Методы анализа сырья и пищевых продуктов
Освещение вопросов по организации контроля качества пищевых продуктов на производстве с использованием основных методов анализа (объемные; физические; колориметрический; спектрофотометрический; поляриметрический; радиометрический; хроматографический).
| Рубрика | Кулинария и продукты питания |
| Вид | курс лекций |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 13.11.2009 |
| Размер файла | 2,4 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Относительный коэффициент или показатель преломления света однородной среды п определяют как отношение скорости света в вакууме к скорости света в данной среде. Сравнительной средой вместо вакуума может служить воздух, который в нормальных условиях имеет относительный коэффициент преломления света при длине волны 589,3 нм (линия D), равный 1,00027. Линией D служит желтый луч натриевого пламени. Величина п зависит от длины волны и температуры, поэтому измерения ее проводят в монохроматическом свете при постоянной температуре, указывая индексом при п принятое буквенное обозначение спектральной линии, в свете которой проводилось измерение, или длину волны, а показателем - температуру, например пD 20. Большей частью п измеряют в видимых лучах света.
Для практических измерений используют явление преломления света, падающего под углом к нормали на границе двух сред и преломляющегося под углом :
п= sin / sin . (3.4)
Измерение показателя преломления дает возможность непосредственно установить концентрацию двухкомпонентных растворов. Для этого используются эмпирические расчетные формулы и графики, так как теоретический расчет показателей преломления растворов с требуемой степенью точности в настоящее время невозможен.
Установлена зависимость между относительным коэффициентом преломления раствора и концентрацией растворенных в нем веществ. Для измерения относительного коэффициента преломления служат рефрактометры.
Наиболее простыми и самыми распространенными прибором для измерения с точностью до 1.10-3 являются рефрактометры с призмой Аббе. Измерительная призма Аббе снабжена откидывающейся на шарнире призмой, матовая грань которой служит для рассеивания лучей. Между призмами остается зазор 0,1 мм, который заполняется 1-2 каплями жидкости. Ход лучей в призме Аббе показан на рис. 3.6.
Рефрактометры снабжены компенсатором, позволяющим проводить измерение при освещении призм дневным или электрическим светом. Компенсатор отрегулирован так, что п отсчитывается для линии D натрия.
Рефрактометры часто имеют две шкалы: на одной - показатель преломления, на другой - содержание сухих веществ.
Рисунок 3.6 - Ход лучей в призме Аббе: 1 - преломляющая призма; 2 - осветительная призма
Интерференция света (1) - это наложение световых пучков, при котором они в одних местах гасят друг друга, а в других усиливают. Если один пучок света проходит в среде с показателем преломления п1 геометрический путь l1, а в другой среде с показателем преломления п2 путь l2, то разность хода равна
п1 l1 - п2 l2 = m, (3.5)
где - длина волны света;
т - величина, определяющая результат интерференции и называющаяся порядком интерференции.
Если т - целое число, то световые волны усиливают друг друга и получаются максимумы интенсивности. При разности хода, составляющей нечетное число полуволн, наблюдается взаимное гашение волн, и получаются минимумы интенсивности, а в результате - светлые и темные полосы.
Для измерений, связанных с интерференцией света, применяются приборы, называемые интерферометрами (рис. 3.7).
С помощью интерферометра нельзя измерять абсолютные значения показателей преломления, как в рефрактометре, а можно только сравнивать их для двух прозрачных сред, например показатели преломления раствора и чистого растворителя. Интерферометры используют в пищевой промышленности при определении активности ферментных препаратов.
В левую кювету интерферометра наливают жидкость с более высоким показателем преломления, в правую - с более низким. При прохождении света через кюветы между лучами, идущими от разных щелей, образуется оптическая разность хода, которая приводит к сдвигу интерференционной картины в сторону от средней между щелями точки. В верхней части картина не меняется, нижняя же система полос дифракции меняется - они и служат индикатором. Именно относительно индикатора и наблюдается смещение верхней системы полос.
