CC BY
86
УДК 543.613.3
Аспирант А.А. Калиниченко, профессор Л.Ю. Арсеньева, профессор С.В. Иванов,
(Национальный университет пищевых технологий, г. Киев, Украина) кафедра экспертизы пищевых продуктов. тел. (044) 287-90-24
профессор Т.А. Кучменко
(Воронеж. гос. ун-т. инж. технол.) кафедра физической и аналитической химии.
тел. (473) 255-07-62
E-mail: [email protected]
Graduate A.A. Kalinichenko, professor L.Iu. Arsen'eva, professor S.V. Ivanov,
(National University of Food Technologies, Kyiv, Ukraine) Department of foodstuff expertise. phone (044) 287-90-24 professor T.A. Kuchmenko
(Voronezh state university of engineering technologies) Department of physical and analytical chemistry. phone (473) 255-07-62 E-mail: [email protected]
Способ экспрессного определения отдельных показателей качества масла грецкого ореха по сигналам анализатора «электронный нос»
Express method for determination of selected quality indexes of walnut oil using analyzer signals «Electronic nose»
Реферат. В статье рассматривается процесс автоокисления масел, полученных способом холодного прессования. Установлено, что масло грецкого ореха быстро окисляется из-за преобладания в составе ненасыщенных жирных кислот (90,4 %). Теоретически обосновано, что деструкция триглицеридов с накоплением одорирующих продуктов окисления свидетельствует о ходе достаточно глубоких окислительных процессов, которые не всегда сопровождаются изменениями орга-нолептических показателей, не уловимы биологическими сенсорными системами. В работе показана возможность применения анализатора газов «МАГ-8» с методологией «электронный нос» для оценки степени окислительного прогоркания масла грецкого ореха по составу равновесной газовой фазы. Проанализированы изменения количественного и качественного состава легколетучих веществ над маслом грецкого ореха в процессе хранения. Разработан экспресс-способ определения пе-рекисного числа по сигналам сенсора с покрытием полиэтиленгликоль себацинат, который наиболее селективно детектирует спирты, соединения с перекисными и гидроперекисными группами. Сигналы сенсора с покрытием дициклогексан-18-краун-6, селективного к летучим кислотам, кетонам, эфирам, коррелируют с кислотным числом. Авторами предложен интегральный показатель степени окисления масла - площадь «визуального отпечатка», отражающего содержание перекисей, кислот, спиртов, кетонов, эфиров и продуктов их полимеризации.
Summary. This paper presents the autoxidation process of extra virgin oils. It was established that walnut oil rapidly oxidized due to the prevalence composed of unsaturated fatty acids (90,4%). Theoretically substantiated that the destruction of triglycerides with the accumulation of odorizing substances, oxidation products. This indicates that goes deep oxidation process, which is not accompanied by changes in the organoleptic characteristics. It is not perceptible by biological sensory systems. The paper deals the possibility of using gas analyzer «MAG-8» with methodology «electronic nose» to assess the oxidation rate of walnut oil in terms of composition and content the equilibrium gas phase. Changes in the quantitative and qualitative composition of volatile substances above oil during storage have been analyzed. Express method for determination of peroxide value and acid value using signals of sensors coated with polyethyleneglycol sebacate and dicyclohexano-18-crown-6 has been developed. The authors offer the integral index of oil oxidation level - the area of «visual fingerprint» that be indicative for content of peroxides, acids, alcohols, ketones, esters, and their polymerization products.
Ключевые слова: анализ, качество, масло грецкого ореха, окисление, легколетучие вещества, сорбция, пьезосенсоры, «электронный нос».
Keywords: analysis, quality, walnut oil, oxidation, volatile compounds, sorption, piezosensors, «electronic nose».
© А.А. Калиниченко, Кучменко Т.А., Арсеньева Л.Ю., Иванов С.В., 2014
Возрастающий интерес потребителя к продуктам с высокой биологической ценностью способствует расширению ассортимента растительных масел, для производства которых все чаще используют нетрадиционное сырьё, такое как плодовые и виноградные косточки, семена тыквы, томатов, зародыши пшеницы, рисовые отруби, ядра орехов, в том числе грецких.
