4 4,2±0,3 1,0±0,1

«Мой сад», Волгоград 11,3 5,4±0,5 4,4±0,4 1,5±0,1

«Спеленок», Воронеж 11,0 4,8±0,4 4,7±0,3 0,8±0,1

«Тонус», Лебедянский 11,2 6,0±0,5 3,9±0Д 1,1*0,1

Разработана методика экстракционно-потенциометрического селективного определения углеводов в молочных продуктах, включающая экстракцию бинарными смесями гидрофильных растворителей, в которых постоянным компонентом является изопропиловый спирт, и последующее потенциометрическое определение углеводов в водно-солевых растворах. В качестве титранта применяли изопропанольный раствор борной кислоты с концентрацией 0,01 моль/дм3. В присутствии моно- и дисахаридов, борат-анион стабилизируется за счет образования хелатов, в которых молекулы воды, окружающие борат-ион, замещаются гидрокси-группами органического лиганда (углевода). Стабилизация приводит к резкому увеличению константы ионизации борной кислоты и углеводов. Измерения проводили в стандартной потенциометрической ячейке с платиновым и хлоридсеребряным электродами. Установлено, что для моносахаридов характерен один пик на дифференциальной кривой потенциометрического титрования, для дисахаридов - два пика, что может быть объяснено гидролизом (рис. 3).

Рис. 3. Дифференциальные кривые потенциомеггрического титрования экстракта, содержащего глюкозу (1), фруктозу (2) и лактозу (3).

Разработанная методика позволяет раздельно определять моно-или дисахариды в молочных продуктах, в составе которых содержится 5 или менее углеводов.

Результаты экстракционно-потенциометрического определения моно- и дисахаридов в пищевых продуктах и напитках проверяли методом «введено — найдено» (табл. 6).

Таблица 6. Метрологические характеристики определения углеводов в энергетических напитках; п = 3, Р = 0,95.

Аналит Введено, мг Найдено, мг S Vn Дх, %

фруктоза 5,00 10,00 4,82±0,46 9,88±0,56 0,25 0,30 0,46 0,56 9,5 5,7

глюкоза 5,00 10,00 4,87±0,32 9,91±0,58 0,18 0,35 0,32 0,58 6,6 5,9

галактоза 5,00 10,00 4,82±0,48 9,84±0,65 0,24 0,36 0,48 0,65 9,9 6,6

сахароза 5,00 10,00 4,88±0,23 9,83±0,43 0,13 0,22 0,23 0,43 4,7 4,4

лактоза 5,00 10,00 4,90±0,18 9,88±0,47 0,10 0,25 0,18 0,47 3.7 4.8

Методика определения углеводов в молочных продуктах и энергетических напитках включает экстракцию моно- и дисахаридов смесью этилацетат - изопропиловый спирт в соотношении 1 : 4, а также определение аналита в органической фазе методом неводного потенциометрического титрования.

Результаты анализа молока известных производителей представлены в табл. 7.

Таблица 7. Определение лактозы в молоке; п = 3, Р = 0,95

Молоко, производитель Заявлено производителем, г/100 г Найдено лактозы, г/100 г S Ах, %

«Квили-мили», Россошь 4,8 4,70±0,26 0,14 4,1

«Летний день», Липецк 4,7 4,45±0,14 0,07 3,1

«Простоквашино», Орел 4,7 4,80±0,24 0,15 4,8

«Алексеевское», Алексеевка 4,7 4,52±0,20 0,12 4,4

«Вкуснсггеево», Воронеж 4,7 4,64±0,22 0,12 4,6

«Иван Поддубный», Воронеж 4,7 4,73±0,20 0,11 4,2

Установлено, что в проанализированном молоке содержание лактозы менее 5 г на 100 г продукта, расхождения с данными производителя не превышают 4 %.

Разработанная нами методика характеризуется следующими преимуществами по сравнению с ГОСТом: экспрессность (продолжительность анализа 30 - 35 мин), точность (относительная погрешность в пределах 5 %, S = 0,1 - 0,2), не требуется дорогостоящего оборудования и реактивов, а также разбавления и фильтрации молока на стадии пробоотбора.

Приводим результаты экстракционно-потенциометрического определения углеводов в молочных и кисломолочных продуктах, не содержащих лактозу, произведенных в Финляндии ООО «Valió» (табл. 8).

Таблица 8. Определение углеводного состава без лактоз ных молочных

продуктов производства ООО «Valió»; п = 3, Р = 0,95.

Молочный продукт Заявлено производителем, г/100 г Найдено, г/100 см3

глюкоза галактоза сахароза

Молоко 3,1 (0,0)* 1,6±0,2 1,5 ±0,1 -

Сливки для взбивания 2,7 (0,0)* 1,4±0,1 1,4 ±0,1 -

Йогурт «Турецкий» 4,6 (4,6)* - - 4,5 ±0,3

Крем творожный 17,9 1,1±0,1 1,2 ±0,2 15,5 ±0,5

*В скобках указано содержание сахарозы, г/100 см

Во всех продуктах содержание углеводов на 100 см3 не превышает заявленное производителем. Лактоза в составе безлактозных продуктов производства ООО «Valió» не обнаружена.

