Экспресс-метод определения содержания редуцирующих веществ в сахарной свёкле и продуктах её переработки Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 664.1

Экспресс-метод определения содержания редуцирующих веществ в сахарной свёкле и продуктах её переработки

Л.И. ЧЕРНЯВСКАЯ (e-mail: li_ch@ukr.net), Ю.А. МОКАНЮК

ИПР НААН Украины

В.Н. КУХАР, А.П. ЧЕРНЯВСКИЙ

ООО «Фирма «ТМА»

Введение

Корнеплод сахарной свёклы после извлечения из почвы остаётся живым биологическим объектом [4, 5, 9, 13, 14]. В нём продолжаются биохимические процессы, связанные с дыханием. В своём метаболизме корнеплод использует самые разнообразные органические вещества: углеводы, белки, аминокислоты и др. По данным многочисленных исследований вследствие жизнедеятельности корнеплода при хранении в кагатах в аэробных условиях теряется в основном сахароза. Распад сахарозы при хранении свёклы в кагатах идёт с образованием СО2 и Н2О. В начальной стадии распада сахарозы происходит образование инверта. Инвертный сахар представлен эквимолярными количествами глюкозы и фруктозы, которые продолжают разлагаются далее с образованием органических кислот [9-11], а затем СО2 и Н2О.

При средних и длительных сроках хранения сахарной свёклы, особенно убранной механизированным способом и уложенной в кагаты с помощью высокопроизводительных свеклоукладчиков, корнеплоды подвержены действию микроорганизмов с образованием гнилой ткани. Продуктами метаболизма фитопатогенных микроорганизмов также являются моносахара [9, 10]. Увеличение содержания редуцирующих веществ, особенно при длительном хранении, является важным критерием технологических качеств свёклы, которое должно учитываться при разработке технологического режима её переработки [13, 14].

Редуцирующие вещества, имеющиеся в сахарной свёкле, полностью переходят в диффузионный сок [5, 11]. Иногда в процессе экстракции сахарозы при неблагоприятных условиях диффузии, в частности при переработке свёклы ухудшенного качества, развитии инфекций, пониженной температуре процесса и активной деятельности ферментов, разлагающих саха-

розу до моносахаров, в диффузионном соке присутствует редуцирующих веществ значительно больше, чем в свёкле. Это необходимо учитывать при разработке технологического режима очистки диффузионного сока, которая осуществляется с учётом химического состава несахаров и их количеств [2, 4, 7, 10, 11]. В частности, определение длительности и параметров проведения основной дефекации, особенно горячей её ступени, должно производиться с учётом содержания редуцирующих веществ в диффузионном соке. С точки зрения получения термоустойчивых продуктов при выпаривании сока в выпарной установке также важным является исследование содержания редуцирующих веществ в очищенном соке. По этому показателю устанавливаются и оцениваются параметры работы горячего дефекатора - температура процесса и его длительность.

При производстве сахаристых веществ существует проблема цветности готовой продукции. Этой проблеме было посвящено много исследований, как по образованию цветных веществ, так и по обесцвечиванию продуктов производства. Начало научно-исследовательских работ, посвящённых решению этой проблемы, было положено открытием и описанием Майяром реакции взаимодействия аминокислот с редуцирующими сахаридами [6]. Без основательного знания химизма превращений редуцирующих веществ, строения и свойств интермедиатов, в которые превращаются сахариды, их химического взаимодействия с аминокислотами, невозможно совершенствование технологических приёмов ингиби-рования реакции цветообразования в производствах сахаристых веществ и улучшения качества готовой продукции [1, 7, 8].

Обобщённая схема превращения моносахаридов в щелочной среде представлена на рис. 1, а схема образования меланоидинов — на рис. 2.

