CC BY
36
УДК 663.5 DOI 10.24411/0235-2486-2020-10001
Определение основных катионов в виски методом капиллярного электрофореза
Н.В. Шелехова*, д-р техн. наук; Т.М. Шелехова, канд. техн. наук; Л.И. Скворцова; Н.В. Полтавская
ВНИИ пищевой биотехнологии - филиал ФИЦ питания, биотехнологии и безопасности пищи, Москва
Дата поступления в редакцию 01.11.2019 * satella@mail.ru
Дата принятия в печать 27.01.2020 © Шелехова Н. В., Шелехова Т. М., Скворцова Л. И., Полтавская Н. В., 2020
Реферат
Современное состояние и тенденции развития производства алкогольной продукции диктуют необходимость формирования новых подходов к системе оценки качества. В рамках решения данной задачи важным направлением исследований является расширение спектра показателей, характеризующих идентификационные признаки качества, что требует разработки новых аналитических подходов к определению состава спиртных напитков. Цель настоящего исследования - разработка и апробация в лабораторных условиях методики определения массовой концентрации катионов аммония, калия, кальция, натрия, магния в виски методом капиллярного электрофореза. В ходе исследований сформулированы общие требования к условиям проведения измерений. Установлены оптимальные соотношения электролитов буферного раствора: 30 мМоль/дм3 L-Histidine, 30 мМоль/дм3 2-Morpholinoetha-nesulfonic acid Monohydrate, 2 мМоль/дм3 18-crown-6 esther. Разработана процедура кондиционирования капилляра, включающая последовательные промывки 1 М раствором гидроксида натрия, деионизованной водой, электролитом при постоянном давлении 1500 мБар. Подобраны оптимальные параметры электрофоретического разделения: капилляр с общей длиной 60 см, эффективной длиной 15 см, напряжение 20-25 кВ, термостатирование капилляра 20...22 °C. Определен диапазон измеряемых концентраций: 0,1-5,0 мг/дм3. В процессе лабораторных исследований выявлена линейная зависимость (не менее R2=0,98) зарегистрированных сигналов от концентрации аммония, калия, кальция, натрия, магния в пределах аналитической области методики. Установлены границы относительной погрешности методики измерений, которые составляют не более 10-15%. Аналитические возможности разработанной методики исследованы на примере испытаний виски отечественного и зарубежного производства. Определена массовая концентрация аммония, калия, кальция, натрия, магния в представленных образцах, получены характеристические профили. В результате исследований разработана экспрессная методика, основанная на применении метода капиллярного электрофореза, которая является простым и надежным способом рутинного селективного определения 5 катионов в виски за 6 мин. Результаты исследований могут быть использованы для разработки объективных критериев идентификации, косвенно позволяющих установить признаки фальсификации, а также для расширения спектра физико-химических показателей качества спиртных напитков.
Ключевые слова
безопасность, виски, идентификация, капиллярный электрофорез, качество, катионы, контроль, методика Для цитирования
Шелехова Н. В., Шелехова Т.М., Скворцова Л. И., Полтавская Н.В. (2020) Определение основных катионов в виски методом капиллярного электрофореза // Пищевая промышленность. 2020. № 1. С. 27-30.
