CC BY
52
УДК 664:661.666
Жукова Я.Ф., к.б.н.1©, Дем1хов Ю.М., к.г.-м. н.2, Петров П.1. 1
11нститут продовольчихресурсгв НААН Украгни, м.Кигв, Украгна 21нститут геохгмгг навколишнього середовища НАН Украйни,
м.Кигв, Украгна
1ДЕНТИФ1КАЦ1Я ТРОСТИННОГО ТА БУРЯКОВОГО ЦУКРУ МЕТОДОМ АНАЛ1ЗУ СТАБ1ЛЬНИХ 1ЗОТОП1В ВУГЛЕЦЮ
На сьогоднг вгдомо кглька видгв цукру: тростинний, буряковий, пальмовий, солодовий, сорговий, кленовий. У свтовому виробництвг 65 % цукру складае тростинний, а 25 % - буряковий цукор. Оскгльки цгна бурякового цукру (420-450 дол. США за тону) бгльша, нгж тростинного (350-375 дол. США), то виникае можливгсть фальсифгкацгг цукру та продуктгв харчування (сиропгв, сокгв, меду, напогв тощо) шляхом додавання бгльш дешевого аналогу. Ця проблема особливо стосуеться крагн, клгматичнг умови яких не пгдходять для культивацгг цукровог тростини, зокрема, Туреччини, Украгни, Росгг та европейських крагн. За даними Нацгональног асоцгацгг цукровикгв Украгни, гмпорт тростинного цукру за пергод з вересня 2013 року по червень 2014 року склав 36 тонн. Оскгльки бглий рафгнований цукор, отриманий з цукрового буряку або тростини, мае однаковг параметри якостг, досить складно розргзнити гх за допомогою традицгйних методгв аналгзу. Метою даног роботи був аналгз гзотопного складу вуглецю (13С/12С) цукргв, виготовлених з ргзног сировини.
Показано, що метод аналгзу стабгльних гзотопгв вуглецю е надгйним та достовгрним гнструментом для розргзнення цукру з ргзног сировини - цукрового буряка або цукровог тростини. Дгапазон значень 513С для рослин з С3-типом фотосинтезу становив вгд -20 до -37%о, з С4-типом - -9 до -18%о, що дозволяло чгтко гдентифгкувати дослгджуваний об'ект. В Украгнг iснують широкг можливостг для застосування цього методу при аналгзг цукру, овочевих та фруктових сокгв, меду та гнших цукровмгсних продуктгв.
Ключовi слова: мас-спектрометргя, стабгльнг гзотопи, д13С, цукор, С3-фотосинтез, С4-фотосинтез, цукровий буряк, цукрова тростина.
УДК 664:661.666
Жукова Я.Ф., к.б.н. 1, *Демихов Ю.Н., к.г.-м. н.2, Петров Ф.И. 1
1Институт продовольственных ресурсов НААН Украины, г.Киев, Украина 2Институт геохимии окружающей среды НАН Украины, г.Киев, Украина
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ТРОСТНИКОВОГО И СВЕКЛОВИЧНОГО
САХАРА МЕТОДОМ АНАЛИЗА СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ
УГЛЕРОДА
На сегодняшний день известно несколько видов сахара: тростниковый, свекловичный, пальмовый, солодовый, сорговый, кленовый. В мировом производстве 65% сахара составляет тростниковый, а 25% - свекловичный.
© Жукова Я.Ф., Демшхов Ю.М., Петров П.1., 2014
50
Поскольку цена свекловичного сахара (420-450 дол. США за тонну) больше, чем тростникового (350-375 дол. США), то возникает возможность фальсификации сахара и продуктов питания (сиропов, соков, меда, напитков и т.п.) путем добавления более дешевого аналога. Эта проблема особенно касается стран, климатические условия которых не подходят для культивации сахарного тростника, в частности, Турции, Украины, России и европейских стран. Согласно данным Национальной ассоциации сахаропроизводителей Украины, импорт тростникового сахара за период с сентября 2013 года по июнь 2014 составил 36 тонн. Поскольку белый рафинированный сахар, полученный из сахарной свеклы или тростника, имеет одинаковые параметры качества, довольно сложно различить их с помощью традиционных методов анализа. Целью данной работы был анализ изотопного состава углерода (13С/12С) сахаров, изготовленных из различного сырья.
