CC BY
42
УДК 543.054:547.466
Определение жирнокислотного состава растительных масел
с использованием пьезоэлектрических сенсоров
И. А. Кривоносова, аспирант; О. В. Дуванова, канд. хим. наук; А. Н. Зяблов, д-р хим. наук Воронежский государственный университет
С. А. Соколова, канд. хим. наук; О. В. Дьяконова, канд. хим. наук Воронежский государственный аграрный университет имени Императора Петра I
Жирные кислоты, особенно олеиновая и пальмитиновая, входящие в состав триацилглицеринов, являются основным контролируемым
Таблица 1
Начальные составы сополимеров ПАК
Название Структурная формула
Диангидрид 1,2,4,5-бензол-тетракарбоновой кислот
Ди (4-амино-) фениловый эфир
Пол ни мнд i АриМНЦ I
Рис. 1. Схема получения полиимида
параметром при установлении натуральности масложировых продуктов. Идентификация жирных кислот в составе масел в настоящее время осуществляется методами, требующими достаточно длительной и сложной пробоподготовки и довольно недешевого оборудования [1 - 6]. Альтернативным методом является сенсорный анализ с применением в качестве селективных покрытий полимеров с молекулярными отпечатками [7 - 9], способных к распознаванию молекул аналита. При этом целесообразно использование недорогих и экспрессных пьезокварцевых сенсоров [10 - 12]. Сенсорный анализ особенно эффективен при необходимости on-line измерений, а также при экспресс-определении жирных кислот непосредственно в лабораториях технологического контроля пищевых производств, включающих процессы переработки масел.
Цель данной работы - апробация сенсорной установки с чувствительным слоем на основе полимеров с молекулярными отпечатками для определения олеиновой (Oleic) и пальмитиновой (Palmitic) кислот в составе триацилглицеринов растительных масел.
На основе ПАК, начальные составы которых представлены в табл. 1, был синтезирован полиимид и получены полимеры с молекулярными отпечатками.
Исходным материалом при синтезе полиимида был продукт АД-9103 ТУ-6-19-283-85 производства ОАО МИПП НПО «Пластик» (Москва). На рис. 1 представлена схема получения сополимера на основе ПАК. Синтез проходит в две ступени. На первой протекает реакция ацилирования диамина диангидридом тетракарбоно-вой кислоты в полярном растворите-
ле с образованием ПАК, на второй -термическая дегидроциклизация (имидизация) ПАК с образованием полиимида [11].
Полимеры с молекулярными отпечатками олеиновой (ПМО-Oleic) и пальмитиновой кислот (ПМО-Palmitic) получали следующим образом: готовили полимеризационную смесь, содержащую мономеры и раствор жирной кислоты в бутаноле (с массовой долей кислоты 1%) в N, N-диметилформамиде, микрошпателем наносили ее на поверхность электрода пьезоэлектрического резонатора. Затем пьезосенсоры подвергали термическому воздействию в нужном температурном режиме, охлаждали до комнатной температуры и помещали на 24 часа в водно-спиртовые смеси для удаления шаблона. Полученные ПМО жирных кислот представляли собой тонкие полиамидные пленки, имеющие повышенную стойкость к высоким температурам и агрессивным средам. Подробная методика получения ПМО дана в работах [12, 13].
Определение жирных кислот в жидкостях проводили на установке (рис. 2), включающей пьезоэлектрический сенсор, устройство для ввода пробы и систему сбора и передачи аналитических сигналов персональному компьютеру (частотомер АКТАКОМ-8322, программное обеспечение «АКТАКОМ FCounter»).
В работе использовали пьезоэлектрические резонаторы АТ-среза с серебряными электродами диаметром 5,0 мм и толщиной 0,3 мм (производство ОАО «Пьезокварц», Москва) с номинальной резонансной частотой 4,607 МГц. Поверхность электродов модифицировали ПМО на основе по-лиимидов [14, 15].
В эксперименте были использованы следующие сенсоры: модифицированный неимпринтированным полии-мидом,так называемым полимером сравнения (ПС), модифицированный полиимидом с молекулярным отпечатком олеиновой кислоты (ПМО-Oleic), модифицированный полиимидом с молекулярным отпечатком пальмитиновой кислоты (ПМО-Palmitic). Апробацию полученной установки проводили при определении состава рафинированных масел: подсолнечного - «Слобода», кукурузного -«Светлица», оливкового - «Maestro de Oliva», льняного, рапсового.