Determination of the main cations in whiskey by capillary electrophoresis
N.V. Shelekhova*, Doctor of Technical Sciences; T.M. Shelekhova, Candidate of Technical Sciences; L.I. Skvortsova; N.V. Poltavskaya
All-Russian Scientific-Research Institute of Food Biotechnology - Branch of FITC Nutrition, Biotechnology and Food Safety
Received: November 1, 2019 * satella@mail.ru
Accepted: January 27, 2019 © Shelekhova N. V., Shelekhova T. M., Skvortsova L. I., Poltavskaya N. V., 2020
Abstract
The current state and development trends of alcohol production dictate the need for new approaches to the quality assessment system. As part of the solution of this problem, an important area of research is to expand the range of indicators characterizing the identification features of quality, which requires the development of new analytical approaches to determining the composition of alcoholic beverages. Objective: development and testing in the laboratory terms methods for determining the mass concentration of ammonium, potassium, calcium, sodium, magnesium in whiskey by capillary electrophoresis. In the course of research general requirements to the conditions of measurements are formulated. Optimal ratios of buffer solution electrolytes were established: 30 mmol/dm3 L-Histidine, 30 mmol/dm3 2-Morpholinoetha-nesulfonic acid Monohydrate, 2 mmol/dm3 18-crown-6 esther. Developed the procedure of capillary conditioning, including sequential washing of 1 M sodium hydroxide solution, deionized water, electrolyte at the constant pressure of 1500 mbar. The optimal parameters of electrophoretic separation are selected: capillary with a total length 60 cm, effective length 15 cm, voltage 20-25 kV, capillary thermostating 20...22°C. The range of measured concentrations of 0,10-10,0 mg/dm3 was determined. In the course of laboratory studies, a linear dependence (no more than R2=0.98) of the recorded signals on the concentration of ammonium, potassium, calcium, sodium, magnesium within the analytical area of the technique was revealed. The limits of the relative error of the measurement method, which are no more than 10-15%, are established. Analytical capabilities of the developed technique are investigated on the example of tests of whisky. The mass concentration of ammonium, potassium, calcium, sodium, magnesium in the presented samples was determined, characteristic profiles were obtained. As a result of researches, the express technique based on application of a method of capillary electrophoresis which is the simple and reliable way of routine selective determination of 5 cations in whisky for 6 min is developed. Results of researches can be used for development of the objective criteria of identification indirectly allowing to establish signs of falsification, and also for expansion of a range of physical and chemical indicators of quality of alcoholic beverages.
Key words
safety, whiskey, identification, capillary electrophoresis, quality control, cations, methods For citation
Shelekhova N.V., Shelekhova T.M., Skvortsova L.I., Poltavskaya N.V. (2020) Determination of the main cations in whiskey by capillary electrophoresis // Food processing industry = Pischevaya promyshlennost'. 2020. No.1. P. 27-30.
Введение. В последние годы проблема качества пищевой продукции становится все более актуальной. Современные тренды производства направлены на разработку новых технологий создания продукта с заданными качественными характеристиками [1-4]. На государственном уровне разработаны программы, такие как «Государственная политика Российской Федерации в области здорового питания населения на период до 2020 г.» (утв. Правительством РФ от 25 октября 2010 г. № 1873-р), «Доктрина продовольственной безопасности Российской Федерации на период до 2020 г.» (утв. Указом Президента РФ от 30.01.2010 № 120). В этих условиях происходит принципиальное изменение требований, предъявляемых к системам оценки качества и безопасности пищевой продукции. Все вышесказанное в полной мере относится и к производству спиртных напитков.
Многочисленные публикации исследователей свидетельствуют о значительном интересе, проявляемом к проблемам качества [6], разработкам в области методологии контроля [7-9], созданию новых аналитических методик для идентификации алкогольной продукции [10-12]. Следует отметить, что важную роль в аналитическом контроле играют инструментальные методы анализа, такие как газовая хроматография, хромато-масс-спектрометрия, капиллярный электрофорез [13-15]. Задачами, которые решает капиллярный электрофорез в этой области, являются идентификация и количественное определение ионного состава сложных многокомпонентных сред.
В этом ракурсе актуальным направлением исследований становится создание новых инструментальных методик анализа, которые с высокой точностью и достоверностью позволят выявлять маркерные компоненты. Важно подчеркнуть, что к числу объектов анализа, в которых необходимо контролировать катионный состав, относятся спиртные напитки, в том числе и виски.
Цель исследования. Разработка экспрессной методики определения массовой концентрации катионов аммония, калия, кальция натрия, магния в виски методом капиллярного электрофореза с применением кондуктометрического детектирования. Методика позволит определить состав напитка, выявить различия по сравнению с эталонными образцами, а также разработать новые критерии идентификации.
Методы и материалы исследования.
Исследования проводили на системе капиллярного электрофореза «РппСЕ 760» (Нидерланды), оснащенной кон-дуктометрическим детектором и системой динамического контроля давления. Программное обеспечение для сбора
и обработки электрофоретических сигналов - «UniChromTM 5.0.2.859 (Беларусь). Оборудование: весы GR200 (Япония), микродозаторы Biohit (Финляндия). Сверхчистую воду с удельным сопротивлением 18,2 мОм (при температуре 25 °С) получали на установке «Водолей-М» (Россия). Реактивы: аммоний хлористый (х. ч), калия хлорид (х. ч.), кальция хлорид (х. ч), натрия хлорид (х. ч.), магний хлористый 6-водный (х. ч), L-Histidine, 2-Morpholinoetha-nesulfonic acid Monohydrate, 18-crown-6 ether с содержанием основного вещества >99 %. В качестве объектов исследования использовали образцы виски отечественного и зарубежного производства.
