CC BY
17УДК 543.635:664.12
doi.org/10.24412/2413-5518-2023-1-32-37
Аспекты определения редуцирующих веществ в белом сахаре методом Найта и Аллена
М.И. ЕГОРОВА, канд. техн. наук, зав. лабораторией (e-mail: rniisp@gmail.com)
Л.Ю. СМИРНОВА, научн. сотрудник
ФГБГУ «Курский федеральный аграрный научный центр»
Введение
Согласно ГОСТ 33222-2015 «Сахар белый. Технические условия» содержание в сахаре редуцирующих веществ является одним из параметров его категорирования [1—3]. Описание методов определения редуцирующих веществ приведено в ГОСТ 12575-2001 «Сахар. Методы определения редуцирующих веществ». Данный стандарт был разработан УкрНИИСП более 20 лет назад, поэтому требует актуализации как в части описания методик, так и в части применяемых терминов.
В настоящее время версия документа в первой редакции, выполненной РУП «Научно-практический центр НАН Беларуси по продовольствию», находится на стадии публичного обсуждения. В ней приведены три метода: йо-дометрические с применением реактивов Мюллера и Оффнера, комплексонометрический Найта и Аллена [4, 5]. Определение редуцирующих веществ с применением реактивов Мюллера и Оффнера хорошо освоено в практике работы лабораторий сахарных заводов, поскольку используется при контроле не только белого сахара, но и сахарной свёклы, полуфабрикатов технологического потока [6, 7]. Метод Найта и Аллена, хотя и присутствует в обеих версиях документа (действующего ГОСТ 12575 и проекта), не нашёл применения на практике.
Исходя из текста проекта стандарта и приведённой в нём таблицы, данный метод рекомендуется для определения редуцирующих веществ в сахаре в диапазоне 0,017—0,002 %, т. е. исходя из нормативов ГОСТ 33222 — для сахара категории «Экстра», имеющего высокое качество. Кроме того, наименование раздела 6 проекта ГОСТа отсылает его пользователя к методу ICUMSA [8], создавая впечатление тождественности их текстов. Однако методика ICUMSA GS2/3/9-5 (в новой нумерации GS2-5), хотя и аналогична описанной в ГОСТе, имеет определённые отличия, представленные в табл. 1.
В связи с этим возникла необходимость экспериментально отработать элементы данной методики, оценить возможность её использования в системе контроля свеклосахарного производства.
Материалы и методы
В работе использованы следующие реактивы: натрий углекислый безводный ч.д.а., ГОСТ 83; калий-натрий виннокислый 4-вод-ный ч.д.а., ГОСТ 5845; натрий хлористый ч.д.а., ГОСТ 4233; медь сернокислая 5-водная ч.д.а., ГОСТ 4165; натрия гидроокись ч.д.а., ГОСТ 4328; соль динатри-евая этилендиамин-^^№,№-тетрауксусной кислоты 2-водная (трилон Б) х.ч., ГОСТ 10652; сахароза х.ч., ГОСТ 5883; вода дистиллированная, ГОСТ Р 58144; кислота бензойная ч.д.а., ГОСТ 10521; кислота соляная ч.д.а., ГОСТ 3118; мурексид (индикатор) ч.д.а.; мети-леновый синий ч.д.а.
Для подготовки проб к анализу использованы: весы лабораторные электронные ShinkoDenshi ViBRA НТ224СЕ (класс точности I); вибрационный смеситель ELMI V-3; посуда мерная лабораторная сте-
Таблица 1. Отличия методик определения содержания редуцирующих веществ
в сахаре с применением реактива Найта и Аллена, изложенных в разных источниках
Позиция методики ГОСТ 12575-2001 «Сахар. Методы определения редуцирующих веществ» Методика ICUMSA GS2/3/9-5 (2011)
Объём добавляемого медного щелочного реагента 2 см3 5 см3
Титрант Трилон Б 0,0025 М Трилон Б 0,005 М
Окраска в точке эквивалентности Пурпурная Фиолетовая
Диапазон расходуемого титранта (табличные данные) От 1,7 до 11,8 см3 От 3,2 до 19,1 см3
Диапазон определяемого содержания редуцирующих веществ в белом сахаре От 0,017 до 0,002 % От 0,05 до 0,002 %
Градуировочный график Не предусмотрен Предусмотрен
клянная, ГОСТ 1770; посуда фарфоровая, ГОСТ 9147.