Рисунок 3.7 - Интерферометр: 1 - кожух; 2 - станина; 3 - подставка для кювет; 4 - оптическая система прибора; 5 - гнездо для установки кювет; 6 - мешалка.
Измеряя величину смещения интерференционных полос, определяют разность показателей преломления растворов.
Чувствительность прибора и точность измерения находятся в прямой зависимости от длины кюветы: чем длиннее кювета, тем выше точность измерения. С другой стороны, увеличение длины кюветы уменьшает интервал значений разности преломления n, которое можно измерить в этом случае. Предельные значения для кювет с различной толщиной слоя указываются в инструкции по эксплуатации прибора.
1. На чем основан метод весового анализа?
2. На чем основаны методы выделения, осаждения и отгонки?
3. Что лежит в основе измерения вязкости пищевых продуктов?
4. На чем основан метод измерения плотности жидкости?
5. Как называются приборы для измерения вязкости продуктов?
6. Что такое кинематическая и динамическая вязкость?
7. На чем основан потенциометрический метод анализа?
8. Виды потенциометрического метода анализа.
9. Какие виды электродов применяются при потенциометрическом титровании и ионометрии?
10. Что такое точка эквивалентности при потенциометрическом титровании?
11. Какие приборы используются в потенциометрии?
12. На чем основан метод кондуктометрического анализа?
13. Виды модификации кондуктометрии.
14. Что такое удельная и эквивалентная удельная проводимость?
15. Какие реакции используются при кондуктометрическом титровании?
16. Что такое хронокондуктометрическое титрование?
17. Какие приборы используются в кондуктометрии?
18. На чем основан рефрактометрический метод анализа?
19. Что такое рефракция и интерференция?
20. Принцип прохождения лучей в призме Аббе.
21. На чем основана работа рефрактометра и интерферометра?
22. Достоинства и недостатки рефрактометрического метода анализа.
4 Колориметрические и спектрофотометрические методы анализа
Колориметрические и спектрофотометрические методы включают в себя колориметрию и фотоколориметрию, фотометрию и спектрофотометрию в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. Для получения качественной характеристики замеряют спектр поглощения при различных длинах волн.
(1) Нефелометрия - метод анализа, основанный на измерении ослабления светового потока, проходящего через мутную пробу и предназначенный для анализа эмульсий, различных взвесей и других мутных сред.
(2) Стилометр - спектроскоп, предназначенный для спектрального анализа по спектрам испускания.
(3) Стилоскоп - спектроскоп, предназначенный для эмиссионного анализа.
(4) Флуоресценция, эмиссия - явление, при котором наблюдается возбуждение электронных спектров и ответное выделение квантов энергии молекулами при воздействии на молекулы каким-либо видом энергии (пламя, искра, плазма, ультрафиолетовое излучение)
(5) Фотографический атомно-эмиссионный спектральный анализ - метод, основанный на получении эмиссионных спектров анализируемого вещества на фотографической пластине.
4.1 Количественный колориметрический анализ. Принцип фотометрического определения веществ
В основе количественного колориметрического анализа лежит основной закон светопоглощения - закон Бегера-Ламберта-Бера:
D = l C, (4.1)
где D - оптическая плотность вещества при длине волны;
- коэффициент экстикции поглощающего вещества при длине волны ;
l - толщина слоя образца, см;
C - концентрация вещества, г/см3.
Основными параметрами всех фотометрических определений являются длина волны , при которой производится измерение оптической плотности, величина оптической плотности D толщина слоя образца l, концентрация раствора С.
Данный метод можно использовать для анализа только оптически прозрачных жидких сред.
Применение калибровочных графиков в соответствии с законом Бегера-Ламберта-Бера в координатах «оптическая плотность-концентрация» (рис. 4.1) является наиболее распространенным методом для количественных фотометрических измерений. Калибровочный график должен иметь вид прямой линии, которая проходит через начало координат.
Рисунок 4.1 - График зависимости оптической плотности от концентрации исследуемого раствора (калибровочный).