Показано, что метод анализа стабильных изотопов углерода является надежным и достоверным инструментом для идентификации сахара из различного сырья - сахарной свеклы или сахарного тростника. Диапазон значений д13С для растений с С3-типом фотосинтеза составлял от -20 до -37 %о, с С4-типом - -9 до -18 %о, что позволило четко идентифицировать исследуемый объект. В Украине существуют широкие возможности для применения этого метода при анализе сахара, овощных и фруктовых соков, меда и других сахаросодержащих продуктов.
Ключевые слова: масс-спектрометрия, стабильные изотопы, д 13С, сахар, С3-фотосинтез, С4-фотосинтез, сахарная свекла, сахарный тростник.
UDC 664:661.666
Zhukova Y.F. 1, Demikhov Y.M. 2, Petrov P.I. 1
1Food resources institute of National academy of agricultural sciences of Ukraine, 2Institute of environmental geochemistry of National academy of sciences of Ukraine,
Kyiv, Ukraine
IDENTIFICATION OF CANE AND BEET SUGAR BY STABLE CARBON
ISOTOPES METHOD
Today, there are several types of sugar: cane sugar, beet sugar, palm sugar, malt sugar, sorghum sugar, maple sugar. Sugar cane composes 65% of the world production, and beet sugar is 25%. As the price of sugar beet ($ 420-450 per ton) more than cane ($ 350-375), there is a possibility of falsification of sugar and foodstuffs (syrups, juices, honey, beverage, etc.) by adding the cheaper analog. This is true for countries where climatic conditions are not suitable for the cultivation of sugar cane, in particular, Turkey, Ukraine, Russia and European countries. According to the National Association of Sugar Producers of Ukraine, the import of cane sugar for the period from September 2013 to June 2014 amounted to 36 tons. Since white refined sugar obtained from sugar beets or cane has the same quality parameters, it is difficult to distinguish between them using traditional analysis methods. The aim of this work was to analyze the isotopic composition of carbon (13С/12С) in sugars produced from various raw materials.
It is shown that the method of analysis of stable carbon isotopes is a reliable and valid tool to distinguish sugar from various raw materials - sugar beet or sugar
51
cane. The range of values for д13С plants with C3-type photosynthesis varied from -20 to -37 %oo, with C4-type - -9 to -18 %, which made it possible to clearly identify the object under study. In Ukraine, there is ample scope for the application of this method in the analysis of sugar, fruit and vegetable juices, honey and other sugar-containing products.
Key words: mass-spectrometry, stable isotopes, d13C, sugar, C3-type photosynthesis, C4-type - photosynthesis, sugar beet, sugar cane.
Вступ. За даними Продовольчо1 та сшьськогосподарсько1 оргашзаци ООН (FAO) у розвинутих крашах цукор складае 10 %, калоршност щоденного рацюну людини, а у крашах що розвиваються - 6 %. Тому цукор е невщ'емним елементом харчування. На сьогодш вщомо кшька видiв цукру: тростинний, буряковий, пальмовий, солодовий, сорговий, кленовий. У св^овому виробництвi 65 % цукру складае тростинний, а 25 % - буряковий цукор [1].
Оскшьки цша бурякового цукру (420-450$ за тону) бшьша, шж тростинного (350-375$), то виникае можливють фальсифжаци цукру та продукив харчування (сирошв, союв, меду, напо!в тощо) шляхом додавання бiльш дешевого аналогу. Ця проблема особливо стосуеться кра!н, клiматичнi умови яких не тдходять для культиваци цукрово! тростини, зокрема, Туреччини, Укра!ни, Роси та европейських кра!н. За даними Нацюнально! асощаци цукровикiв Укра!ни, iмпорт тростинного цукру за перюд з вересня 2013 року по червень 2014 року склав 36 тонн. Оскшьки бший рафшований цукор, отриманий з цукрового буряку або тростини, мае однаковi параметри якоси, досить складно розрiзнити !х за допомогою традицшних методiв аналiзу [2].
Водночас, кнують суттевi вiдмiнностi мiж цукрами з рiзноl сировини, пов'язанi з вщмшностями протiкання фотосинтезу. Фотосинтез у цукровому буряку вщбуваеться за С3-шляхом (з утворенням трьохвуглецевих промiжних сполук), а у цукровш тростинi - за С4-шляхом (з утворенням чотирьохвуглецевих сполук). Це обумовлюе рiзний iзотопний профшь цукрiв, отриманих з цих рослин, в результат рiзноl кiлькостi в них важкого iзотопу вуглецю - 13С. Для iдентифiкацil сировини для виготовлення цукру можна застосовувати метод аналiзу стабшьних iзотопiв вуглецю.