Исследования методики Найта и Аллена проводили на 9 образцах белого сахара: по 3 образца категорий «Экстра», ТС1 и ТС2 с различным содержанием редуцирующих веществ, установленных методом Мюллера, близким содержанием сухих веществ (табл. 2).
Отработку элементов осуществляли по двум вариантам: вариант 1 — методика, описанная в ГОСТ 12575; вариант 2 — методика, описанная в ICUMSA GS2/3/9-5.
В варианте 1 медный щелочной реагент Найта и Аллена готовили в мерной колбе вместимостью 1000 см3 растворением 25,00 г безводного углекислого натрия и 25,00 г тетрагидрата виннокислого калия-натрия в 600 см3 дистиллированной воды, содержащей 40 см3 1,0 М гидроксида натрия. Отдельно растворяли 6,000 г пен-тагидрата сульфата меди в 100 см3 дистиллированной воды и количественно переводили в колбу с раствором тетрагидрата виннокислого калия-натрия.
Раствор трилона Б 0,0025 М готовили в день проведения анализа в мерной колбе вместимостью 1000 см3 растворением 0,9306 г соли в дистиллированной воде. Объём раствора в колбе доводили дистиллированной водой до метки, перемешивали.
Индикатор готовили растиранием в фарфоровой ступке пестиком 0,50 г мурексида с 0,15 г метиле-нового синего и 40 г хлористого натрия. Полученный порошок индикатора мурексида переносили в ёмкость с притёртой крышкой, которую хранят в эксикаторе в тёмном месте. Индикатор использовался во всех вариантах исследований.
В варианте 2 проводили два вида опытов: опыт 1 — приготовление медного щелочного реагента аналогично описанному выше;
опыт 2 — приготовление медного щелочного реагента в мерной колбе вместимостью 1000 см3 с увеличенными навесками реактивов, по аналогии с соотношением реактивов, входящих в состав реагента Мюллера — 150,00 г безводного углекислого натрия и 150,00 г тетрагидрата виннокислого калия-натрия; 36,000 г пентагидрата сульфата меди.
Раствор трилона Б 0,005 М готовили в день проведения анализа в мерной колбе вместимостью 1000 см3 растворением 1,860 г соли в дистиллированной воде. Объём раствора в колбе доводили дистиллированной водой до метки, перемешивали.
Кроме того, в варианте 2 исследования проводили в двух сериях опытов с градуировочными растворами, содержащими 0,1%-ный раствор инвертного сахара, соответствовавшими содержанию редуцирующих веществ: серия 1 — 0,05; 0,04; 0,03; 0,02; 0,01 %; серия 2 - 0,005; 0,004; 0,003; 0,002; 0,001 % (каждая точка в трёх по-вторностях).
Для этого готовили стандартный 1%-ный раствор инвертного сахара. 9,50 г сахарозы переводили без потерь при помощи 100 см3 дистиллированной воды в мерную колбу вместимостью 1000 см3, добавляли 5 см3 концентрирован-
ной соляной кислоты, осторожно перемешивая во время прилива-ния. Горлышко колбы накрывали небольшим химическим стаканом и оставляли на трое суток при температуре 20-25 оС. После завершения инверсии сахарозы в колбу вливали дистиллированную воду до объёма примерно 800 см3, добавляли раствор бензойной кислоты, приготовленный путём растворения 2 г бензойной кислоты в 75 см3 горячей дистиллированной воды. Объём раствора в колбе доводили до 1000 см3, перемешивали. Стандартный раствор инвертного сахара хранится в бутыли из тёмного стекла с притёртой пробкой 6 месяцев.
В день проведения анализа в мерной колбе вместимостью 100 см3 готовили 0,1%-ный раствор инвертного сахара. Для этого 5 см3 1%-ного стандартного раствора инвертного сахара переводили в колбу, объём раствора доводили дистиллированной водой до метки, перемешивали.
