CC BY
74Journal of Siberian Federal University. Chemistry 4 (2011 4) 393-400
УДК 543.545
Новая методика определения органических кислот в винах методом капиллярного электрофореза
В.В. Сурсяковаа*, О.В. Попова3, Г.В. Бурмакинааб, А.И. Рубайлоаб
а Институт химии и химической технологии СО РАН Россия 660049, Красноярск, ул. К. Маркса, 42 б Сибирский федеральный университет Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 1
Received 2.12.2011, received in revised form 9.12.2011, accepted 16.12.2011
Предложен простой по составу фоновый электролит для определения органических кислот (щавелевой, винной, лимонной, яблочной, молочной, янтарной, уксусной) в винах методом капиллярного электрофореза с применением гидродинамического давления для подавления электроосмотического потока: 7,5 мМ м-нитробензойной кислоты и 7,5 мМ м-нитробензоата натрия, рН 3,4. Экспериментально установлено, что срок хранения предложенного фонового электролита превышает 6 месяцев. Найдены оптимальные условия для разделения органических кислот. Установлено, что неорганические анионы не мешают определению анионов органических кислот. С использованием разработанной методики проведен анализ реальных образцов - фальсифицированного и натурального вин - на содержание алифатических органических кислот.
Ключевые слова: органические кислоты, капиллярный электрофорез, экспертиза вина.
Введение
Проблема натуральности винодельческой продукции становится всё более актуальной, фальсифицированные вина наносят не только моральный и материальный ущерб, но порой опасны для здоровья потребителей [1, 2]. Одним из контролируемых показателей при определении фальсифицированного вина является содержание органических кислот. Содержание различных органических кислот в исходном сырье и вине и их соотношение зависит от сорта винограда, региона производства вина и технологий, используемых в производстве вина.
* Corresponding author E-mail address: viktoria_vs@list.ru
1 © Siberian Federal University. All rights reserved
Среди кислот преобладают винная, яблочная и молочная, в меньших количествах содержатся янтарная, уксусная, щавелевая (табл. 1) [3].
Определение обобщенных показателей, таких как титруемые или летучие кислоты, не всегда позволяет установить подлинность вина, более надежно определение индивидуальных органических кислот. Для осуществления такого анализа наиболее перспективен метод капиллярного электрофореза (КЭ) из-за низкой себестоимости анализа и простоты пробоподготовки [4-6]. Однако в существующих методиках определения органических кислот методом КЭ [7-14] используются дорогостоящие, сложные по составу фоновые электролиты, имеющие ограниченный срок хранения (1-2 дня). В статье [15] нами была рассмотрена возможность использования гидродинамического давления для подавления электроосмотического потока вместо модификаторов ЭОП, что позволяет использовать недорогие и менее сложные по составу фоновые электролиты с большим сроком хранения.
Целью данной работы стала разработка методики определения органических кислот в винах методом капиллярного электрофореза с использованием простых по составу фоновых электролитов и гидродинамического давления для подавления ЭОП.
Экспериментальная часть
Измерения проводили на приборе КРЦКП СО РАН - системе капиллярного электрофореза с диодноматричным детектором Agilent 3DCE G1600A (Agilent Technologies, USA). Использовали немодифицированный кварцевый капилляр с внутренним диаметром 50 мкм общей длиной 64,5 см (эффективной длиной 56 см). Капилляр термостатировали при температуре 25 0С. Детектирование проводили в УФ-области при 264 нм с опорной длиной волны 450 нм. Сигнал детектора обрабатывали при помощи встроенного программного обеспечения HP ChemStation Rev.A.10.02. Ввод пробы гидродинамический при давлении 50 мБар в течение 4-20 с.
Использовали реактивы не ниже ч.д.а. Все растворы готовили с применением деионизо-ванной воды, полученной при помощи системы очистки воды Direct-Q 3 (Millipore, France) с электропроводностью менее 0,И0-6 Ом-1см-1.
Перед работой капилляр последовательно промывали 0,1 М раствором NaOH в течение 5 мин, затем дважды по 5 мин деионизованной водой, 12 мин - раствором фонового электролита, между анализами - раствором фонового электролита в течение 5 мин.
Результаты и их обсуждение
Выбор фонового электролита
и условий электрофоретического разделения
Первоначально в качестве фонового электролита для определения органических кислот в винах использовали хроматный буфер, который чаще других применяется при определении неорганических анионов [15-18]. Было установлено, что данный фоновый электролит не подходит для определения органических кислот, так как не достигается полного разделения анионов органических кислот и нулевая линия не стабильна.
