Исследование методом газовой хроматографии состава паровой фазы масла сладко-сливочного Крестьянского, выработанного на предприятиях Вологодской области Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 543.544:637.25(470.12)

Исследование методом газовой хроматографии состава паровой фазы масла сладко-сливочного Крестьянского, выработанного на предприятиях Вологодской области

Коневец Валерий Иванович, кандидат химических наук, доцент кафедры химии и физики

e-mail: konevecv@mail.ru

ФГБОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»

Носкова Вера Ивановна, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии молока и молочных продуктов

e-mail: Noskovaarev@mail.ru

ФГБОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»

Кузин Андрей Алексеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры технологического оборудования

e-mail: pronich@mail.ru

ФГБОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»

Аннотация. Проведен газохроматографический анализ паровой фазы образцов масла сладко-сливочного Крестьянского, выработанного на предприятиях Вологодской области. Идентифицированы летучие вкусо-ароматические вещества. Установлены различия в спектре летучих веществ сладко-сливочного масла.

Ключевые слова: масло сладко-сливочное, идентификационные показатели, паровая фаза, вкусо-ароматические вещества, газовая хроматография, карбонильные соединения, альдегиды, кетоны.

Введение

Состав летучих веществ масла и молочного жира начали исследовать еще в 50-х годах ХХ века. К 1996 году было опубликовано 46 работ, в которых установлено почти 290 различных соединений [1-3].

Использованы разные варианты подготовки проб масла (прямой анализ паровой фазы, вакуумная перегонка, перегонка с водяным паром, флюидная жидкостная экстракция). Для идентификации наиболее часто использовано сочетание газовой хроматографии и масс-спектрометрии(GC-MS) и ольфактометрии (GC/MS-O) [5-10]. Показано, что наибольший вклад во вкус и аромат масла вносят соединения: диацетил, масляная, гексановая и декановая кислоты, гексаналь, ацетальдегид, диметилсульфид, б- лактоны 8,10,12 и 14 атомами углерода, 2- геп-танон, 2-нонанон, фенол, индол и скатол.

Образование привкуса пастеризации по данным многочисленных исследований [6], является результатом взаимодействия молочных белков, углеводов и жиров, свободных аминокислот, жирных кислот и других компонентов сливок в процессе их тепловой обработки. При этом образуется множество новых соединений, способных придавать сливкам множеством вкусовых и ароматических оттенков, которые в совокупности воспринимаются как единый вкусовой букет, по существующей терминологии «сливочный вкус с выраженным привкусом пастеризации» являющийся обязательным признаком высококачественного сладко-сливочного масла отечественного производства.

Позднее было замечено, что эффективность температурного воздействия усиливается фактором времени, т.е. продолжительностью выдерживания горячих сливок. При этом было замечено, что максимально доступные температуры нагревания сливок и длинные выдержки не всегда обеспечивают получение желаемых результатов.

При этом было установлено, что в формировании «привкуса пастеризации» сладко-сливочного масла участвует множество разнообразных вкусо-ароматиче-ских веществ (ВАВ) [5, 7, 12].

Сульфогидрильные соединения (свободные) являются основными в формировании привкуса «пастеризации» молочных продуктов, включая сливочное масло. Эти вещества - белковой природы, водорастворимы.

Карбонильные соединения - это альдегиды: алифатические насыщенные и ненасыщенные от С1 до С11 (формальдегид, ацетальдегид, пропионовый, масляный, изомасляный, валериановый, капроновый, каприловый, кротоновый и др.), ароматические и жирноароматические (бензойный, фенилуксусный, фурфурол и др.); кетоны - алифатические насыщенные и ненасыщенные от С3 до С15 (ацетон, ацетоин, диацетил, бутанон-2, гептанон-2 и т.д.), ароматические и пр.

Некоторые из ненасыщенных альдегидов имеют неприятные запахи - кормовой, окисленный и т.д. Низшие алифатические кетоны и дикарбонильные соединения (ацетон, гексанон-2, виниламилкетон, глиоксаль и др.) являются резкопахну-щими жидкостями. В небольших концентрациях ацетон, пентанон-2 и гексанон-2 обладают приятными характерными запахами. Высшие кетоны с 11-15 атомами углерода имеют сильные приятные запахи, жироароматические кетоны - грубые.