Аналiз останнiх дослiджень показав, що даною проблемою активно займаються в багатьох крашах, де розроблюються вiдповiднi нормативш документи. Метод аналiзу стабiльних iзотопiв для iдентифiкацil цукрiв у складi фруктових та овочевих сокiв та напо1в, меду застосовано у таких документах: DD ENV 13070:1998, DD ENV 12140:1997, AOAC № 991.41.
Метою дано1 роботи був аналiз iзотопного складу вуглецю (13С/ 12С) цукрiв, виготовлених з рiзноl сировини.
Матер1али та методи. Дослiдження аналiзу iзотопного складу вуглецю зразкiв тростинного та бурякового цукру проводився на мас-спектрометрi МИ-1201СГ вiдносно внутршнього стандарту PEF-1 (Нiмеччина) [2]. Аналогичною формою слугував вуглекислий газ, який видшявся пiд час реакцil зразка з окисом мда (CuO) у вакуумованому до 5Па реакторi при температурi 550оС. В
52
якост контрольного зразка було використано зовшшнш стандарт полiетиленовоl nniB^ PEF-1.
Результати дослщження. В основi методу аналiзу стабшьних iзотопiв лежить рiзне молярне вщношення бiльш важких iзотопiв до легких в рослинах з рiзним типом фотосинтезу - С3 та С4. Для аналiзу стабiльних iзотопiв використовують метод мас-спектрометри. У даному випадку мова йде про вiдношення стабшьного iзотопу вуглецю 13С до 12С у складi цукрiв. Для щентифжаци цього вiдношення застосовуеться певний стандарт, в якому молярне сшввщношення важкого iзотопу до легкого е фжсованим та постiйним. У випадку аналiзу стабiльних iзотопiв вуглецю це стандарт PDB (Pee Dee Belemnite - викопш рештки белемнiтiв, розташованi в формаци Пiдi в Пiвденнiй Каролм, США). 1зотопний склад вуглецю представляють як б13С, що являе собою вщносне вiдхилення iзотопних вiдношень 13С/12С зразка вiд iзотопних вiдношень 13С/12С стандарту PDB i подаеться у промше (%о) [7;8]. Дану величину обчислюють за формулою:
8С = R1 ~ R2 х 1000 %0, (1) R 2
де С - вуглець, R1 - це молярне вщношення 13С/12С в дослщжуваному об'еки, R2- молярне сшввщношення важких iзотопiв до легких у стандарт [3; 10]. Якщо в зразку R1 вщношення iзотопiв менше нiж у стандартi (вiдношення iзотопiв в якому дорiвнюе 0,0112372 [10]), то значення 513С виражають зi знаком «-», а якщо вщношення iзотопiв R1 бiльшi, нiж у стандарт - то зi знаком «+».
Рiзнi спiввiдношення 13С/12С в рiзнiй цукровiй сировинi пов'язане з рiзними типами фотосинтезу у рослинах.
Видшяють 3 типи фотосинтезу:
1. За циклом Кальвша, або С3 -шлях (притаманний для 85% рослин; первинними продуктами циклу е трьохвуглеводш сполуки: 3-фосфоглiцеринова кислота, 3 фосфоглщериновий альдегiд та фосфодiооксиацетон; значення 513С = -20 до -37%, в середньому вщ -24 до -27 %) [3, с.53].
2. За циклом Хетча i Слека, або С4 -шлях (притаманний 500 видам рослин переважно тротчного та субтротчного походження, якi фото синтезують при значних високих температурах та посушливих умовах -кукурудза, просо, сорго, цукрова тростина та шшц первинними продуктами е чотирьохвуглеводш сполуки: яблунева та аспарагiнова кислоти; значення 513С дорiвнюють -9 до -18%, в середньому вщ -12 до -16 %) [3, с.53].
3. За типом кислотного метаболiзму товстянкових рослин (САМ -Crassulacean Acid Metabolism), який поеднуе в собi риси С3 - та С 4 - ци^в (характерний для рослин -суккуленив з Родини Товстянкових, залежить вiд забезпеченостi водою; значення 513С = вiд -23 до -12 %) [3, с.53].В данш статтi не розглядаеться.