Обсуждение результатов. В ходе исследований выявлена возможность применения метода капиллярного электрофореза с кондуктометрическим детектированием для качественной идентификации катионного состава алкогольной продукции, составлены модельные растворы, установлены оптимальные соотношения электролитов буфера.
В рамках эксперимента изучены и отработаны различные условия электро-форетического разделения, определено время миграции изучаемых компонентов, рассчитаны метрологические характеристики.
Сформулированы общие требования к условиям выполнения измерений: температура окружающего воздуха 20±5 °С, атмосферное давление 80-160 кПа, относительная влажность воздуха 30-80%, напряжение в сети 220±5 В.
В качестве ведущего электролита использовали раствор следующего состава: 30 мМоль/дм3 L-Histidine, 30 мМоль/дм3 2 - M o r p h o l i n o et h a - n es u l f o n i c acid Monohydrate, 2 мМоль / дм3 18-crown-6 ether. Исходя из результатов предыдущих экспериментов, а также учитывая результаты данного исследования, установлен срок хранения ведущего электролита: не более 8 ч.
На основании полученных в ходе экспериментальных исследований данных о влиянии различных факторов на элек-трофоретическое поведение NH4+, K+, Na+, Ca2+, Mg2+ оптимизированы условия электрофоретического разделения. Лучшее разделение наблюдалось при следующих параметрах, которые и были выбраны для дальнейшей работы: анализ проводили при положительном напряжении 20-25 кВ и термостатировании капилляра 20...22 °C, ввод пробы осуществляли в гидродинамическом режиме при давлении 40 мБар в течение 20 сек, время анализа 5 мин. В эксперименте применяли кварцевый капилляр с внутренним диаметром 50 мкм, общей длиной 60 см, эффективной длиной 15 см.
Разработана процедура кондиционирования капилляра перед проведением из-
мерений, обеспечивающая стабильность времени миграции и площадей пиков. Первоначально капилляр промывают 1 М раствором гидроксида натрия в течение 5 мин, затем деионизованной водой -7 мин, после электролитом - 12 мин при постоянном давлении 1500 мБар. Между измерениями промывку капилляра проводят электролитом в течение 2 мин. После завершения измерений капилляр промывают в течение 7 мин деионизо-ванной водой, затем 1 М раствором ги-дроксида натрия в течение 5 мин при постоянном давлении 1500 мБар и оставляют концы капилляра погруженными в виалы сдеионизованной водой. При выявлении на электрофореграмме дрейфа нулевой линии увеличивают продолжительность кондиционирования капилляра.
В результате исследований определен диапазон измеряемых концентраций, который составляет 0,1-5,0 мг/дм3. Если измеренная концентрация веществ в анализируемой пробе превышает верхнюю границу диапазона измерений, то пробу разбавляют не более чем в 10 раз.
По данным градуировочного графика, полученного при компьютерной обработке хроматограмм, установлена линейная зависимость (не менее R2=0.998) зарегистрированных сигналов от концентрации аммония, калия, кальция, натрия, магния в пределах аналитической области методики (рис. 1).
Правильность и воспроизводимость результатов определения подтверждена методом «введено - найдено». В качестве объектов анализа использовали 3 уровня градуировочных растворов катионов NH4+, К+, Na+, Са2+, Мд2+ массовой концентрацией 0,1 мг / дм3, 2,5 мг / дм3 и 5,0 мг/дм3. Рассчитаны метрологические характеристики методики. Установлено, что границы относительной погрешности составляют не более 10-15%.
Разработан алгоритм проведения испытаний спиртных напитков. Стабильность градуировочной характеристики контролируют ежедневно перед началом измерений. Прибор градуируют методом абсолютной градуировки. Получение гра-дуировочной характеристики осуществляют по 3 уровням градуировочных смесей катионов в диапазоне 0,1-5,0 мг / дм3. идентификацию на электрофореграм-ме проводят по времени удерживания, на базе градуировочных электрофоре-грамм строят градуировочные графики.