Вследствие особенностей химического состава такие масла легко подвергаются окислению. Окисление жиров атмосферным воздухом (автоокисление) приводит к значительному ухудшению их потребительских свойств. Жиры, в которых начались окислительные процессы, имеют пониженную стойкость при дальнейшем хранении.
Высококачественные растительные масла не должны содержать ни первичных, ни вторичных продуктов окисления, или содержать их в малых количествах.
Окисление растительных масел в процессе производства не укладывается в рамки обычной общепринятой схемы окислительных процессов, предусматривающей постепенное разрушение ингибиторов в течение индукционного периода, сопровождаемое ростом перекисного числа.
Процесс окисления жирных кислот в зависимости от их строения и условий окисления протекает неодинаково. Окисление насыщенных жирных кислот и их эфиров сопровождается деструкцией углеродной цепи. В результате образуются низкомолекулярные кислоты: муравьиная, уксусная, масляная, капроновая, энантовая - и другие карбонилсо-держащее соединения. Образовавшиеся альдегиды, кетоны и кислоты склонны к дальнейшему окислению и полимеризации.
Скорость окисления жиров определяется строением радикалов жирных кислот, входящих в состав триглицеридов, температурными условиями, присутствием в жирах катализаторов и ингибиторов окисления, действием света и радиации.
При автоокислении в пищевых жирах в зависимости от образовавшихся специфических продуктов окисления триглицеридов появляются разнообразные нежелательные привкусы и запахи: олеистый, салистый, окисленный, металлический, рыбный, прогорклый.
Проблема установления корреляции между органолептическими свойствами жиров и химическими показателями является, как известно, весьма сложной, несмотря на распространение новых приборов для интегральной быстрой оценки состояния образца. Не прекращаются попытки найти универсальную
химическую характеристику, на основании которой можно было бы объективно судить об органолептической порче жиров, масел и различных маслосодержащих продуктов.
Одни группы авторов предлагают в качестве универсальной характеристики пере-кисное число, другие - анизидиновое, третьи определяют присутствие кетонов, содержание эпокисей и т. п. [1].
Опыты показывают [2], что в одних случаях обнаруживается корреляция между изменениями органолептических свойств жиров и некоторыми химическими показателями (содержанием перекисей или эпокисей, альдегидов и кетонов). Сами по себе перекиси и эпо-киси не имеют резко выраженного запаха и вкуса, не уловимы биологическими сенсорными системами. Однако их рост свидетельствует о ходе достаточно глубоких окислительных процессов, идущих с накоплением одорирующих продуктов окисления. Природа таких одорирующих веществ неодинакова для различных видов масел, технологии производства и условий хранения. В одних случаях это могут быть некоторые альдегиды, в других - ке-тоны, или низкомолекулярные свободные жирные кислоты, или свободные ненасыщенные жирные кислоты и т. п.
В настоящее время общепризнано, что ответственными за развитие нежелательных привкусов и запахов являются, в первую очередь, карбонильные соединения [3].
Информацию о качественном и количественном составе легколетучих веществ растительных масел получают с применением хрома-тографических, спектральных методов анализа, а также метода ВЭЖХ-масс-спектроскопии [4]. С развитием современных методов удалось идентифицировать несколько десятков легколетучих веществ растительных масел [5].
Перспективной является разработка альтернативных методов, способов, имеющих единый методологический подход и не требующих сложного аппаратурного оформления и многостадийной подготовки пробы.
Решение задачи возможно с применением интеллектуальных систем: «электронный нос», «электронный язык». «Электронные носы» широко применяются в анализе сырья и пищевых продуктов, ориентированы на установление идентичности и различий в составе легколетучих фракций образцов [6]. Особое место среди таких систем занимают анализаторы на основе модифицированных пье-зокварцевых резонаторов (пьезосенсоры).
Управление чувствительностью и селективностью в таких системах возможно путем
направленного подбора модификаторов электродов резонаторов. Результатами многочисленных системно проведенных исследований установлено [6], что наибольший объем аналитической информации по сигналам массива сенсоров может быть получен при комбинации в массиве сенсоров с универсальными, селективными и специфическими покрытиями. Такой набор сенсоров реализован в многоканальном анализаторе газов «МАГ-8» (производитель - ООО «Сенсорные технологии», РФ) на массиве сенсоров «Food-nanoC», который позволяет фиксировать изменения в составе сложных смесей различных соединений.
