XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Выявление фальсифицированной кисломолочной продукции в настоящее время весьма актуально и требует объективного выбора физических и физико-химических методов анализа. Возможности аналитической химии и соответствующее метрологическое обеспечение позволяют проводить выявление фальсификата на достаточно высоком уровне, поскольку в настоящее время в молочной промышленности широко применяют самые современные физические и физико-химические методы анализа (рис. 1).

Рисунок 1 – Основные виды физических и физико-химических методов анализа, применяемые в молочной промышленности

Ниже (таблица 1) кратко структурированы общеизвестные [1, С. 3-4; 2, С. 166; 3, С. 4-5, 10] сведения о сущности и метрологических возможностях этих методов.

Как следует из таблицы 1, что хроматография – физико-химический метод разделения и определения веществ, основанный на распределении компонентов между двумя фазами, неподвижной и подвижной. Неподвижной (стационарной) фазой служит твердое пористое вещество или пленка высококипящей органической жидкости, нанесенные на твердое вещество. Подвижная фаза представляет собой жидкость или газ, протекающий через неподвижную фазу. Метод позволяет не только разделять многокомпонентную смесь, но идентифицировать и определять ее количественный состав. Многократность актов сорбции – десорбции разделяемых компонентов обеспечивает большую эффективность хроматографического разделения по сравнению со статистическими методами сорбции экстракции.

Таблица 1 – Физические и физико-химические методы анализа и их характеристики

Известно, что хроматографические методы применяют в информационных и технологических целях, т.е. для получения информации о составе, либо о его физико-химических свойствах, а также для выделения целевого компонента из смеси либо для его очистки.

Электрохимические методы анализа основаны на изучении и использовании процессов, протекающих на поверхности электрода или в «приэлектродном слое». Любой электрический параметр (потенциал, сила тока, сопротивление и др.) функционально связанный с концентрацией определяемого компонента и поддающийся правильному измерению, может служить аналитическим сигналом.

Различают прямые и косвенные электрохимические методы. В прямых методах используют зависимость силы тока (потенциала и т.д.) от концентрации определяемого компонента. В косвенных методах силу тока (потенциал и т.д.) измеряют с целью нахождения конечной точки титрования определяемого компонента подходящим титрантом, т.е. используют зависимость измеряемого параметра от объема титранта.

Для любого рода электрохимических измерений необходима электрохимическая цепь или электрохимическая ячейка, составной частью которой является анализируемый раствор.

Электрохимическая ячейка – система, состоящая из пары электродов и электролита, контактирующих между собой [4, С. 7-8].

Спектральные (спектофотометрические методы) анализа основаны на способности атомов и молекул веществ испускать, поглощать или рассеивать электромагнитное излучение. Этот метод – один из самых распространённых и широко применяемых. Они позволяют получить наиболее полную информацию о важнейших свойствах вещества и установить содержание веществ в объектах в диапазоне от 30-40 % до 10-3 %.

Методы спектрального анализа – методы, заключающиеся в определении химического состава и строения веществ по их спектру. Их делят на две большие группы:

– эмиссионный спектральный анализ;

– абсорбционный спектральный анализ.

В спектроскопических методах анализа спектром называется зависимость между энергией кванта и числом квантов, обладающих данной энергией.

В литературе [2, 4] представлено несколько видов классификационных признаков методов спектрального анализа. Основные разновидности методов спектрального анализа представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Классификация методов спектрального анализа

Спектрофотометрия – экспериментальный метод, который позволяет измерить концентрацию растворенных веществ по количеству поглощаемого раствором света. Высокая эффективность данного метода обусловлена тем, что различные соединения по-разному поглощают свет с той или иной длиной волны. По количеству прошедшего сквозь раствор света можно выяснить, какие соединения присутствуют в растворе, и определить их концентрации. Спектральный анализ используется для определения пектиновых веществ, фенольных соединений, макро- и микроэлементов, содержания тяжелых металлов, степени окисления жиров и др. В лабораториях для этого используют специальный прибор – спектрофотометр. Этот метод позволяет получить наиболее полную информацию о важнейших свойствах продукта.

Спектральные методы дают широкие возможности для наблюдения и исследования сигналов в различных областях электромагнитного спектра – рентгеновское излучение, ультрафиолетовое (УФ) излучение, видимый свет, инфракрасное (ИК), а также микроволновое и радиоволновое излучение.