Органические кислоты относятся к слабым кислотам (их рКа в основном лежат в диапазоне от 3 до 5, табл. 2), а поскольку электрофоретические подвижности пропорциональны степе- 394 -
Таблица 1. Содержание органических кислот в виноградном вине [3]
Кислота Массовая концентрация, г/дм3
Винная 1 - 6
Лимонная 0 - 0,3
Яблочная 0 - 5
Щавелевая 0 - 0,2
Янтарная 0,25 - 1,5
Молочная 0 - 2,5 в белых , 0 - 4,5 в красных винах
Уксусная 0,2 - 1,5
Таблица 2. Константы диссоциации органических кислот
Название кислоты Формула рКа (рКа1. . . рКа4)
Винная НООС-СН(ОН)-СН(ОН)-СООН 3,04 4,37
Лимонная НООС-СН2-С(СООН)(ОН)-СН2-СООН 3,13 4,66 6,40 16,0
Яблочная НООС-СНОН-СН2-СООН 3,46 5,05
Щавелевая НООС-СООН 1,25 4,27
Янтарная НООС-СН2-СН2-СООН 4,21 5,63
Молочная НООС-СНОН-СН3 3,83
Уксусная СН3-СООН 4,76
ни диссоциации [19-21], то первичным фактором, определяющим их разделение, является рН, а концентрация и природа фонового электролита в гораздо меньшей степени влияют на разделение анионов исследуемых органических кислот [22, 23]. При выборе фонового электролита с оптимальным для определения органических кислот значением рН изучен фоновый электролит на основе бензойной кислоты. Концентрация фонового электролита была взята максимально близкой к растворимости бензойной кислоты и составляла 22 мМ, так как при максимальной концентрации максимальна буферная емкость.
Исследовано влияние рН фонового электролита на разделение анионов в диапазоне от 3 до 5. Установлено, что полное разделение всех исследованных анионов органических кислот наблюдается при рН фонового электролита, равного 3,5. Однако рКа бензойной кислоты 4,20, и при рН 3,5 фоновый электролит на ее основе обладает достаточно низкой буферной емкостью, поскольку буферная емкость максимальна при рН, близком к рКа. Поэтому нами был рассмотрен (исходя из литературных данных) ряд других кислот, которые могли бы служить фоновыми
mAU
25-
Marker EOF
4
5
7
О-
Ч
V
о
5
10 t, min
Рис. 1. Электрофореграмма модельной смеси кислот. Скисл=100 мг/л; фоновый электролит: 7,5 мМ м-нитробензойная кислота, 7,5 мМ м-нитробензоат натрия, ]=1Н=35,4; ввод: 50 мБар в течение 4 с; напряжение - 30 кВ, давление 50 мБар, X =219 нм отн. 450 нм. Пики анионов кислот: 1 - щавелевая; 2 -винная; 3 - лимонная; 4 - яблочная; 5 - молочная; 6 - янтарная; 7 - уксусная
электролитами для определения анионов органических кислот. Из литературных данных было найдено, что оптимальное соотношение растворимости и рКа в воде имеет м-нитробензойная кислота [24, 25], поэтому в дальнейшей работе в качестве фонового электролита использовали эту кислоту в максимально возможной с учетом растворимости концентрации и при рН, равном рКа с учетом ионной силы: 7,5 мМ м-нитробензойной кислоты и 7,5 мМ м-нитробензоата натрия: рН 3,4. Установлено, что типичные неорганические анионы не мешают определению анионов органических кислот с использованием данного фонового электролита.
Проведены исследования по поиску оптимальных значений прикладываемого в процессе разделения напряжения и гидродинамического давления. Широко используемым способом повышения эффективности разделения ионов в КЭ с применением модификаторов является увеличение прикладываемого напряжения. В случае использования гидродинамического давления для эффективного подавления ЭОП необходимо подбирать оптимальное соотношение давления и напряжения. Найдено, что полное разделение всех семи кислот достигается при напряжении - 30 кВ и давлении 50 мБар (рис. 1). Экспериментально установлено, что срок хранения предложенного фонового электролита превышает 6 месяцев.
