CC BY
53
УДК 543.552
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НОВЫХ ОРГАНОМОДИФИЦИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОДОВ В КОНТРОЛЕ КАЧЕСТВА СОКОВ И НЕКТАРОВ
О.А. Мартынюк, Г.Б. Слепченко, В.А. Приходько, П.С. Постников, М.Е. Трусова
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Разработан вольтамперометрический способ определения водорастворимых витаминов на модифицированных графитовых электродах. Предложен новый органо-модифицированный тозилатными солями арилдиазония электрод. Оптимизированы условия определения и разработана методика количественного химического анализа водорастворимых витаминов на органо-модифицированных электродах в соках и нектарах. Проведена проверка правильности результатов методом «введено-найдено». Предложенная методика определения витаминов на модифицированных электродах позволяет повысить чувствительность в 3...4 раза иуменьшить погрешность определения до 14.18 %.
Ключевые слова:
Вольтамперометрия, диазониевые соли, графитовый электрод, органомодифицированные электроды, сок, витамины. Key words:
Voltammetry, diazonium salts, the graphite electrode, the organo-modified electrodes, juice, vitamins.
Натуральные и витаминизированные соки относятся к продуктам массового потребления. В них содержатся незаменимые пищевые вещества: витамины, минеральные соли, микроэлементы. Это предъявляет повышенные требования к контролю за качеством соков и совершенствованию методов количественного определения витаминов в этих продуктах.
Простейшими методами определения водорастворимых витаминов являются химические и микробиологические [1, 2]. Методы сравнительно простые, однако отличаются малой специфичностью, невысокой чувствительностью и не нашли широкого применения для анализа витаминов в многокомпонентных смесях [3, 4]. Широко распространены оптические методы определения во-дорастовримых витаминов [5]. Флуориметриче-ские методы определения витаминов В1 и В2 рекомендованы нормативными документами и чаще всего используются в современных лабораториях. Широкое распространение для анализа также получили различные варианты хроматографии [6-8].
Согласно ГОСТ Р 24556-89 определение витамина С в продуктах переработки плодов и овощей осуществляется следующими методами: титриме-трически, фотометрически и флуорометрически [9]. Флуорометрический и люминофлавиновый методы применяются для определения витаминов В1 и В2 в продуктах переработки овощей и фруктов (ГОСТ Р 25999-83) [10]. Ограниченное использование данных методов связано в первую очередь с их трудоемкостью, они требуют больших затрат времени и дорогостоящих реактивов. Наряду с этими методами широко используются электрохимические методы анализа. Возрастающий интерес к данным методам анализа связан с рядом достоинств: широкий диапазон определяемых концентраций, экспрессность, простота аппаратурного оформления и относительно невысокая стоимость оборудования. Одним из наиболее универсальных электрохимических методов контроля качества
продуктов питания является вольтамперометриче-ский (ВА) метод анализа (ГОСТ Р 52690-2006) [11].
Используемый в ВА методе определения витаминов С и В2 стеклоуглеродный электрод, отличается сложной технологией изготовления, коротким сроком службы и вследствие прочной адсорбции органических веществ сложного состава (аминокислоты, белки) - долгой процедурой очистки между анализами. Для ВА анализа витамина В1 используют ртутно-пленочный электрод, который получают нанесением токсичной металлической ртути на поверхность серебряной проволоки. Поэтому на сегодняшний момент актуален вопрос поиска электродов для ВА анализа, отличающихся простотой в изготовлении, долгим сроком службы, возможностью обновления поверхности электрода и ограниченным использованием токсичных веществ для их изготовления.
Модификация поверхностей электродов путем ковалентного связывания с некоторыми органическими функциональными группами приводит к увеличению селективности и чувствительности определения органических и неорганических веществ. В литературе описано применение угольно-пастовых и стеклоуглеродных электродов, модифицированных различными органическими веществами, в частности нафионом, каликсаренами, никель (II) тетраазовым макроциклом [12].
Практическое применение таких электродов осложнено главным образом сложной технологией приготовления, невысокой селективностью и чувствительностью. Наиболее перспективными органическими агентами для поверхностной модификации электродов являются тетрафторбораты арилдиазония АгК2+ВР4-, которые в ходе электролиза обеспечивают ковалентное связывание функциональных групп Аг с поверхностью электрода. Однако, тетрафторбораты арилдиазония, как правило, обладают низкой растворимостью, что ограничивает возможности их использования для поверхностной модификации [13].
Целью исследования являются разработка новых ВА способов определения водорастворимых витаминов (С, В; и В2) на органо-модифицирован-ных электродах и ВА методики их определения в соках и нектарах.