Методика установления углеводного состава энергетических напитков и меда включает экстракционное концентрирование фруктозы, глюкозы и сахарозы из водно-солевого раствора меда смесью ацетон - изопропиловый спирт (1 : 1) и потенциометрический анализ концентрата. Установленный нами углеводный состав энергетических напитков и меда приведен в табл. 9.

Таблица 9. Определение углеводов в энергетических напитках и цве-

точном меде; п = 3, Р = 0,95

Пищевой продукт или напиток Заявлено производителем, г/100 см3 Найдено, г/100 см3

фруктоза | глюкоза | сахароза

энергетические напитки

«Adrenaline nature», Москва 12,4 4,26±0,43 1,23±0,31 5,67±0,26

«Adrenalinerush», Москва 12,5 2,03 ±0,40 1,22±0,22 8,20±0,34

«Jaguar», Видное 11,5 0,79±0,38 0,80±0,25 9,48±0,38

«Strike», г. Архангельск 11,5 1,51 ±0,41 1,18±0,26 8,83±0,30

«Coca-cola», Самара 10,6 2,87±0,39 2,84±0,32 4,81±0,29

цветочный мед

Натуральный полевой мед, Воронежская обл-ть 79-83 40,5±1,9 29,7±1,2 6,5±0,3

«Цветочный мед», г. Санкт-Петербург 82 34,9±1,6 33,6±1,3 8,0-Я),4

«Майский мед», г. Горячий ключ 81 39,0±1,7 16,(Ж),7 6,0±0Д

В проанализированных нами энергетических напитках и цветочном меде найденное содержание углеводов соответствует заявленному.

Основные выводы

1. Установлены закономерности экстракции пяти углеводов в системах водно-солевые растворы - индивидуальные гидрофильные растворители (алифатические спирты, алкилацетаты, ацетон, диок-сан). С применением математических методов планирования эксперимента подобраны условия (высаливатель, продолжительность экстракции, соотношение объемов фаз, рН) для эффективного извлечения углеводов. Найдено, что наиболее полное однократное извлечение моно- и дисахаридов (85 %) из водно-солевых растворов достигается с применением ацетона, этилацетата, изо- и н.пропилового спиртов при соотношении объемов водной и органических фаз 15:1.

2. Для повышения количественных характеристик экстракции углеводов применены бинарные и тройные меси растворителей. Смеси ацетона с изопропанолом, а также .тройные смеси ацетон-изопропанол-этилацетат обеспечивают практически полное (> 90 %) извлечение индивидуальных моносахаридов при однократной экстракции.

3. Предложены условия хроматографического разделения углеводов в водной фазе и концентрате: подвижная фаза - смесь этилаце-тат - н.пропиловый спирт - концентрированная уксусная кислота -формамид - вода (5:5:1:1:3); пластины - «Silufol» или «Sorbfil», пропитанные смесью 1 моль/дм3 растворов сульфата и гидроксида аммония.

4. Показана возможность раздельного количественного титри-метрического определения моно- и дисахаридов в пищевых продуктах и напитках. Установлены условия титрования углеводов в неводной среде потенциометрическим методом (индикаторный электрод -платиновый, электрод сравнения - хлоридсеребряный; титрант - 0,1 моль/дм3 раствор борной кислоты в изопропиловом спирте). Погрешность селективного определения углеводов в органическом концентрате не превышает 10 %.

5. Комплекс экстракционно-физико-химических методик раздельного определения моно- и дисахаридов предложен для анализа натуральных соков, диабетических кондитерских изделий, меда, энергетических напитков, молока, фруктовых йогуртов и безлактоз-ных молочных продуктов. Минимально определяемые концентрации углеводов в пищевых продуктах и напитках по предложенным методикам находятся в интервале 0,5 — 2 мкг/см3.

Основные публикации по теме диссертации

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Я.И. Коренман Извлечение фруктозы из водных растворов алифатическими спиртами С2 - С6 / Коренман Я.И., Бычкова A.A., Чикалова A.M., Ким К.Б. // Вестник ВГУ, Серия: Химия, Биология, Фармация. 2011. №1. С.44 - 48.

2. A.A. Бычкова Закономерности экстракции глюкозы двойными и тройными смесями гидрофильных растворителей / Бычкова A.A., Чикалова A.M., Коренман Я.И., Мокшина Н.Я. // В мире научных открытий. 2011. Т. 17, №5. С. 289-296.

3. Я.И. Коренман Экстракция фруктозы бинарными смесями гидрофильных растворителей / Коренман Я.И., Мокшина Н.Я., Бычкова A.A. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2012. Т. 55, № 3. С. 29-31.

