Физико-химические методы исследования состава и свойств пищевого сырья и продуктов

Вода является во многих продуктах количественно преобладающим компонентом. Она существенно влияет на качественные характеристики пищевого сырья и его устойчивость к воздействию микробиологических факторов. Массовая доля воды в пищевом сырье зависит от особенностей химического состава, сроков и условий хранения.

Вода в биологических объектах присутствует в трех формах: в виде свободной, слабо связанной и прочно связанной. Свободная вода, сохраняя подвижность до температуры замерзания около 0 С, служит растворителем многих веществ. Связанная вода прочно соединена с коллоидными веществами, образуя их гидратную оболочку, и не является растворителем. Слабо связанная вода замерзает при температуре –3…–5 С. В процессе хранения происходит изменение соотношения между свободной и связанной водой, что влияет на свойства пищевого сырья. Существуют различные методы аналитического определения содержания воды.

В наиболее распространенных методах воду удаляют из исследуемого объекта высушиванием, отгонкой и поглощением осушителями. В качестве осушителей чаще всего используют перхлорат магния, сульфат кальция, сульфат натрия, оксид фосфора и хлорид кальция. В настоящее время для определения влажности используют также химические методы и методы, основанные на измерении некоторых физических свойств продукта, например, диэлектрической проницаемости. Указанный принцип положен в основу одного из вариантов дистанционного измерения влажности продукта. Быстрым и универсальным способом определения воды в пищевых объектах является метод газожидкостной хроматографии метанольных экстрактов. Этот метод характеризуется высокой точностью и воспроизводимостью.

Метод высушивания – наиболее распространенный и универсальный способ определения воды. Содержание воды определяют по потере массы испытываемых образцов при их высушивании. Свободную влагу удаляют при температуре, близкой к температуре кипения воды. При воздействии повышенной температуры в образцах пищевых продуктов могут возникать побочные явления, связанные с развитием процессов дезаминирования (процесс удаления аминогрупп из молекулы) и декарбоксилирования (процесс отщепления карбоксильной группы аминокислот в виде СО2), образованием летучих соединений в результате термического разложения компонентов продукта, испарением летучих веществ и окислительными изменениями при контакте с кислородом воздуха.

Увеличение массы исследуемых образцов за счет образования продуктов окисления липидов может быть особенно значительным при сушке жиров или биоматериалов с высокой массовой долей жира. Поэтому наиболее объективные результаты можно получить при высушивании образцов в условиях вакуума или в атмосфере инертных газов. Условия сушки необходимо подбирать с учетом особенности состава и свойств высушиваемого материала. Точность результатов определения и продолжительность анализа зависят от температурного режима сушки и условий подготовки проб к высушиванию.

Обычно высушивание проводят при температуре, не превышающей 105 ºС, до достижения постоянной массы образцов. Ткани, содержащие нативные (неденатурированные) белки, следует сушить под вакуумом при температуре ниже температуры денатурации белков. При сушке жиров или продуктов с высоким содержанием жира температура не должна превышать 105 ºС. При сушке продуктов с невысокой массовой долей жира и высоким содержанием влаги температуру высушивания можно доводить до 150 С, при этом продолжительность сушки не должна превышать 1 ч.

Для ускорения сушки рекомендуется уменьшить толщину высушиваемого слоя и увеличить пористость продукта, смешивая его с твердым инертным материалом, например, песком. Песок, применяемый для этой цели, промывают водой, просеивают через сито с отверстиями 1-3 мм и настаивают с разбавленной соляной кислотой в течение суток. После обработки кислотой песок промывают водой до нейтральной реакции промывных вод на лакмус и высушивают при 150 ºС. Скорость сушки можно увеличить, добавляя к материалу этанол. В лабораторной практике высушивание под вакуумом проводят лишь в специальных случаях. Обычно продукты высушивают при атмосферном давлении. Для этого служат сушильные шкафы разных устройств. Наиболее удобны шкафы с электрическим обогревом и терморегулятором, позволяющим поддерживать определенную температуру.

Общее содержание минеральных веществ может быть определено озолением. Зола представляет собой минеральную часть продукта, полученную после сжигания органических веществ. В состав минеральных веществ входят хлористые, карбонатные, фосфорные и сульфатные соли калия, натрия, аммония, магния, кальция. В небольших количествах содержится железо; в микродозах – медь, цинк, стронций, барий, бор, кремний, олово, молибден, кобальт, никель и другие химические элементы.