Оценка метрологических характеристик
Оценены метрологические характеристики разработанной методики. Найдено, что пределы обнаружения для различных кислот составили от 1 до 10 мг/л. Градуировочные зависимости линейны с коэффициентом корреляции > 0,99 вплоть до концентрации 1000 мг/л при условиях ввода пробы от 200 до 1500 мбар*с. Относительные стандартные отклонения времен миграции в серии параллельных измерений не превышают 1 %, электрофоретиче-ских подвижностей - 0,5 %, площадей пиков - 10 %. Полученные значения сравнимы с метрологическими характеристиками методики ГОСТа Р 52841 - 2007 [7]. Проверка правиль-
тА11
Рис. 2. Электрофореграмма вина «Портвейн 72» (ЗАО «Нарткалинский пищекомбинат «Вега»», г. Нарткала, Россия), разбавленного в 10 раз деионизованной водой. Пики анионов кислот: 1 - винная (2,0 ± 0,3 мг/л); 2 - лимонная! (0,6 ± 0,1 мг/л); 3 - яблочная (1,1 ± 0,1 мг/л). В скобках указано содержание кислот в неразбавленном вине
тАи
Рис. 3. Электрофореграмма образца красного полусладкого вина «Вилла Гранде» (ОАО «Московская комбинат-компания вин», г. Москва, Россия), разбавленного в 5 раз деионизованной водой. Пики: 1 -N03"; 2 - Р043-; 3 - винная кислота (2,0 ± 0,2 мг/л); 4 - яблочная кислота (0,7 ± 0,1 мг/л); 5 - молочная кислота (1,0 ± 0,1 мг/л); 6 - янтарная кислота (0,6 ± 0,1 мг/л); 7 - уксусная кислота (0,5 ± 0,1 мг/л). В скобках указано содержание кислот в неразбавленном вине
ности методом введено-найдено показала, что значимой систематической погрешности не наблюдается.
Анализ вин на содержание органических кислот
С использованием разработанной методики проведен анализ двух образцов реальных объектов - фальсифицированного и подлинного вина, предоставленных ЭКЦ ГУВД Красноярского края (рис. 2 и 3). Поскольку верхняя граница диапазона линейности градуировочных зави-
симостей не превышает 1 г/л, а содержание отдельных органических кислот может достигать 6 г/л, то исходные образцы вина разбавляли в 5-10 раз.
Таким образом, разработана методика определения органических кислот в винах методом капиллярного электрофореза с использованием простого по составу фонового электролита и гидродинамического давления для подавления ЭОП. Срок хранения предложенного фонового электролита превышает полгода. Метрологические характеристики разработанной методики сравнимы с метрологическими характеристиками методики ГОСТа Р 52841 - 2007 «Продукция винодельческая. Определение органических кислот методом капиллярного электрофореза».
Список литературы
1. Вино и алкогольные напитки. Директивы и Регламенты Европейского союза. М.: ИПК Издательство стандартов, 2000. 616с.
2. Елисеев М. Н., Поздняковский В. М. Товароведение и экспертиза вкусовых товаров. М.: Академия, 2006. 239c.
3. Справочник по виноделию/ Под ред. Г.Г. Валуйко. М.: Агропромиздат, 1999. 447с.
4. Руководство по капиллярному электрофорезу / Под ред. А.М. Волощука. М.: Научный совет РАН по хроматографии, 1996. 111 с.
5. Беленький Б.Г., Белов Ю.В., Касалайнен Г.Е. Высокоэффективный капиллярный электрофорез в экологическом мониторинге // Журн. аналит. химии. 1996. Т. 51. № 8. С. 817-834.
6. Сурсякова В.В., Калякин С.Н., Калякина О.П. Новый вариант электрохроматографиче-ского метода определения ионов // Вестник КрасГУ 2006. № 2. С. 23-26.
7. ГОСТ Р 52841 - 2007 Продукция винодельческая. Определение органических кислот методом капиллярного электрофореза. М.: Стандартинформ, 2007. 7 с.
8. Комарова Н.В., Каменцев Я.С. Практическое руководство по использованию систем капиллярного электрофореза «Капель». СПб.: Веда, 2006. 212с.
9. Castineira A., Pena R. M., Herrero C., Garcia-Martin S. Analysis of organic acids in wine by capillary electrophoresis with direct UV detection // J. Food Comp. Anal. 2002. V. 15. P. 319344.
10. Santalad A., Teerapornchaisit P., Burakham R., Srijaranai S. Capillary zone electrophoresis of organic acids in beverages //LWT. 2007. V. 40. P. 1741-1746.
11. Klampfl C. W., Buchberger W., Haddad P. R. Determination of organic acids in food samples by capillary zone electrophoresis// J. Chromatogr. A. 2000. V. 881. P.357-364.
12. Blanco-Heras G. A., Turnes-Carou M.I., Purificacion L., Soledad Muniategui-Lorenzo S., Prada-Rodriguez D., Fernandez-Fernandez E. Capillary electrophoretic method for the determination of inorganic and organic anions in real samples. Strategies for improving repeatability and reproducibility // J. Chromatogr. A. 2007. V.1144. P.275-278.
