Особенности подготовки вин для целей мультиэлементного анализа методом ИСП-АЭС Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

543.42:543.05

ОСОБЕННОСТИ ПОДГОТОВКИ вин ДЛЯ ЦЕЛЕЙ МУЛЬТИЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА МЕТОДОМ ИСП-АЭС

В.В. ПЕРЕКОТИЙ, А.А. КАУНОВА, В.И. ПЕТРОВ, Т.Г. ЦЮПКО, З.А. ТЕМЕРДАШЕВ

Кубанский государственный университет,

350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149; тел.: (861) 219-95-71, факс: (861) 219-95-72, электронная почта: analyt@chem.kubsu.ru

Рассмотрены различные способы подготовки разных типов вин для мультиэлементного анализа (одновременное определение содержания 21 металла). Обсуждены достоинства и недостатки этих способов. Показано, что при использовании метода ИСП-АЭС при мультиэлементном анализе вин достаточным условием подготовки образцов вин является предварительное разбавление пробы.

Ключевые слова: атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой, пробоподготовка вин, натуральные вина.

При решении вопросов подтверждения качества и подлинности вин перспективно применение технологии мультиэлементного анализа, которая повышает надежность систем, включающих взаимосвязь геоэкологических факторов местности произрастания винограда с их химическим составом [1]. Следует отметить, что расширение спектра определяемых элементов позволит повысить достоверность проводимых испытаний. При разработке такого подхода необходимо оптимальное сочетание выбора массива определяемых элементов и аналитического цикла, включающего процедуры пробоподготовки и многокомпонентного определения. При анализе различных типов и сортов вин спектр определяемых элементов можно разбить на три группы, характеризующие экологическую безопасность, региональную принадлежность вин, а также группу элементов, наличие которых в продукте обусловлено процессами, протекающими в винах на отдельных этапах технологического процесса их производства.

Значимой процедурой, лимитирующей длительность и трудоемкость аналитического цикла, является пробоподготовка, которая зависит от метода химического анализа. Анализ литературных данных и проведенные нами экспериментальные исследования позволили выделить три основных способа пробоподготов-ки вин.

Наиболее широко известен способ «сухой» минерализации, основанный на полном разложении органических веществ путем сжигания пробы вина (после предварительного упаривания образца досуха) в электропечи при контролируемом температурном режиме. Этот способ минерализации предусмотрен при контроле содержания меди, свинца, кадмия, цинка, хрома, железа, никеля, мышьяка и алюминия в пищевых продуктах

[2]. По теоретическим соображениям он может быть применен и при определении щелочных и щелочноземельных металлов. Однако способ неприемлем при контроле легколетучих элементов, например ртути, кадмия и др., потери могут быть значительными. Еще одним недостатком способа «сухой» минерализации является его продолжительность и трудоемкость.

Применение другого способа - кислотной минерализации предусматривает разрушение органической матрицы вин смесями неорганических кислот или азотной кислоты с перекисью водорода при кипячении

[3]. Ограничения этого способа пробоподготовки связаны с возможным осмолением неразложившихся органических веществ вин на стадиях выпаривания реакционной смеси и, следовательно, потерей целевых компонентов, а также сложностью контроля протекающих процессов окисления, его длительностью и трудоемкостью.

Интенсификация способа кислотной минерализации за счет дополнительного воздействия физических и физико-химических факторов на протекающие процессы разложения органической матрицы образца позволяет не только экспрессно проводить пробоподго-товку, но и исключить потери легколетучих компонентов, а также автоматизировать процесс, что снижает уровень опасности при его проведении. При автоклавной СВЧ-минерализации в качестве окислителя используют азотную кислоту [4, 5] или смесь азотной кислоты и перекиси водорода [6]. Достоинствами автоклавной СВЧ-кислотной минерализации являются высокая производительность и экономичность, быстрота и равномерность нагрева реакционной смеси, возможность использования СВЧ-излучения на всех стадиях процесса пробоподготовки.