Аналитические возможности разработанной методики исследованы на примере испытаний более 20 образцов виски отечественного и зарубежного производства, приобретенных в торговой сети методом случайной выборки (рис. 2, 3).
Сравнительный анализ результатов эксперимента позволяет утверждать, что во всех исследованных образцах присутствуют ионы аммония, калия, кальция, натрия, магния. Полученные электро-
Рис. 1. Градуировочные графики а) аммония, б) калия, в) кальция, г) натрия, д) магния в диапазоне концентраций от 0,1 до 5,0 мг/дм3
1
а] б)
Рис. 2. Электрофореграмма виски а) Blended Bonnie and Clyde special whisky, б) Ballantines finest scotch whisky
Ballanties finest scotch whisky Jack Daniels original recipe Trouble maker Irish whisky Jamson Irish whisky Blended Bonnie and Clyde Special whisky Lomond Group blended scotch whisky Britanik blended scotch whisly
■ Магний ■ Натрий Рис. 3. Состав катионов виски
—
1
■—
■
О 5 10 15
■ Кальций «Калий «Аммоний мг/дм3
фореграммы могут быть использованы в качестве характеристических профилей при выявлении признаков фальсификации (рис. 2).
Проведенные исследования показали, что концентрация катионов в виски варьирует в широких пределах. Сопоставляя данные, можно отметить существенное различие по концентрациям ионов. Анализ результатов показал, что массовая концентрация аммония в исследованных образцах составляет 0,32-1,5 мг / дм3, калия 0,13-8,2 мг /дм3, кальция 0,162,9 мг/дм3, натрия 0,92-21,7 мг/дм3, магния 0,10-1,4 мг/дм3.
Подводя итоги проведенного исследования, можно сформулировать следующие выводы:
1. Предложен новый подход к определению ионного состава виски, основанный на применении метода капиллярного электрофореза и кондуктометрического детектирования.
2. Сформулированы требования к условиям проведения измерений, подобраны оптимальные условия электрофореза, построены градуировочные графики, выявлена линейная зависимость между концентрацией вещества и площадью пика, коэффициент корреляции не менее 0,99.
3. Разработана экспрессная методика, которая является простым и надежным способом рутинного дифференцированного определения 5 катионов в виски за 6 мин с относительной погрешностью не более 10-15%.
4. Продемонстрированы возможности разработанной методики на примере исследований виски различных производителей: определен качественный и количественный состав, получены характеристические профили.
5. Методика может быть использована для выявления объективных критериев идентификации виски, косвенно позволяющих установить факт фальсификации.
Исследования проведены за счет средств субсидии на выполнение государственного задания в рамках Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 20132020 гг. (тема №0529-2019-0066).
ЛИТЕРАТУРА
1. Шелехова, Н.В. Совершенствование системы контроля технологических процессов производства спиртных напитков/Н.В. Шелехова, В.А. Поляков // Пиво и напитки. -2017. - № 1. - С 34-36.
2. Новикова, И.В. Технологическое проектирование производства спиртных напит-ков/И.В. Новикова, Г.В. Агафонов, А.Н. Яковлев, [и др.] - СПб: Лань, 2015. - С. 384.
3. Агафонов, Г.В. Инновационные решения в технологии производства алкогольной продукции. Материалы VI отчетной научной конференции преподавателей и научных сотрудников ВГУИТ за 2017 г. Часть 1. - 2018. - С. 59.
4. Хотимченко С.А. Безопасность пищевой продукции: новые проблемы и пути реше-ний/С.А. Хотимченко, В.В. Бессонов, О.В. Ба-грянцева [и др.] // Медицина труда и экология человека. - 2015. - № 4. - С. 7-14.
5. Шелехова, Н.В. Система автоматизированного мониторинга качества и безопасности алкогольной продукции методами капиллярного электрофореза // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2012. -№ 4. - С. 20-22.
6. Арнаутов, О.В. О необходимости совершенствования системы предупреждения фальсификации пищевых продуктов в Евразийском экономическом союзе/О. В. Арнаутов, О.В. Багрянцева, В.В. Бессонов // Вопросы питания. - 2016. - Т. 85. - № 2. -С. 104-115.