Гексозы

Пентозы Триозы Ендиолы Альдегиды

Низкомолекулярные летучие соединения

Цветные полимеры

Рис. 1. Обобщённая схема превращения моносахаридов в щелочной среде [1]

В лабораториях сахарных заводов для разработки и корректирования технологического режима переработки свёклы, в частности очистки, содержание редуцирующих веществ в свёкле и во всех необходимых продуктах в основном определяют методом, предложенным Берлинским институтом сахарной промышленности [4, 12]. Метод продолжителен во времени, а для оперативного управления технологическим процессом целесообразно пользоваться экспрессными методиками определения редуцирующих веществ. Одним из таких методов является метод с использованием 3,5-динитросалициловой кислоты (3,5-ДНСК). Метод основан на измерении оптической плотности окрашенного азосоединения, образовавшегося при восстановлении в нейтральной или щелочной среде 3,5-динитросалициловой кислоты (ДНСК) [3, 4, 12].

ДНСК относится к ароматическим нитросоедине-ниям. При этом обе нитрогруппы могут в одинаковой степени восстанавливаться до гидроксиаминовой группы. На рис. 3 представлена схема восстановления ДНСК в щелочной или нейтральной среде [12].

Во ВНИИСП были проведены исследования этого химического вещества на свёкле и продуктах сахарного производства с целью уточнения выбора навесок продуктов и параметров спектрофотоме-трических или фотоэлектроколориметрических измерений. Методика была внесена в действующую Инструкцию по химико-техническому контролю и учёту сахарного производства [4].

В последние годы в связи с широким внедрением в лабораторную практику сахарных заводов отечественного прибора фотоэлектроколо-риметра КФК-3 и его модификаций, а также с расширением линейки используемых фотоколориметрических приборов других фирм-

Альдоза +ЫН-Я

Шиффово основание

Цикарбонильные соединения

Перегруппировка Армадори

+ с+ с4

рагменты

-НР

Редуктоны

фурфуроллы

Альдоли

-Н„

Цегидроредуктоны

-€Р„ + R-CH-РРH

НН„

Альдимины

R-CHР

Альдоли

Цикарбонильные соединения

Альдимины

Высокомолекулярные полимеры-меланоидины

- Аромат -

-Цветность ■

Рис. 2. Схема образования меланоидинов [1]

производителей мы провели исследования этой методики в производственных условиях сахарных заводов на свёкле разного качества и других продуктах сахарного производства. С помощью этой методики определили динамику изменения редуцирующих веществ в свёкле в процессе её хранения и их изменения в полупродуктах по верстату завода.

В результате этих исследований были уточнены навески продуктов и полупродуктов. Установлено, что в свежевыкопанной и тургорной свёкле, а также в продуктах сахарного производства (соки, сироп, клеровки, оттёки, меласса) содержание редуцирующих веществ можно определять экспресс-методом с помощью 3,5-динитросалициловой кислоты по нижеприведённым методикам.

соон

ОЖСЛ мо, + я-с

ДНСК бесцветная

НО соон

оХоУ

/Я

•н

и №ОН

но соон

к —с +о2к<0)кнон; чон 2 VI/

соон

N0..

Рис. 3. Схема восстановления ДНСК в щелочной или нейтральной среде

НР

+НР

ЫН-Я

-ЫН-Я

3НР

-ЫН-Я

+ыня

+ЫН Я

Методика определения

редуцирующих веществ экспресс-методом

с помощью 3,5-динитросалициловой кислоты

Приборы, посуда и принадлежности. Фотометр фотоэлектрический КФК-3 (или фотоэлектроколориметр другого типа с аналогичной технической характеристикой); размельчитель тканей свёклы типа PTC-2M или Ш1-ПРС; весы лабораторные грузоподъёмностью 200 г с разновесом; чашка для взятия навесок; секундомер; баня для кипячения или химический стакан 0 100 см, высотой 15—20 см со вставленной на дно решёткой на подставке; баня для охлаждения; стаканчики вместимостью 50 см3 для приготовления рабочих растворов инвертного сахара; пробирки с притёртой пробкой вместимостью 25 см3 — 3 шт.; пипетка для отмеривания дигерата вместимостью 2 см3; пипетка для жидкости вместимостью 178,2 см3; пипетка вместимостью 20 см3; пипетки с делениями, вместимостью 10 см3 — 2 шт; бюретка со стеклянным краном для отмеривания раствора 3,5-динитросали-циловой кислоты вместимостью 25 см3; термометр лабораторный; колбы мерные вместимостью 100, 200, 1000 см3.