Содержание золы дает приближенное представление о количестве минеральных веществ в продукте, так как процесс озоления может сопровождаться изменением их состава. Например, в зависимости от условий озоления карбонаты могут частично или полностью превращаться в оксиды с выделением двуокиси углерода; ортофосфаты – в пирофосфаты; сульфиды – в сульфаты; нитриты и нитраты частично переходят в оксиды.

Повышение температуры может сопровождаться потерями серы, фосфора, хлора. При озолении продуктов, содержащих относительно высокое количество хлоридов, могут наблюдаться потери железа, свинца, алюминия и меди благодаря образованию летучих хлоридов этих металлов. В состав золы входят элементы, которые содержались в органических компонентах продукта до его минерализации. При определенных условиях минерализации проб может быть обеспечен сравнительно постоянный состав золы, что позволяет получить сопоставимые результаты.

В настоящее время для определения содержания золы используют три метода: метод без предварительного высушивания навески; ускоренный метод; метод определения минеральных веществ, не растворимых в 10 %-м растворе соляной кислоты. Метод без предварительного высушивания навески применяют в том случае, если содержание влаги в продукте не превышает 20 %.

Большинство методов количественного определения жира основано на извлечении его органическими растворителями и последующем определении количества жира в экстракте. Для извлечения жира применяют растворители с низкой температурой кипения, удаление которых из жира не представляет затруднений. Чаще всего используют серный или петролейный эфир, хлороформ, дихлорэтан. Петролейный эфир имеет преимущество перед другими растворителями, поскольку извлекает меньше веществ, сопутствующих жирам. На экстрагирующую способность жира влияет наличие в нем посторонних примесей, в частности воды.

Полнота извлечения жира из пищевых объектов растворителями зависит от характера и степени взаимодействия липидов с другими компонентами продукта, содержания в нем влаги, структуры, соотношения растворителя и жирсодержащего материала, а также продолжительности экстрагирования. Более полно липиды извлекаются смесью бинарных растворителей с разными полярными свойствами, например, смесью хлороформа с метанолом и хлороформа с этанолом.

Вода, содержащаяся в тканях, препятствует диффузии жира из материала в растворитель. Поэтому прибегают к обезвоживанию материала перед экстракцией. Перед экстракцией измельченные пробы рекомендуется растирать с песком. Наряду с высушиванием при повышенной температуре применяют способ, при котором пробы исследуемого материала растирают с нейтральными водоотнимающими веществами, например, безводным сульфатом натрия, а также обезвоживание материала настаиванием или кипячением со спиртом.

Чаще всего жир определяют методом Сокслета. Методом Сокслета извлекают не только липиды, но и сопутствующие им вещества – фосфатиды, стерины, свободные жирные кис-лоты, красящие вещества, поэтому определяемый таким образом жир называют «сырым жиром». Полученный экстракт используют для количественного определения жира, кислотного и перекисного чисел. Для экстракции липидов с последующим хроматографированием экстрактов применяют метод Фолча. Данный метод основан на экстракции липидов из тканей хлороформ-метаноловой смесью. Он позволяет выделить как полярные, так и неполярные липиды и полностью сохранить фракцию фосфолипидов. Полученный экстракт липидов используют для исследования фракционного состава липидов и их жирно-кислотного состава.

Обычно о содержании белковых веществ в пищевом сырье животного происхождения судят по количеству азота. При проведении производственного анализа содержание белковых веществ подсчитывают не по белковому, а по общему азоту, входящему в состав всех органических и неорганических веществ. Такое отклонение в точности определения содержания белков вполне допустимо. Минерализацию (сжигание) производят нагреванием навески продукта с концентрированной серной кислотой в присутствии катализаторов (сернокислой меди или пероксида водорода), а также веществ, повышающих температуру кипения смеси (сульфата натрия или калия).

Кислотность обусловливает вкусовые свойства продукта и является показателем его свежести и доброкачественности.

Титруемой кислотностью называют количество свободных органических кислот и их кислых солей, содержащихся в исследуемом продукте. Метод основан на нейтрализации раствором щелочи водных вытяжек кислот и кислых солей, извлеченных из навесок исследуемого продукта. Обычно для титрования применяют 0,1 н. раствор едкого натрия (гидроксид калия – КОН), который удобно готовить из фиксанала (фиксаналы, первичные стандарты – наборы химических реактивов, выпускаемые промышленностью в запаянных ампулах. Эти ампулы содержат точно известное количество вещества); в этом случае его поправочный коэффициент равен единице. Окончание нейтрализации определяют по изменению окраски внесенного индикатора.