Именно наличие этих соединений и их количественное соотношение предположительно является причиной различных вкусовых пороков сливочного масла.

Карбоновые кислоты, участвующие в формировании вкуса и запаха - это

свободные летучие жирные кислоты (СЛЖК), включая муравьиную, уксусную, про-пионовую, масляную, каприловую, каприновую и др., образующиеся в результате тепловой обработки сливок, гидролиза молочного жира под действием микрофлоры, окислительных реакций молочного жира, дезаминирования аминокислот, про-текаемых при выработке и хранении масла.

СЛЖК С1-С3 обладают раздражающим, резким запахом и вкусом, С5-С10 - неприятным прогорклым, затхлым, вяжущим. При сильном разбавлении некоторые из СЛЖК имеют слабые приятные (сливочный, ореховый, сырный и т.д.) вкус и запах.

Кроме жирных кислот с короткой цепью, молочные продукты содержат жирные 2-кетокислоты, жирные 4- и 5-оксикислоты, которые могут усиливать приятные и неприятные вкусовые оттенки масла [5, 7, 12].

В сливочном масле свободные карбоновые кислоты образуются в результате реакции меланоидинообразования.

Лактоны - активно участвующие в формировании привкуса «пастеризации» сливочного масла, представляют собой циклические сложные эфиры оксикарбоно-вых кислот, они жирорастворимы.

Вкус и запах лактонов зависят от их строения и концентрации. Лактоны d-(C8-C14) и д-С12 в небольших концентрациях обладают приятным вкусом и запахом - орехов, сливок, солода, карамели, персиков и малины. При высоком содержании некоторые из них могут придавать продуктам нежелательные привкусы - несвежий, кокосового ореха и др. [4].

Значительные изменения при нагревании молока и сливок вызываются ме-ланоидиновыми реакциями, в результате взаимодействия между редуцирующими сахарами и свободными аминокислотами.

Выраженность этого привкуса в сливочном масле зависит от активности и завершенности протекающих реакций, температуры и продолжительности ее воздействия на сливки.

Материалы и методика исследований.

Исследовали товарные образцы масла сладко-сливочного Крестьянского (массовая доля жира 72,5 %), выработанного в соответствии с ГОСТ Р 52969-2008 [9]. Пробу масла массой 3,0±0,05 г помещали в специальный флакон емкостью 15 мл и герметично закрывали винтовой крышкой с двойной прокладкой (фторопластовая пленка толщиной 0,1 мм + резиновый вкладыш из бутилового каучука толщиной 1 мм). Крышка имеет отверстие для ввода иглы шприца.

Флакон с пробой масла помещали в специальный термостат для проб с регулируемой температурой (диапазон регулирования температуры —ъ20-+150 оС. Точность поддержания температуры ±0,1 оС. Время термостатирования - от 15 до 60 минут при периодическом встряхивании (для установления равновесного давления пара летучих компонентов). Далее паровую фазу масла отбирали с помощью газоплотного шприца Hamilton, помещенного в специально изготовленный термостатирующий корпус с регулируемой температурой (V паровой фазы = 1,5 мл; диапазон регулирования температуры - +20-+150 оС; точность поддержания температуры ±0,1 оС).

Предварительными исследованиями установлено, что при времени термостатирования до 60 минут наблюдается сильное увеличение(~ 90 % максимального значения) суммарного отклика (а также уровней сигналов отдельных пиков). При более длительном прогревании (до 200 мин) - изменения не значительны(~ 10 %).

Поэтому в дальнейшем перед отбором паровой фазы для последующего анализа все образцы масла выдерживали в термостате 60 минут.

Для исследований образцов сливочного масла использован газовый хроматограф Clarus 500 фирмы РегктЕ1тег, оснащенный капиллярной колонкой Elite-FFAP (РегктЕ1тег) (длина колонки - 30 м; внутренний диаметр (Ш) - 0,25 мм; толщина пленки НФ - 250 мм; неподвижная фаза (НФ) - полярная (сшитый полиэтиленгли-коль, модифицированный нитротерефталевой кислотой). Детектор пламенно-ионизационный (ПИД) - температура - 250 °С;

инжектор (испаритель) в режиме программирования потока) температура -150 °С; поток (режим программирования потока): 0,5 см3 /мин; начальный газа-носителя (азот) - 14,9 см/мин; обдув септы - 4 см3/мин; общий поток - 29 см3/мин; деление потока - 1:50; водорода - 45 см3/мин и воздуха - 450 см3/мин;

программирование температуры термостата колонок - 40 °С (0 мин); 150 °С (0 мин) => нагрев со скоростью 15 град/мин до 200 °С; 200 °С (5 мин).