Однако ограничение массы навески для образцов с высоким содержанием органической составляющей матрицы позволяет использовать данный способ про-боподготовки только в сочетании с высокочувствительными методами анализа. С этой точки зрения для проведения мультиэлементного анализа целесообразно использование атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-АЭС). Преимуществом данного метода является возможность анализа некоторых видов пищевых продуктов без минерализации матрицы [7]. Однако прямой ввод образца в плазму может привести к существенному искажению величин аналитических сигналов и метрологических характеристик анализа в целом, что необходимо учитывать при разработке схемы мультиэлементного анализа

вин методом ИСП-АЭС. В ряде работ показана возможность устранения матричного эффекта путем разбавления исходных образцов вин дистиллированной водой [6] или раствором азотной кислоты [3, 8]. Такая несложная пробоподготовка не только существенно упрощает эксперимент, но и позволяет избежать потери легколетучих компонентов (Hg, As) и свести к минимуму использование вспомогательных реагентов.

Цель настоящей работы - оценка различных способов подготовки вин и возможности их применения при мультиэлементном определении металлов методом ИСП-АЭС.

Были исследованы коммерческие образцы красных сухих вин Каберне, специального вина Кагор бальзамный, белого сухого вина Шардоне и белого полусладкого Алиготе, представленных на рынке алкогольной продукции, а также образцы красных вин Каберне, Мерло и белого вина Алиготе, произведенных и предоставленных Анапской зональной опытной станцией виноградарства и виноделия (АЗОСВиВ). Все образцы содержали 12-15% об. этанола. Содержание металлов в винах определяли методом ИСП-АЭС с использованием атомно-эмиссионного спектрометра серии iCAP-6000 (Thermo Scientific) при оптимальных параметрах прибора, обеспечивающих максимальную чувствительность определения элементов. Основные линии эмиссии элементов, свободные от спектральных наложений компонентов пробы, были выбраны на основании анализа их полных спектров. Пробоподготов-ку вин при определении металлов осуществляли способом «сухого» озоления (по ГОСТ 26929-94), кислотной СВЧ-минерализации в автоклавах (система лабораторной микроволновой пробоподготовки Ethos 1, фирма Milestone) и разбавлением образцов вин азотной кислотой.

В качестве определяемых элементов при анализе образцов вин был выбран 21 металл. В их числе группа металлов, содержание которых можно рассматривать как показатель экологической безопасности продукта: Cu, Pb, Zn, Fe, Cr, Ni, Hg и Al; группа металлов, харак-

10000

теризующих региональную принадлежность вин: В, Е1, Бг, ИЪ, Мп, Ва, Со,Т и V [8], и группа металлов, по наличию которых можно оценить процессы, протекающие в винах на отдельных этапах винопроизводства: Ка, К, Mg и Са [4, 9].

Для экспрессного определения содержания металлов в винах выбрали метод градуировочного графика. Для всех элементов валидация градуировочных графиков относительно состава раствора разбавителя показала неизменность их тангенса угла наклона (табл. 1). Аналитические сигналы элементов не зависят от концентрации этанола в пределах возможного его содержания в образцах с учетом их разбавления (рис. 1). При разбавлении вин раствором азотной кислоты с концентрацией 0,5-3,0% были получены неизменяющиеся и стабильные аналитические сигналы для всех элементов. Некоторое уменьшение аналитических сигналов металлов, таких как Т1, Мп и др., наблюдается при дальнейшем увеличении концентрации кислоты (рис. 2). С учетом полученной зависимости для разбавления вин выбран 1%-й раствор азотной кислоты.

Таблица 1

Эле- ё, нм Диапазон Тангенс угла наклона градуировочного графика (п = 3, Р = 0,95) при составе разбавителя

мент линейности, мкг/л Бидисти-лированная вода 2% р-р HNO3 O H 5 O р ,7 H5 р- 0 H2 VO + U % 2

B 249,6 10-1000 6,5 ± 0,3 6,4 ± 0,8 6,4 ± 0,3

Ca 317,9 100-10000 24 ± 1 25 ± 2 23 ± 1

Cu 324,7 1-40 33 ± 2 36 ± 1 36 ± 2

Fe 259,9 10-2000 15 ± 1 15 ± 1 15 ± 1

K 766,4 2000-100000 49 ± 7 46 ± 1 44 ± 2

Mn 257,6 100-10000 131 ± 11 133 ± 4 128 ± 13

Ti 336,1 0,25-5,0 95 ± 5 95 ± 3 95 ± 4

Zn 213,8 5-500 24 ± 2 23 ± 1 22 ± 1

Для решения задачи исследования рассмотрены следующие способы пробоподготовки вин: «сухая» минерализация, кислотная минерализация с интенсификацией процесса за счет повышенных температуры

Рис. 1

Рис. 2

и давления и наложения СВЧ-поля (автоклавная СВЧ-кислотная минерализация), разбавление исследуемых образцов 1%-м раствором азотной кислоты.