Цель исследования: оценить возможность применения анализатора газов «МАГ-8» на основе восьми разнохарактерных пьезосенсоров для изучения состояния масла грецкого ореха при хранении и возможности оценки по составу равновесной газовой фазы показателей качества, отражающих процессы окисления масла.
В качестве основного объекта исследований выбран образец масла грецкого ореха, полученный способом холодного прессования без добавления антиоксидантов.
В стеклянные пробоотборники помещали по 30 г масла (п=12), герметично закрывали. Основным фактором, катализирующим процесс окисления, выбран ультрафиолетовый свет. Пробы хранили на рассеянном свету при температуре 19±2 °С. Общее время воздействия на пробы составило 8 суток, с шагом измерения 48 часов (4 контрольные точки).
В каждой контрольной точке отбирали 5 г средней пробы масла, помещали в стеклянный бюкс с полиуретановой мембраной, выдерживали в течение 20 мин до насыщения равновесной газовой фазы (РГФ) легколетучими компонентами пробы. Индивидуальным шприцем отбирали 3 см3 РГФ и вводили в ячейку детектирования многоканального анализатора газов «МАГ-8» с повторностью п=3.
Продолжительность измерения реакции сенсоров на смеси легколетучих соединений в РГФ над маслами составляла 1 мин с дискретностью 1 с.
В массиве сенсоров «Food-nanoC» в качестве модификаторов пьезокварцевых резонаторов (ПКР) применяли стандартные неподвижные хроматографические фазы различной полярности и специфические сорбенты, а именно: динонилфталат (ДНФ), полиэти-ленгликоль себацинат (ПЭГ себацинат), поли-этиленгликоль адипинат (ПЭГ адипинат), ди-циклогексан-18-краун-6 (ДЦГ-18-К-6), тритон
Х-100 (ТХ-100), полиэтиленгликоль 2000 (ПЭГ-2000), полидиэтиленгликоль сукцинат (ПДЭГ сукцинат), поливинилпирролидон (ПВП). Сорбенты характеризуются перекрёстной чувствительностью к веществам различных классов органических легколетучих соединений, являющихся продуктами окислительной деструкции жиров (пероксиды, кето-ны, спирты, кислоты, эфиры).
В программном обеспечении «MAGSoft» фиксировали частоты колебаний сенсоров (Fi, Гц), относительные их изменения (AFi, Гц) во времени с шагом 1 с в виде хроночастото-грамм, а также аналитические сигналы (AFmax, Гц), проводили статистическую обработку результатов измерений.
Аналитические сигналы пьезосенсоров -максимальные изменения частот колебания кварцевых пластин в результате сорбции компонентов РГФ над исследуемым объектом на тонких пленках сорбентов (AFmax, Гц), представленные в виде «визуального отпечатка» (ВО) максимумов, кинетические «визуальные отпечатки» и их площади (Sbo, Гц-с).
В качестве основных показателей качества, характеризующих степень окисленности растительного масла, определяли по стандартным методикам перекисное [8] и кислотное число [9] для количественного определения перекисных и гидроперекисных групп, а также свободных жирных кислот и других титруемых щелочью веществ масла.
Жирнокислотный состав масла грецкого ореха определяли согласно ДСТУ ISO 55092002 «Жиры и масла животные и растительные. Приготовление метиловых эфиров жирных кислот (ISO 5509:2000, IDT)». Пробопод-готовку осуществляли методом переэтерифи-кации. Хроматографическое исследование пробы проводили согласно ДСТУ ISO 55082001 «Масла и жиры животные и растительные. Анализ методом газовой хроматографии метиловых эфиров жирных кислот (ISO 5508:1990, IDT)». Анализ состава жирных кислот проводили на капиллярном газовом хроматографе «Кристаллюкс - 4000М» с пламенно-ионизационным детектором на колонке SP-2560: длинной 100 м, внутренним диаметром 0,25 мм, толщиной покрытия 0,2 мкм. Условия хроматографирования: температура детектора - 250 °C, температура инжектора - 230 °C, давление на колонке - 0,8 атм., температурный градиент термостата колонок от 50 до 220 °C, (скорость 4 град./мин.), газ-носитель - азот.
