Научная статья на тему 'Цветометрия - новый метод контроля качества пищевой продукции'

Цветометрия - новый метод контроля качества пищевой продукции Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
583
128
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Байдичева О. В., Хрипушин В. В., Рудакова Л. В., Рудаков О. Б.

Показана возможность цветометрического количественного определения ряда аминокислот (глицина, |3-аланина, а-изолейцина) и глицилглицина по цветной реакции с ионом меди (II) в водных растворах с применением цифровой фотокамеры. Сопоставлены метрологические параметры определений аналитов методом цветометрии и электрофотоколориметрии

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Байдичева О. В., Хрипушин В. В., Рудакова Л. В., Рудаков О. Б.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Colorimetric - a new method of control of foodstuff quality

The opportunity of colonmetric quantitative determination of some amino acids (glycine, b-alanme, a-isoleudne) and glycylglycin on color reaction with ion of copper (II) in water solutions with application of digital camera is shown. Metrological parameters of determination substances by colorimetry and electrophotocolorimetry methods are compared.

Текст научной работы на тему «Цветометрия - новый метод контроля качества пищевой продукции»

Цветометрия -

новый метод контроля качества пищевой продукции

О.В. Байдичева

Воронежский государственный университет В.В. Хрипушин

Воронежская государственная технологическая академия Л.В. Рудакова

Воронежская государственная медицинская академия О.Б. Рудаков

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

Современная биотехнология немыслима без точного и быстрого входного и выходного контроля качества продукции, контроля технологических процессов в режиме он-лайн. Для реализации мониторинга качества продукции на всех этапах производства большие возможности представляют цифровые технологии, включающие в алгоритм тестирования получение информации о цветности или морфологии анализируемой продукции, автоматическую обработку полученного изображения, его архивацию в электронном виде, экспертизу с помощью искусственных нейронных сетей или других экспертных систем и выдачу протокола о результатах измерений.

В последнее время метод цветомет-рии - науки о способах измерения цвета и его количественном выражении - все шире применяют в аналитической химии, в контроле качества пищевой продукции [1-3]. Толчок для активного внедрения этого метода в ана-

Таблица 1

Градуировочные зависимости зеленой компоненты цветности от концентрации водных растворов аминокислот

Вещество Градуировочный график R

Глицин У = (237,2±3,9)-(69,6±3,3)С 0,9956

в-аланин У = (240,0±1,3)-(18,3±1,1)С 0,9931

Изолейцин У = (251,3±5,5)-(51,5±4,5)С 0,9847

Глицилглицин У = (237,6±14,0)-(74,9±9,4)С 0,9847

Таблица 2 Градуировочные зависимости оптической плотности растворов от концентрации аминокислот

Вещество Градуировочный график R

Глицин y = (0,755±0,061)С 0,9893

в-аланин y = (0,316±0,027)С 0,9829

Изолейцин y = (0,557±0,025)С 0,9941

Глицилглицин y =(0,879±0,162)С 0,9741

литическую практику вызван прогрессом цифровых технологий.

Цвет биотехнологической продукции - один из важнейших характеристик, включаемых в перечень контролируемых показателей в ГОСТы, ТУ, ТИ и другие нормативные документы. В пищевой химии и биотехнологии для контроля качества продукции или обнаружения важных компонентов часто используют цветные реакции. Интенсивность окраски при этом определяется визуально экспертным путем. В лучшем случае цвет анализируемого образца сопоставляется с цветом стандартного образца или цветом стандартного набора или шкалы. Таким образом, цвет служит качественным или полуколичественным аналитическим сигналом в контроле кондиционности пищевой продукции.

В качестве объектов анализа были выбраны глицин, р-аланин, а-изолей-цин, глицилглицин и фенилаланин. Это связано с тем, что данные гетерофунк-циональные соединения обладают определенной физиологической активностью либо входят в состав растительных и животных белков, либо могут применяться в качестве БАД. Например, р-аланин - это продукт промежуточного обмена аминокислот, входит в состав азотистых экстрактивных веществ скелетной мускулатуры - карно-зина и анзерина, коэнзима аланина, а также является составляющей пантоте-новой кислоты (витамина В5). Изолей-цин - незаменимая аминокислота, необходимая для формирования гемоглобина, стабилизирует и регулирует сахар в крови [4-5].