В результате «сухой» минерализации образцов вин получалась белая зола, которую использовали в дальнейшем для анализа и определения в ней всех ранее выбранных элементов. Время озоления при этом составило 25-30 ч в случае сухих белых вин и 35-40 ч для полусладких и десертных (специальных) красных вин, содержащих большие количества фенольных веществ и сахаров. Результаты испытаний красных и белых вин представлены в табл. 2 (п = 4, Р = 0,95).

Пробоподготовку вин способом автоклавной СВЧ-кислотной минерализации проводили по схеме, рекомендуемой разработчиками микроволновой системы: 1-я стадия - нагрев 4,5 мин до 80°С, 2-я стадия -нагрев 3,5 мин до 165°С, 3-я стадия - нагрев 4 мин до 200°С и 4-я стадия - выдерживание реакционной смеси 14 мин при 200°С. В качестве окислителя использовали раствор азотной кислоты (5,0 см3 концентрированной НК03 на общий объем реакционной смеси 8,5 см3). Преимуществом автоклавной СВЧ-минерали-зации, по мнению ряда авторов [5, 10], является возможность определения легколетучих компонентов. В этом случае важным является температура охлаждения автоклава перед вскрытием. Для исключения потерь легколетучих элементов нами рекомендуется автоклавы перед вскрытием охлаждать до комнатной температуры. При несоблюдении этой процедуры могут наблюдаться значительные потери этих элементов, что доказано методом «введено-найдено» с использованием образца вина Каберне. Потери ртути в минерализа-те, полученном после вскрытия неохлажденных автоклавов, приближались к 100%, тогда как анализ мине-рализата, полученного в рекомендованных условиях, показал удовлетворительные результаты. При определении нелетучих компонентов температура охлаждения автоклавов не является критичной.

Сравнение результатов анализов образцов, полученных с пробоподготовкой вин способами «сухого» озоления и СВЧ-кислотной минерализацией в автоклавах, показало их совпадение в пределах погрешности определения (табл. 2). Следует отметить, что время СВЧ-кислотной минерализации составляет 1,5-2 ч, что в 10-15 раз меньше, чем при «сухой» минерализации.

Наибольший интерес при экспрессном прямом мультиэлементном ИСП-АЭС анализе вин представляет пробоподготовка способом их предварительного разбавления. Степень разбавления выбирали исходя из теоретических предпосылок и с учетом экспериментально полученных результатов мультиэлементного анализа разных типов вин. Для ряда элементов - Со, Сг, Си, РЬ и др., содержание которых в пробах < 25 мкг/л, разбавление в 25 раз неприемлемо из-за концентрационных ограничений метода. Занижение результатов определения металлов может наблюдаться при разбавлении вин в 10 и менее раз, что обусловлено влияниями