По источнику и типу аналитического сигнала спектральные методы разделяют на молекулярно-абсорбционную спектрометрию (МАС) и молекулярно-люминисцентную (МЛС), или флуориметрию; на атомно-абсорбционную (ААС) и атомно-эмиссионную (АЭС), а также спектрометрию ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

Нефелометрическим методом анализа (нефелометрией)называют метод, основанный на измерении интенсивности потока света, рассеянного твердыми частицами, находящимися в растворе во взвешенном состоянии (т. е. под углом 90 или каким-либо другим). Нефелометрический метод основан на феномене рассеивания света, когда падающий луч ударяется в частицу или комплекс антиген – антитело в растворе. В результате этого количество рассеянного света пропорционально количеству антиген. Метод нашел применение при анализе белка, лекарственных препаратов, определении мутности воды, при дисперсном анализе порошков. Этот метод используют при анализе молекулярных масс высокомолекулярных соединений (ВМС), формы и размеров дисперсионных систем.

Нефелометрический и турбидиметрический методы применяются для анализа суспензий, эмульсий, различных взвесей и других мутных сред. Интенсивность пучка света, проходящего через такую среду, уменьшается за счет рассеивания и поглощения света взвешенными частицами

Физическую основу ААС составляет поглощение резонансной частоты атомами в газовой фазе. Если на невозбужденные атомы направить излучение света с резонансной частотой поглощения атомов, то излучение будет поглощаться атомами, а его интенсивность уменьшиться. Таким образом, в ААС аналитический сигнал (уменьшение интенсивности излучения) связан с количеством невозбужденных атомов.

Число атомов в возбужденном состоянии не превышает 1-2% от общего числа атомов определяемого элемента в пробе, поэтому аналитический сигнал в ААС оказывается связанным с существенно большим числом атомов, следовательно, в меньшей степени подтвержден влиянию случайных колебаний при работе атомно-абсорбционного спектофотометра.

Метод АЭС основан на термическом возбуждении свободных атомов или одноатомных ионов и регистрации оптического спектра испускания возбужденных атомов. Аналитическим сигналом в АЭС служит интенсивность испускаемого излучения. В АЭС исследуют атомно-эмиссионные спектры, полученные в результате возбуждения атомов в газообразном состоянии.

Для перевода атомов в газообразное состояние и их возбуждения используют плазму, в качестве среды для получения плазмы применяют аргон.

В пищевой промышленности этот метод применяют для анализа продуктов питания на наличие примесей токсичных элементов и тяжелых металлов.

Метод атомно-абсорбционной спектроскопии и метод атомно-эмиссионной спектроскопии можно занести в одну общую группу – методы атомной спектроскопии. Они находят широкое применение в химии, биохимии, экологии и др., а также в анализе различных видов сырья и пищевых продуктов. Метод позволяет определить около 70 различных химических элементов; используется для одновременного определения большого числа элементов (многоэлементный анализ). Может быть применен для серийного анализа благодаря высокой чувствительности и быстроте.

Рефрактометрия– метод анализа, основанный на явлении преломления света при прохождении из одной среды в другую. Метод рефракциив пищевой промышленности применяется для определения: массовой доли воды в меде; содержания жиров; сахаристости фруктов и овощей; содержания водорастворимых экстрактивных веществ в кофе, чае, безалкогольных напитках, сахаров – в ликероводочных изделиях, винах, коньяках. Также его используют при исследовании томатопродуктов, варенья, джемов, соков и других продуктов.

Поляриметрический анализ – это метод, основанный на измерении угла вращения плоскости поляризации линейно поляризованного света оптически активными веществами.

Значение угла поворота зависит от молекулярной структуры и концентрации раствора. Удельное оптическое вращение [α] рассчитывается по следующей формуле:

[α]tλ= (100 × α) / (L × C).

Удельное оптическое вращение зависит оно от температуры образца t, длины волны света излучателя λ, длины оптического пути (длины кюветы) L и концентрации образца C в г/100мл.

Определение лактозы. Поляриметрия позволяет определять содержание лактозы в сыром и обработанном молоке. Контроль за содержанием лактозы позволяет эффективно проверять качество как безлактозных продуктов, так и продуктов с её уменьшенным содержанием (сыр, простокваша и пр.). Поляриметры позволяют контролировать эти значения с большей точностью по сравнению со стандартными методами исследований.

Люминесценция – это свечение атомов, молекул, ионов и других более сложных комплексов, возникающее в результате электронного перехода в этих частицах при их возвращении из возбужденного состояния в нормальное. Отсюда следует, что для возбуждения люминесценции необходимо подводить энергию извне, т.к. она теряется при излучении. Поэтому виды люминесценции можно классифицировать по внешнему источнику возбуждения энергии (таблица 2)[5, С. 305-306].

Таблица 2 – Классификация методов люминесценции по способам возбуждения

Переходя в более низкое энергетическое состояние, возбужденные частицы испускают квант света – люминесцируют. От излучения нагретых тел люминесценция отличается неравновесностью, т.к. практически не включает тепловую энергию. Это избыточное над тепловым излучение называют холодным светом.

Качественный люминесцентный анализ основан на возникновении или исчезновении люминесцентного излучения, т.е. использует сам факт люминесценции. Для измерения люминесценции служат приборы двух типов: флуориметры и спектрофлуориметры.