53
Рiзна рослинна сировина навт з однаковим типом фотосинтезу може вiдрiзнятися (табл.1)
Таблиця 1
Об'екти з С4-типом фотосинтезу 513С, % Об'екти з Сз-типом фотосинтезу 513С, %
Тростинний цукор -11,99 Буряковий цукор -25,62
Тростинний цукор (темно-коричневий) -11,75 Цукроза з буряку В1д -26,4 до -24,3
Тростинний цукор (свггло-коричневий) -11,63 Кленовий цукор -23,81
Кукурудза В1д -13 до -8 Рисовий сироп В1д -27,4 до -26,1
Сахароза з кукурудзи В1д -12,2 до -10,3 Соя -25,01
Кукурудзяний сироп -10,22 Пшениця В1д -26,5 до -23,5
Дослщження iзотопного складу вуглецю 7 зразюв цукру з рiзноl сировини (буряку чи цукрово! тростини) та рiзного походження, проведене в Роси, пiдтвердило чiтке диференцiювання iзотопного складу вуглецю цукру в залежност вiд сировини, з якого вш виготовлений (табл.2).
Таблиця 2
¡зотопний склад цукрiв з р1зно1 сировини, 2011 р. [6]_
№ п/п Р1зновид цукру Кра!на-виробник 513С, %
1 Цукор коричневий тростинний Роая -13,87±0,1
2 Цукор тростинний Франщя -12,88±0,1
3 Цукор тростинний Перу -14,44±0,1
4 Цукор тростинний Демерара Роая -12,84±0,1
5 Цукор-сирець з тростини Судан -13,44±0,1
6 Цукор-тсок Роая -25,14±0,1
7 Цукор пресований Роая -26,84±0,1
В кра!нах, якi вироблять цукор з цукрового буряку, наприклад, в Туреччиш, зiткнулися з проблемою фальсифжаци бурякового цукру тростинним, що пов'язано з меншою цiною останнього. Тому дуже актуальними стають методи, якi дозволяють достовiрно розрiзняти цукри рiзного походження. В одному з дослщжень, проведеному в Туреччиш, дослщники вивчали iзотопний склад вуглецю цукрiв, зразки якого вщбиралися протягом трьох сезонiв з 33 цукрових заводiв з метою виявити фальсифжаци тростинним цукром. В результату з 381 дослiдженого зразка (яю маркувалися як буряковий цукор) 263 зразки були тростинним цукром (69 %) [2]. Таким чином, метод аналiзу стабшьних iзотопiв дозволив ч^ко розрiзнити фальсифжаци цукру.
54
Нау^вш вicнuк ЛНУBМБT мем С.З. fжuцькoгo
Tom 16 № 3 (60) 4acmuna 4, 2014
Дослщження iзoтoпнoгo склгду S 3pa3^ цу^у, вигoтoвлениx з piзнoï сиpoвини i piзнoгo пoxoдження було пpoведенo в 2014 po^ нa бaзi 1нституту
геoxiмiï нaвкoлишньoгo сеpедoвищa HAH Укpaïни, м.Кшв (тaбл.3).
Taблuця 3
__¡зотопний склад цукр1в з pi3HOÏ сировини, 2014 р._
№ п/п Зpaзoк Kpaïнa-виpoбник 513С,%
1 ^Rop тpoстинний "Демеpapa" Укpaïнa -10,4±0,2
2 Цyкop тpoстинний Бiлopyсь -11,7±0,2
3 Цyкop тpoстинний TM "Sun Sugar" Maвpiкiй -12,2±0,2
4 Цyкop тpoстинний TM "Golden Cane" Maвpiкiй -11,5±0,2
5 Цyкop тpoстинний "Bio Planet" Пoльщa -12,0±0,2
6 Цyкop тpoстинний Бiлopyсь -16,9±0,2
7 ^xop бypякoвий "Вигiднa цiнa" Укpaïнa -25±0,2
S Цyкop-пiсoк Укpaïнa -25,2±0,2
9 ^xop бypякoвий "Пoвнa 4ama" Укpaïнa -24,S±0,2
Метод aнaлiзy стaбiльниx iзoтoпiв можливо викopистoвyвaти не тiльки для iдентифiкaцiï с^овини для цyкpiв. Haпpиклaд, дoслiдження меду та пpедмет дoмiшoк тpoстиннoгo чи кyкypyдзянoгo сиpoпy. Резyльтaти тaкoï po6o™, пpoведенoï в Typеччинi, пoкaзaли, що бшьшють меду в цьому pегioнi пpoдyкyeться з poслин з С3-типом фотосинтезу [9]. 513С для тaкoгo меду дopiвнювaлo щoнaйбiльше -23,5%. Для виявлення фaльсифiкaцiï меду викopистoвyвaлaсь piзниця мiж знaченнями 513С у зpaзкy меду тa у бiлкy, екстpaгoвaнoгo з цього меду. Haпpиклaд, зтачення 513С для зpaзкy меду дopiвнювaлo -25,782%, a для бiлкy з нього —25,911%. Рiзниця дopiвнювaлa 0,129%. Якщо piзниця бyлa бшьше 1%, то це свiдчилo ^о фaльсифiкaцiю.