Таблица 2

Эле- СПП* Концентрация в образце вина, мкг/л

мент Каберне Шардоне Мускат Кагор

А1 1 646±65 712±92 1790±185 447±87

2 634±73 699±43 1833±97 456±56

3 567±140 652±143 1594±254 389±96

В 1 11425±517 2183±2334 2561±179 11135±433

2 11403±334 2573±126 2476±158 12040±466

3 9693±2558 1997±499 2086±339 10908±1002

Ва 1 20±1 14±1 11±1 91±7

2 21±2 14±1 11±1 91±1

3 18±3 12±2 10±2 81±11

Са 1 78885±4069 89020±3696 112020±5636 77625±2731

2 78324±2071 89913±1954 114661±2195 77501±1633

3 74213±5346 86050±4902 101408±8932 74233±3851

Со 1 2,1±0,3 3,4±0,4 4,0±0,3 2,8±0,3

2 1,7±0,2 4,1±0,5 4,1±0,3 3,1±0,4

3 2,2±0,4 2,6±1,2 3,4±0,9 2,3±0,6

Сг 1 19±3 10±1 10±1 10±1

2 19±3 10±1 9±2 13±1

3 20±3 7,6±2,6 9±2 9±2

Си 1 26±3 19±2 6,5±0,4 108±11

2 25±3 25±3 5,6±0,7 106±5

3 21±6 19±3 4,6±0,8 96±15

Бе 1 3438±140 2312±170 4593±141 1469±101

2 3455±124 2381±106 4618±27 1533±98

3 3317±228 2167±228 4384±193 1318±127

1 5,0±2,0 1,0±0,4 < 1,0 2,3±0,9

2 7,0±3,0 2,2±0,5 < 1,0 3,9±0,4

3 < 1,0 < 1,0 < 1,0 < 1,0

К 1 740644±23582802863±21599 849933±7243 867333±21452

2 729683±12254863791±16651 852300±3857 883666±11569

3 731184±15857770408±38995839883±19258819383±32154

ы 1 30±2 12±1 21±1 21±1

2 29±1 14±1 22±1 20±1

3 28±5 11±3 21±2 18±2

Mg 1 122057±4471 94824±2860 100420±2338 109923±9023

2 121370±2975 98846±2131 103792±1184 106906±8652

3 117937±5669 93025±5206 97455±11693 95450±13562

Мп 1 1055±44 1538±46 876±31 1371±57

2 999±68 1595±59 898±21 1347±32

3 941±197 1509±148 802±97 1220±116

№ 1 31315±1867 50956±2208 40810±1911 26773±1124

3 31135±1488 55831±2900 41393±1135 27220±1725

3 30569±3944 49133±4632 40350±5541 24900±1986

N1 1 30±3 36±4 6,8±0,7 21±3

2 29±1 29±5 7,3±0,2 17±1

3 23±5 34±4 5,6±1,2 16±4

РЬ 1 1,0±0,3 2,6±0,3 7,3±0,6 5,8±0,9

2 1,1±0,1 2,2±0,2 7,9±0,2 5,9±0,7

3 1,2±0,5 2,1±0,5 6,5±1,3 4,8±1,2

яъ 1 1104±64 1086±74 400±36 922±16

2 1028±41 1172±92 409±34 919±22

3 999±268 948±133 371±89 891±45

8г 1 1358±64 819±24 1543±47 1030±35

2 1376±68 824±29 1536±19 1020±27

3 1248±71 768±66 1468±74 978±49

Окончание таблицы 2

Эле- СПП* Концентрация в образце вина, мкг/л

мент Каберне Шардоне Мускат Кагор

Ti 1 16і4 4,7і0,5 11і1 4,0і0,5

2 17і2 4,3і0,8 12і1 4,5і0,4

3 14і3 4,3і0,9 9,7і2 3,3і0,8

V 1 19і2 9,5і1,1 8,3і0,2 16і1

2 19і2 10і1 7,9і0,2 15і1

3 17і5 8і2 7,1і0,7 13і2

Zn 1 268і23 448і50 283і22 538і49

2 275і16 453і47 292і19 532і29

3 282і36 386і72 242і74 437і68

* Способ подготовки пробы: 1 - СВЧ-кислотная минерализация,

2 - разбавление 10%-м раствором КЫОз, 3 - «сухая» минерализация.

со стороны матрицы проб. Разбавление образцов в 15-20 раз позволяет получить корректные результаты анализа для всех элементов. Это было подтверждено методом «введено-найдено» при анализе существенно отличающихся по составу вин (табл. 3). Минимальная погрешность определения всех элементов (не превышающая 10%) получена для образцов, разбавленных в 20 раз.

Сравнительный анализ рассмотренных способов пробоподготовки вин показал, что пробоподготовка, включающая только разбавление образца, приводит практически к таким же результатам, что и «сухое» озоление и автоклавная СВЧ-кислотная минерализация: удовлетворительное совпадение результатов наблюдается практически для всех металлов и всех анализируемых образцов. Преимуществами данного подхода к пробоподготовке является возможность определения легколетучих элементов, например свинца, ртути; экспрессность - время пробоподготовки сокращается до нескольких минут; минимальная трудоемкость анализа. Последние два фактора наиболее ценны при проведении поточных анализов. Так, время анализа 10 образцов составляет 30-35 мин.