7. Никитина, С.Ю. Аналитический контроль качества ректификованного этанола, водок и спиртовых дистиллятов/ С.Ю. Никитина, С.В. Шахов, Д.В. Пыльный [и др.] // Пищевая промышленность. - 2018. - № 6. - С. 56-60.
8. Шелехова, Н.В. Научное обеспечение контроля биотехнологических процессов производства этилового спирта/Н.В. Шелехова, Л.В. Римарева, В.А. Поляков // Пиво и напитки. - 2016. - № 1. - С. 16-20.
9. Рудаков, О.Б. Тренды в аналитическом контроле качества питьевого этанола/ О.Б. Рудаков, С.Ю. Никитина //Аналитика и контроль. - 2017. - Т. 21. - № 3. -С. 180-196.
10. Шелехова, Н.В. Применение методов капиллярного электрофореза в контроле качества и безопасности спиртных напит-ков/Н.В. Шелехова, В.А. Поляков // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2015. -№ 11. - С. 39-42.
11. Тутельян, В.А. Методы анализа минорных биологически активных веществ пищи/В.А. Тутельян, К.И. Эллер, Т. В. Ари-стархова. - М.: Династия, 2010. - 180 с.
12. Шелехова, Н.В. Исследование ионного состава полупродуктов и отходов спиртового производства с применением метода капиллярного электрофореза/Н.В. Шелехова, Л. В. Римарева // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2015. - № 8. - С. 12-15.
13. Комарова, Н.В. Практическое руководство по использованию систем капиллярного электрофореза «КАПЕЛЬ»/ Н. В. Комарова, Я.С. Каменцев. - СПб: Веда, 2006. - 212 с.
14. Шелехова, Н.В. Капиллярный электрофорез - высокоэффективный аналитический метод исследования состава сложных биологических сред/Н.В. Шелехова, В.А. Поляков, Л.В. Римарева // Пиво и напитки. - 2017. -№ 2. - С. 34-38.
15. Якуба, Ю.Ф. Хроматографические методы в анализе и идентификации виноградных вин/Ю.Ф. Якуба, З.А. Темердашев // Аналитика и контроль. -2015. - Т. 19. - № 4. - С. 288-301.
REFERENCES
1. Shelekhova NV, Poljakov VA. Sovershenstvovanie sistemy kontrolja tehnologicheskih processov proizvodstva spirtnyh napitkov [Improving the control system of technological processes for the production of alcoholic beverages]. Pivo i napitki [Beer and drinks]. 2017. No 1. P. 34-36 (In Russ.).
2. Novikova IV, Agafonov GV, Jakovlev AN, Chusova AE. Tehnologicheskoe proektirovanie proizvodstva spirtnyh napitkov [Technological design for the production of alcoholic beverages]. Saint Petersburg: Lan', 2015. 384 p. (In Russ.)
3. Agafonov GV. Innovacionnye resheniya v tekhnologii proizvodstva alkogol'noj produkcii [Innovative solutions in the technology of production of alcoholic beverages]. Materialy VI otchetnoy nauchnoy konferentsii prepodavateley i nauchnykh sotrudnikov VGUIT za 2017god. 2018. Part 1. P. 59 (In Russ.).
4. Hotimchenko SA, Bessonov VV, Bagryanceva OV, Gmoshinskij IV. Bezopasnost' pishchevoj produkcii: novye problemy i puti resheniy [Food safety: new challenges and solutions]. Meditcina truda i ekoiogiya cheloveka [Occupational medicine and human ecology]. 2015. No 4. P. 7-14 (In Russ.).
5. Shelekhova NV. Sistema avtomatizirovannogo monitoringa kachestva i bezopasnosti alkogol'noj produkcii metodami kapillyarnogo elektroforeza [System of automated monitoring of quality and safety of alcoholic beverages by methods of capillary electrophoresis]. Proizvodstvo spirta i likerovodochnykh izdeliy [Production of alcohol and alcoholic beverages]. 2012. No 4. P. 20-22 (In Russ.).