Для количественного определения жирнокислотного состава методом градуировочного графика готовили стандартные растворы олеиновой и пальмитиновой кислот в бутано-ле (для олеиновой кислоты 0,16 -0,86 г /дм3; для пальмитиновой кис-
лоты 0,14 - 0,34 г/дм3). Для этого, используя аналитические весы, брали соответствующие навески реактивов марки «ч». Для уменьшения вязкости полученные растворы разбавляли бу-танолом в соотношении 1:10.
Изначально регистрировали показания частотомера сенсора без нанесения раствора (на воздухе). Затем на поверхность электрода микрошприцем (V = 1 мкл) наносили растворитель (бутанол) и регистрировали сигнал (f), после чего растворитель удаляли фильтровальной бумагой. Через 5 - 10 с показания сенсора возвращались к исходному значению «на воздухе». В этот момент наносили точно такой же объем анализируемого раствора и записывали сигнал (f2). Считывание сигнала проводили через каждую секунду, регистрируя 10 значений. Относительный сдвиг частоты Af вычисляли по уравнению
Af f - f-2,
где f - частота колебаний сенсора в бутаноле, кГц; f2 - частота колебаний сенсора в анализируемом растворе, кГц [10].
Измерения проводили, переходя от разбавленных растворов к более концентрированным. Для оценки свойств ПМО сравнивали значения импринтинг-факторов (IF):
где AfnM0 - сигнал пьезосенсора с молекулярно импринтированным полимером по отношению к кислоте, Гц; Afnc - сигнал пьезосенсора с полимером сравнения по отношению к кислоте, Гц.
Рассчитывали коэффициент селективности (к) сенсора определяемой кислоты к соединениям того же класса:
г
$опр жк
где БЖК - коэффициент чувствительности ПМО к другой жирной кислоте; S0ПРЖК - коэффициент чувствительности ПМО к определяемой кислоте. Чувствительность сенсоров находили как отношение разностной частоты колебаний сенсора к концентрации определяемого компонента [16].
Правильность установления состава жирных кислот в маслах подтверждали независимым методом на хромато-масс-спектрометрическом (ХМС) комплексе Agilent Technological 7890B GC Systems, сравнивая найденные концентрации жирных кислот методом ХМС с аналогичными величинами, полученными с помощью ПМО-сенсоров.
Отличительным свойством ПМО является способность идентифицировать молекулы жирных кислот, находящиеся в растворе. Этот факт подтверждается высокими значениями ^ и к, полученными для ПМО-сенсоров при определении той жирной кислоты, которая использовалась в качестве молекулы-шаблона при их синтезе (табл. 2).
Зависимости резонансных частот пьезоэлектрического сенсора на основе ПМО-ОЫс и ПМО-Ра1тШс от логарифма концентрации соответствующих жирных кислот в спиртовых растворах являются линейными (рис. 3), что обусловливает пригодность данных сенсорных покрытий для количественного анализа. Сенсор же с чувствительным слоем из ПС абсолютно непригоден для определения олеиновой и пальмитиновой кислот, о чем свидетельствует ход кривых 2 (рис. 3, а и б). Метрологические характеристики определения олеиновой и пальмитиновой кислот пьезоэлектрическими сенсорами, модифицированными ПМО, представлены в табл. 3.
Для ПМО-сенсоров градуировоч-ные графики описываются уравнениями:
Д^О = -0.198с + 0.321,
Я2 = 0.98(ПМО-О1ек);
Д^О = -0.476с + 0.553,
Я2 = 0.97(ПМО-Ра1тШс).
Так как цель данной работы заключалась в установлении потенциальных возможностей сенсорного анализа для определения состава триацилглицеринов как показателя натуральности масла, модифицированные пьезоэлектрические сенсоры были апробированы при анализе растительных масел различных фирм-производителей (табл. 4). Выявлено, что разброс результатов определения кислот как в эталонных растворах, так и в составе масел, пьезоэлектрическим сенсором и методом хромато-масс-спектрометрии не превышает 10%.