Рассмотренные способы пробоподготовки были применены для анализа сухих вин: красного Каберне и белого Алиготе, изготовленных по классической технологии микровиноделия, исключающей стадию вымораживания (образцы предоставлены АЗОСВиВ). Сравнительная оценка результатов ИСП-АЭС анализа образцов этих вин при различных способах их пробо-подготовки показала совпадение полученных результатов, как и в раннее рассмотренном случае. В качестве

Таблица3

Образец вина

Эле- Степень разбавле- ния Кагор Каберне

мент Проба Проба + Добавка Проба Проба + Добавка

добавка введено найдено Аогга, % добавка введено найдено Аотн, %

Со 1 : 10 1,8 і 0,3 2,9 ± 0,4 2 1,1 47 1,8 і 0,2 4,2 ± 0,7 2,9 2,4 17

1 : 15 1,9 і 0,2 3,8 ± 0,4 2 1,9 9 2,4 і 0,2 5,2 ± 0,6 2,9 2,8 3

1 : 20 2,0 і 0,1 3,9 ± 0,4 2 1,9 9 2,6 і 0,2 5,6 ± 4,4 2,9 3 3

Си 1 : 10 72 і 9 140 ± 14 100 78 25 23 і 2 36 ± 7 24 19 21

1 : 15 86 і 5 177 ± 9 100 91 10 22 і 2 45 ± 9 24 23 8

1 : 20 99 і 9 199 ± 9 100 97 2 17 і 2 43 ± 4 24 20 14

Ьі 1 : 10 14 і 1 28 ± 3 20 14 33 22 і 4 44 ± 3 24 22 8

1 : 15 17 і 1 35 ± 5 20 18 11 28 і 2 49 ± 4 24 21 13

1 : 20 18 і 1 37 ± 5 20 19 6 31 і 3 54 ± 6 24 23 4

Мп 1 : 10 1244 і 50 2761±103 1500 1517 2 1086 і 68 1847±91 800 760 5

1 : 15 1203 і 54 2687±111 1500 1484 1 1093 і 46 1881±82 800 789 1

1 : 20 1282 і 30 2768 ± 89 1500 1486 1 1094 і 44 1909±100 800 815 2

№ 1 : 10 13 і 1 33 ± 4 16 12 23 17 і 6 37 ± 8 24 20 17

1 : 15 14 і 1 27 ± 2 16 13 20 21 і 3 47 ± 8 24 26 8

1 : 20 18 і 1 25 ± 4 16 16 3 22 і 2 44 ± 4 24 22 8

ЯЬ 1 : 10 887 і 68 1806 ±128 1000 919 9 976 і 111 1939±224 1000 963 4

1 : 15 1018 і 57 2005 ± 88 1000 987 1 1023 і 86 1976±162 1000 953 5

1 : 20 1089 і 43 2077±105 1000 988 1 1009 і 81 2036±148 1000 1027 3

Ті 1 : 10 2,8 і 0,6 5,6 ± 1,2 4 3 33 18 і 6 33 ± 4 20 16 22

1 : 15 3,8 і 0,4 7,6 ± 0,4 4 4 9 26 і 2 45 ± 3 20 19 6

1 : 20 4,4 і 0,4 8,4 ± 0,6 4 4 4 25 і 3 44 ± 3 20 19 6

V 1 : 10 13 і 2 27 ± 5 16 14 13 17 і 3 39 ± 5 24 22 8

1 : 15 15 і 2 30 ± 3 16 16 3 22 і 2 47 ± 5 24 25 4

1 : 20 15 і 1 31 ± 3 16 15 5 21 і 1 44 ± 3 24 23 4

Zn 1 : 10 435 і 43 877 ± 86 500 442 12 186 і 26 405 ± 61 240 219 9

1 : 15 516 і 38 1004 ± 63 500 488 3 222 і 24 475 ± 50 240 253 5

1 : 20 543 і 24 1032±61 500 489 2 219 і 19 456 ± 34 240 237 1

Каберне Алиготе

Рис. 3

примера приведены результаты определения магния и железа в образцах вин (рис. 3).