Для исследования особенностей протекания окислительного прогоркания масла грецкого ореха был изучен жирнокислотный состав масла (таблица 1.)
Т а б л и ц а 1
Содержание жирных кислот в масле грецкого ореха
Для оценки изменений состояния пробы в каждой контрольной точке определяли перекис-ное (ПЧ) и кислотное число (КЧ) (рисунок 1), детектировали состав РГФ над пробой.
г. суг.
Рисунок 1. Изменение перекисного (1) и кислотного (2) чисел масла грецкого ореха в процессе хранения
Жирная кислота Массовая доля в масле, %
Насыщенные жирные кислоты: 8,4%
С п:о ундециловая кислота -
С 14:0 миристиновая кислота -
С 16:0 пальмитиновая кислота 7,5
С 18:0 стеариновая кислота 0,68
С 20:0 арахиновая кислота -
С 22:0 бегеновая кислота 0,057
С 24:0 лигноцериновая (тетракозановая) кислота 0,0075
Ненасыщенные жирные кислоты: 90,4%, в т. ч.:
Мононенасыщенные жирные кислоты: 17,3%
С 16:1 пальмитолеиновая кислота 0,13
С 17:1 гептадеценовая кислота -
С 18:1 п9с олеиновая кислота 17,0
С 20:1 п9 гадолеиновая кислота 0,13
Полиненасыщенные жирные кислоты: 73,2%
С 18:2 пбс цис-линолевая кислота 60,2
С 18:3 п3 альфа-линоленовая кислота 12,2
С 18:3 п6 линоленовая кислота -
С 20:3 п6 цис-8, 11, 14- эйкоза-триеновая кислота 0,5
Масло грецкого ореха по жирнокислот-ному составу относится к группе масел с наибольшей массовой долей линолевой кислоты, таких как кукурузное, подсолнечное, виноградное, сафроновое, арбузное, томатное, тыквенное, кедровое масла [7].
В составе масла грецкого ореха преобладают ненасыщенные жирные кислоты -наиболее лабильные в отношении автоокисления компоненты жиров.
в течение 1 мин, не превышающий 2 гц.
Для поиска количественного критерия оценки накопления легколетучих веществ как продуктов окисления триглицеридов рассматривали 81 под хроночастотограммами для единичных сенсоров, где 1 - модификатор сенсоров, а также суммарную площадь «визуального отпечатка», построенного по сигналам информативных сенсоров (£3).
Сводная информация представлена в таблице 2.
Т а б л и ц а 2
Аналитические сигналы информативных сенсоров итоговой матрицы
Модификатор пьезоквар- Аналитический Контрольная точка
цевого резонатора сигнал 1 2 3 4
ПЭГ себацинат S ПЭГсеб, Гц-с 105 114 136 150
АБшах, Гц 3 4 4 4
ПЭГ адипинат 8 ПЭГад, Гц-с 136 160 153 153
АБшах, Гц 4 4 4 4
ДЦГ-18-К-6 S дцг, Гц-с 72 110 115 144
АБшах, Гц 2 3 3 4
ТХ-100 8 ТХ100, Гц-с 195 230 205 210
АБшах, Гц 5 5 5 5
ПЭГ-2000 8 ПЭГ2000, Гц-с 230 204 220 220
АБшах, Гц 6 5 5 5
ПДЭГ сукцинат 8 ПДЭГ сукц, Гц-с 280 303 290 297
АБшах, Гц 6 7 7 7
1616 1848 1890 1925
Наиболее заметно изменяется масса сорба-та, а значит и концентрация легколетучих соединений в РГФ для сенсоров с покрытиями ПЭГ себацинат и ДЦГ-18-К-6, проявляющими сродство к кислотам, кетонам, спиртам и эфирам.