Измерения количества редуцирующих веществ в образцах сахара проводили следующим образом. В варианте 1 в пробирку помещали 5,000 г сахара, добавляли 5 см3 дистиллированной воды и растворяли, устанавливая пробирку на вибрационный смеситель. Далее в пробирку вносили 2 см3 медного
Таблица 2. Характеристики образцов белого сахара, участвовавших
в исследованиях
Образец Категория сахара Содержание редуцирующих веществ по методу Мюллера, % к массе продукта Содержание влаги, %
1 «Экстра» 0,002 0,02
2 «Экстра» 0,003 0,04
3 «Экстра» 0,005 0,05
4 ТС1 0,006 0,07
5 ТС1 0,005 0,06
6 ТС1 0,007 0,05
7 ТС2 0,016 0,06
8 ТС2 0,022 0,10
9 ТС2 0,019 0,09
реагента, помещали в кипящую водяную баню на 5 мин. После пробирку охлаждали в холодной воде, раствор из пробирки помещали в белую фарфоровую выпарную чашку и проводили титрование 0,0025 М раствором трилона Б в присутствии 0,1 г мурексида.
В варианте 2 в пробирку помещали 5,000 г сахара, добавляли 5 см3 дистиллированной воды и растворяли, устанавливая пробирку на вибрационный смеситель. Далее в пробирку вносили 5 см3 медного реагента, помещали в кипящую водяную баню на 5 мин. После пробирку охлаждали в холодной воде, раствор из пробирки помещали в белую фарфоровую выпарную чашку и проводили титрование 0,005 М раствором трилона Б в присутствии 0,1 г мурексида.
Для получения данных градуи-ровочного графика в серии 1 в 6 подготовленных пробирок вносили по 5 г сахарозы; в 5 пробирок
добавляли от 5 до 1 см3 раствора 0,1%-ного инвертного сахара и от 0 до 4 см3 дистиллированной воды; в 6-ю пробирку — 5 см3 дистиллированной воды. Пробирки помещали на вибрационный смеситель для полного растворения сахара, далее в каждую пробирку вносили по 5 см3 реактива Найта и Аллена, помещали в кипящую водяную баню на 5 мин. После пробирки охлаждали в холодной воде, растворы из пробирок поочередно выливали в белую фарфоровую выпарную чашку и проводили титрование 0,005 М раствором трилона Б в присутствии 0,1 г мурексида. Последовательность манипуляций получения данных граду-ировочного графика представлена на рис. 1.
В серии 2 выполняли аналогичные процедуры, отличающиеся лишь тем, что в 5 пробирок добавляли от 0,5 до 0,1 см3 раствора 0,1%-ного инвертного сахара и от
4,5 до 4,9 см3 дистиллированной воды.
Градуировочный график строили, откладывая по оси абсцисс величины содержания редуцирующих веществ в сахаре, %, по оси ординат — соответствующие им значения объёма раствора трилона Б, пошедшего на титрование, см3.
Результаты статистически обрабатывали с помощью функций и специальных опций программы MS Excel 2013.
Результаты исследований
При определении количества редуцирующих веществ в образцах белого сахара в варианте 1 и варианте 2 получены следующие результаты. В образцах категорий «Экстра» и ТС1 цвет раствора в пробирках после нагревания в кипящей водяной бане был серо-и жёлто-зелёным, т. е. соответствовал норме, но расход титран-та трилона Б был гораздо выше (13,5—15,0 см3 в варианте 1 и 22,3— 24,0 см3 в варианте 2), чем предусмотрено методикой (11,8 см3 в варианте 1 и 19,1 см3 в варианте 2). В образцах сахара категории ТС2 определение оказалось невозможным из-за несоответствия окраски раствора после нагревания: раствор приобрёл оранжевую окраску вместо жёлто-зелёной (рис. 2), что
Рис. 1. Последовательность манипуляций для получения данных градуировочного графика
Рис. 2. Цвет растворов белого сахара после нагревания с реактивом Найта и Аллена: а — категория «Экстра»; б — категория ТС1; в — категория ТС2
а
свидетельствовало о высоком содержании редуцирующих веществ и недостаточном количестве щелочного реактива для протекания реакции.
Иными словами, можно сделать вывод, что предел обнаружения редуцирующих веществ по данной методике — 0,007 %, опредёленных по методу Мюллера.