ВЫВОДЫ

1. Изучены достоинства и области применимости различных способов пробоподготовки красных, белых сухих и десертных вин для мультиэлементного анализа (Ка, К, КЬ, М§, Са, Бе, Си, Мп, А1, Сг, Сё, 2п, РЬ, Ва, Со, N1, Т1, V) методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой.

2. Предложенная схема ИСП-АЭС анализа вин включает непосредственное введение разбавленного образца в аргоновую плазму и позволяет проводить экспресс-определения с минимальной трудоемкостью, что важно при проведении поточных анализов.

3. Установлено, что включение СВЧ-кислотной минерализации проб в схему мультиэлементного анализа вин позволяет сократить время испытаний в 10-15 раз по сравнению со стандартизированным способом «су-

хого» озолення, а прямое введение разбавленного образца в аргоновую плазму - в 120-140 раз.

Работа выполнена на оборудовании Центра коллективного пользования при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Marisa C., Almeida R., Teresa M. Multielement composition of wines and their precursors including provenance soil and their potentialities as fingerprints of wine origin // Journ. of Agricultural and Food Chemistry. - 2003. - № 51. - Р. 4788^798.

2. ГОСТ 26929-94. Сырье и продукты пищевые. Подготовка проб. Минерализация для определения токсичных элементов. -М., 2010.

3. Бок Р. Методы разложения в аналитической химии. -М.: Химия, 1984. - 182 с.

4. Castineira M.M., Brandt R., Jakubowski N., Andersson

J.T. Change of the composition in German write wines though the winemaking process. A study of 63 elements by inductively coupled plasma-mass spectrometry // Journ. of Agricultural and Food Chemistry. - 2004. - № 52. - Р. 2953-2961.

5. Кубракова И.В., Мясоедова Г.В., Еремин C.A., Плетнев И.В. Подготовка проб в условиях микроволнового нагрева// Методы и объекты химического анализа. - 2006.- 1.-№1.-С.27-34.

6. Determination of trace and ultra trace elements in wine / G. Thiel, I. Blechschmidt, F. Alt et al. // Journ. of Agricultural and Food Chemistry. - 2007. - № 51. - Р. 1263-1268.

7. Direct determination of selected trace elements in apple juice by ICP-OES / M. Zeiner, I. Juranovic-Cindric, M. Kroppl et al. // Journ. of Analytical Chemistry. - 2009. - 5. - № 6. - P. 72-75.

8. Iglesias M., Besalu E., Antico E. Internal standardization -atomic spectrometry and geographical pattern recognition techniques for the multielement analysis and classification of Catalonian red wines // Journ. of Agricultural and Food Chemistry. - 2007. -№55.-Р.219-225.

9. Castineira M.M., Feldman I., Jakubowski N., Andersson J.T. Classification of German white wines certified brand of origin by multielement quantitation and pattern recognition techniques // Journ. of Agricultural and Food Chemistry. - 2004. - № 52. - Р. 2962-2974.

10. Карпов Ю.А., Орлова B.A. Современные методы автоклавной пробоподготовки в химическом анализе веществ и материалов // Журн. заводская лаборатория. - 2007. - 73. - № 1. - С. 4-11.

Поступила 17.09.12 г.

FEATURES OF WINES SAMPLE PREPARATION FOR MULTIELEMENT ANALYSIS BY ICP-AES

V.V. PEREKOTIY, A.A. KAUNOVA, V.I. PETROV, T.G. TSYUPKO, Z.A. TEMERDASHEV

Kuban State University,

149, Stavropolskaya st., Krasnodar, 350040; ph.: (861) 219-95-71, fax: (861) 219-95-72; e-mail: analyt@chem.kubsu.ru

Different ways of sample preparation of wine varieties have been considered for multielement analysis (21 metals were determined simultaneously). The merits and disadvantages of these ways were discussed. It was shown the dilution of wines is a sufficient condition of sample preparation for multielement analysis by using ICP-AES.

Key words: atomic-emission spectroscopy with inductively coupled plasma, sample preparation of wine, natural wines.