Сопоставление данных, полученных хромато-масс-спектрометрическим и сенсорным методами, указывает на хорошую воспроизводимость результатов определения содержания пальмитиновой и олеиновой кислот,
Рис. 2. Установка для определения молекул аналита пьезоэлектрическим сенсором
Таблица 2
Импринтинг-фактор и коэффициент селективности для сенсоров на основе ПМО
IF k IF k
Сенсоры Олеиновая кислота Пальмитиновая кислота
ПМО-Oleic 6.7 1 0,1 0,19
ПМО-Palmitic 0,03 0,23 7,8 1
4f, кГц 0.40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
0,04
0,24
0,44
0,64. lgC 0,84
At: кГц 0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
•f
г
0,40 0,50
0,60
б
0,70
0,80, л0,90 -lg С
Рис. 3. Зависимость резонансной частоты пьезоэлектрического сенсора (на основе а - ПМО-0!е1с; б - ПМО-Ра!тШс) от логарифма концентрации жирных кислот в спиртовых растворах: 1 - ПМО; 2 - ПС
Таблица 3
Метрологические характеристики определения жирных кислот в модельных растворах модифицированными пьезоэлектрическими сенсорами
а
Сенсор Анализируемое вещество Диапазон определяемых концентраций, г /дм3 cmin, г /дм3 S, % r
ПМО-Oleic Олеиновая кислота 0,16 - 0,86 0,14 5,8
ПМО-Palmitic Пальмитиновая кислота 0,14 - 0,34 0,12 3,2
Таблица 4
Определение олеиновой и пальмитиновой кислот в эталонных растворах и маслах методом «введено-найдено»
Сенсор с ПМОПМ-Oleic Сенсор с ПМОПМ-Palmitic
Аналит С, г / дм3 S, % r С, г/ дм3 S, % r
введено найдено введено найдено
0,86 0,81+0,04 4,9 0,86 -
Олеиновая кислота 0,72 0,77+0,05 6,5 0,72 -
0,58 0,56+0,02 3,6 0,58 -
Пальмитиновая кислота 0,34 0,30 0,26 - 0,34 0,30 0,26 0,33+0,02 0,32+0,02 0,24+0,01 6,1 6,3 4,2
Масло подсолнечное «Слобода» 0,28* 0,26+0,02 6,5 0,10* 0,09+0,01 7,8
Масло кукурузное «Светлица» 0,31* 0,33+0,03 9,1 0,12* 0,11+0,01 9,6
Масло оливковое «Maestro de Oliva» 0,60* 0,57+0,02 3,5 0,14* 0,14+0,01 7,1
Масло льняное 0,22* 0,23+0,01 4,3 0,07* 0,06+0,02 3.3
Масло рапсовое 0,46* 0,44+0,02 4,5 0,07* 0,07+0,03 4,3
* Концентрация определена на хромато-масс-спектрометрическом комплексе
входящих в состав растительных масел. Установлена высокая селективность пьезоэлектрических сенсоров с чувствительным слоем из ПМО, к соответствующим кислотам, использованным для получения «отпечатков» в процессе формирования пленок ПМО. Разработанные пьезоэлектрические сенсоры, модифицированные полимерами на основе поли-имида с молекулярными отпечатками олеиновой и пальмитиновой кислот, могут быть реализованы как малогабаритные недорогие аналитические приборы для экспрессного определения выше указанных жирных кислот в составе триацилглицеринов растительных масел.
ЛИТЕРАТУРА
1. Прудников, С. М. Определение содержания олеиновой кислоты в триа-цилглицеринах масла семян подсолнечника/ С. М. Прудников [и др.] // Известия вузов. Пищевая технология, 2006. - № 2 - 3. - С. 96 - 97.
2. Селичев, В.Е. Современное оборудование и методы анализа для контроля качества/ В. Е. Селичев. - М.: Масла и жиры, 2009. - № 5. - С. 8 - 9.
3. ГОСТ 30418 - 96 Масла растительные. Метод определения жирнокислот-ного состава. Минск, 1996. - 7 с.