Параметры удерживания веществ в колонке хроматографа и величину сигнала детектора (площадь пика на хроматограмме) вычисляли с помощью программного обеспечения Т^аОгот (версия 6.2.1).

Количественная характеристика содержания индивидуального компонента или их суммы в спектре вкусо-ароматических веществ выражалась через площадь газохроматографического пика с размерностью микровольт-секунда (м^с). Расчеты концентраций выполняли методом внутренней нормализации.

Результаты исследований и их обсуждение.

Примеры хроматограмм приведены на Рисунке 1 (а, б, в).

Рис. 1. Хроматограммы паровой фазы масла различных производителей в режиме программирования температуры колонки: а) ЗАО «ПТК «Северное молоко»; б) ПК «Вологодский молочный комбинат», г. Вологда; в) ООО СХП «Устюгмолоко».

Идентификацию летучих компонентов паровой фазы масла проводили путем сравнения литературных данных по линейным индексам удерживания кан-

дидатов со значениями LRI обнаруженных веществ [11,12].

Линейные индексы удерживания (LRI) в режиме программирования температуры рассчитывали по уравнению [12]:

(Г - / )

ьш = 100 • [N + 1 Я,х м ]

^Я, N+1 1Я, N) (1)

где N — число атомов углерода в н- алкане с более короткой цепочкой;

1я-х, ^, - исправленные времена удерживания анализируемого вещества -х, н- алканов, выходящих до и после него, соответственно.

Результаты идентификации летучих компонентов паровой фазы масла, а также их относительное содержание в различных образцах приведены в Таблице 1.

Таблица 1 - Параметры удерживания и состав летучих веществ образцов масла сладко-сливочного Крестьян-

№ в общем списке Соединение ЗАО «ПТК Северное молоко» ПК «Вологодский молочный комбинат» ООО СХП «Устюг-молоко» нное вре-я, мин Линейный индекс удерживания -LRI

н и !Е ч ■М Площадь пика Содержание, отн. % н и ч ■М Площадь пика Содержание, отн. % н и ч ■М Площадь пика Содержание, отн. % Среднее исправле мя удерживани Найдено Спра-воч-ные данные [11]

1 этаналь 0 0,0 0,48 152 4,0 0 0,0 0.48 713 710

2 диметил-сульфил 0,67 130 1,6 0 0,0 0 0,0 0,67 756 761

3 2- про-панон 111 2106 26,0 1,12 1842 48,2 1,12 1955 56,6 1,12 832 8??

4 н- бута-наль 1,67 901 11,1 1,60 56 1,5 0 0,0 1,64 897 883

5 2- бута-нон 1,72 305 3,8 1,76 114 3,0 1,76 90 2,6 1,75 907 901

6 метанол 1,89 108 1,3 0 0,0 1,90 369 10,7 1,90 919 909

7 2- про-панол 0 0,0 2,05 176 4,6 2 06 258 7,5 2,05 931 933

8 Этанол 2,16 821 10,1 2,16 309 8,1 2,17 313 9,1 2,16 939 936

9 н- пента-наль 2,90 298 3,7 2,90 261 6,8 2,90 127 3,7 2,90 997 981

10 2- буте-наль 3,64 1177 14,5 3,65 421 11,0 0 0,0 3,65 1046 1035

11 3- гепта-нон 5,53 1934 23,8 0 0,0 0 0,0 5,53 1148 1160

Соеди-

_12_

2- гепта-_ион_

ЗАО «ПТК Северное молоко»

6,22

ПК «Вологодский молочный комби-

18 6,22

_233_

6,1 6,22 343

-9,9

Линейный

индекс удерживания -LRI

Спра-воч-

6,22 1178 1182

-13.

н- гепта-_наль

6,71

.189

2 3 6,68

-6,8

.0,0.