Экспериментальная часть
Все электрохимические измерения проводили с использованием вольтамперометрического комплекса СТА [ 14] с трехэлектродной системой и ступенчатой разверткой потенциала. В качестве подложки модифицированного индикаторного электрода использовали графит, пропитанный смесью полиэтилена и парафина под вакуумом - графитовый электрод (ГЭ). Электродом сравнения служил насыщенный хлоридсеребряный электрод (нас.х.с.). Измерения проводились при температуре 20 °С и отсутствии кислорода, который удаляли из раствора током азота с массовой долей кислорода не более 0,01 % (ГОСТ 9293-74).
Процесс электрохимического окисления витамина В2 проводили в растворе соляной кислоты 0,01 моль/л на модифицированном графитовом электроде при потенциале, равном -(0,2...0,15) В относительно нас.х.э.
Процесс электрохимического восстановления витамина В1 проводили в растворе двузамещенно-го гидрофосфата натрия 0,1моль/л на модифицированном графитовом электроде при потенциале -(1,2. 1,4) В относительно нас.х.э.
Процесс электрохимического окисления витамина С проводили в растворе 0,1 М KCl, подкисленным 0,1 М HCl до рН 3.4 на модифицированном графитовом электроде при потенциале 0,35.0,55 В относительно нас.х.э.
Растворы фоновых электролитов - 0,1 М раствор КС1 (ч.д.а.), подкисленный 0,1 М НС1 (для витамина С), 0,01М НС1 (для витамина В2), 0,1 М Na2HPO4 (ч.д.а.) (для витамина В;) готовили растворением навески или разбавлением кислоты в биди-стиллированной воде до нужной концентрации. Основные растворы витаминов (ОАО «Алтайвитами-ны», г. Бийск) готовили растворением навески сухого порошка витамина в бидистиллированной воде. Арилдиазоний тозилаты ArN2+OTs- (Ar=p-NH2C6H4; p-NO2C6H4; p-HOOCC6H4) получали по методу [15].
Результаты и обсуждение
Ранее авторами был предложен способ поверхностной модификации графитовых электродов арилдиазоний тозилатами ArN2+OTs- [16], которые обладают стабильностью, безопасностью в обращении и в отличие тетрафторборатов, широко используемых для поверхностной модификации, хорошо растворимы в воде и многих органических растворителях. Были получены поверхностно модифицированные графитовые электроды путем выдерживания электрода в водных растворах диа-зониевых солей 4-RC6H4N2+TsO- (R=COOH, NH2, NO2). Реакция протекает в течение 5.10 си в результате на поверхности электрода формируются
ковалентно связанные с углеродом органические слои, содержащие соответствующие функциональные группы 4^С6Нг. Процесс модификации можно представить следующей схемой: С+4^С6Н4М2+ТЗО-^С-С6НД+М2+ТЗОН+М2+ТЗО-, где С - поверхность графитового электрода.
При сравнении модифицированных электродов с различными заместителями было замечено, что аналитический сигнал определяемого вещества больше при использовании электрода, модифицированного арилдиазоний тозилатами с карбоксильной (ГЭ-СООН) или аминогруппой (ГЭ-КН2) по сравнению с нитрогруппой (ГЭ-К02), а также от заместителя модификатора [16] (рис. 1).
¿11/¿1Е, мкА/мВ
2.5 ,-
Рис. 1. Гоадуировочная зависимость электроокисления витамина С на модифицированных графитовых с различными заместителями: 1) ГЭ-СООН; 2) ГЭ-ЫН2; 3) ГЭ-Ы02 и графитовом (4) электродах
Органо-модифицированные электроды ГЭ-СООН были использованы для ВА определения витаминов С и В2. На рис. 2 приведена полученная воль-тамперограмма для витамина В2 (концентрация витамина В2 в растворе 2,0 мг/л).
Для получения аналитических сигналов витамина В1 на поверхность графитового и модифицированных различными заместителями электродов предварительно электрохимически была нанесена ртуть (ГЭ-Н§-СООН). Полученная вольтамперо-грамма для витамина В1 представлена на рис. 3 (концентрация витамина В1 в растворе 2,0 мг/л).
На примере модифицированного графитового электрода ГЭ-СООН было исследовано влияние концентрации модификатора и времени контакта графитового электрода с раствором диазониевой соли на аналитический сигнал витамина В2. Оптимальной для приготовления ГЭ-СООН концентрацией арилдиазоний тозилатов является 0,1 ммоль/л, дальнейшее увеличение его концентрации приводит к снижению аналитического сигнала. Время контакта подложки графитового элек-
трода с раствором диазониевой соли с карбоксильным заместителем в пределах 5...10 с сравнительно мало влияет на величину аналитического сигнала, однако при увеличении времени контакта (от 15 до 30 с) наблюдается его снижение (табл. 1).