4. Перегончая, О.В. Современные инструментальные методы контроля жир-нокислотного состава и влажности мас-ложировой продукции/О. В. Перегончая, С.А. Соколова // Технологии и товароведение сельскохозяйственной продукции. -2013. - № 1. - С. 119 - 125.
5. Соколова, С.А. Физические принципы и возможности импульсного ЯМР в исследовании структуры и состояния сорбатов в природных и синтетических высокомолекулярных соедине-
ниях/ С. А. Соколова // Сорбционные и хроматографические процессы. -2016. - Т. 16. - № 1. - С. 66 - 77.
6. Соколова, С.А. Принципы импульсного ЯМР в исследовании природных и синтетических мембран и материалов, сельскохозяйственного сырья и продуктов питания/С.А. Соколова // Технологии и товароведение сельскохозяйственной продукции. - 2015. - № 2 (5). -С. 115 - 121.
7. Дмитриенко, С. Г. Синтез и исследование сорбционных свойств полимеров с отпечатками 4-гидроксбензойной кислоты/ С. Г. Дмитриенко [и др.] // Аналитическая химия, 2006. - Т. 61. -№ 1. - С. и18-23.
8. Гендриксон, О.Д. Молекулярно им-принтированные полимеры и их применение в биохимическом анализе/ О.Д. Гендриксон, А. В. Жердев, Б.Б. Дзантиев // Успехи биологической химии. - 2006. - Т. 46. - С. 149 - 192.
9. Лисичкин, Г.В. Материалы с молекулярными отпечатками: синтез, свойства, применение/ Г.В. Лисичкин, Ю.А. Кру-тяков // Успехи химии, 2006. - Т. 75. -№ 10. - С. 998 - 1016.
10. Калач, А. В. Сенсоры в анализе газов и жидкостей/А.В. Калач, А.Н. Зя-блов, В.Ф. Селеменев. - Воронеж: ЛИО, 2011. - 240 с.
11. Соколова, С.А. Особенности структуры ионообменных полиамидокислот-ных мембран, синтезированных при различных температурах/ С. А. Соколова, О.В. Дьяконова, А.Н. Зяблов // Сорбционные и хроматографические процессы. -2009. - Т. 9. - № 6. - С. 893 - 903.
12. Дуванова, О.В. Оценка свойств молекулярно-импринтированных полимеров для определения жирных кислот в жидкостях пьезоэлектрическими сенсорами/ О. В. Дуванова [и др.] -Воронеж: Вестник Воронежского государственного аграрного универси-
тета, 2014. - Вып. 3 (42). - С. 147 -157.
13. Krivonosova, I.A. The determination of fatty acids in liquids using piezoelectric sensors based on molecular imprinting polymers/I. A. Krivonosova [et al]. - Казань: Бутлеровские сообщения, 2015. -Т. 42. - № 6. - С. 152 - 157.
14. Соколова, С.А. Физико-химические свойства и состояние поверхности молекулярно-импринтированного полии-мида/С.А. Соколова [и др.] // Технологии и товароведение сельскохозяйственной продукции. - 2013. - № 1. - С. 114 -119.
15. Володина, Л.В. Анализ структуры и состава полимеров с молекулярными отпечатками олеиновой и пальмитиновой кислот/Л.В. Володина [и др.] // Сорбционные и хроматографические процессы. -2014. - Т. 14. - № 1. - С. 111 - 120.
16. Зяблов, А.Н. Детектирование аминокислот в препарате «ВСАА» пьезоквар-цевыми сенсорами, модифицированными полимерами с молекулярными отпечатками/А. Н. Зяблов, Т.С. Моничева, В. Ф. Селеменев // Аналитика и контроль. -2012. - Т. 16. - № 4. - С. 406 - 409.
REFERENCES
1. Prudnikov S.M. et al. [Determination of oleic acid content in triacylglycerols of sunflower seed oil]. Izvestiya vuzov. Pishchevaya tekhnologiya, 2006, no. 2-3, pp. 96-97. (In Russ.)
2. Selichev V.E. [Modern equipment and methods of analysis for quality control]. Moscow, Masla i zhiry, 2009, no. 5, pp. 8-9. (In Russ.)