4. Я.И. Коренман Экстракционно-хроматографическое определение глюкозы и фруктозы в присутствии ароматических аминокислот / Коренман Я.И., Пахомова O.A., Бычкова A.A.// Вестник ВГУИТ. 2012. Т. 51, № 1. С. 115-118.

5. Я.И. Коренман Раздельное определение кофеина и углеводов в энергетических напитках / Коренман Я.И., Бычкова A.A., Мокшина Н.Я., O.A. Кривошеева // Аналитика и контроль. 2012. Т. 16, № 4. С. 285 - 288.

6. Я.И. Коренман Селективное определение лактозы в молочных продуктах / Коренман Я.И., Бычкова A.A.// Известия ВУЗов. Пищевая технология. 2013. №1. С 25 -27.

7. Я.И. Коренман Физико-химическое определение углеводов в пищевых продуктах и напитках / Коренман Я.И., Мокшина Н.Я., Бычкова A.A.// Вестник ВГУИТ. 2014. Т. 59, № 1. С. 146 - 152.

Другие статьи

8. A.A. Бычкова Некоторые закономерности экстракции лактозы из сточных вод / Бычкова A.A., Коренман Я.И., Мокшина Н.Я., Кравец A.B.// Сб. науч. статей «Наука, образование, производство в решении экологических проблем» (Экология - 2011). Уфа. 2011. С. 84 - 90.

9. Я.И. Коренман Извлечение сахарозы гидрофильными растворителями и смесями на их основе / Коренман Я.И., Бычкова A.A., Мокшина Н.Я., Кравец A.B. // Междунар. интернет-симпозиум по сорбции и экстракции «ISSE-2011». Владивосток. 2011. С. 200 - 205.

10. Я.И. Коренман Экстракция глюкозы из водных растворов / Коренман Я.И., Бычкова A.A., Мокшина Н.Я., Провоторова М.А. // Междунар. интернет-симпозиум по сорбции и экстракции «ISSE-2011». Владивосток. 2011. С. 206-211.

11. Я.И. Коренман Некоторые закономерности экстракции сахарозы гидрофильными и гидрофобными растворителями / Коренман Я.И., Бычкова A.A., Муравьев A.C., Войтов Н.Г., Мокшина НЛ. // Сб. статей «Актуальные проблемы химической науки, практики и образования». Курск. 2011.С.46 - 49.

12. Я.И. Коренман Хроматографический анализ концентрата: экстракционное концентрирование фруктозы гидрофильными растворителями / Коренман Я.И., Бычкова A.A., Мокшина Н.Я., Чикалова A.M. // Сб. статей «Актуальные проблемы химической науки, практики и образования». Курск. 2011. С. 49 -53.

13. Я.И. Коренман Экстракционно-потенциометрическое определение углеводного состава фруктового йогурта / Коренман Я.И., Бычкова A.A., Булатников A.C., Мокшина Н.Я. // Сб. мат. III междунар. конф. «Современный методы аналитического контроля качества и безопастности продовольственного сырья и продуктов питания». Москва. 2012. С.134 - 138.

14. A.A. Бычкова Экстракция галактозы алифатическими спиртами и смесями на их основе / Бычкова A.A., Коренман Я.И., Мокшина Н.Я. // Сб. «Технология и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности». Бийск. 2013. С.145 - 149.

15. A.A. Бычкова Определение глюкозы в безлактозных молочных продуктах / Бычкова A.A., Коренман Я.И., Мокшина Н.Я. // Сб. «Технология и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности». Бийск. 2013. С. 325 - 329.

Патенты

1. Пат. 2429471 РФ, МПК7 G01N 33/18, С07Н 23/00 Способ определения глюкозы в водных растворах / Коренман Я.И., Мокшина Н.Я., Бычкова A.A. - 2009103366/15; Заявлено 02.02.2009; Опубл. 10.03.2011, Бюл. № 7 // Изобретения. - 2011. - № 7 (ч. III). - С. 683.

2. Пат. 2471806 РФ, МПК7 С07Н 3/02, С07Н 1/06 Способ извлечения фруктозы из водных растворов смесью этилацетата с ацетоном / Коренман Я.И., Мокшина Н.Я., Бычкова A.A., Пахомова O.A., Ким К.Б., Чикалова A.M. - 2011139432/04; Заявлено 27.09.2011; Опубл. 10.01.2013, Бюл. № 1 // Изобретения. - 2013. - № 1.

3. Пат. 2486505 РФ, МПК7 G01N 31/00, B01D 11/00 Способ раздельного определения сахарозы и фенилаланина / Коренман Я.И., Мокшина Н.Я., Бычкова A.A., Пахомова O.A. - 2011137745/15; Заявлено 13.09.2011; Опубл. 20.03.2013, Бюл. № 8 // Изобретения. - 2013. - № 8.

Материалы диссертации представлены в 39 тезисах докладов.

Соискатель благодарит д. х. н. Коренмана Я.И. за научные консультации

Подписано в печать «25» июля 2014 г. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» Отдел полиграфии ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии: 394086 Воронеж, пр. Революции, 19