Люминесцентный анализ позволяют определить начальную степень порчи продуктов питания. С его помощью нетрудно сделать заключение о качестве продуктов и предупредить возникновение пищевых отравлений.

Различают три типа свечения: самостоятельное, вынужденное и рекомбинационное. По продолжительности люминесценцию подразделяют на флюоресценцию и фосфоресценцию (рисунок 3).

Как представлено в методических рекомендациях по люминесцентному анализу пищевых продуктов [6, С.4], люминесцентные методы, применяемые для оценки фальсификата, основаны на наблюдении:

1) собственной люминесценции анализируемого вещества (сортовой анализ);

2) возникновения или гашения люминесценции в результате взаимодействия анализируемого вещества с реактивами (химический флуоресцентный анализ).

Как указано в методических рекомендациях [6, С.13], между сортовым и химическим анализом резкая граница отсутствует. Это связано с тем, что при химическом флуоресцентном анализе ( в случае использования его как экспресс-метода) этот метод переходит в сортовой и наоборот.

Рисунок 3 – Классификация основных типов люминесценции

Конструкция люминоскопа достаточно проста. Ее описание приводится в паспорте прибора (руководство по эксплуатации) [7]. В качестве источника ультрафиолетовых лучей используют специальные лампы накаливания.

В методических рекомендациях и руководствах по эксплуатации приборов для люминесцентного анализа (например, для люминоскопа «ФИЛИН») приведены общие указания по определению качества молочных продуктов. Как рекомендуется во всех источниках информации по люминоскопам, обязательным условием при определении качества молока и молочных продуктов является одновременный просмотр нескольких проб, из которых одна заведомо хорошего качества, иначе разница в цвете люминесценции не будет заметна. Пробы молока наливают в кюветы по 10-20 мл и помещают в смотровую камеру. Цельное коровье молоко люминесцирует интенсивным желтым цветом. Кипяченое молоко люминесцирует таким же желтым цветом, но оно более прозрачное (менее насыщенное). Молоко, начинающее скисать, дает люминесценцию серо-голубого цвета различной насыщенности. Цельное молоко, разбавленное водой, меняет свой цвет с ярко-желтого до бледно-желтого.

У творога, приготовленного в нормальных условиях, люминесценция желтоватая, у творога, приготовленного из снятого молока в жестяной посуде, люминесценция имеет сине-фиолетовое мерцание. При бактериальном загрязнении видны светящиеся точки и разноцветные пятна

Несозревший сыр люминесцирует матово-желтым цветом. По мере созревания сыра свечение приобретает синеватый оттенок, у созревших сыров он становится почти фиолетовым. Плесневые грибки в сыре легко определить по яркой люминесценции, которая может иметь различные цвета и характерную конфигурацию.

Представляет практический интерес выявление фальсификата молочной продукции, как с целью проведения государственного надзора, так и для совершенствования методик анализа, в том числе в исследовательских целях.

Работа выполнена на кафедре метрологии, стандартизации и сертификации Оренбургского государственного университета под руководством: профессора кафедры – члена-корреспондента РАЕ, доктора технических наук, доцента Третьяк Л.Н.; доцента кафедры, кандидата экономических наук, доцента Косых Д.А.

Список использованных источников

1. Мирошникова Е.П. Методы исследования свойств сырья и молочных продуктов: / Е.П. Мирошникова : методические указания – Оренбург: ГОУ ОГУ, 2005.– 60 с.

2. Крусь Г.Н. Методы исследования молока и молочных продуктов / Г.Н. Крусь, А.М Шалыгина, З.В. Волокитина – учебное пособие – М.: «Колос», 2000. – 367 с.

3. Дмитревич И.Н: Физико-химические методы анализа. Хроматографические методы анализа. / И.Н. Дмитревич и [др.] – учебное пособие – СПб., 2014 – Ч. 3 – 59 с.

4.Дмитревич И.Н. Физико-химические методы анализа. Электрохимические методы анализа / И.Н. Дмитревич, Г.Ф. Пругло, О.В Федорова, А.А. Комиссаренков - учебное пособие – 2014. – СПб., 2014 – Ч. 1 – 77 с.

5. Золотова Ю.А.Основы аналитической химии. Методы химического анализа: в 2-х т. / Ю.А. Садовничий, Ю.А. Золотов – классический университетский учебник – М., 2004. – 494 с.– т. 2.

6. Методические рекомендации по люминесцентному анализу пищевых продуктов (Люминоскоп «ФИЛИН»). – СПб., НПО «Петролайзер», 2000. – 23 с.

7. Руководство по эксплуатации ЖИГН 346.160.009.ПС: Люминоскоп «ФИЛИН». – СПб.: НПО «Петролайзер», 2000. – 7 с.