3. GOST 30418-96 Vegetable oils. Method for the determination of fatty acid composition. Minsk, 1996. 7 p. (In Russ.)
4. Peregonchaya O.V., SokoLova S.A. [Modern instrumental methods for controlling fatty acid composition and humidity of fat and oil products]. Tekhnologii i tovarovedenie sel'skokhozyaistvennoi produktsii, 2013, no. 1, pp. 119-125. (In Russ.)
5. SokoLova S.A. [Physical principles and possibilities of pulsed NMR in studying the structure and state of sorbates in natural and synthetic high-molecular compounds]. Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy, 2016, vol. 16, no. 1, pp. 66-77. (In Russ.)
6. Sokolova S.A. [Principles of pulsed NMR in the study of natural and synthetic membranes and materials, agricultural raw materials and food products]. Tekhnologii i tovarovedenie sel'skokhozyaistvennoi produktsii, 2015, no. 2 (5), pp. 115-121. (In Russ.)
7. Dmitrienko S.G. et al. [Synthesis and study of the sorption properties of the polymers with the 4-gidroksbenzoynoy acid prints]. Analiticheskaya khimiya,
2006, vol. 61, no. 1, pp. 18-23. (In Russ.)
8. Gendrikson O.D., Zherdev A.V., Dzantiev B.B. [Molecularly imprinted polymers and their use in biochemical analysis]. Uspekhi biologicheskoi khimii, 2006, vol. 46, pp. 149-192. (In Russ.)
9. Lisichkin G.V., Krutyakov Yu.A. [Materials with molecular prints: synthesis, properties, application]. Uspekhi khimii, 2006, vol. 75, no. 10, pp. 998-1016. (In Russ.)
10. Kalach A.V., Zyablov A.N., Selemenev V.F. Sensory v analize gazov i zhidkostei [Sensors in the analysis of gases and liquids]. Voronezh, LIO Publ., 2011. 240 p.
11. Sokolova S.A., D'yakonova O.V., Zyablov A.N. [Peculiarities of the structure
of ion-exchange polyamido acid membranes synthesized at various temperatures]. Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy, 2009, vol. 9, no. 6, pp. 893-903. (In Russ.)
12. Duvanova O.V. et al. [Evaluation of the properties of molecular imprinted polymers for the determination of fatty acids in liquids by piezoelectric sensors]. Voronezh, Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, 2014, issue 3 (42), pp. 147-157. (In Russ.)
13. Krivonosova I.A. et al. [The determination of fatty acids in liquids using piezoelectric sensors based on molecular imprinting polymers]. Kazan', Butlerovskie soobshcheniya, 2015, vol. 42, no. 6, pp. 152-157. (In Russ.)
14. Sokolova S.A. et al. [Physico-
chemical properties and surface state of a molecular imprinted polyimide]. Tekhnologii i tovarovedenie sel'skokhozyaistvennoi produktsii, 2013, no. 1, pp. 114-119. (In Russ.)
15. Volodina L.V. et al. [Analysis of the structure and composition of polymers with molecular imprints of oleic and palmitic acids]. Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy, 2014, vol. 14, no. 1, pp. 111-120. (In Russ.)
16. Zyablov A.N., Monicheva T.S., Selemenev V.F. [Detection of amino acids in the preparation "BCAA" by piezoquartz sensors, modified with polymers with molecular prints]. Analitika i kontrol', 2012, vol. 16, no. 4, pp. 406-409. (In Russ.)