При анализе растворов сложного состава применяется метод добавок, позволяющий учитывать влияние «третьих» компонентов. Сущность его заключается в том, что сначала определяется оптическая плотность Dx анализируемого раствора, содержащего искомый компонент неизвестной концентрации Сх. Затем в этот раствор добавляется известное количество определяемого компонента Са и вновь измеряется Dх+а.
В заводских и научно-исследовательских лабораториях для контроля различных технологических процессов всех отраслей пищевой промышленности, оценки качества растительного и животного сырья, разнообразных пищевых продуктов широко используются простые, быстрые и точные фотометрические методы анализа, которые при сравнительно несложном оборудовании позволяют определять концентрацию анализируемых окрашенных растворов. Анализ окрашенных, а также бесцветных растворов можно проводить спектрофотометрическими методами, используя при этом более сложные приборы - спектрофотометры.
Измерение пропускания и оптической плотности растворов в области длин волн l=315-980 нм и определение концентрации веществ в растворе производят с помощью фотоэлектрических колориметров.
Современный отечественный фотоколориметр КФК-2 показан на рис. 4.2.
В качестве регистрирующего прибора в нем используется микроамперметр типа Н-907, градуированный в микроамперах по шкале 0-100 делений, соответствующей шкале светопропускания Т.
Принцип измерения коэффициента светопропускания состоит в том, что на фотоприемник направляются поочередно световые потоки: полный f0l и прошедший через анализируемую среду fl и определяется отношение этих потоков по формуле
T = fl / f0l--Ч 100. (4.2)
Рисунок 4.2 - Фотоколориметр КФК-2:
1 - микроамперметр; 2 - рукоятка настройки прибора на 100%-ное пропускание; 3 - рукоятка «чувствительности» (ввод фотоприемников в световой поток); 4 -рукоятка перемещения кювет с раствором сравнения и исследуемым раствором; 5 - рукоятка ввода цветных светофильтров; 6 - осветитель
Оптическая плотность D определяется по формуле
D = - lg f / f0 = - lg T/100 = 2 - lg T. (4.3)
В научно-исследовательской практике используют и многоцелевой однолучевой фотометр Specol-10 фирмы Carl Zeiss Iena (Германия), который позволяет производить измерения светопропускания и оптической плотности при =340-850 нм.
В качестве спектрофотометров в лабораториях пищевых продуктов используются отечественные приборы СФ-16, СФ-26, СФ-46. Однолучевые спектрофотометры этого типа предназначены для измерения светопропускания и оптической плотности растворов и твердых веществ при =186-1100 нм.
В спектрофотометр помещена кювета, которая является составной частью его оптической схемы. Загрязнения на стенках кюветы и царапины сильно рассеивают и поглощают свет, искажая тем самым результаты измерений, поэтому обращаться с ней надо очень аккуратно. Содержимое кюветы должно быть гомогенные.
В практике пищевой промышленности широко используются отечественные пламенные фотометры типа ФПЛ, ПАМ, ПФМ и др. Наиболее широкое распространение в аналитической практике получили пламенные фотометры с интерференционными светофильтрами. В ряде случаев эти приборы снабжены микропроцессорами, что позволяет ускорить и автоматизировать выполнение анализа. Состав газовых сред указан в таблице 4.1.
Таблица 4.1 - Состав газовых сред
|
Смесь |
Температура, оС |
Определяемые элементы |
|
|
Воздух/природный газ |
1500 |
Na, K, Ca |
|
|
Воздух/пропан |
2000 |
Ca |
|
|
Воздух/ацетилен |
2500 |
Ca, Mg, Fe |
|
|
Окись азота/ацетилен |
3000 |
Ti, V |
Пламенные фотометры позволяют определять несколько элементов (последовательно) - натрий, калий, кальций, литий, а одноканальные многоэлементные фотометры с прямым отсчетом - до 11 элементов.
Многие задачи анализа многокомпонентных пищевых продуктов успешно решаются с помощью двухканальных пламенных фотометров типа Flapho фирмы Carl Zeiss, имеющих призму или дифракционную решетку и фотоумножитель в качестве детектора, что позволяет определять одновременно два элемента по абсолютному сигналу.
