Классификация и характеристика методов исследования пищевых продуктов.
Понятие и методы качественного и количественного анализа.
Основные характеристики растворов.
1. Классификация и характеристика методов исследования пищевых продуктов
При оценке показателей качества пищевых продуктов, как правило, используют органолептический и лабораторный методы.
Лабораторные методы широко применяются для установления химического состава, доброкачественности, физических и других свойств пищевых продуктов, а также для изучения процессов, происходящих в продуктах при технологической обработке и во время хранения. В зависимости от способов получения результатов эти методы подразделяют на:
-физические;
-физико-химические;
-химические;
-биохимические;
-микробиологические;
-физиологические;
-технологические.
Осуществляют лабораторные методы с помощью приборов и химических реактивов, поэтому полученные результаты выражают конкретными величинами, которые отличаются большой точностью и выражаются в количественных показателях (в %, г и др.).
^ Физические и физико-химические методы
Физические и физико-химические методы характеризуются быстротой выполнения анализа, высокой степенью точности и малым количеством продукта, необходимого для анализа. Физические методы основаны на использовании физических свойств объектов исследования. Из физических методов в исследованиях качества продуктов чаще всего применяют поляриметрию, рефрактометрию и реологические методы. Физическими методами определяют относительную плотность продукта, температуры плавления и застывания продуктов, оптические показатели и др. Физико-химические методы основаны на изучении зависимости между физическими свойствами и составом анализируемого вещества. Из физико-химических методов для исследования качества продуктов пользуются хроматографическим, потенциометрическим, фотометрическим, люминесцентным, кондуктометрическим, нефелометрическим методами, спектроскопией и др.
|
|
Поляриметрия основана на способности некоторых оптически активных веществ вращать плотность поляризованного луча, проходящего через их растворы, в приборе (поляриметре, сахариметре). Поляриметрию обычно используют для установления вида сахара (сахарозы, глюкозы, мальтозы, фруктозы) и определения его концентрации в растворе.
С помощью рефрактометрии определяют содержание в продукте жира, влаги, спирта, сахара и других веществ, определяют качество жиров. Этот метод основан на измерении показателя преломления света в рефрактометре при прохождении его через жидкий продукт.
Реологические методы применяют для изучения структурно-механических свойств пищевых продуктов. Эти свойства проявляются при механическом воздействии на продукты и характеризуют их поведение под действием, приложенной извне механической энергии. С помощью реологических методов определяют упруговязкие характеристики теста, вязкость мясного фарша, прочность крахмального клейстера, консистенцию маргарина и т.д.
С помощью хроматографии изучают содержание и изменение химических веществ в процессе производства и хранения пищевых продуктов, природу и количество ароматических и красящих веществ, аминокислотный состав белков, жирнокислотный состав, содержание витаминов, органических кислот, сахаров, наличие ядохимикатов и фальсификацию пищевых продуктов.
|
|
Хроматографический метод отличается высокой чувствительностью. Принцип хроматографического анализа основан на том, что вещества, близкие по своим свойствам, обладают различной адсорбционной способностью, поэтому при прохождении через сорбент они разделяются.
Потенциометрический метод основан на определении потенциала между электродом, насыщенным водородом, и жидкостью, имеющей водородные ионы. Этот метод широко используется для измерения рН.
рН - это отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов. В нейтральной среде рН равно 7,0, в кислой - меньше 7, в щелочной - больше 7.
Концентрация свободных ионов водорода характеризует качество большинства пищевых продуктов. Этот показатель можно применять для контроля биохимических процессов, происходящих при переработке и хранении пищевых продуктов, с активной кислотностью среды теснейшим образом связана жизнедеятельность микроорганизмов, по величине рН можно судить о свежести мяса и некоторых других продуктов.
Измерение рН можно осуществить на приборах, которые называются рН-метром или потенциометром.
^ Фотометрические методы основаны на взаимодействии лучистой энергии с анализируемым веществом. Они позволяют определить компоненты химического состава пищевых продуктов и судить об их свежести, доброкачественности. К этим методам относятся фотоколориметрия, спектрофотометрия, люминесцентный анализ и др.
|
|
Фотоколориметрический и спектрофотометрический методы основаны на избирательном поглощении света анализируемым веществом.
^ Фотоколориметрические методы определения концентрации вещества основаны на сравнении поглощения или пропускания света стандартным и исследуемым окрашенным раствором, причем степень поглощения регистрируется специальным оптическим прибором - колориметром с фотоэлементами (фотоколориметром).
Спектрофотометрия основана на измерении оптической плотности и процента пропускания световых потоков определенной длины волны через исследуемый раствор и эталон на спектрофотометре.