Несмотря на перекрестную чувствительность покрытий ПКР к веществам различных классов, ПЭГ себацинат наиболее селективно детектирует спирты, соединения с перекисными и гидроперекисными группами, а ДЦГ-18-К-6 -летучие кислоты, кетоны, эфиры в РГФ. Это подтверждается высокой достоверностью ре-
зультатов аппроксимации (R2 =0,94) площади под хроночастотограммой сенсора с покрытием ПЭГ себацинат с перекисным числом (рисунок 2 а), достаточно высокой корреляцией (R2 =0,87) SДЦГ с кислотным числом (рисунок 2, б).
Показания сенсора с покрытием ПЭГ себацинат коррелируют с перекисным числом, что позволит заменить длительный и дорогостоящий (реактивы) титриметрический метод точным, простым и экспрессным методом пьезокварцевого микровзвешивания.
^Ги-с Норма 150 <->i<
Завышенное значение ПЧ
у = Зх + 79 R3 - 0,94
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
ПЧ, 1/j О ммоль/кг
S. Гц с
ISO 1
у = ЗЗОх - 2692 К3 - 0,87
а)
8,45 б)
К1!, mi NaOH/l 8.55
Рисунок 2. Корреляция площадей под хроночастотограммой сенсоров с покрытиями ПЭГсеб. (а) и ДЦГ-18-К-6 (б) с перекисным (а) и кислотным (б) числами
Однако в составе РГФ содержаться не только перекиси, кислоты, спирты, кетоны, эфиры, а и другие органические соединения, продукты их полимеризации, то корректнее для оценки степени окислительного прогоркания предложить интегральный показатель - суммарную площадь «визуального отпечатка». По значению площади «визуального отпечатка» можно судить об общем содержании органических легколетучих соединений, являющихся продуктами окислительной деструкции жиров.
По результатам исследований получили статистически надежные «визуальные отпечатки» максимальных сигналов пьезосенсоров
для 1 и 4 контрольных точек проб масла грецкого ореха, качественный и количественный состав РГФ различен (рисунок 3).
Установлено, что в процессе окисления изменяется геометрия «визуального отпечатка», возрастает площадь фигуры. Относительная разность площадей для 1 и 4 контрольных точек проб масла составляет 152 ± 1 %, абсолютная разность площадей - 12 ± 0,5 %, что говорит об изменении состава РГФ над пробой масла в процессе окисления, образовании и накоплении пероксидов, низших жирных кислот, альдегидов, кетонов и продуктов их полимеризации.
AFmax, Гц
AFmax, Гц
DCG18k6 PEG200
а б в
Рисунок 3. «Визуальные отпечатки» максимальных откликов пьезосенсоров газоанализатора «МАГ-8» над пробами масла грецкого ореха в 1 (а) и 4 (б) контрольных точках и их сравнения (в)
Динамика изменения 8во в процессе окисления пробы носит полиномиальный характер (рисунок 4 а). О том, что площадь «визуального отпечатка» отражает степень окис-ленности масла свидетельствует высокая до-
8. Ги-с
а)
Рисунок 4. Динамика изменения площади ВО в числом (б)
стоверность результатов аппроксимации (Я2 =0,99) 8во с перекисным числом (рисунок 4 б), по которому судят о степени окис-ленности масел [1, 2, 3, 4], и аналогичный характер изменения.
3. Гц
Г] LE. !■'. О UMO.it-'xr
б)
хранения пробы (а) и ее корреляция с перекисным
Таким образом, за одно измерение по площади «визуального отпечатка» можно оценить степень окисленности растительного масла, на основании динамики изменения 8во прогнозировать динамику изменения качества пробы. А по значениям площадей под хроночастотограм-мами сенсоров с покрытиями ПЭГ себацинат и
ДЦГ-18-К-6 судить о значениях перекисного и кислотного числа соответственно.
Разработанный способ интегральной оценки степени окисленности масла и отдельных показателей качества масла грецкого ореха осуществляется без сложной и многостадийной пробоподготовки, не требует высокой квалификации обслуживающего персонала.
ЛИТЕРАТУРА
1 Ржехин В.П., Сергеев А.Г. Руководство по методам исследования, технохимическому контролю и учёту производства в масложировой промышленности. Л.: Наука, 1967. С. 967-985.