Результаты манипуляций при построении градуировочного графика в серии 1, опыте 1 варианта 2 показали, что содержимое пробирок 1, 2, 3 и 4 после добавления реактива Найта и Аллена и нагревания имело ярко-оранжевый цвет (рис. 3). Это говорит о высоком содержании редуцирующих веществ и недостаточном количестве сернокислой меди, содержащейся в реактиве Найта и Аллена, для их окисления. Содержимое пробирки 5 имело грязно-жёлтый цвет с сине-зелёным оттенком; цвет раствора в пробирке 6 - жёлто-зелёный, т. е. только растворы пробирок 5 и 6 с концентрацией редуцирующих веществ 0,01 и 0 % соответственно могут быть
Рис. 3. Внешний вид пробирок с градуировочными растворами после нагревания (серия 1, опыт 1, вариант 2)
1 2 3 4 5 6
Рис. 4. Цвет градуировочныхрастворов до нагревания (серия 1, опыт 2, вариант 2)
использованы для получения данных градуировочного графика.
Полученные градуировочные растворы в серии 1, опыте 2 варианта 2 до нагревания были прозрачными и имели интенсивный синий цвет (рис. 4), отличающийся от цвета градуировочного раствора, приготовленного по стандартной методике (см. рис. 1).
После нагревания содержимое пробирок 1 и 2 имело тёмно-оранжевый цвет (рис. 5), что свидетельствует о высоком содержании редуцирующих веществ и недостатке щелочного реактива. Содержимое пробирок 3 и 4 имело тёмно-коричневый цвет с грязно-зелёным оттенком, а содержимое пробирок 5 и 6 — тёмно-синий цвет с серо-зелёным оттенком, что предполагает возможность наличия редуцирующих веществ. Однако интенсивный цвет растворов после нагревания не позволил выделить на своём фоне при добавлении индикатора образовавшийся растворимый комплекс зелёно-коричне-вого цвета, а в точке эквивалентности — сине-фиолетовую окраску свободного индикатора.
1 2 3 4 5
Рис. 5. Цвет градуировочных растворов после нагревания (серия 1, опыт 2, вариант 2)
Таким образом, в данной методике концентрация медного реактива ограничена возможностью фиксации перехода окраски в точке эквивалентности и не может быть увеличена по отношению к зафиксированной.
Результаты манипуляций при построении градуировочного графика в серии 2, опыте 1 варианта 2 показали, что содержимое всех пробирок после добавления реактива Найта и Аллена и нагревания имело жёлто-зелёную окраску, т. е. соответствовало норме. Следовательно, предпочтительными следует считать градуировочные растворы с уменьшенной в 10 раз концентрацией по отношению к зафиксированной в методике.
На рис. 6 представлены градуи-ровочные графики: график 1 -построенный по полученным результатам в серии 2, опыте 1 варианта 2; график 2 — по табличным данным методики ICUMSA GS2/3/9-5.
Как видно, градуировочный график 2 охватывает диапазон содержания инвертного сахара в растворах от 0 до 0,05 %, градуиро-вочный график 1 - от 0 до 0,005 %.
Полученные нами данные не совпадают с табличными, указанными в методике ICUMSA GS2/3/9-5, график располагается выше и имеет зону невозможности определения из-за изменения цвета системы в пробирках, что означает избыток редуцирующих веществ; градуировочные графики для трёх повторностей показывают свою нестабильность, что является существенным недостатком данной методики.
Для проверки полученных результатов провели испытания с пятью образцами белого сахара: три — категории «Экстра», два — ТС1, в которых определяли содержание редуцирующих веществ следующим образом: определение 1 — по градуировочному графику 1 с применением реактива Найта и Аллена; определение 2 — по градуировочному графику 2 с применением реактива Найта и Аллена; определение 3 — с применением реактива Мюллера. Данные опыта приведены в табл. 3, где в третьем столбце дополнительно указан расход титранта в определении 2. Как видно, расход титранта был выше, чем предусмотрено ме-
> 25
Таблица 3. Результаты определения содержания редуцирующих веществ с применением реактивов Найта и Аллена; Мюллера, %
Категория белого сахара Определение 1 Определение 2 Определение 3
Расход титранта, см3 Результат
«Экстра» Менее 0,001 21,2 Определение невозможно 0,002
«Экстра» Менее 0,001 21,1 ---- 0,002
«Экстра» 0,001 20,9 ---- 0,003
ТС1 0,003 20,1 ---- 0,004
ТС1 0,004 19,9 ---- 0,006
тодикой GS2/3/9-5 (максимально 19,1 см3), поэтому определить содержание редуцирующих веществ по калибровочному графику 2 было невозможно. Сходимость полученных результатов определения 1 и определения 3 невысокая.