4.2 Нефелометрия. Флуоресценция. Фотографический атомно-эмиссионный спектральный анализ. Атомно-абсорбционная спектроскопия
Для анализа эмульсий, различных взвесей и других мутных сред используется нефелометрия (1). Метод основан на измерении ослабления светового потока, проходящего через мутную пробу.
Одним из основных принципов нефелометрических измерений является наличие эталонов мутности.
Для осуществления нефелометрических методов анализа ионы анализируемого элемента или органического соединения переводят в малорастворимое соединение, способное образовывать относительно устойчивую дисперсную систему в начальный период формирования осадка. Для этих целей удобны наименее растворимые в воде осадки, содержащие ионы Ва2+, Са2+ Ag+, Cl-, SО42-, СгО42- и др.
Нефелометрические определения проводят с помощью фотоэлектрических колориметров-нефелометров типа ФЭК-Н, ФЭК-56М и др.
При воздействии на молекулы каким-либо видом энергии (пламя, искра, плазма, ультрафиолетовое излучение) наблюдается возбуждение электронных спектров и ответное выделение квантов энергии молекулами - флуоресценция, эмиссия (4). Интенсивность флуоресценции пропорциональна концентрации соответствующего вещества.
Флуоресценция свойственна в основном органическим соединениям, поэтому в анализе неорганических веществ используют флуорогенные органические аналитические реагенты, образующие флуоресцирующие комплексы с минеральными соединениями. Высокая интенсивность флуоресценции объясняет низкий предел обнаружения, составляющий 10-8%.
Метод весьма чувствителен, и его используют для определения очень малых количеств веществ при анализе органических соединений, например витаминов, гормонов, антибиотиков и др.
Чаще других используется отечественный прибор марки ЭФ-4М с набором светофильтров для различных веществ.
Метод, основанный на получении эмиссионных спектров анализируемого вещества на фотографической пластине, получил название фотографического атомно-эмиссионного спектрального анализа (5).
Методы эмиссионного спектрального анализа основаны на измерении длины волны, интенсивности и других характеристик света, излучаемого газообразными атомами вещества. Атомы вещества испускают или поглощают свет определенной длины волны, который можно разложить на набор линий в спектроскопе, спектрографе и спектрофотометре. Основные составные части атомного (пламенного) эмиссионного спектрофотометра представлены на рис. 4.3.
Рисунок 4.3 - Схема устройства пламенного эмиссионного спектрофотометра: 1- воздух из компрессора; 2 - распылитель; 3 - образец; 4 - горелка; 5 - монохроматор или фильтр; 6 - детектор; 7 - регистрирующее устройство
Спектральные линии элементов в полученном спектре позволяют судить о качественном составе анализируемой пробы, а по результатам измерения относительных почернении спектральных линий гомологической пары и их сравнению с соответствующими величинами стандартных образцов проводят количественный анализ компонентов пробы. Почернение спектральных линий измеряют при помощи микрофотометров фотоэлектрическим способом.
Рассматриваемый метод отличается высокой абсолютной чувствительностью и достаточно высокой воспроизводимостью при определении низких концентраций анализируемых веществ.
В лабораторной и заводской практике заводов пищевой промышленности используются отечественные спектрографы с кварцевой оптикой ИСП-30, ДФС-8, а также спектрографы со стеклянной оптикой ИСП-51 и ДФС-10.
В атомно-абсорбционной спектроскопии, так же как и в молекулярной, действует закон Бегера-Ламберта-Бера.
Атомно-абсорбционный метод анализа получил широкое распространение в практике вследствие своих достоинств, к числу которых относится высокая чувствительность. В настоящее время известны методы определения более восьмидесяти элементов, среди которых жизненно важные - Na, К, Mg, Ca, Сu, Zn, Р и микроэлементы - Cd, Hg, В, Pb, Sb, As, Mn и др. Количественные определения проводят методом калибровочного графика или методом добавок.
Для визуального наблюдения спектра используют спектроскопы.