Спектрофотометры применимы для анализа как одного вещества, так и систем, содержащих несколько компонентов. Кроме того, они позволяют работать как с окрашенными растворами, так и с бесцветными.
Фотоколориметрическим и спектрофотометрическим методами можно установить содержание, кофеина в чае и кофе, теобромина в какао, красящих веществ в плодах и овощах, в виноградных винах, содержание аммиака, нитритов и нитратов в мясных продуктах, свинца - в консервах, некоторых витаминов, цветность сахара и пищевых жиров и т. д.
Люминесцентный анализ позволяет установить природу и состав исследуемого продукта. Этот метод основан на способности многих веществ после облучения их ультрафиолетовыми лучами испускать в темноте видимый свет различных оттенков. Белки, жиры и углеводы дают люминесцентное свечение определенных оттенков, которое меняется при изменении их состава. Так, свежая рыба при облучении дает голубой свет, если же она начала портиться, то свет становится фиолетовым.
Люминесцентным методом можно обнаружить примесь маргарина в животных жирах, примесь плодово-ягодных вин в виноградных винах. Его используют для выяснения характера заболеваний плодов и овощей. По интенсивности люминесценции определяют порчу мяса, рыбы и овощей, наличие пестицидов и канцерогенных веществ в продуктах.
^ Кондуктометрический метод основан на измерении электропроводности материалов. С помощью этого метода определяют титруемую кислотность тёмноокрашенных продуктов (виноградных вин, плодово-ягодных соков), влажность сыпучих продуктов (эерно, мука, сахар-песок, кофе и др).
^ Нефелометрическим методом на основе определения количества света, рассеянного частицами суспензии, устанавливают степень мутности растворов прибором нефелометр.
Спектроскопия используется в товароведных исследованиях для количественного и качественного анализов пищевых продуктов. Спектральный метод анализа основан на изучении спектров паров исследуемых веществ. С помощью этого метода можно определять состав и количество макро- и микроэлементов, содержание в пище витаминов А, К, В1, В2, В6, никотиновой кислоты, каротина и др.
^ Химические и биохимические методы
Химические и биохимические методы используют для установления химического состава пищевых продуктов, количественного и качественного определения в продуктах различных компонентов. С их помощью можно судить об изменениях, происходящих в пищевых продуктах при производстве, транспортировании и хранении. Химические и биохимические методы - это методы аналитической, органической и биологической химии, основанные на химических свойствах веществ, их способности принимать участие в какой-либо специфической химической реакции с определенными реактивами. Эти методы проводятся с использованием приемов весового и объемного анализов.
В товароведной практике химические методы широко используют для установления соответствия показателей качества пищевых продуктов требованиям стандартов. Определение сахаров основано, например, на их способности окисляться в щелочной среде солями тяжелых металлов. Кислотность продуктов устанавливают титрованием раствором едкой щелочи в присутствии индикатора, а в окрашенных растворах с помощью рН-метра.
С помощью биохимических методов изучают интенсивность дыхания плодов и овощей, изменение сахаро- и газообразующей способности муки, процессы гидролиза и автолиза при созревании мяса и др. Так, интенсивность дыхания плодов и овощей определяют по количеству поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа.
^ Микробиологические методы
Микробиологические методы служат для установления степени обремененности пищевых продуктов микроорганизмами. При этом определяют как общее их содержание, так и вид микробов, наличие в продуктах бактерий, вызывающих пищевые отравления и заболевания. При проведении микробиологических методов широко применяют микрокопирование.
Микробиологическими методами можно также определить содержание в пищевых продуктах витаминов, биологически активных веществ и др.
^ Физиологические методы
Физиологические методы анализа проводят главным образом на подопытных животных и птицах. Физиологические методы исследования качества пищевых продуктов применяют для определения усвояемости пищи, реальной энергетической ценности и т.д.
^ Технологические методы
Технологическими методами пользуются для установления степени пригодности продукта к промышленной переработке, а также для определения свойств продуктов, проявляющихся в процессе их употребления. Так, при изучении хлебопекарных свойств муки обязательно проводят пробную выпечку хлеба и определяют в нем объемный выход, цвет и характер корки, пористость, цвет, эластичность, липкость мякиша и другие показатели.
^ 2. Понятие и методы качественного и количественного анализа
Качественный и количественный анализ являются предметом аналитической химии. Аналитическая химия занимается исследованием экспериментальных методов определения состава веществ. Определение состава веществ включает выявление природы компонентов, из которых состоит исследуемое вещество, и установление количественных соотношений этих компонентов.
