CC BY
154
DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10112
УДК 635.13
Определение содержания сахаров в плодах моркови методом рефрактометрии
Р. Ш. ХАЛИУЛЛИН, кандидат химических наук, доцент (е-mail: analitica15@mail.ru) Е. В. УЛЬРИХ, доктор технических наук, профессор
Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт, ул. Марковцева, 5, Кемерово, 650056, Российская Федерация
Резюме. На сегодняшний день морковь - одна из массово выращиваемых культур в масштабах всей планеты. Важная характеристика ее корнеплодов - содержание сахаров. Цель исследования - разработка методики экспресс-определения содержания общего сахара (ОС) в плодах моркови (Daucus carota L.) методом рефрактометрии. Метод основан на использовании экспериментально установленного коэффициента уравнения связи между показателем преломления сока из образца моркови содержанием сахара в виде W(сахара)= kxBx, где W(сахара) - массовая доля общего сахара, %; Вх - результат рефрактометрического измерения в единицах международной шкалы по сахарозе (шкала Брикс), %. Коэффициент k рассчитывали на основе результатов параллельного определения сахаров классическими химическими методами и рефрактометрического измерения для сока выжатого из нескольких образцов моркови обследуемой партии корнеплодов k= W(сахара) :Bx.. Для изученных образцов моркови сорта Нантская он варьировал в интервале 0,65...0,70. Величина коэффициента k незначительно изменялась во время хранения корнеплодов (до 7 месяцев) и может быть успешно использована для экспрессной оценки содержания сахаров в корнеплодах как свежего урожая, так и в процессе хранения. Эмпирический коэффициент уравнения связи между показаниями рефрактометра для отжатого сока и содержанием общих сахаров в моркови при необходимости более точных результатов можно предварительно определить экспериментальным путем для конкретной партии корнеплодов. Разработанная методика позволяет использовать рефрактометр вместо прямых, затратных по времени и расходу реактивов, методов на более экспрессный экономный вариант без существенной потери качества анализа.
Ключевые слова: морковь, рефрактометрия, определение сахара, расчетные методы анализа, хранение моркови. Для цитирования: Халиуллин Р. Ш., Ульрих Е. В. Определение содержания сахаров в плодах моркови методом рефрактометрии //Достижения науки и техники АПК. 2019. Т. 33. № 1. С. 50-52. DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10112.
Благодаря хорошему сочетанию основных показателей питательной ценности в сочетании с историческими традициями морковь - одна из массово выращиваемых культур в масштабах всей планеты. К числу главных характеристик ее корнеплодов относится содержание сахаров, поскольку углеводы -важнейший компонент энергетического баланса в питании [1, 2, 3].
В последние годы в вопросах оценки качества продуктов питания наиболее актуальны две проблемы. Во-первых, замена классических методов определения, как правило, затратных по времени выполнения и расходу реактивов, на более экспрессные и экономичные. Во-вторых, разработка методик, основанных на определении легко и надежно измеряемых физических характеристик объекта анализа на основе регрессионных (корреляционных) моделей. Среди примеров успешного решения этих задач можно назвать использование метода рефрактометрии
для определения содержания важных нутриентов, входящих в состав сельскохозяйственной продукции [4, 5, 6].
Рефрактометрическое определение суммарного содержания углеводов в пересчете на сахарозу как аналитическая процедура удовлетворяет метрологическим требованиям к результатам определения общих сахаров [7].
В цикле работ [4, 5, 6, 8, 9] на примере исследования ряда свойств корнеплодов моркови (содержание влаги и растворимых сухих веществ, рефрактометрический показатель преломления отжатого сока, твердость корнеплода) представлены возможности применение регрессионных моделей для расчета одних показателей на основе нескольких других измеренных экспериментально. Есть примеры использования как одномерных, так и двухмерных моделей линейной регрессии.
Так, в работе [8] для прогнозирования содержания редуцирующих сахаров в моркови (RS) на основе экспериментальных данных рефрактометрии (BX) и содержания влаги (WC) авторы рекомендуют модель линейной регрессии с двумя переменными:
RS = 39,96 - 1,549 BX - 0,214 WC (R2 = 0,70) (2) где RS - массовая доля редуцирующих сахаров, %; BX - рефрактометрический показатель отжатого сока моркови, измеренный по шкале сахарозы, %; WC -массовая доля влаги, определенная классическим термогравиметрическим методом, %.