Реактивы: раствор свинца уксуснокислого нейтрального 25%-й; раствор 3,5-динитросалициловой кислоты 1%-й; сахароза или высококачественный рафинированный сахар-песок 10 г; раствор инверт-ного сахара 0,1 %; кислота соляная, х. ч., плотностью 1,19 г/см3; раствор фенолфталеина 1%-й; раствор натрия углекислого безводного — 10%-й.

Приготовление реактивов

Приготовление растворов инвертного сахара. 1%-й раствор инвертного сахара приготавливают по следующей методике: 9,5 г высококачественного рафинированного сахара-песка (содержание золы — 0,001 %, содержание редуцирующих веществ — 0,0005 %, влажность — 0,001 %) переводят с помощью 70 см3 дистиллированной воды в мерную колбу вместимостью 100 см3, приливают 5 см3 х. ч. HCl (плотность 1,19 г/см3), помещают внутрь колбы химический термометр и выдерживают 5 мин в водяной бане при температуре 67—70 °С. Затем раствор охлаждают до 20 °С, ополаскивают термометр дистиллированной водой, направляя ополоски в колбу. После этого содержимое колбы 100 см3 переводят в колбу вместимостью 1000 см3, доводят водой до метки и перемешивают. Полученный 1%-й кислый раствор инвертного сахара может сохраняться в холодильнике без изменения 12 месяцев.

Для получения нейтрального 0,5%-го раствора инвертного сахара 100 см3 кислого 1%-го раствора переводят в мерную колбу вместимостью 200 см3, добавляют две капли 1%-го раствора фенолфталеина, 10%-го

раствора №2СО3 до появления розовой окраски и доводят дистиллированной водой до метки. Раствор хранят в холодильнике.

Нейтральный 0,1%-й раствор инвертного сахара получают следующим образом: отбирают пипеткой 20 см3 нейтрального 0,5%-го раствора инвертного сахара, переводят в мерную колбу вместимостью 100 см3 и доводят водой до метки.

Приготовление 1%-го раствора ДНСК. На аналитических весах взвешивают 1 г 3,5-динитросалици-ловой кислоты (ДНСК) и количественно переводят ~ 50 см3 воды в колбу вместимостью 100 см3. К раствору добавляют 20 см3 2 н. раствора №ОН и 30 г калий-натрий-виннокислого (сегнетовой соли), раствор доводят дистиллированной водой до метки, хорошо взбалтывая. Хранят в тёмном месте. Перед анализом раствор фильтруют.

Приготовление смешанного свинцового осветлителя. К свинцовому уксусу добавляют 25%-й раствор нейтрального уксусного свинца в отношении 5:4 по объёму [4].

С помощью мерного цилиндра берут 5 объёмов свинцового уксуса, переводят в отдельную бутыль ёмкостью 1 дм3, к нему добавляют 4 объёма 25%-го раствора уксуснокислого свинца (нейтрального раствора уксуснокислого свинца). Этот раствор используют при определении редуцирующих веществ экспресс-методом для осветления всех продуктов сахарного производства (кроме дигерата свёклы). Для использования смешанного свинцового осветлителя при определении редуцирующих веществ в свекловичной кашке его разбавляют: 25 см3 смешанного свинцового осветлителя выливают в мерную колбу на 1 дм3 и доводят до метки дистиллированной водой.

Примечание: приготовление остальных реактивов приведены в Инструкции по химико-техническому контролю и учёту сахарного производства (Киев, 1983) [4].

Построение калибровочного графика

Для построения калибровочного графика используют 0,1%-й нейтральный раствор инвертного сахара. Рабочие растворы инвертного сахара приготавливают непосредственно перед построением калибровочного графика — путём смешивания 0,1%-го раствора инвертного сахара и дистиллированной воды с таким расчётом, чтобы общий объём жидкости составлял 10 см3 (см. табл.).

Для получения рабочего раствора в сухие чистые стаканчики отмеривают 0,1%-й раствор инвертного сахара в количестве, указанном в графе 1 таблицы, добавляют дистиллированную воду в количестве,

приведённом в графе 2, и содержимое тщательно перемешивают сухой стеклянной палочкой.