6,70 1200 1192

Общая пло-_щадь_

8112

100,0

382511000

3454

100,0

ные

данные [11]

0

Масло Крестьянское сливочное (ЗАО «ПТК «Северное молоко»)

Вклад альдегидов и кетонов в общее содержание летучих веществ паровой фазы исследованных проб масла составляет в сумме ~ 88 %, а спиртов ~ 11 %. Основными летучими веществами являются: ацетон (26 %), 3- гептанон (23,8 %), 2- бутеналь (14,5 %), н- бутаналь (11 %), н- пентаналь (10 %). Содержание остальных 4 альдегидов и кетонов значительно меньше (2- бутанон - 3,8 %; н-пентаналь -3,7 %, н- гептаналь - 2,3 %; 2- гептанон - 1,8 %). Следует отметить аномально низкое содержание метанола (1,3 %) в паровой фазе. В тоже время концентрация этанола (10 %) сопоставима с его содержанием в образцах масла Крестьянского других производителей.

Масло Крестьянское сливочное (ПК «Вологодский молочный комбинат», г. Вологда)

Вклад альдегидов и кетонов в общее содержание летучих веществ паровой фазы исследованных проб масла составляет в сумме ~ 87 %, а спиртов ~ 13 %. Основными летучими веществами являются: ацетон и изобутаналь (48,2 %), 2- бутеналь (11 %), н- пентаналь (6,8 %), н- гептаналь (6,8 %), 2- гептанон (6,1 %). Содержание остальных 4 альдегидов и кетонов значительно меньше (этаналь -4 %), 2- бутанон - 3,0 %; н- бутаналь - 1,5 %. Следует отметить отсутствие в паровой фазе метанола и наличие 2- пропанола (4,6 %). Концентрация этанола (8 %) сопоставима с его содержанием в образцах масла Крестьянского других производителей.

Масло Крестьянское сливочное (ООО СХП «Устюгмолоко»).

Вклад альдегидов и кетонов в общее содержание летучих веществ паровой фазы исследованных проб масла составляет в сумме ~ 73 %, а спиртов ~ 27 %. Основными летучими веществами являются: ацетон и изобутаналь (56,5 %), 2- гептанон (10 %). Содержание остальных альдегидов и кетонов значительно меньше: 2- бутанон - 2,6%; н- пентаналь - 3,6 %.

Концентрация метанола (10,7 %), этанола (9 %) близки и сопоставимы с их содержанием в образцах масла Крестьянского других производителей. Следует отметить повышенное (по сравнению с другими образцами масла) содержание в паровой фазе 2- пропанола (7,5 %).

Наличие свободных жирных кислот (уксусная, пропионовая, масляная) и других вкусо-ароматических соединений при упрощенной подготовке проб в условиях исследований не зафиксировано.

Сравнительный анализ.

При одинаковых технических условиях выработки (ГОСТ Р 52969-200R) , массовая доля жира (72,5 %) и близких сроках и условиях хранения перед исследованием (3-7 дня при температуре -3 оС) общее количество в паровой фазе летучих компонентов, их спектры имеют как сходство, так и ряд существенных отличий.

При близком абсолютном содержании 2- пропанона и изобутаналя (площади пиков отличаются на ~6 %), относительное содержание этих компонентов значительно отличается: наименьшее (26 %) - для масла, выработанного ЗАО «ПТК «Северное молоко», а наибольшее (56,5 %) - для масла, выработанного ООО СХП «Устюгмолоко».

Содержание летучих ВАВ в паровой фазе масла, выработанного ЗАО «ПТК «Северное молоко» более чем в 2 раза превышает их количество для образцов масла, выработанных на ООО СХП «Устюгмолоко» и ПК «Вологодский молочный комбинат».

Наибольшее количество (11) летучих ВАВ обнаружено в паровой фазе масла, выработанного ЗАО «ПТК «Северное молоко», а наименьшее (7) - для образцов масла, выработанных ООО СХП «Устюгмолоко».

Паровая фаза масла, выработанного ЗАО «ПТК «Северное молоко», характеризуется аномально (по сравнению с маслом других производителей) высоким содержанием 2- бутеналя и 3- гептанона.

Имеются и другие отличия в содержании летучих веществ.

Причины столь существенных отличий, по-видимому, прежде всего, связаны как с вариацией химического состава компонентов сырья (сливок), так и его изменений на разных стадиях технологического процесса выработки масла.