Для расчета содержания влаги в моркови с использованием рефрактометрических показателей отжатого сока [9] предложена одномерная линейная модель:
WC = 115,6 - 3,362 BX (R2 = 0,81) (3)
С учетом современного состояния практики оценки содержания важных нутриентов в сельскохозяйственной продукции представляется актуальной разработка экспрессной методики определения общих сахаров (углеводов) в корнеплодах моркови.
Цель исследований - обоснование возможности корректного определения содержания общих сахаров в корнеплодах моркови с использованием рефрактометра.
Условия, материалы и методы. Международная рефрактометрическая шкала Брикс представлена в единицах массовой доли сахарозы в водном растворе и выражается в процентах .
Результаты анализа методики, изложенной в ГОСТ ISO 2173-2013 «Продукты переработки фруктов и овощей. Рефрактометрический метод определения растворимых сухих веществ», свидетельствуют, что показатель преломления выжатого из сочных фруктов и овощей сока функционально связан с содержанием в нём сахаров. При этом реальная корреляция зависит от ряда условий, который можно учесть с помощью соответствующих коэффициентов (К1-К5):
любая растительная продукция содержит воду и сухие вещества (СВ), массовую долю которых можно обозначить как коэффициент К1;
совокупность сухих веществ можно разделить на растворимые в воде (РСВ) и нерастворимые.
50
Достижения науки и техники АПК. 2019. Т 33. № 1
Массовую долю РСВ в общей сумме сухих веществ обозначим как К2;
основная часть РСВ приходится на растворимые углеводы (сахара), их массовую долю примем равной К3.
сахара преимущественно находятся в клеточном соке, следовательно, их содержание можно определять с использованием рефрактометра по показателю преломления отжатого сока, величина которого фактически соответствует содержанию сахаров в воде. Очевидно, что степень перехода от реальной растительной продукции сложного состава (содержащей клеточный сок, клеточные стенки и другие компоненты) в гомогенную систему «водный раствор сахаров» зависит от способов превращения и других условий, которые можно оценить с помощью коэффициента К4;
показатель преломления сока из исследуемого плода или корнеплода зависит от содержания в нем не только сахаров, но и других растворимых соединений - минеральных веществ, органических кислот, аминокислот и др. Вклад сахаров в измеряемый показатель преломления можно оценить коэффициентом К5.
Таким образом, между содержанием сахаров в растительном объекте и измеренным показателем преломления сока, полученного из него, существует функциональная связь, определяемая совокупностью коэффициентов К1-К5. Они индивидуальны для конкретного объекта. Теоретический расчёт уравнения связи этих двух показателей невозможен. Однако на практике можно определить эмпирически коэффициент связи между результатами рефрактометрических измерений и содержанием сахаров для конкретного плода или корнеплода и использовать его для экспрессной оценки содержания сахаров в исследуемых образцах [10].
На практике [10] широко используют методику определения сахаров в различных объектах путем прямого измерения их содержания в водном экстракте с массовым соотношением образца и дистиллированной воды от 1:2 до 1:4. Результат (содержание сахара, %) рассчитывают по формуле:
Х = п (А т1): т2,
где А - показания рефрактометра по шкале сахарозы, %; т1 - масса полученного раствора, г; т2 -масса навески пробы, г; п - коэффициент учета разбавления пробы (например, при соотношении массы пробы и добавленной воды 1:4 он равен 5).
Однако такая методика включает несколько последовательных операций и её результаты во многом зависят от условий экстракции сахаров из подготовленных образцов в водную фазу (время экстракции, температура, техника перемешивания).
Объектом исследования служила морковь столовая сорта Нантская, выращенная на опытных полях Кемеровского ГСХИ в 2016 г. в рамках опыта
по изучению влияния гуминовых препаратов на сохранность корнеплодов при хранении. Схема опыта включала контрольный и 7 экспериментальных вариантов с различными режимами обработки (всего 8 образцов). Корнеплоды собирали в конце сентября и заложили на хранение в общем хранилище при температуре 5...10 оС и влажности 85...90 %. Регулярно с интервалом 2 месяца (соответственно в октябре, декабре, феврале и апреле) отбирали пробы моркови в количестве 5.6 корнеплодов и определяли содержание влаги, общего сахара и каротина. Всего использовали результаты определения сахаров для 4-х серий образцов по 8 вариантов, итого 32 пробы. Содержание сахара определяли двумя методами: по ГОСТ 8756.13-87 и на рефрактометре ^3.
Морковь для анализа тщательно очищали от грязи, мыли проточной водой с губкой до чистоты. Затем протирали бумажной салфеткой и оставляли на воздухе на 1 ч. После этого три корнеплода, отобранных случайным образом, натирали на пластиковой терке средней крупности и тщательно перемешивали. Далее проводили анализ с использованием двух методик.
