Методы исследования свойств сырья и продуктов питания

К настоящему времени изучены и систематизированы  инфракрасные спектры более чем 20 000 соединений, что существенно облегчает практическое проведения анализа. Для получения первых ориентировочных данных часто пользуются так называемой картой Колтупа, на которой указаны спектральные области многих характеристических частот. Для окончательных выводов обычно требуется более тщательный анализ спектра. Иногда задача качественного анализа может быть решена простым сопоставлением спектра известного соединения и анализируемого вещества.

Количественный  анализ по инфракрасным спектрам основан  на применении закона Бугера-Ламберта-Бера. Чаще всего здесь используется метод градуировочного графика.

Применение  ИК-спектроскопии чаще оказывается  более полезным в качестве дополнительного метода при проведении идентификации чистых веществ после хроматографического разделения сложных компонентов пищевых продуктов. Инфракрасный спектр органического соединения является одним из наиболее однозначных физических свойств вещества. ИК-спектр более точно характеризует вещество, чем температура плавления, показатель преломления или плотность. При этом совсем не обязательно иметь образец известного для сравнения с определенным, а достаточно сопоставить полученный спектр с опубликованными кривыми поглощения. Однако для идентификации вещества необходимо знать, к какому классу органических соединений относится определяемое вещество.

Метод ИК-спектроскопии  используется для определения содержания в пищевых продуктах витаминов А, К, В₁, В₂, В₆, С, никотиновой кислоты, токоферолов и каротина. В комбинации с хроматографией ИК-спектроскопию можно применить для исследования ароматических веществ и ряда органических соединений. 

Молекулярно-люминесцентная спектрометрия

Люминесценцией называют свечение атомов, ионов, молекул и других более  сложных частиц вещества, которое  возникает в результате перехода в них электронов при возвращении из возбужденного состояния в нормальное. Чтобы вещество начало люминесцировать, к нему необходимо извне подвести определенное количество энергии. Частицы вещества, поглощая энергию, переходят в возбужденное состояние, пребывая в нем некоторое время. Затем они возвращаются в состояние покоя, отдавая при этом часть энергии возбуждения в виде квантов люминесценции.

С помощью  люминесцентного анализа (ЛА) можно  обнаружить в исследуемом образце  присутствие вещества в концентрации 10^-11 г/г. Качественный и количественный ЛА используют для определения некоторых витаминов в пищевых продуктах, содержание белков и жиров в молоке, исследование свежести мяса и рыбы, диагностики порчи овощей, плодов и обнаружения в продуктах питания консервантов, лекарственных препаратов, канцерогенных веществ, пестицидов. 

Свечение, возникающее под действием световых лучей оптического диапазона ультрафиолетовых (УФ) и видимых частот, носит название фотолюминесценции, которая в зависимости от вида возбужденного уровня и времени пребывания в нем подразделяется на флуоресценции и фосфоресценцию.

Флуоресценция – это вид собственного свечения вещества, которое продолжается только при облучении. Если источник возбуждения устранить, то свечение прекращается мгновенно или спустя не более 0,001 сек. Фосфоресценцией называют собственное свечение вещества, которое продолжается после отключения возбуждающего света.

Метод флуориметрии применяют для чувствительного  определения очень малых количеств элементов при анализе органических веществ, при определении малых количеств витаминов, гормонов, антибиотиков, канцерогенных соединений и др. Основным преимуществом флуориметрии по сравнению с другими абсорбционными методами является высокая селективность, так как флуоресценцией обладает значительно меньшее число веществ (прежде всего ароматические соединения и порфирины). Ряд соединений можно перевести во флуоресцирующие, введя в молекулу флуоресцирующую группу, т.е. флуорофор (люминифор).

Атомная  спектроскопия

В атомной спектроскопии вещества исследуют, переводя их в состояние  атомного пара – атомно-абсорбционная  спектроскопия (ААС) или газообразное состояние – атомно-эмиссионная спектроскопия (АЭС).