В целом, установленные нами существенные различия в содержании летучих веществ могут лечь в основу создания «хроматографических паспортов» масла различных производителей. Однако для этого требуются дополнительные исследования по расширенному кругу производителей и видов сливочного масла.

При получении достаточно большого статистического массива экспериментальных данных возможно получение спектров высококачественного масла, по которым предположительно будет возможно производить идентификацию качества сладко-сливочного масла в гармонизации его с существующей шкалой органолеп-тической оценки.

Список литературных источников:

1. Siek T. J., Lindsey R. C. Semiquantitative Analysis Butter Volatiles of Fresh Sweet-Cream. J. Dairy Sci. V. 53, № 6, p. 700-703.

2. Siek T. J., Lindsey R. C. Volatile Components of Milk Fat Steam Distillates Identified by Gas Chromatography and Mass Spectrometry. J. Dairy Sci. V. 51, № 12, p. 1RR6 - 1R96.

3. Contarini G., Povolo M. Comparison of solid-phase micro extraction and purge-and trap methods for the analysis of the volatile fraction of butter // J. Chromatogr. A. 2003. 9R5. № 1-2. P. 117-125.

4. Silvia Mallia. Oxidative stability and aroma of UFA/CLA (unsaturated fatty acids/

conjugated liloleic acid) enrichted butter. Diss. Zurich, 2008. - 163 p.

5. Silvia Mallia, F. Escher, H. Schlichtherle-Cerny. Aroma-active compounds of butter: a review// Eur. Food Res. Technol. (2008) 226:315-325.

6. S. Jinjarak, A. Olabi, R. Jime'nez-Flores, I. Sodini, J. H. Walker. Sensory Evaluation of Whey and Sweet Cream Buttermilk// J. Dairy Sci. 89:2441-2450.

7. S. MALLIA, F. ESCHER, S. DUBOIS, P. SCHIEBERLE, H. SCHLICHTHERLE-CERNY// Characterization and Quantification of Odor-Active Compounds in Unsaturated Fatty Acid/Conjugated Linoleic Acid(UFA/CLA)-Enriched Butter and in Conventional Butter during Storage and Induced Oxidation// J. Agric. Food Chem.2009,57,7464-7472.

8. D. G. Peterson, A. Reineccius. Characterization of the volatile compounds that constitute fresh sweet cream butter aroma. Flavour Fragr. J. 2003; 18: 215 - 220.

9. ГОСТ Р 52969-2008. Масло сливочное. Технические условия.

10. Кустова, Т. П. Разработка метода инструментальной оценки вкусового букета сладко-сливочного масла / Т. П. Кустова : автореферат дис. . канд. тех. наук.- Вологда ; Молочное, 2010. - 22 с.

11. NIST/EPA/NIH Mass Spectral Library (NIST 08). NIST, June 2008.

12. Мильман, Б. Л. Введение в химическую идентификацию. - СПб. : ВВМ, 2008. - 180 с.

Gas chromatography study of the vapour phase composition of sweet-cream-butter Krest'yanskoe produced at the Vologda region enterprises

Konevets Valery Ivanovich, Can. of Science (Chemistry), Associate Professor of the Chemistry and Physics Chair

e-mail: konevecv@mail.ru

FSBEI HPE the Vereshchagin Vologda State Dairy Farming Academy

Noskova Vera Ivanovna, Can. of Science (Chemistry), Associate Professor of the Milk and Dairy Product Technology Chair

e-mail: Noskovaarev@mail.ru

FSBEI HPE the Vereshchagin Vologda State Dairy Farming Academy

Kuzin Andrey Alekseevich, Can. of Science (Chemistry), Associate Professor of the Technological Equipment Chair

e-mail: pronich@molochnoe.ru

FSBEI HPE the Vereshchagin Vologda State Dairy Farming Academy

Abstract. The article deals with gas chromatography study of the vapour phase composition of sweet-cream-butter Krest'yanskoe produced at the Vologda region enterprises. It gives the results of volatile aroma substance identification. Differences in the spectrum of the sweet-cream butter volatile substances are established.

Keywords: sweet-cream butter, identification indicators, steam phase, aroma and flavour substances, gas chromatography, carbonyl compounds, aldehydes, ketones.