Для первой из измельченной массы корнеплода отбирали 10 г навески и определяли массовую долю общего сахара согласно ГОСТ 8756.13-87. Общее время на анализ одного образца составляет около 1 ч.
Для второй, предусматривающей определение содержания сахаров на рефрактометре, брали приблизительно 5 г натертой моркови, отжимали на бытовом металлическом прессе для чеснока через сложенную вчетверо марлю. Первые 2.3 капли отбрасывали, а последующие использовали для анализа. Время анализа (от получения натертой моркови до результата по измерениям на рефрактометре) для одного образца составляло не более 10 мин.
Получаемый таким образом морковный сок немного мутный, однако это не затрудняет измерения на рефрактометре. Отдельными опытами было показано, что если отжатый сок подвергнуть центрифугированию в течение 5 мин. в режиме 3000 об./мин., он становится более прозрачным и наблюдаемое в окуляр рефрактометра изображение границы раздела света и тени становится резче. Точность и стабильность измерения при этом улучшаются, однако абсолютные величины измеренных показателей для исходного и центрифугированного сока с учетом погрешности остаются одинаковыми. Следовательно, стадия центрифугирования отжатого сока не обязательна для обсуждаемой методики, однако может быть рекомендована для повышения точности измерений при проведении анализа в стационарной лаборатории.
Для измерения использовали рефрактометр 1^3, имеющий две шкалы - показатель преломления и международную шкалу массовой доли сахарозы Таблица. Результаты анализа сахаров и рефрактометрических измерений образцов моркови (октябрь 2016 г.)
Показатель Номер образца
1 2 3 1 4 5 6 7 8
Массовая доля общего сахара, % (п=3*) Вх, % (п=3, 1Г1 =3) k k среднее 7,41 11,14 0,665 7,50 11,13 0,674 7,13 10,46 0,681 6,54 6,43 9,74 9,74 0,671 0,660 0,673 ± 0,008 9,05 13,21 0,685 7,82 11,64 0,672 9,08 13,37 0,679
*п - число анализируемых параллельных проб, т - число параллельных измерений на рефрактометре. Достижения науки и техники АПК. 2019. Т 33. № 1 _
(шкала Брикс). Измерения проводили по шкале Брикс согласно инструкции к прибору, трехкратно. Для расчетов брали усреднённую величину.
Коэффициент к рассчитывали как отношение измеренного на рефрактометре показателя по шкале сахарозы в единицах шкалы Брикс (Вх) к содержанию общего сахара в этом образце по результатам классического химического анализа.
Результаты и обсуждение. Согласно показателям измерений, проведенных в начальный период хранения образцов, выращенных при разных условиях, по мере увеличения содержания сахара в корнеплоде, показатель преломления сока также возрастает (см. табл.). Однако значения расчётных коэффициентов к были близки между собой, а его средняя величина составила 0,673 ± 0,008.
По результатам аналогичных анализов, проведенных в период хранения с интервалом в 2 мес., величина коэффициента к в декабре составила 0,654, в феврале -0,679, в апреле - 0,691, средняя - 0,674±0,015. Видно, что значения близки между собой. Закономерного повышения или уменьшения не наблюдали. Коэффициент вариации величины этого показателя равен 2,2 %, что свидетельствует о возможности использования найденного среднего коэффициента (0,67) для получения достоверных результатов при экспрессном определении содержания сахаров в плодах моркови как свежего урожая, так и в период хранения корнеплодов.
Выводы. Таким образом, представленная совокупность экспериментальных данных позволяет предложить экспрессный метод количественной оценки массовой доли общего сахара в корнеплодах моркови по результатам рефрактометрических измерений с использованием эмпирического коэффициента. Метод включает следующие основные стадии:
отбор образцов моркови, промывание от грязи, сушка на воздухе от поверхностной влаги; измельчение ножом или на терке; отжатие сока с помощью микропресса; измерение на рефрактометре содержания сухих веществ по международной шале сахарозы (Вх, %);
расчет содержания общих сахаров в образце по формуле
W(сахара)= kxBx,
где W(сахара) - массовая доля общего сахара, %; Вх - результат рефрактометрического измерения в единицах международной шкалы по сахарозе (шкала Брикс), %; k - эмпирический коэффициент.
Для рутинных расчетов можно использовать установленную в наших исследованиях величину коэффициента k, равную 0,67. Для более надежных результатов его лучше рассчитывать экспериментально на основе параллельного определения сахаров классическими химическими методиками и рефрактометрического измерения для образцов моркови конкретного сорта и происхождения.
Литература.