Проверка показала, что по совокупности результатов инструментальной отработки использование методики с применением реактива Найта и Аллена для определения содержания редуцирующих веществ в сахаре нецелесообразно.
Выводы
Методики определения содержания редуцирующих веществ Найта и Аллена, изложенные в ГОСТ 12575 и методике ICUMSA
0,01 0,02 0,03 0,04
о
Концентрация инвертного сахара в градуировочныхрастворах, % > Градуировочный график 1 > Градуировочный график 2
Рис. 6. Градуировочные графики для определения содержания редуцирующих веществ по методу Найта и Аллена
0,05
GS2/3/9-5, отличаются по ряду позиций. Выполненные исследования подтвердили, что в данной методике концентрация медного реактива ограничена возможностью фиксации перехода окраски в точке эквивалентности и не может быть увеличена по отношению к зафиксированной. При определении редуцирующих веществ в белом сахаре затрачиваемый объём титранта превышает предусмотренный методикой и приведённый в таблице, что ставит под сомнение достоверность результатов. Градуировочный график в пределах, обозначенных в методике ICUMSA GS2/3/9-5, построить невозможно из-за изменения цвета в системе, означающей избыток редуцирующих веществ. Возможность построения градуировоч-ного графика имеется в пределах концентрации редуцирующих веществ 0—0,005 %, однако он отличается нестабильностью. Поэтому не рекомендуется использовать методику с применением реактива Найти и Аллена для определения содержания редуцирующих веществ в сахаре.
Список литературы
1. Егорова, М.И. Сахар: эволюция требований потребителей / М.И. Егорова // Сахар. - 2014. -№ 7. - С. 16-17.
2. Михалёва, И.С. Обзор технических требований к сахару и методов их определения в странах Евразийского экономического со-
Где маржа®
9-10 февраля
2023 года
Москва
Рэдиссон Славянская
14-я международная КОНФЕРЕНЦИЯ
сельскохозяйственных производителей и поставщиков средств производства и услуг для аграрного сектора
юза / И.С. Михалёва // Аграрная наука — сельскохозяйственному производству Сибири, Монголии, Казахстана, Беларуси и Болгарии : сб. докл. XXIII Междунар. науч. конф. Минск, 1 октября 2020 г. — Минск : Беларуская на-вука, 2020. - С. 405-409.
3. Тарасова, Е.А. Развитие национальной инфраструктуры качества в области сахарной промышленности / Е.А. Тарасова, К.Б. Гурьева, А.А. Славянский [и др.] // Сахар. - 2021. - № 5. - С. 20-23.
4. Добжицкий, Я. Химический анализ в сахарном производстве. -М. : Агропромиздат, 1985. - 352 с.
5. Чернявская, Л.И. Сахар. Методы определения показателей качества / Л.И. Чернявская, В.П. Адамович, Ю.А. Зотова. - Киев : Фи-тосоциоцентр, 2007. - 268 с.
6. Инструкция по химико-техническому контролю и учёту сахарного производства. — Киев : ВНИИСП, 1983. — 476 с.
7. Чернявская, Л.И. Методики определения основных мелассо-образующих элементов в свёкле и продуктах её переработки /
Л.И. Чернявская // Сахар. — 2006. - № 7. - С. 39-40.
8. ICUMSA Method GS2/3/9-5 (2011). The Determination of Reducing Sugars in Purified Sugars by the Knight and Allen EDTA Method. - ICUMSA Methods Book, 2011.
Аннотация. Показаны изложенные в текстах ГОСТ 12575 и ICUMSA GS2/3/9-5 отличия методики определения редуцирующих веществ Найта и Аллена. Продемонстрированы результаты экспериментальной отработки элементов данной методики. Установлено несовпадение практических результатов с приведёнными в документах. Применение данной методики в системе контроля производства сахара нецелесообразно.
Ключевые слова: белый сахар, редуцирующие вещества, метод Найта и Аллена, градуировочный график, расход титранта, точка эквивалентности. Summary. Differences between Knight and Allen's method for determining reducing substances, as described in GOST 12575, and ICUMSA GS2/3/9-5, are shown. The results of experimental testing of the elements of this method are presented. A discrepancy between the practical results and those set out in the documents was established. The use of this method in the control system of sugar production is impractical.
Keywords: white sugar, reducing substances, Knight and Allen method, calibration curve, titrant consumption, equivalence point.