13. Soga T., Ross G. A. Simultaneous determination of inorganic anions, organic acids, amino acids and carbohydrates by capillary electrophoresis// J. Chromatogr. 1999. V.837. P. 231239.
14. Klampfl, C. W., Katzmayr M. U., Buchberger W. Separation of inorganic and organic anions by capillary zone electrophoresis with simultaneous indirect UV and conductivity detection // Electrophoresis. 1998. V. 19. P. 2459-2464.
15. Калякин С.Н., Сурсякова В.В., Бурмакина Г.В., Рубайло А.И. Гидродинамическое подавление электроосмотического потока в капиллярном электрофорезе с косвенным спектрофо-тометрическим детектированием // Журн. аналит. химии. 2009. Т. 64. №4. С. 415-420.
16. Сурсякова В.В., Калякин С.Н., Бурмакина Г.В., Рубайло А.И. Использование внутреннего стандарта при определении анионов методом капиллярного электрофореза с косвенным спектрофотометрическим детектированием // Журн. Сибирского федерального университета. Химия. 2009. Т. 2. № 1. С. 42-47.
17. Сургутскова А.Г., Бурмакина Г.В., Сурсякова В.В., Рубайло А.И. Применение метода высокоэффективного капиллярного электрофореза для мониторинга анионного состава пресноводных экосистем на примере реки Енисея // Журн. Сибирского федерального университета. Химия. 2009. Т. 2. № 3. С. 266-274.
18. Бондарева Л.Г., Калякина О.П., Бурмакина Г.В., Сурсякова В.В., Калякин С.Н., Рубайло А.И. Исследование анионного состава объектов окружающей среды промышленной зоны г. Красноярска методами ионной хроматографии и капиллярного электрофореза // Журн. Сибирского федерального университета. Химия. 2009. Т. 2. № 4. С. 368-376.
19. Sursyakova V.V., Kalyakin S.N., Burmakina G.V., Rubaylo A.I. Measurement of ion association constants from decrease of peak areas by capillary electrophoresis technique with indirect spectrophotometry detection // J. Sib. Fed. University. Chem. 2008. Vol. 1. № 2. Р. 136-141.
20. Сурсякова В.В., Калякин С.Н., Бурмакина Г.В., Рубайло А.И. Измерение констант ассоциации катионов щелочных металлов с неорганическими анионами в водных растворах методом капиллярного электрофореза. Электронный журнал «Исследовано в России». 2008. Т.11. 107. C.1155-1162, http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2008/107.pdf.
21. Сурсякова В.В., Бурмакина Г.В., Рубайло А.И. Разработка методик определения фенолов в питьевой и природной водах методами капиллярного электрофореза и высокоэффективной жидкостной хроматографии // Журн. Сибирского федерального университета. Химия. 2010. Т. 3. №.3. С. 268-277.
22. Калякин С.Н., Калякина О.П., Лыткин П.Ю., Сурсякова В.В. Справочно-информационная система расчетов химических равновесий в водных растворах // Сб. "25 лет Институту химии и химической технологии СО РАН: итоги и перспективы", т.1. Красноярск: ИХХТ, 2006. С. 321-326.
23. Сурсякова В.В., Калякин С.Н. Уравнение с одним варьируемым параметром для расчета коэффициентов активности сильных электролитов в широком диапазоне концентраций // Вестник КрасГУ 2006. № 2. С. 99-102.
24. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. М.: Химия, 1989. 448с.
25. Lide D.R. Handbook of chemistry and physics. 84th edition 2003-2004. CRC Press. P. 2475.
Novel Method for Determination of Organic Acids
in Wine Using Capillary Electrophoresis
Viktoriya V. Sursyakovaa, Olesya V. Popovab, Galina V. Burmakinaa' b and Anatoliy I. Rubayloa' b
a Institute of Chemistry and Chemical Technology, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 42 St. K. Marks, Krasnoyarsk, 660049 Russia b Siberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
The simple composition of background electrolyte for determination of organic acids (oxalic, tartaric, citric, malic, lactic, succinic, acetic) in wine by capillary electrophoresis technique using hydrodynamic pressure for electroosmotic flow suppression was suggested: 7,5 mM m-nintrobenzoic acid, 7,5 mM sodium m-nitrobenzoate, pH 3,4. Storage life of the background electrolyte is more 6 months. It is found that inorganic anions were not interfered with anions of organic acids. The metrological performance is evaluated. Fabricated and natural wines were analysed by suggested method.
Keywords: organic acids, capillary electrophoresis, expertise of wine.