Сначала устанавливают качественный состав исследуемого объекта, т.е. решают вопрос, из чего он состоит, а затем приступают к определению количественного состава, т.е. узнают, в каких количественных соотношениях обнаруженные составные части находятся в объекте исследования.
^ Качественный анализ вещества можно проводить химическими, физическими, физико-химическими методами.
Химические методы анализа основаны на применении характерных химических реакций для установления состава анализируемого вещества.
Химический анализ вещества проводят двумя способами: «сухим путем» или «мокрым путем». ^ Анализ сухим путем - это химические реакции, происходящие с веществами при накаливании, сплавлении и окрашивании пламени.
Анализ мокрым способом - это химические реакции, протекающие в растворах электролитов. Анализируемое вещество предварительно растворяют в воде или других растворителях. В зависимости от массы или объема взятого для анализа вещества, от применяемой техники различают макро-, полумикро- и микрометоды.
Макрометод. Для проведения анализа берут 1-2 мл раствора, содержащего не менее 0,1 г вещества, и добавляют не менее 1 мл раствора реактива. Реакции проводят в пробирке, осадок отделяют фильтрованием. Осадок на фильтре промывают от примесей.
Полумикрометод. Для анализа берут в 10-20 раз меньше вещества (до 0,01 г). Так как в этом методе работают с малыми количествами вещества, то пользуются микропробирками, часовыми или предметными стеклами. Для отделения осадка от раствора применяют центрифугирование.
Микрометод. При выполнении анализа данным методом берут одну-две капли раствора, а сухого вещества - в пределах 0,001г. Характерные реакции проводят на часовом стекле или фарфоровой пластинке.
При проведении анализа пользуются следующими операциями: нагревание и выпаривание, осаждение, центрифугирование, проверка полноты осаждения, отделение раствора (центрифуга) от осадка, промывание и растворение осадка.
Нагревание растворов можно вести непосредственно пламенем газовой горелки, на асбестовой сетке или водяной бане. Небольшое количество раствора нагревают до температуры, не превышающей 100°С, на водяной бане, вода в которой должна кипеть равномерно.
Для концентрирования растворов применяют водяную баню. Выпаривание раствора до сухого остатка проводят в фарфоровых чашках или тиглях, нагревая их на асбестовой сетке. Если сухой остаток после выпаривания необходимо прокалить для удаления летучих солей, то тигель ставят на фарфоровый треугольник и нагревают пламенем газовой горелки.
Осаждение. Реакцию осаждения проводят в конических колбах или цилиндрической пробирках. В исследуемый раствор приливают пипеткой реактив-осадитель. Осадитель берут в избытке. Смесь тщательно перемешивают стеклянной палочкой и потирают о внутренние стенки пробирки, это ускоряет процесс образования осадка. Осаждение часто ведут из горячих растворов.
Центрифугирование. Осадок отделяют от раствора центрифугированием, используя ручную или электрическую центрифугу. Пробирку с раствором и осадком помещают в гильзу. Центрифуга должна быть загружена равномерно. При быстром вращении центробежная сила отбрасывает частицы осадка на дно и уплотняет его, а раствор (центрифугат) становится прозрачным. Время вращения составляет от 30 с до нескольких минут.
^ Проверка полноты осаждения. Пробирку осторожно вынимают из центрифуги и добавляют по стенке 1-2 капли реактива-осадителя к прозрачному раствору. Если раствор не мутнеет, значит осаждение полное. Если же наблюдается помутнение раствора, то в пробирку еще добавляют осадитель, содержимое перемешивают, нагревают и вновь центрифугируют, затем повторяют проверку полноты осаждения.
^ Отделение раствора (центрифугата) от осадка. Убедившись в полноте осаждения, отделяют раствор от осадка. Раствор от осадка отделяют капельной пипеткой. Пипетку закрывают указательным пальцем и осторожно вынимают из пробирки. Если отобранный раствор необходим для анализа, то его переносят в чистую пробирку. Для полного отделения операцию повторяют несколько раз. При центрифугировании осадок может плотно осесть на дно пробирки, тогда раствор отделяют декантацией (осторожно сливают).
^ Промывание осадка. Осадок (если он исследуется) необходимо хорошо отмыть; для этого приливают промывную жидкость, чаще всего дистиллированную воду. Содержимое тщательно перемешивают стеклянной палочкой и центрифугируют, затем промывную жидкость отделяют. Иногда в работе эту операцию повторяют 2-3 раза.
^ Растворение осадка. Для растворения осадка в пробирку добавляют растворитель, помешивая стеклянной палочкой. Нередко растворение осадка ведут при нагревании на водяной бане.