Цветные реакции применяются в контроле продукции в аминокислотных производствах. Цель работы - установление возможности использования цвета как количественного аналитического сигнала при регистрации цифровым фотоаппаратом цветного изображения растворов аминокислот, проре-

агировавших с цветообразующим реактивом.

В настоящее время существует несколько систем представления цвета для компьютерной обработки, так называемых цветовых моделей [6].

В графических системах наиболее широко применяют трехцветную цветовую схему RGB (red-green-blue, красный-зеленый-синий). Цвет определяется как точка в трехмерном цветовом пространстве в координатах трех базовых цветовых компонентов по формуле ,

где F ~ цветность вещества; г, д, Ь~ соответственно доля красной, зеленой и голубой окраски; Я,G,В - орты векторов красного, зеленого и голубого цветов.

Для описания цвета пикселя используется три байта, что дает (28)3 различных цветов (примерно 16 млн). При переходе к скалярным величинам цвет F определяется триплетом из кодов цветовых компонентов (r, g, b). Система RGB является аддитивной, так как цвета представляются сложением основных цветов с черным цветом (0,0,0). Базисный белый цвет оценивается как CW = (255, 255, 255), модельный красный цвет - как CR= (255, 0, 0), зеленый - как CG = (0, 255, 0), синий -как CB= (0, 0, 255), желтый цвет - как С = (255, 255, 0) и т.д.

Аминокислоты проявляют характерные свойства при взаимодействии с ионами металлов. Образование хелат-ных комплексов с Cu2+, окрашенных в синий цвет, лежит в основе многих методов определения аминокислот [7].

Для получения окрашенного раствора с целью количественного определения исследованных веществ, как с помощью функций отклика RGB, так и фотоколориметрически, использовали приведенную ниже методику [7].

Реактивами служили раствор хлорида меди (II), раствор фосфатного буфера (64,5 г №2НР04 и 7,2 г NaOH в 1 л воды), боратный буфер (57,21 г №2В407-10Н20 и 100 мл 1М HCl в 2 л воды), суспензия ортофосфата меди (II), индикатор - тимолфталеин.

В мерную колбу емкостью 25 мл пипеткой вносили аликвоту раствора аминокислоты, добавляли 2-3 капли раствора тимолфталеина и по каплям раствор №ОН до появления голубой окраски. К полученному раствору приливали суспензию ортофосфата меди, содержимое колбы доводили до метки водой, перемешивали и фильтровали. Затем анализируемым раствором заполняли стеклянные кюветы от фотоколориметра оптической толщиной 30 мм.

Определение цветности проводили в специально сконструированном боксе,

SAFETY OF PRODUCTION AND FINISHED FOODSTUFFS

позволявшем стандартизировать условия освещения [3]. Задняя стенка бокса представляла собой белый экран. В качестве источника света были использованы две галогенных лампы общей мощностью 70 Вт, дающих свет, близкий по спектру к естественному освещению. Изображение образца с помощью оборачивающего зеркала направлялось вверх, в объектив цифровой фотокамеры, находящийся в верхней крышке бокса.

В работе использовали растворы аминокислот и глицилглицина с концентрациями 0,4; 0,8; 1,2; 1,6; 2,0 г/л. Для регистрации цифрового изображения выбрали цифровую фотокамеру (ЦФК) Olympus SP-500UZ (Япония), имеющую возможности ручного изменения параметров съемки.

Для анализа цветности растворов был создан пакет программ в среде MathCAD 11, позволяющий автоматически рассчитывать средние значения кодов цветности в выбранной области. В нем предусмотрен режим градуировки, позволяющий по данным цифровых изображений строить градуиро-вочные зависимости яркостей каналов R, G и B от концентрации окрашенных компонентов, а также возможность выбора диапазона градуировки. На основе данных градуировки программа рассчитывает концентрации анализируемого вещества и метрологические характеристики.

На рис. 1 приведены полученные графики функций отклика RGB от концентрации растворов глицина, ß-аланина, изолейцина и глицилглицина по трем цветовым компонентам.