В качестве индикатора наиболее часто применяют 1 %-й спиртовой раствор фенолфталеина, в этом случае титрование вытяжки ведут 0,1 н. раствором едкого натрия до устойчивого слаборозового окрашивания.

При титровании окрашенных вытяжек кислот их разбавляют дистиллированной водой в два-три раза и титруют в присутствии фенолфталеина до изменения цвета вытяжки, что устанавливают сравнением с цветом такой же нетитрованной пробы (контроль).

Титрование вытяжки и сравнение ее с контролем проводят на белом фоне (колбочки помещают на белый лист бумаги). Окрашенные вытяжки можно титровать щелочью в присутствии 0,1 %-го спиртового раствора тимолфталеина. Окончание титрования определяют по получению устойчивой синей окраски.

Титрование можно проводить потенциометрическим методом, обычно его применяют для титрования окрашенных растворов. В этом случае окончание нейтрализации определяют по изменению электропроводности исследуемого раствора с помощью потенциометра.

Кислотность выражается в различных единицах измерения. Кислотность продуктов, содержащих разные кислоты и значительное количество кислых солей, выражают в градусах.

В процентах к преобладающей кислоте выражают кислотность плодово-ягодных соков (яблочная), маринадов (уксусная), квашеных овощей (молочная).

Кислотность муки, хлебобулочных и кондитерских изделий выражают в градусах кислотности. Под градусом кислотности понимают количество миллилитров нормальной едкой щелочи, необходимое для нейтрализации кислот, содержащихся в 100 г исследуемого продукта.

Кислотность молочных продуктов выражают в градусах Тернера, что означает количество миллилитров 0,1 н. раствора едкой щелочи, необходимого для нейтрализации кислот, находящихся в 100 миллилитрах или 100 граммах продукта.

Кислотность жиров выражают в миллиграммах едкого калия, необходимого для нейтрализации свободных жирных кислот, находящихся в 1 г исследуемого жира.

При прохождении светового луча через поверхность раздела двух сред он отклоняется от первоначального направления, т. е. преломляется. Величина угла отклонения зависит от концентрации и температуры вещества. Угол падения и угол преломления связаны соотношением, которое называется показателем преломления.

Метод измерения показателя преломления называется рефрактометрией. Если монохроматический луч проходит через поверхность раздела двух сред, то одна часть света отражается от поверхности раздела, а другая часть проходит через вторую среду, изменяя при этом скорость и направление. Эту часть монохроматического света называют «преломленным» светом. Отношение скоростей распространения света в обеих средах называют относительным показателем преломления. Преломление луча света описывается законом Снеллиуса (описывает преломление света на границе двух прозрачных сред).

Показатели преломления измеряют при помощи рефрактометров. Стандартным рефрактометром является прибор Аббе. Основные элементы прибора: измерительная и освещающая призмы, элементы микроскопа, термостат и источник света. Большинство лабораторных рефрактометров позволяют измерять показатели преломления в интервале температур от 0 до 80 ºС. Рефрактометры специального назначения работают в интервале температур от 0 до 200 ºС и находят широкое применение в промышленности.

Показатель преломления твердых объектов определяют в отраженном свете. В этом случае контрастность значительно хуже, чем при измерении в проходящем свете. Для измерения показателя преломления прозрачных тел на поверхность измерительной призмы рефрактометра наносят каплю жидкости с большим показателем преломления, чем у измеряемого тела (монобромнафталин). Затем плотно прикладывают полированную плоскую поверхность измеряемого тела, причем освещающая призма остается открытой. Показатель преломления сильноокрашенных жидкостей также определяют в отраженном свете, нанося вещество прямо на поверхность измерительной призмы. Если температура плавления вещества находится в диапазоне температур, регулируемых термостатом, то измеряют показатель преломления вещества в расплавленном состоянии.

Недостаток метода рефрактометрии – испарение жидкости с поверхности измерительной призмы. Люминесцентные методы исследования состава и свойств пищевых продуктов основаны на измерении интенсивности свечения (люминесценции) атомов, ионов, молекул при их возбуждении различными видами энергии. При люминесценции происходит испускание света возбужденными частицами. Переходя в более низкое энергетическое состояние, частица испускает квант света – люминесцирует. Главным преимуществом люминесцентного метода является низкий предел обнаружения (10-8 % и менее), что практически важно при определении различных добавок и загрязнений в растительных и мясных продуктах. Этот метод хорошо зарекомендовал себя также при экспресс-определении доброкачественности продукта.