Спектроскоп, предназначенный для эмиссионного анализа, получил название стилоскоп (3), а для спектрального анализа по спектрам испускания - стилометр (2). Последний позволяет не только наблюдать спектр, но и количественно измерять относительную интенсивность спектральных линий.
Рабочая область слектроскопов ограничена видимой частью спектра и составляет (0,39-0,70) *10-6 м. Переносной отечественный стилоскоп СЛП-2 является удобным прибором для проведения экспресс анализов в производственных условиях, а в заводских лабораториях используют стилоскоп СЛ-11А или стиломеры СТ-7.
Для атомизации вещества в атомно-абсорбционной спектрофотометрии используют пламя газовых сред различного типа и электротермические атомизаторы. Пламенная атомизация обеспечивает достаточно низкие пределы обнаружения элементов (10-5-10-7 %) и хорошую воспроизводимость результатов анализа (1-2 %) при достаточно высокой скорости определений и небольшой трудоемкости. Кроме того, этот анализ может быть полностью автоматизирован, начиная от подачи проб и до обработки результатов измерений. При этом производительность составляет до нескольких сотен определений в час.
В научно-исследовательских работах нашли применение качественные атомно-абсорбционные спектрофотометры типа «Спектр-1», «Сатурн», а также приборы зарубежных фирм типа «AAS-1» (Германия) и Perkin - Elmer (США).
1. Какой закон лежит в основе количественного колориметрического анализа?
2. Метод применения калибровочного графика в фотометрии.
3. Метод добавок в фотометрии.
4. Какие приборы используются в фотометрии?
5. Принцип работы фотоэлектроколориметра и спектрофотометра.
6. Какой метод анализа применяется при исследовании мутных растворов?
7. Что такое флуоресценция?
8. Достоинства и недостатки колориметрического и спектрофотометрического методов анализа.
9. На чем основаны методы эмиссионного спектрального анализа?
10. Принцип работы пламенного эмиссионного спектрофотометра.
11. Каково практическое применение атомно-абсорбционного метода анализа?
5 Поляриметрический и полярографический методы анализа
Поляриметрический метод анализа применяется для измерения угла поворота плоскости поляризации света при пропускании его через оптически активную среду раствора проводят с помощью поляриметров.
Полярографический методы анализа основаны на применении количественного полярографического метода: расчетный метод, калибровочного графика, стандартных растворов и метод добавок.
(1) Сахариметры - специально созданные для аналитического контроля, позволяющие быстро выполнять поляриметрические определения массовой доли сахарозы.
(2) Удельное вращение [?] - угол поворота плоскости поляризации, который получился бы, если бы луч прошел во вращающей среде путь l=1 дм при концентрации вещества С, равным 1 г/см3.
(1) Полярографический метод - метод, основанный на регистрации силы тока при постепенном линейном увеличении напряжения на электродах ячейки, погруженных в исследуемый раствор.
5.1 Поляриметрический метод анализа. Виды поляриметров
Свет всегда поляризован, т. е. имеет неэквивалентность различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу. При прохождении такого света через оптически активные вещества (чаще всего органические соединения с асимметрическим атомом углерода) происходит изменение угла вращения плоскости поляризации (рис.5.1).
Плоскости поляризации двух половин P1 и Р2 составляют между собой малый угол 2. Если плоскость поляризации анализатора АА перпендикулярна биссектрисе 2 (а), обе половины I и II поля зрения имеют одинаковую полутеневую освещенность. При малейшем повороте анализатора относительная освещенность I и II резко меняется (б и в).
Из теории поляриметрии следует, что угол поворота плоскости поляризации пропорционален концентрации оптически активного вещества. На практике применяют понятие «удельное вращение» [] (2) - угол поворота плоскости поляризации, который получился бы, если бы луч прошел во вращающей среде путь l=1 дм при концентрации вещества С =1 г/см3 (далее концентрация веществ приводится в скобках) в свете с длиной волны при температуре t, т. е. угол поворота составляет
= [] t Cl. (5.1)
Показатель удельного вращения []t характеризует растворение вещества в определенном растворителе.