Расчётная таблица для приготовления рабочих растворов инвертного сахара

Количество 0,1%-го раствора инвертного сахара, см3 Количество дистиллированной воды, см3 Массовая доля инвертного сахара в полученном рабочем растворе, мг/см3

1 2 3

0,8 9,2 0,08

1,0 9,0 0,10

1,5 8,5 0,15

2,0 8,0 0,20

2,5 7,5 0,25

3,0 7,0 0,30

3,5 6,5 0,35

4,0 6,0 0,40

4,5 5,5 0,45

5,0 5,0 0,50

5,5 4,5 0,55

6,0 4,0 0,60

Из каждого стаканчика отбирают пипеткой по 2 см3 рабочего раствора, помещают его в пробирку с притёртой пробкой, добавляют пипеткой по 2 см3 1%-го раствора ДНСК, взбалтывают горизонтальными движениями.

Рис. 4. Устройство, предназначенное для установки пробирок

Одновременно приготавливают эталонный раствор, для чего в пробирку с притёртой пробкой при помощи пипетки переводят 2 см3 дистиллированной воды и 2 см3 1%-го раствора ДНСК, взбалтывают горизонтальными движениями.

Все пробирки (12 — с рабочими растворами и 1 — с эталоном) помещают в кипящую водяную баню с двойным дном. Для этого используют специальное устройство, предназначенное для установки пробирок (рис. 4). Его используют при погружении пробирок в кипящую водяную баню, а также при их охлаждении.

По истечении 5 мин. все пробирки вынимают из кипящей водяной бани, помещают в холодильник с проточной водой при t = 20 оС, во избежание присасывания стеклянных пробок их приоткрывают два-три раза в течение охлаждения. После охлаждения в каждую пробирку добавляют пипеткой по 20 см3 дистиллированной воды, тщательно перемешивают.

Измерение оптической плотности полученных растворов производят на фотоэлектроколориметре КФК-3 в кювете длиной 10 мм при длине волны 490 нм. По полученным данным строят калибровочный график (рис. 5).

При отработке методики в лаборатории на разных приборах и продуктах нами было отмечено, что прибор КФК-3 очень чётко держит точку «0» и точку «100», что обеспечивает высокую воспроизводимость калибровочной кривой при её построении. Мы обработали свои полученные параллельные данные концентрации С и соответствующих им оптических плотностей D, снятых с прибора, методами математической статистики. Коэффициент корреляции г составил 0,999. Получили уравнение регрессии вида

С = 1,90172 х D - 0,00153,

Оптическая плотность, определённая на приборе 0,25

0,2

0,15

0,1

0,05

СЛ'55

ill.

16t 3

IE

I. f

il?

О 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 Концентрация инвертного сахара, мг/мл

Рис. 5. Зависимость оптической плотности образованного комплекса от концентрации инвертного сахара

где С — содержание инвертного сахара, мг/см3; D — оптическая плотность раствора, определённая на приборе, ед.

Рекомендация специалистам-аналитикам завода: если вы работаете с прибором КФК-3, то для быстрого определения концентрации инвертного сахара в анализируемом растворе можно пользоваться нашей калибровочной кривой (см. рис. 5) или её уравнением.

1. Определение содержания редуцирующих веществ

в свёкле

Ход выполнения анализа. На тарированном листке кальки взвешивают 52 г свекловичной кашки или стружки, переносят её в сосуд размельчителя тканей свёклы (РТС-2М, Ш1-ПРС), добавляют пипеткой для отмеривания жидкости при определении содержания сахарозы в свёкле 356,4 см3 (два объёма по 178,2 см3) разбавленного смешанного свинцового осветлителя (25 см3 на 1000 см3) и разрывают листок кальки на мелкие кусочки. Сосуд с содержимым устанавливают в гнездо размельчителя и дигерируют кашку. После окончания дигерирования суспензию фильтруют.

В две пробирки с притёртыми стеклянными пробками при помощи пипетки переводят по 2 см3 фильтрата, добавляют в каждую по 2 см3 1%-го раствора ДНСК (3,5-динитросалициловой кислоты), тщательно перемешивают горизонтальными встряхиваниями. Пробирки помещают в кипящую баню с двойным дном.