Люминесценция характеризуется длительностью возбужденного состояния, которая у различных веществ имеет определенную среднюю величину. Поглощенная энергия некоторое время остается в возбужденной частице. Это время – средняя длительность возбужденного состояния – определяется свойствами возбужденной частицы и действием на нее окружающей среды. Источники возбуждения люминесценции могут быть разными.

В зависимости от вида источника различают термолюминесценцию, редиолюминесценцию и др. Чаще всего источником возбуждения является свет оптического диапазона ультрафиолетовых и видимых частот, в этом случае явление называют фотолюминесценцией. В зависимости от вида возбужденного уровня и времени пребывания в нем фотолюминесценция подразделяется на флуоресценцию и фосфоресценцию.

Флуоресценция – кратковременное свечение (10^-7…10^-10 с), которое продолжается только при облучении. Если источник возбуждения устранить, то свечение прекращается мгновенно или не более чем через 10^-3 с.

Фосфоресценция – более длительное свечение (10^–3…10^–2 с), которое продолжается после отключения источника электромагнитного излучения.

При исследовании пищевых продуктов основную роль играет флуоресценция. Важной характеристикой люминесцирующих веществ является квантовый выход люминесценции, который показывает, насколько эффективно в исследуемом веществе энергия возбуждения преобразуется в люминесценцию.

Размер квантового выхода зависит от концентрации люминесцирующего вещества в растворе, температуры, присутствия посторонних примесей. Уменьшение квантового выхода под влиянием этих факторов получило название тушения люминесценции. Одна из основных закономерностей люминесценции заключается в том, что спектр люминесценции (его форма и положение) не зависит от длины волны возбуждающего света. Согласно правилу Стокса–Ломмеля, спектр излучения в целом и его максимум всегда сдвинуты по сравнению со спектром поглощения и его максимумом в сторону более длинных волн. Правило Стокса–Ломмеля строго выполняется для большинства веществ, причем сдвиг спектров люминесценции относительно спектров поглощения дает возможность отфильтровать рассеянную часть возбуждающего света, примешивающегося к люминесценции. Люминесцентный анализ сводится к визуальному наблюдению или регистрации с помощью приборов люминесценции.

В зависимости от поставленных целей и задач исследования, способов возбуждения и регистрации люминесценции используются различные методы и приемы анализа.

Различают две группы люминесцентных методов – люминесцентные методы обнаружения и физико-химические люминесцентные методы. Люминесцентные методы обнаружения в основном используются как качественные экспресс-тесты, так как они не требуют количественных измерений и связанных с ними усложнений.

В этой группе методов выделяют: люминесцентный видовой и сортовой анализ – анализ, при котором по цвету и яркости свечения определяют вид и сорт продуктов; люминесцентную диагностику – обнаружение начальных признаков порчи продуктов, наличия примесей, загрязнений и т. д.

К группе физико-химических люминесцентных методов относят качественный люминесцентный анализ, с помощью которого устанавливают качественный состав исследуемого продукта, строение и свойства отдельных компонентов, а также количественный люминесцентный анализ, в задачи которого входит определение количественного содержания в продукте отдельных компонентов или соотношения составных частей продукта.

Флоурометрический анализ основан на выявлении зависимости между интенсивностью флуоресценции и концентрацией люминесцирующего вещества. Этот метод применяется в тех случаях, когда способностью к люминесценции обладает только определяемое вещество. В противном случае определению должны предшествовать операции по выделению и очистке определяемого вещества или маскированию примесей специальными реагентами. В количественном люминесцентном анализе применяют люминесцентные фотометры, которые часто называют флуориметрами или флуорометрами.

Активная кислотность (рН) – показатель концентрации свободных ионов водорода в растворе. Величина рН и ее изменение при хранении и переработке пищевых продуктов характеризуют их качество, так как деятельность ферментов и бактерий связана с кислотностью среды.

рН определяют непосредственно в пищевых продуктах или водных вытяжках и экстрактах из измельченных пищевых продуктов, если показатель рН служит мерой контроля качества (например, при определении доброкачественности плодовых и овощных соков, свежести мяса). Концентрацию водородных ионов можно определить потенциометрическим (арбитражным) методом и с помощью универсальных индикаторных бумажек (технический метод). Значение рН выражают как среднее арифметическое двух–трех определений. Точность измерений составляет ±0,05 единиц рН.