В атомно-абсорбционной  спектроскопии для возбуждения  атомов используют тепловую энергию. Распыляя образец в пламени, соединения переводят в атомный пар (атомизация). Большинство атомов возбуждаясь, переходит на более высокий энергетический уровень. При обратном переходе происходит выделение энергии. В процессе облучения атомов исследуемого элемента, находящихся в состоянии пара, линейчатым излучением того же самого элемента в возбужденном состоянии происходит резонансное поглощение. Этот процесс сопровождается уменьшением интенсивности линейчатого излучения. Измеряемое поглощение является мерой концентрации свободных атомов образца.

В атомно-эмиссионной  спектроскопии возбуждения происходят при помощи электрических зарядов. При этом создаются высокие температуры, благодаря которым большинство  атомов переходит в возбужденное состояние. Поглощение энергии этими  атомами невозможно, поэтому происходит эмиссия (испускание) фотонов возбужденных атомов.

Определение элементов в большинстве случаев  – металлов в атомной спектроскопии  проводят чувствительным селективным  методом при длине волны, характерной для каждого элемента.

Пределы обнаружения элементов методом  атомной спектроскопии достигают 10^-12 – 10^-14 г.

Метод атомной  спектроскопии находит широкое  применение в химии, биохимии, экологии и др., а также в анализе различных  видов сырья и пищевых продуктов. Метод позволяет определить около 70 различных элементов; используется для одновременного определения  большого числа элементов (многоэлементнрый анализ); для серийного анализа, благодаря высокой чувствительности и быстроте.

Спектроскопия магнитного резонанса.

Масс-спектроскопия

Применение радио- и микроволновой  областей электромагнитного спектра в аналитической химии и физико-химических исследованиях основывается на явлениях ядерного магнитного и электронного парамагнитного резонансов.

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) изучает  магнитный резонанс, возникающий  в результате взаимодействия магнитного момента ядра с внешним магнитным полем. С помощью метода ЯМР можно исследовать ядра с собственным моментом количества движения (спин ядра) и связанным с ним магнитным моментом ядра.

Вещество, исследуемое методом ЯМР, помещают одновременно в два магнитных  поля – одно постоянное, а другое радиочастотное. Измерение осуществляют на ЯМР-спектрометре, основными составляющими элементами которого являются: электромагнит (в простых приборах используют постоянный магнит); генератор радиочастотного излучения; датчик, в который помещают пробирку с образцом; электронный усилитель и интегратор; самописец.

Методы  ЯМР значительно производительнее по сравнению с базовыми методами анализа и во многих случаях отличаются меньшей погрешностью определения, вместе с тем они требуют использования специально подготовленных образцов сравнения и иногда взвешивания пробы. Данные методы используют в основном для оценки состояния и свойств воды и жира в сырье и готовой продукции.

Масс-спектрометрия  занимает особое положение среди  спектроскопических методов. В строгом смысле слова этот метод не является спектрометрическим, так как вещество при анализе не подвергается воздействию электромагнитного излучения. Этот метод получил свое название из-за формального сходства и графического изображения масс-спектров со спектрами спектроскопических методов. Масс-спектроскопия основана на изучении тока от фрагментов ионов, полученных из нейтральных молекул вещества путем воздействия на них пучка электронов.

Метод масс-спектрометрии  применяют в научно-исследователь-ской практике для идентификации соединений и установления строения неизвестных веществ, точного определения молекулярной массы, определения элементного состава, анализа следовых количеств биологически активных соединений, определения аминокислотной последовательности пептидов, анализа многокомпонентых смесей и т.п.

2.2 Рефрактометрия и поляриметрия

Рефрактометрический и поляриметрический  оптические методы широко используют в практике анализа пищевых продуктов.

При прохождении  через поверхность раздела двух сред световой луч отклоняется от первоначального направления, т.е. преломляется. Величина угла отклонения зависит орт  концентрации и температуры среды. Угол падения и преломления связан соотношением, которое называется показателем  преломления. Рефрактометрия основана на измерении показателя преломления.