Для определения количественного состава вещества или продукта используются реакции нейтрализации, осаждения, окисления - восстановления, комплексообразования. Количество вещества можно определить по его массе или объему раствора, затраченного на взаимодействие с ним, а также по показателю преломления раствора, его электрической проводимости или интенсивности окраски и т.п.
По количеству взятого для исследования вещества аналитические методы количественного анализа классифицируются следующим образом: макроанализ - 1-10 г твердого вещества, 10-100 мл анализируемого раствора; полумикроанализ - 0,05-0,5 твердого вещества, 1-10 мл анализируемого раствора; микроанализ - 0,001-1-10-4 г твердого вещества, 0,1-1*10-4 мл анализируемого раствора. В товароведной практике часто пользуются гравиметрическим (весовым) и титриметрическим (объемным) методами.
Гравиметрический анализ
Гравиметрический (весовой) анализ - один из методов количественного анализа, который позволяет определять состав анализируемого вещества путем измерения массы. Измерение массы (взвешивание) выполняется на аналитических весах с точностью 0,0002 г. Этот метод часто используется в пищевых лабораториях для определения влажности, зольности, содержания отдельных элементов или соединений. Анализ может быть выполнен одним из следующих способов.
1. Определяемую составную часть количественно (полностью, насколько это возможно) выделяют из исследуемого вещества и взвешивают. Так определяют зольность продуктов. Взвешенный на аналитических весах исходный продукт (навеску) сжигают, полученную золу доводят до постоянной массы (прокаливают до тех пор, пока не перестанет изменяться масса) и взвешивают.
Зольность продукта х (%) рассчитывают по формуле
где В - масса прокаленной золы, г;
А - исходная навеска продукта, г.
2. Из навески исходного вещества полностью удаляют определяемую составную часть и остаток взвешивают. Так определяют влажность продуктов, при этом навеску исходного вещества высушивают в сушильном шкафу до постоянной массы.
Влажность продукта х (%) рассчитывают по формуле
где А – исходная навеска продукта, г;
В – масса навески после высушивания, г.
^ Объемный анализ
Объемный анализ - метод количественного анализа, где искомое вещество определяют по объему реактива с точно известной концентрацией, затраченному на реакцию с этим веществом.
При определении объемным методом к известному объему раствора определяемого вещества малыми порциями (по каплям) добавляют реактив с точно известной концентрацией до тех пор, пока его количество не будет эквивалентно количеству определяемого вещества. Раствор реактива с точно известной концентрацией называется титрованным, рабочим или стандартным раствором.
Процесс медленного прибавления титрованного раствора к раствору определяемого вещества называется титрованием. Момент, когда количество титрованного раствора будет эквивалентно количеству определяемого вещества, называется точкой эквивалентности или теоретической точкой конца титрования. Для определения точки эквивалентности пользуются индикаторами, которые вблизи ее претерпевают видимые изменения, выражающиеся в изменении цвета раствора, появлении помутнения или выпадении осадка.
Важнейшие условия для правильного проведения объемно-аналитических определений: 1) возможность точного измерения объемов растворов; 2) наличие стандартных растворов с точно известной концентрацией; 3) возможность точного определения момента окончания реакции (правильный выбор индикатора).
В зависимости от того, на какой реакции основано определение, различают следующие разновидности объемного метода:
метод нейтрализации
метод окисления - восстановления
метод осаждения и комплексообразования.
В основе метода нейтрализации лежит реакция взаимодействия ионов Н+ и ОН-. Метод применяется для определения кислот, оснований и солей (которые реагируют с кислотами или основаниями) в растворе. Для определения кислот используют титрованные растворы щелочей КОН или NаОН, для определения оснований - растворы кислот НС1, Н2SO4.
Для определения содержания, например, кислоты в растворе точно отмеренный пипеткой объем раствора кислоты в присутствии индикатора титруют раствором щелочи точно известной концентрации. Точку эквивалентности определяют по изменению цвета индикатора. По объему щелочи, израсходованной на титрование, вычисляют содержание кислоты в растворе.
Метод окисления - восстановления основан на окислительно-восстановительных реакциях, происходящих между стандартным раствором и определяемым веществом. Если стандартный раствор содержит окислитель (восстановитель), то определяемое вещество должно содержать соответственно восстановитель (окислитель). Метод окисления-восстановления подразделяется, в зависимости от используемого стандартного раствора на метод перманганатометрии, метод иодометрии и др.
В основе метода осаждения лежат реакции, сопровождающиеся выпадением осадка. В отличие от гравиметрического метода обработку осадка здесь не производят, массу исследуемого вещества определяют по объему реактива, израсходованному на реакцию осаждения.