В2
Таблица 1. Зависимость тока пика витамина В2 отусловий получения ГЭ-СООН, концентрация витамина В2 2,0 мг/л, фон - 0,01М HCl
Рис. 2. Вольтамперограммы витамина В2: 1) фон 0,01М HCl; 2) витамин В2 на ГЭ; 3) витамин В2 на ГЭ-СООН
<< ш г-- -0 ,87G В -1 ,530 В
0.110 В
1.813 иг/ i
3
/ / 2
/ г
/ / /
У у /
<с ш Г--
Концентрация соли 4-СООНС6Н41\12+ TsO-, ммоль/л Время погружения, с Ток пика, мкА
0,1 5 1,35+0,19
0,1 10 2,03±0,28
1,0 5 1,44+0,20
1,0 10 1,34+0,19
2,0 5 1,33+0,19
2,0 10 1,29+0,18
3,0 5 1,15+0,16
3,0 10 1,04+0,15
На основе проведенных исследований предложены условия вольтамперометрического определения витаминов С, В2 на ГЭ-СООН, а витамина В1 на ГЭ-Щ-СООН и разработан алгоритм пробо-подготовки для вольтамперометрического определения этих веществ в соках и сокосодержащих продуктах.
В качестве анализируемых объектов были взяты апельсиновый и яблочный соки различных марок, распространяемых на территории г. Томска и Томской области.
Правильность результатов была подтверждена методом «введено-найдено» (табл. 2).
Таблица 2. Результаты вольтамперометрического определения водорастворимых витаминов в соке «Фрутто-няня» (ОАО «Лебедянский» ТУ9163-074-18008485-08) методом «введено-найдено»
Определяемый витамин Содержание витаминов, мг/100 мл Погрешность определения, %
Проба Введено Найдено
С 16,60+2,32 10,0 27,27+3,82 14
В, 0,30+0,04 0,5 0,73+0,10 18
В2 0,34+0,01 0,5 0,74+0,12 15
Рис. 3. Вольтамперограммы витамина В: 1) фон 0,1М №-2НР04; 2) витамин В, на ГЭ; 3) витамин В, на ГЭ-Нд-СООН
Данные эффекты можно объяснить образованием многослойных и менее прочных покрытий поверхности графитового электрода органическими фрагментами при увеличении концентрации диазониевых солей и продолжительном контакте с электродами.
Полученные электроды сохраняют свою стабильность в работе в течении 15-20 опытов и устойчивы при хранении в бидистиллированной воде не менее 3-4 суток. По истечению срока службы электродов возможна их повторная модификация.
На основе проведенных исследований была разработана методика вольтамперометрического определения витаминов С, В1, В2 в соках и сокосодержа-щих продуктах на модифицированных тозалатны-ми солями арилдиазония электродах. Нами были проанализированы соки «Добрый» и ^7» и проведена сравнительная оценка результатов, полученных по ранее известным ГОСТ Р [11], МУ [17, 18] и предложенной методике определения витаминов на модифицированных электродах (табл. 3). Содержание витамина С в данных соках по рецептуре не менее 20 мг/100 мл. Концентрация определяемых витаминов указана в таблице в мг/100 мл.
Из табл. 3 видно, что предложенная методика определения витаминов С и группы В на модифицированных электродах позволяет повысить чувствительность и уменьшить погрешность определения.
По предложенной методике был проведен анализ содержания водорастворимых витаминов в соках и нектарах известных марок (табл. 4).