      Некоторые вещества обладают  оптической активностью. Они способны вращать плоскость поляризованного луча. Метод поляриметрии основан на определении угла вращения поляризованного луча.

Рефрактометрия

Если монохроматический луч  А проходит через поверхность  раздела двух сред, то одна часть  света  отражается от поверхности раздела, а другая часть В проходит через вторую среду, изменяя при этом направление (рисунок 2.1). Эту часть монохроматического света называют преломленным светом. Преломление луча света описывается законом Снелля:

        (2.1)

где  α – угол падения, град;

β – угол преломления, град;

n₁, n₂ – показатель преломления 1-й и 2-й сред.

 

Рисунок 2.1 –  Схема преломления лучей света

Метод рефрактометрии основан на определении  показателя преломления (рефракции). Показатель преломления зависит от температуры и концентрации раствора, а также от длины волны проходящего света.

Так как  показатель преломления зависит  от такого фактора, как температура, поэтому рефрактометрические измерения  принято выполнять при температуре 20⁰С. При отклонении температуры от 20⁰С вводят соответствующие температурные поправки.

Для измерения  показателя преломления жидких веществ  и растворов применяют приборы, называемые рефрактометрами. Большинство рефрактометров устроено так, что исследуемое вещество помещается между двумя призмами (двумя половинами призмы). Свет, пропущенный через призму, преломляясь или отражаясь от границы раздела сред (призма-вещество), освещает только часть шкалы, образуя достаточно резкую границу света и тени. Положение этой границы на шкале зависит от угла полного внутреннего отражения исследуемого вещества. На шкале указаны показатели преломления, соответствующие различным значениям угла полного внутреннего отражения.

Для определения  составных частей сырья и готовой  продукции используют различные  рефрактометры ИРФ-454, ИРФ-464 и др.

Все измерения  проводят в белом свете. Показатель преломления прозрачных сред определяют в проходящем свете, а полупрозрачных – в отраженном.

Рефрактометрию  широко применяют при установлении концентрации углеводов в различных продуктах, массовой доли сухих веществ. Этим методом пользуются также для количественного определения жиров в пищевых продуктах, для пофазного контроля в процессе производства пищевых продуктов – кондитерских, напитков, некоторых видов консервов и т.д.

Поляриметрия

Атомы молекул некоторых веществ  способны поляризоваться, т.е. приобретать  дипольный момент в электрическом  поле. Поляризация атомов обусловлена смещением в молекуле атомов разного типа, что связано с несимметричным распределением в молекуле электронной плотности – ассиметрические атомы. Вещества, содержащие такие атомы, обладают оптической активностью. Они способны вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через исследуемое вещество света. Метод исследования веществ, основанный на измерении величины угла вращения плоскости поляризации света при прохождении его через оптически активные вещества, называется поляриметрией. Величина такого вращения в растворах зависит от их концентрации, поэтому поляриметрию широко применяют для измерения концентрации оптически активных веществ, например сахаров.

Вещества, обладающие свойством изменять направление  колебаний при прохождении через них поляризованного света, называются оптически анизотропными, или оптически активными.

Оптическая  активность веществ обусловлена  особенностями строения кристаллической  решетки - в этом случае вещества проявляют   оптическую   активность   только   в   твердом кристаллическом состоянии, или особенностями строения молекул - оптическая активность таких веществ проявляется только в растворах.

К веществам последней группы относятся  главным образом такие органические вещества, как сахароза, фруктоза, глюкоза, винная кислота.    Поляриметрический    метод    разработан    для количественного определения веществ именно этой группы.

Оптическая  активность вещества характеризуется  удельным вращением, под которым  понимается угол, на который повернется плоскость поляризации при прохождении  поляризованного луча через раствор, в 1 мл которого содержится 1 г растворенного вещества, при толщине слоя раствора (длине поляризационной трубки), равной 1 дм.

Под  плоскостью  поляризации  понимается  плоскость, проходящая  через  поляризованный  луч  перпендикулярно направлению его колебаний.