6. Arnautov OV, Bagryanceva OV, Bessonov VV. O neobhodimosti sovershenstvovaniya sistemy preduprezhdeniya fal'sifikacii pishchevyh produktov v evrazijskom ekonomicheskom soyuze [On the need to improve the system of preventing food falsification in the Eurasian Economic Union]. Voprosy pitaniya [Nutrition question]. 2016. No 2. P. 104-115 (In Russ.).
7. Nikitina SJ, Shahov SV, Pyl'nyj DV, Rudakov OB. Analiticheskij kontrol' kachestva rektifikovannogo jetanola, vodok i spirtovyh distilljatov [Analytical quality control of rectified ethanol, vodka and alcohol distillates]. Рishchevaya promyshlennost [Food industry]. 2018. No 6. P. 56-60 (In Russ.).
8. Shelekhova NV, Rimareva LV, Polyakov VA. Nauchnoe obespechenie kontrolya biotekhnologicheskih processov proizvodstva etilovogo spirta [Scientific support for the control of biotechnological processes for the production of ethyl alcohol]. Pivo i napitki [Beer and drinks]. 2016. No 1. P. 16-20 (In Russ.).
9. Rudakov OB, Nikitina SJ. Trendy v analiticheskom kontrole kachestva pit'evogo jetanola [Trends in analytical quality control of drinking ethanol]. Analitika i kontrol' [Analytics and control]. 2017. No 3. P. 180-196 (In Russ.).
10. Shelekhova NV, Polyakov VA. Primenenie metodov kapilljarnogo jelektroforeza v kontrole kachestva i bezopasnosti spirtnyh napitkov [Application of capillary electrophoresis methods in quality control and safety of alcoholic beverages]. Khranenie i pererabotka sel'khozsyr'ya [Storage and processing of farm products]. 2015. No 11. P. 39-42 (In Russ.).
11. Tutel'yan VA, Eller KI, Aristarhova TV. Metody analiza minornyh biologicheski aktivnyh veshchestv pishchi [Methods of analysis of minor biologically active substances of food]. Moscow: Dinastiya, 2010. 180 p.
12. Shelekhova NV, Rimareva LV. Issledovanie ionnogo sostava poluproduktov i othodov spirtovogo proizvodstva s primeneniem metoda kapillyarnogo elektroforeza [Study of the ionic composition of intermediates and wastes of alcohol production using the method of capillary electrophoresis]. Khranenie i pererabotka sel'hozsyr'ya [Storage and processing of farm products]. 2015. No 8. P. 12-15 (In Russ.).
13. Komarova NV, Kamentsev YS. Prakticheskoe rukovodstvo po ispol'zovaniyu sistem kapillyarnogo elektroforeza «KAPEL» [Manual for the Use of Capillary Electrophoresis Systems «KAPEL»]. Saint Petersburg: Veda, 2006. 212 p. (In Russ.)
14. Shelekhova NV, Poljakov VA, Rimareva LV. Kapilljarnyj jelektroforez - vysokojeffektivnyj analiticheskij metod issledovanija sostava slozhnyh biologicheskih sred [Capillary electrophoresis is a highly effective analytical method for studying the composition of complex biological media]. Pivo i napitki [Beer and drinks]. 2017. No 2. P. 34-38 (In Russ.).
15. Jakuba JF, Temerdashev ZA. Hromatograficheskie metody v analize i identifikacii vinogradnyh vin [Chromatographic methods in the analysis and identification of grape wines]. Analitika i kontrol' [Analytics and control]. 2015. No 4. P. 288-301 (In Russ.).
Авторы
Шелехова Наталия Викторовна, д-р техн. наук, Шелехова Тамара Михайловна, канд. техн. наук, Скворцова Любовь Ивановна, Полтавская Наталья Валериевна
ВНИИ пищевой биотехнологии - филиал ФИЦ питания, биотехнологии и безопасности пищи, 111033, Москва, ул. Самокатная, д. 4Б, satella@mail.ru, 4953623751@mail.ru
Authors
Nataliya V. Shelekhova, Doctor of Technical Sciences, Tamara M. Shelekhova, Candidate of Technical Sciences, Lyubov' I. Skvortsova, Natal'ya V. Poltavskaya
AU-Russian Scientific-Research Institute of Food Biotechnology - Branch of FITC Nutrition, Biotechnology and Food Safety, 4B, Samokatnaya str., Moscow, 111033, satella@mail.ru, 4953623751@mail.ru