Из этих графиков видно, что на параметры цветности определенное влияние оказывает строение аминокислоты. Градуировки разных аналитов имеют различные величины эмпирических коэффициентов. А для растворов фенилала-нина цветная реакция с ионами меди вообще дает лишь слабое окрашивание, мало зависящее от концентрации. Для этой аминокислоты данная цветная реакция не может быть использована в качестве количественного аналитического сигнала. По-видимому, фениль-ный радикал препятствует образованию стабильного окрашенного в синий цвет хелатного комплекса.

В зависимости от цвета анализируемого раствора и результатов построения калибровочных графиков предпочтение отдается калибровке по синей (В), зеленой (G) или красной (R) компоненте [3]. В нашем случае для определения концентрации аминокислот с помощью цветных реакций с ионами Cu2+ для градуировки наиболее подходит зеленая (G) компонента (табл.1, диапазон линейности 0-2 г/л, n = 4-6, Р = 0,95).

C, г/л

250

200

0,5

1,5

C, г/л

2 2,5 C, г/л

Рис. 1. Градуировочные графики зависимости компонент цветности от концентрации водных растворов: а - глицина; б - в-аланина; в - изолейцина; г - глицилглицина: Н - красная, в - зеленая, В - синяя компонента

в С, г/л г С, г/л

Рис. 2. Градуировочные графики зависимости оптической плотности от концентрации водных растворов: а - глицина, б - в-аланина; в - изолейцина; г - глицилглицина

б

г

в

Сопоставим метрологические параметры определений методом цвето-метрии и фотоколориметрии. Пробо-подготовка для этих методов идентична, поэтому измерения проводили параллельно.

Полученный прозрачный фильтрат фотометрировали при X = 640 нм в кюветах толщиной 30 мм (контроль - дистиллированная вода). Определения проводили на фотометре КФК-3. На рис.2 приведены полученные градуировочные графики зависимости оптической плотности от концентрации растворов глицина, в-аланина, изолейцина и глицилгли-цина, в табл. 2 показаны линейные уравнения и степень аппроксимации (коэффициенты парной корреляции Н) (диапазон линейности 0-1,8 г/л, п = 4-6, Р = 0,95). Из полученных зависимостей видно, что при концентрациях изученных веществ выше 1,2-1,6 г/л оптическая плотность растворов (D) больше единицы, что ограничивает применение метода фотометрии.

Параллельные опыты по количественному определению аминокислот в водных растворах разными методи-

ками показали хорошую воспроизводимость.

Сравнение результатов анализа данными методами показало, что цвето-метрия позволяет анализировать растворы аминокислот в более широком интервале концентраций (шире линейный диапазон), чем фотометрическая методика. Цветометрическая методика практически не уступает по точности электрофотоколориметрической.

Преимущества применения цвето-метрии на базе цифровых технологий - экономичность, возможность сохранения информации в электронном виде и возможность контролировать концентрированные и мутные образцы аналита.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 06-08-00448-а «Разработка методов диагностики качества продукции по параметрам цветности с применением цифровых технологий».

ЛИТЕРАТУРА

1. Шишкин Ю.Л., Дмитриенко С.Г., Медведева О.М., Бадакова С.А., Пят-кова Л.Н. Применение сканера и ком-

пьютерных программ цифровой обработки изображений для количественного определения сорбированных ве-ществ//Журн. аналит. химии. 2004. Т. 59. № 2.

2. Иванов В.М., Кузнецова О.В. Химическая цветометрия: возможности метода, области применения и перс-пективы//Успехи химии. 2001. Т. 70. № 5.

3. Хрипушин В.В., Байдичева О.В., Рудакова Л.В., Рудаков О.Б. Определение цветности растительных масел с применением цифровой фотографии// Масложировая промышленность. 2007. № 2.

4. Глущенко Н.Н., Плетенева Т.В., Попков В.А. Фармацевтическая химия. - М.: Изд. центр «Академия», 2004.

5. Биологически активные добавки к пище. Полная энциклопедия/Сост. Н.А. Натарова. - СПб.: ИД «Весь», 2001.

6. Шапиро Л., Стокман Дж. Компьютерное зрение/Пер.с англ. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006.

7. Рошаль Е.Р. Определение аминокислот в виде комплексов с медью// Химико-фармацевтический журнал. 1988. № 6.

www.rigafood.com

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.