Taким чином, пеpспективoю пoдaльшиx дoслiджень e poзpoблення методик для iдентифiкaцiï цyкpoвиx дoмiшoк у пpoдyктax xapчyвaння.
Висновки.
1. Пoкaзaнo, що для poзpiзнення цyкpy з piзнoï с^овини - цyкpoвoгo бypякa aбo цу^овох' тpoстини дoцiльнo зaстoсoвyвaти метод aнaлiзy стaбiльниx iзoтoпiв вуглецю.
2. Дiaпaзoн знaчень 513С для бypякoвoгo цу^у (С3-тип фотосинтезу) стaнoвить вiд -20 до -37%, для тpoстиннoгo цу^у (С4-тип фотосинтезу ) - -9 до -18%, що дoзвoляe чггко iдентифiкyвaти дoслiджyвaний oб'eкт.
3. В Укpaïнi iснyють шиpoкi мoжливoстi для зaстoсyвaння цього методу пpи aнaлiзi цyкpy, спиpтy, oвoчевиx тa фpyктoвиx сoкiв, меду тa iншиx цyкpoвмiсниx пpoдyктiв.
55
Л1тература
1. Cagatay Selim. Restructuring sugar beet market in Turkey: increasing transfer efficiency via decreasing distortion / Selim Cagatay, Ozgur Teoman // New medit. - 2006. - №3. - P.4-15
2. Gerstenberg H. Report on the Intereomparison for the Isotope Standards KH-2 and PEF-1 / H. Gerstenberg, H.Herrman. - 18 p.
3. Leblebici M. Jale Identification of origin of sugar samples in Turkey by determination of carbon isotope ratio / M. Jale Leblebici // Sugar Industry/Zuckerindustrie. - 2009. - № 134. - P.629-632.
4. Талибова А. Оценка качества и безопасности пищевой продукции методом изотопной масс-спектрометрии / А. Талибова, А. Колеснов // Аналитика. - 2011. - №1. - С.44-48.
5. Elflein Lutz Improved detection of honey adulteration by measuring differences between 13C/12C stable carbon isotope ratios of protein and sugar compounds with a combination of elemental analyzer-isotope ratio mass spectrometry and liquid chromatography-isotope ratio mass spectrometry (513C-EA/LC-IRMS) /Lutz Elflein, Kurt-Peter Raezke // Apidologie - 2008. - № 39. - P.574-587.
6. Jahren A. Hope An isotopic method for quantifying sweeteners derived from corn and sugar cane / A. Hope Jahren, Christopher Saudek, Edwina H. Yeung, WH Linda Kao, Rebecca A. Kraft, Benjamin Caballero // The American Journal of Clinical Nutrition. - 2006. - № 84. - P.1380-1384.
7. Колеснов А.Ю. Масс-спектрометрические исследования состава стабильшх изотопов углерода 13С и 12С в сахарах различного происхождения /А.Ю. Колеснов, М.Б. Мойсеяк, А.Г.Талибова // Сахар. - 2011. - № 8. - С.39-45
8. Соботович Э.В. Справочник по изотопной геохимии / Э.В. Соботович и др. - Москва, Энергоиздат. - 1982. - 140 с.
9. Yucela Pelin K. Measurment of carbon isotope ratios of honey samples from turkey by EA-IRMS / Pelin K. Yucela, Hulya Gu^lua, Yuksel Merta, Okan Oktara, Turhan Koseoglua, Bahri Yilmazba. XXXXIII International Apicultural Congress. - 2013.
10. Ghidini S. Stable isotopes determinarion in food authentication: a review / S. Ghidini, A. Ianieri, E. Zanardi, M. Conter, T. Boschetti, P. Iacumin, P.G. Bracchi // Ann. Fac. Medic. Vet. di Farma. - 2006. - Vol.XXVI. - P.193-204.
Рецензент - д.с.-г.н., професор Щсарик О.Й.
56