Одновременно приготавливают эталонный раствор, для чего в пробирку с притёртой пробкой при помощи пипетки вносят 2 см3 дистиллированной воды и 2 см3 1%-го раствора ДНСК, взбалтывают горизонтальными движениями и одновременно вместе с двумя пробирками, в которых находится испытуемый раствор, помещают в кипящую водяную баню с двойным дном.

По истечении 5 мин все три пробирки вынимают из кипящей водяной бани, помещают в холодильник с проточной водой при t = 20 °С. Во избежание присасывания стеклянных пробок их приоткрывают два-три раза в течение охлаждения. После охлаждения пробирки вынимают из холодильника и в каждую добавляют пипеткой по 20 см3 дистиллированной воды. Пробирки вновь закрывают каждую своей пробкой и тщательно перемешивают содержимое, переворачивая в вертикальном направлении.

Измерение оптической плотности полученных окрашенных растворов производят на фотоэлектрическом колориметре типа КФК-3 или на спектрофотометре в кювете длиной 10 мм при монохроматическом свете с длиной волны 490 нм.

Затем по калибровочной кривой определяют содержание редуцирующих веществ, мг/см3.

Содержание редуцирующих веществ (г), % к массе свёклы, вычисляют по формуле

i = 0,769 х С, (1)

где С — количество редуцирующих веществ в растворе, мг/см3, определённое по калибровочной кривой (см. рис. 5).

Это уравнение получено из следующей пропорции:

I = (100 х 1000хС) / (130x1000) = 10хС / 13 = 0,769хС. (2)

Примечание: определение редуцирующих веществ экспресс-методом производят в свежеприготовленной кашке из свежей и тургорной свёклы.

2. Определение редуцирующих веществ

в продуктах сахарного производства

Взвешивают 10 г свекловичного или диффузионного сока, 50 г сока II сатурации, 10 г сиропа, 5—10 г утфеля, 5 г оттёка, 2 г мелассы, переводят количественно навеску соответствующего продукта дистиллированной водой в мерную колбу вместимостью 100 см3, добавляют 9 см3 смешанного свинцового осветлителя, доводят дистиллированной водой до метки, выливают в сухой чистый стакан вместимостью 150 см3 с предварительно помещённым в него промытым карборафином — 2 г. Если в лаборатории нет карборафина, для осветления раствора можно воспользоваться медицинским тщательно измельчённым активированным углём (2 таблетки). Содержимое стакана перемешивают стеклянной палочкой в течение 30 с и фильтруют через двойной бумажный фильтр.

В две пробирки с притёртыми стеклянными пробками при помощи пипетки переводят по 2 см3 фильтрата, добавляют в каждую по 2 см3 1%-го раствора ДНСК (3,5-динитросалициловой кислоты), тщательно перемешивают горизонтальными встряхивающими движениями. Пробирки помещают в кипящую водяную баню с двойным дном.

Одновременно приготавливают эталонный раствор, для чего в пробирку с притёртой пробкой при помощи пипетки вносят 2 см3 дистиллированной воды и 2 см3 1%-го раствора ДНСК, взбалтывают горизонтальными движениями и одновременно вместе с двумя пробирками, в которых находится испытуемый раствор, помещают в кипящую водяную баню с двойным дном.

По истечении 5 мин все три пробирки вынимают из кипящей водяной бани, помещают в холодильник с проточной водой при t = 20 °С. Во избежание присасывания стеклянных пробок их приоткрывают два-

три раза в течение охлаждения. После охлаждения пробирки вынимают из холодильника и в каждую добавляют пипеткой по 20 см3 дистиллированной воды. Пробирки вновь закрывают каждую своей пробкой и тщательно перемешивают содержимое, переворачивая в вертикальном направлении.

Измерение оптической плотности полученных окрашенных растворов производят на фотоэлектрическом колориметре типа КФК-3 или на спектрофотометре в кювете длиной 10 мм при монохроматическом свете с длиной волны 490 нм. Содержание редуцирующих веществ к массе продукта вычисляют по формуле

1--

10хС

н

(3)

где г — содержание редуцирующих веществ в исследуемом продукте, % к массе продукта; С — количество редуцирующих веществ в растворе, мг/см3, определённое по калибровочной кривой (рис. 5) или по уравнению; н — навеска продукта, г.