2 Стеле Р. Срок годности пищевых продуктов. Расчет и испытания. Спб.: Профессия, 2006. 480 с.
3 Хомутов Б. И., Ловачев Л. Н. Хранение пищевых жиров. М.: Экономика, 1972. 160 с.
4 Тютюнников Б. Н., Бухштаб З. И., Гладкий Ф. Ф. Химия жиров. Харьков: НТУ «ХПИ», 2002. С. 389-400.
5 Хайянь З., Бедгуд Д., Бишоп А. и др. Эндогенный биофенол, жирные кислоты и летучие профили выбранных масел // Пищевая химия. 2006. С. 1-8.
6 Кучменко Т. А. Инновационные решения в аналитическом контроле: уч. пособие. Воронеж: Воронеж. гос. технол. акад., ООО «СенТех», 2009. 252 с.
7 ГОСТ 30623-98 Масла растительные и маргариновая продукция. Метод обнаружения фальсификации. Введен 01. 01. 2000. М.: Стандартинформ, 2008. 20 с.
8 ДСТУ 4570:2006 Растительные жиры и масла. Метод определения перекисного числа. Введен 01. 01. 2008. Киев: Госпотребстандарт Украины, 2007. 8 с.
9 ДСТУ 4350:2004 (ISO 660:1996, NEQ) Масла растительные. Методы определения кислотного числа. Введен 28. 11. 2004. Киев: Госпотребстандарт Украины, 2005. 8 с.
10 ДСТУ 6047:2008 Масло грецкого ореха. Технические условия. Введен 01. 01. 2009. Киев: Госпотребстандарт Украины, 2008. 18 с.
REFERENCES
1 Rzhekhin V.P., Sergeev A.G. Rukovodstvo po metodam issledovaniia, tekhnokhimicheskomu kontroliu i uchetu proizvodstva v maslozhirovoi promyshlennosti [Guidance on methods of research, technical and chemical control and production records in the oils and fats production industry]. Leningrad, 1967. pp. 967-985. (In Russ.).
2 Stele R. Srok godnosti pishchevykh poduktov. Raschet i ispytaniia [Understanding and measuring the shelf-life of food]. Sent-Petersburg, Professiia, 2006. 480 p. (In Russ.).
3 Khomutov B. I., Lovachev L. N. Kranenie pishchevykh zhirov [Storage of food fats]. Moscow, Economika, 1972. 160 p. (In Russ.).
4 Tiutiunnikov B/N/, Bukhshtab Z.I., Gladkii F.F. Khimiia zhirov [Chemistry of fats]. Khar'kov, NTU «KhPI», 2002. pp. 389-400. (In Ukrainian).
5 Khaiian' Z., Bedgud D., Bishop A. et al. Endogenous biophenol, fatty acid and volatile profiles of selected oils. Pishchevaia khimiia. [Food chemistry], 2006, pp. 1-8.
6 Kuchmenko T. A. Innovatsionnye resh-eniia v analiticheskom kontrole [Innovative solutions in the analytical control]. Voronezh, VGTA, 2009. 252 p. (In Russ.)
7 GOST 30623-98 Masla rastitel'nye i margarinovaia produktsiia. Metod obnaruzheniia fal'sifikatsii [Oils and margarin products. Adul-
teration detection method]. Moscow, Standartin-form, 2008. 20 p. (In Russ.).
8 DSTU 4570:2006 Rastitel'nye zhiry i masla. Metod opredeleniia perekisnogo chisla [Vegetable fats and oils. Method for measurement of peroxide value]. Kiev, Gospotrebstandart Ukrainy, 2007. 8 p. (In Ukrainian)
9 DSTU 4350:2004 (ISO 660:1996, NEQ) Masla rastitel'nye. Metody opredeleniia kislotnogo chisla [Oils. Methods for determination of acid value] Kiev, Gospotrebstandart Ukrainy, 2005. 8 p. (In Ukrainian)
10 DSTU 6047:2008 Maslo gretskogo orekha. Tekhnicheskie usloviia [Walnut oil. Specifications]. Kiev, Gospotrebstandart Ukrainy, 2008. 18 p. (In Ukrainian)