Определение жирнокислотного состава растительных масел с использованием пьезоэлектрических сенсоров
Ключевые слова
олеиновая и пальмитиновая кислоты; полиамиды; полимеры с молекулярными отпечатками; пьезоэлектрический сенсор; растительное масло
Реферат
На основе полиимидов получены полимеры с молекулярными отпечатками (ПМО) олеиновой и пальмитиновой кислот. Синтез ПМО осуществляли методом двухступенчатой термической обработки раствора полиамидокислоты (ПАК). ПМО представляли собой тонкие полиимидные пленки, характеризующиеся повышенной устойчивостью к высоким температурам и агрессивным средам. Идентификацию жирных кислот проводили с использованием пьезоэлектрических сенсоров, модифицированных по-лиимидом, ПМО олеиновой кислоты и ПМО пальмитиновой кислоты. Пьезоэлектрические сенсоры на основе ПМО жирных кислот испытаны при анализе подсолнечного, кукурузного, оливкового, льняного и рапсового масел промышленного производства. Выявлены линейные зависимости резонансной частоты от логарифма концентрации жирной кислоты в спиртовом растворе с высоким коэффициентом детерминации для градуировочных графиков, построенных для ПМО, а также высокие значения импринтинг-фактора и коэффициентов селективности при определении той жирной кислоты, которая использовалась в качестве шаблона при синтезе ПМО. Правильность определения олеиновой и пальмитиновой кислот проверена способом «введено - найдено». В качестве метода сравнения использована хромато-масс-спектрометрия (комплекс Agilent Technological 7890B GC Systems с масс-селективным детектором Agilent Technological 5977А MSD). Установлено, что разность результатов определения кислот пьезоэлектрическим сенсором и методом хромато-масс-спектрометрии не превышает 10%. Разработанные пьезоэлектрические сенсоры на основе ПМО олеиновой и пальмитиновой кислот могут быть реализованы как недорогие аналитические приборы для экспрессного определения выше указанных жирных кислот в составе различных растительных масел.
Авторы
Кривоносова Ирина Анатольевна, аспирант, Дуванова Ольга Васильевна, Зяблов Александр Николаевич, д-р хим. наук Воронежский государственный университет, 394018, г. Воронеж, Университетская пл., д. 1, [email protected]; [email protected]; [email protected] Соколова Светлана Анатольевна, канд. хим. наук, Дьяконова Ольга Вячеславовна, канд. хим. наук Воронежский государственный аграрный университет имени Императора Петра I, 394087, г. Воронеж, ул. Мичурина, д. 1, [email protected]; [email protected]
Determination of Fatty Acids in Composition of Vegetable Oils Using Piezoelectric Sensors
Key words
oleic and palmitic acids; polyimides; molecular imprinting polymers; piezoelectric sensor; vegetable oil
Abstracts
On the basis of the obtained polyimide polymers with molecular imprints (MIP) oleic and palmitic acids were developed. Synthesis of MIP was performed by the method of two-step heat treatment solution polyamide acid (PAA) - copolymer of dianhydride 1,2,4,5-benzoltetracarbonic acid and di (4-amino) phenyl ether in dimethylformamide with the addition of solutions of oleic and palmitic acids in butanol. MIP is thin polyimide film, characterized by increased resistance to high temperatures and aggressive environments. Identification of fatty acids was performed by using piezoelectric sensors modified with polyimide, MIP oleic acid and MIP palmitic acid. Piezoelectric sensors based on fatty acids' MIP were tested in the analysis of sunflower, corn, olive, linseed and rapeseed oils in industrial production. Linear calibrations of curves with high determination coefficient are observed in MIP on the basis of polyimides. Comparing values of imprinting factor and selectivity coefficients of the obtained polymers showed, that high values are observed for sensors in the determination of the fatty acid, which was used as a template in the synthesis of MIP. The correctness of the oleic and palmitic acids identification is tested by the method «introduced - found». The chromatography-mass spectrometry (Agilent Technological 7890B GC Systems with mass selective detector Agilent Technological 5977A MSD) was used as a method of comparison. The difference between the results of the determination of acids by sensors based on MIP and by the method of chromato-mass-spectrometry does not exceed 10%. Developed piezoelectric sensors on the basis of MIP oleic and palmitic acids, can be implemented as an inexpensive analytical instrument for rapid determination of the above mentioned fatty acids in various vegetable oils.
Authors
Krivonosova Irina Anatolievna, Post-graduate Student, Duvanova Olga Vasilievna, Candidate of Chemical Sciences Zyablov Alexander Nikolaevich, Doctor of Chemical Sciences Voronezh State University, University Sq., 1, Voronezh, 394018, [email protected]; [email protected]; [email protected] Sokolova Svetlana Anatolievna, Candidate of Chemical Sciences, Dyakonova Olga Vyacheslavovna, Candidate of Chemical Sciences Voronezh State Agricultural University after Emperor Peter the Great, 394087, Voronezh, Ul. Mitchurina, 1 [email protected]; [email protected]