1. Ahmad B., Hassan S., Bakhsh K. Factors affecting yield and profitability of carrot in two districts of Punjab // Int. J. Agric. Biol. 2005. Vol. 7. Pp. 794-798.
2. Rashidi M., Bahri M. H. Interactive effects of relative humidity, coating method and storage period on quality of carrot (cv. Nantes) during cold storage //ARPN J. Agric. Biol. Sci. 2009. Vol. 4 (2). Pp. 26-34.
3. Determination of factors contributing towards the yield of carrot in Faisalabad (Pakistan) /1. Hassan, K. Bakhsh, M. H. Salik, etc. // Int. J. Agric. Biol. 2005. Vol. 7. Pp. 323-324.
4. Rashidi M., Bahri M. H., Abbassi S. Effects of relative humidity, coating methods andstorage periods on some qualitative characteristics of carrot during cold storage //American-Eurasian J. Agric. and Environ. Sci. 2009. Vol. 5 Pp. 359-367.
5. Prediction of carrot total soluble solids based on carrot water content / M. Rashidi, I. Ranjbar, M. Gholami, etc. //American-Eurasian J. Agric. and Environ. Sci. 2010. Vol. 7. No. 3. Pp. 366-369.
6. Prediction of Carrot Firmness Based on Carrot Water Content / M. Rashidi, I. Ranjbar, M. Gholami, etc. // American-Eurasian J. Agric. & Environ. Sci., 2010. Vol. 7. No. 4. Pp. 402-405.
7. Видимкина Ю. И., Казакова О. А., Вершинин В. И. Рефрактометрическое определение суммарного содержания углеводов в пересчете на сахарозу // Вестник Омского университета. 2013. № 2. С. 108-111.
8. Niari Sh. M., Rashidi M., Nazari M. Prediction of Carrot Reducing Sugars Based on Brix and Water Content of Carrot During Cold Storage // Middle-East J. of Sci. Res. 2012. Vol. 12 No. 4. Pp. 542-546.
9. Niari Sh. M., Nazari M., Rashidi M. Prediction of Carrot Water Content Based on Carrot Brix During Cold Storage // World Appl. Sci. J. 2012. Vol. 19. No. 9. Pp. 1311-1314.
10. Разумников Н. А., Винокурова Р. И., Конюхова О. М. Способ рефрактометрического экспресс-определения содержания сахаров в плодах груши // Патент № 2422819 РФ МПК G01N33/02. Опубл. 27.06.2011.
Determination of Sugar Content in Carrot by Refractometry
R. Sh. Khaliullin, E. V. Ul'rikh
Kemerovo State Agricultural Institute, ul. Markovtseva, 5, Kemerovo, 650056, Russian Federation
Abstract. Today carrot is one of the most widely grown crops throughout the world. An important characteristic of its root crops is sugar content. The purpose of the study was to develop a method for the rapid determination of total sugar (TS) content in carrot (Daucus carota L.) using the method of refractometry. The method is based on the use of the experimentally deduced coefficient of an equation of the relationship between the refractive index of the juice from a carrot sample and the sugar content: W(sugar) = k x Bx, where W(sugar) is the mass fraction of total sugar, %; Bx is the result of refractometric measurement in units of the international scale for sucrose (Brix scale), %. The coefficient k is calculated on the basis of the results of parallel determination of sugars by classical chemical methods and refractometric measurements for squeezed juice from several samples of carrots of the examined root crops: k = W(sugar)i : Bxi. For the studied samples of carrot 'Nantskaya' it varied in the range of 0.65-0.70. The coefficient k slightly varied during the storage of root crops (up to 7 months) and can be successfully used for express evaluation of the sugar content for the fresh crop, as well as during storage of the root crops. The empirical coefficient of the equation of the relationship between the indications of a refractometer for pressed juice and the content of total sugars in carrot, can be pre-determined experimentally for a particular batch of root crops. The developed technique allows the use of a refractometer instead of direct, time-consuming and reagent consumption, methods for a more express economical option without significant loss of analysis quality.
Keywords: carrot; refractometry; determination of sugar; computational methods of analysis; storage of carrots.
Author Details: R. Sh. Khaliullin, Cand. Sc. (Chem.), assoc. prof. (е-mail: analitica15@mail.ru); E. V. Ul'rikh, D. Sc. (Tech.),
prof.
For citation: Khaliullin R. Sh., Ul'rikh E. V. Determination of Sugar Content in Carrot by Refractometry. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2019. Vol. 33. No. 1. Pp. 50-52 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10112.
52
Достижения науки и техники АПК. 2019. Т. 33. № 1