Таблица 3. Сравнение результатов вольтамперометрического определения водорастворимых витаминов в соках по ГОСТ Р [11], МУ[17, 18] (числитель) и предложенной методикам (знаменатель)
Наименование сока Содержание витаминов, мг/100 мл
С В] В2
«Добрый» (апельсин) (ЗАО «Мултон», ТУ 9163-001-56232828-2002) 18,35+3,67/21,02+2,94 Менее 0,01/0,008+0,001 Менее 0,02/0,009+0,001
<07» (апельсин) (ОАО «Раменский молочный комбинат», ТУ 9163-052-05269043-05) 18,98+3,79/22,31+3,12 Менее 0,01/0,009+0,002 Менее 0,02/0,012+0,002
Таблица 4. Содержание водорастворимых витаминов в соках и нектарах различных марок (числитель - концентрация по рецептуре (мг/100 мл), знаменатель - экспериментально установленная концентрация (мг/100 мл))
Наименование сока Витамин
С В, В2
«Фрутто-няня» (яблоко-персик), (ОАО «Лебедянский», ТУ 9163-074-18008485-08) 15/16,60+2,32 0,35/0,30+0,04 0,40/0,34+0,05
«Моя семья» с витамином С (яблоко), (ОАО «Нидан соки», ТУ 9163-006-047823324-00) Не менее 20/16,09+4,02 -/- -/-
«Моя семья» (апельсин), (ОАО «Нидан соки», ТУ 9163-008-49085249-02) Не менее 20/18,23+4,56 -/0,007+0,001 -/0,007+0,001
«Я» (апельсин), (ЗАО «Мултон», ТУ 9163-001-56232828-2002) Не менее 20/22,54+3,16 -/0,02+0,003 -/0,04+0,006
Выводы
Предложен способ поверхностной модификации графитовых электродов тозилатными солями арил-диазония, позволяющий повысить чувствительность графитовых электродов в 3...4 раза. Исследовано влияние концентрации используемого модификатора и время контакта графитового электрода с раствором диазониевой соли на аналитический сигнал во-
дорастворимых витаминов (Вь В2 и С). Оптимизированы условия определения и разработана методика количественного химического анализа водорастворимых витаминов С, В^, В2 на модифицированных электродах в соках и нектарах. Погрешность определения составляет 14.18 %.
Работа поддержана грантом РФФИ № 09-04-13643-р-офи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Степанова Е.Н., Сапожникова Г.А., Нефедова Р.С. Сравнительное изучение различных методов определения витаминов в пищевых продуктах // Вопросы питания. - 1969. - Т. 28. -№5. - С. 14-18.
2. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. - М.: Медицина, 1983. - 728 с.
3. Hehderleiter J.A., Hystop R.M. The analysis of riboflavin in urine using fluorescence // J. Chem. Educ. - 1996. - V. 73. - № 6. -P. 563-564.
4. Мелентьева Г.А. Фармацевтическая химия. - М.: Медицина, 1976. - 600 с.
5. Зуев И.В. Модификация флуориметрического микрометода для определения витаминов // Медицинский журнал Узбекистана. - 1984. - № 7. - С. 68-70.
6. Lumley I.D., Wiggins R.A. Determination thiamin and riboflavin in foodstuffs using high liquid chromatography // Analyst. - 1981. -V.106. - № 1267. - P. 1103-1108.
7. Augustin Y. Simultaneous determination of thiamin and riboflavin in selected foods by high-performance liquid chromatography // J. Assoc. Offic. Anal. Chem. - 1984. - V. 67. - № 5. - P. 1012-1015.
8. Якушина Л.М. Использование методов высокоэффективной жидкостной хроматографии для определения витаминов в биологических жидкостях и пищевых продуктах // Вопросы питания. - 1993. - № 1. - С. 43-48.
9. ГОСТ Р 24556-89. Продукты переработки плодов и овощей. Методы определения витамина С.
10. ГОСТ Р 25999-83. Продукты переработки плодов и овощей. Методы определения витаминов В] иВ2.
11. ГОСТ Р 52690-2006. Продукты пищевые. Вольтамперометриче-ский метод определения массовой концентрации витамина С.
12. Будников Г.К., Майстренко В.Н., Муринов Ю.И. Вольтампе-рометрия с модифицированными и микроэлектродами. - М.: Наука, 1994. - 239 с.
13. Berger F., Delhalle J., Mekhalif Z. Hybrid coating on steel: ZnNi electrodeposition and surface modification with organothiols and diazonium salts // Electrochimica Acta. - 2008. - V. 53. - № 6. -P. 2852-2861.
14. ТУ 4215-001-20694097-98. Комплекс СТА аналитический вольтамперометрический. Технические условия.
15. Filimonov V.D., Trusova M.E., Postnikov P.S., Krasnckutskaya E.A., et al. Unusually Stable, Versatile, and Pure Arenediazonium Tosyla-tes: their Preparation, Structures, and Synthetic Applicability // Org. Lett. - 2008. - V. 10. - № 8. - P. 3961-3964.
16. Слепченко Г.Б., Мартынюк О.А., Постников П.С., Трусова М.Е., Фам Кам Ньюнг, Филимонов В.Д. Новые возможности вольтамперометрического определения фармацевтических препаратов на органо-модифицированных электродах // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2009. -Т. 75. - № 12. - С. 10-14.
17. МУ 08-47/164. Овощи, фрукты, ягоды и продукты их переработки, продукты детского питания. Вольтамперометрический метод определения массовой концентрации витамина В!.
18. МУ 08-47/144. Продукты детского питания, соки, фрукты, ягоды и витаминизированные препараты. Вольтамперометриче-ский метод определения массовой концентрации витамина В2.
Поступила 27.05.2010 г.