Выводы и предложения производству

На основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы и предложения.

1. Разработанная методика является экспрессной и может использоваться в текущем контроле сахарного производства.

2. Методика позволяет оценивать уровень спелости свёклы по накоплению инверта при поступлении её с полей и определять разложение сахарозы при хранении корнеплодов.

3. Определение содержания редуцирующих веществ в диффузионном соке даёт возможность оценить процессы разложения сахарозы при её экстракции вследствие действия ферментов и развития микробиологических процессов, принимать решения о корректировке температурного режима и внесении антисептиков.

4. С помощью этой методики можно оценить степень термоустойчивости очищенного сока и проведения процесса очистки, особенно горячей дефекации, её длительности и температуры.

5. Определение содержания инверта в сиропе, оттёках и мелассе позволяет определить неучтённые потери на выпарной установке и в продуктовом отделении завода.

Список литературы

1. Бобровник Л.Д. Химико-технологические аспекты цветных веществ сахарного производства / Л.Д. Бобровник, Т.К. Рухадзе // Тбилиси : ТТУ, 2012. — 112 с.

2. Бугаенко, И.Ф. Принципы эффективного сахарного производства // Сахарный бизнес России. — М., 2003. - 287 с.

3. Добжицкий, Я. Химический анализ в сахарном производстве / Я. Добжицкий — М. : Агропромиздат, 1985. - 352 с.

4. Инструкция по химико-техническому контролю и учёту сахарного производства. — Киев : ВНИИСП,

1983. — С. 263—266.

5. Инструкция по ведению технологического процесса при переработке свёклы. — Киев : ВНИИСП,

1984. — 360 с.

6. Maillard L.C. Action des asids amines sur les sucres formation des melanoidines par voie methodique// Comptes rendus hebdoomadaires des Ceances de l'Academie des Sciences. — 1912. — V.154. — p. 66—68.

7. Сапронов, А.Р. Технология сахара / А.Р. Сапронов [и др.]. — СПб. : Профессия, 2013. — 296 с.

8. Сапронов А.Р. Красящие вещества и их влияние на качество сахара/ А.Р.Сапронов, Р.А.Колчева. — М. : Пищевая промышленность, 1975. — 347 с.

9. Хелемский, М.З. Технологические качества сахарной свёклы. Ч. I и II / М.З. Хелемский. — М. : Пище-промиздат, 1967. — 284 с.

10. Хелемский, М.З. Хранение сахарной свёклы // М. : Пищевая промышленность, 1967. — 368 с.

11. Хелемский, М.З. Биохимия в свеклосахарном производстве / М.З. Хелемский [и др.]. — М. : Пищевая промышленность, 1977. — 224 с.

12. Чернявская Л.И. Технохимический контроль сахара-песка и сахара-рафинада / Л.И.Чернявская, А.П.Пустоход, Н.С.Иволга // М. : Колос, 1995. — C. 87—91.

13. Чернявская, Л.И. Сахарная свёкла. Проблемы повышения технологических качеств и эффективности переработки / Л.И. Чернявская [и др.]. — Киев : Украинский фитосоциологический центр, 2003. — 308 с.

14. МЫькевич, В.М. Технолопчна яюстъ цукрових бурякв та пщвищення ефективносл виробництва цу-кру / В.М. Мшькевич [та ш.]. — Киев : Украшський фггосощолопчний центр, 2000. — 132 с.

Аннотация. Представлены результаты исследований по определению экспресс-методом содержания редуцирующих веществ в свёкле и продуктах сахарного производства. Даны рекомендации по его использованию в контроле сахарного производства. Ключеные слова: сахарная свёкла, сок, сироп, меласса, методики определения.

Summary. The results of studies on the determination of the content of reducing substances by the express method in beets and sugar production are presented. Recommendations on its use in the control of sugar production are given. Keywords: sugar beet, juice, syrup, molasses, methods of determination.