Рисунок 5.1 - Полутеневые поляризаторы
Измерение угла поворота плоскости поляризации света при пропускании его через оптически активную среду раствора проводят с помощью поляриметров. Принципиальная схема полутеневого поляриметра дана на рис. 5.2.
Рисунок 5.2 - Принципиальная схема полутеневого поляриметра:
1 - источник света; 2 - конденсатор; 3 - полутеневой поляризатор; 4 - трубка с исследуемым оптическим активным веществом; 5 - анализатор с отсчетным устройством; 6 - зрительная труба; 7 - окуляр отсчетного устройства
Разновидностью поляриметров являются сахариметры (1), специально созданные для аналитического контроля, позволяющие быстро выполнять поляриметрические определения массовой доли сахарозы.
5.2 Полярографический методы анализа. Виды количественного полярографического метода: расчетный метод, калибровочного графика, стандартных растворов и метод добавок
Полярографический метод (1) основан на регистрации силы тока при постепенном линейном увеличении напряжения на электродах ячейки, погруженных в исследуемый раствор (рис. 5.3). Одним из электродов является капельный ртутный электрод. Полученные кривые зависимости «ток-потенциал» (полярограммы) позволяют судить о природе реагирующих веществ по величине потенциала, а о концентрации - по величине предельного тока.
В основе количественного полярографического анализа лежит линейная (на определенном участке) зависимость между высотой полярографической волны и концентрацией вещества в растворе. Найдя по графику высоту волны либо замерив пропорциональную ей величину предельного тока, можно определить концентрацию. Существует несколько методов количественного полярографического анализа: расчетный, калибровочного графика, стандартных растворов, добавок.
Рисунок 5.3 - Принципиальная схема полярографа:
1 - капающий ртутный электрод; 2 - ртутный анод; 3 - источник постоянного тока; 4 - самопишущий регистратор напряжения тока; 5 - усилитель; 6 - аккумулятор
Количественный полярографический анализ построен на уравнении Ильковича, связывающего величину диффузного тока iД с концентрацией иона С:
iД = 607 D 1/ z m 3/ z t 1/ z C, (5.2)
где D - коэффициент диффузии;
z - заряд иона;
т - масса ртути, вытекающей из капилляра за 1 с, мг;
t - время образования капли (период капания), с.
В практике полярографического анализа коэффициент пропорциональности между С и iД устанавливается, как правило, с помощью стандартных растворов, поэтому уравнение (5.2) при условии D, т, t = const переходит в следующий вид:
iД = k C. (5.3)
Расчетный метод применяется сравнительно редко. Чаще пользуются методом калибровочного графика. График строят по 5-7 стандартным растворам, для которых полярограммы снимают в строго идентичных условиях. В этих же условиях полярографируют в дальнейшем и исследуемый раствор. Методом стандартных растворов вначале снимают полярограмму исследуемого раствора, а затем стандартного с известной концентрацией определяемого вещества.
Если в анализируемом растворе присутствует несколько электроактивных веществ, то на полярограмме можно получить раздельные пики каждого вещества. Варьируя состав фона и его концентрацию, можно добиться лучшего разделения пиков определяемых веществ.
Разрешающая способность и чувствительность полярографии переменного тока выше, чем у обычной полярографии. В полярографах различных типов на электрическую ячейку подается плавно изменяющееся с определенной скоростью напряжение, а возникающий ток регистрируется специальным устройством. Суть переменнотоковой полярографии в том, что на электроды наряду с постоянным поляризующим напряжением, которое постепенно нарастает, подается небольшое переменное напряжение. С началом электролиза через ячейку проходит переменный ток, который достигает максимального значения при потенциале полуволны. Высота максимума на полярограмме пропорциональна концентрации.
Концентрацию определяемого вещества в исследуемом растворе находят из уравнения
Cx = Cст hx / hст, (5.4)
где Сст - концентрация исследуемого стандартного раствора, мкг/см3;
hх, hст - высота волны для раствора соответственно исследуемого и стандартного, мм.
Методом добавок анализ проводят следующим образом. Анализируют исследуемый раствор и определяют высоту его волны hx, затем к нему добавляют стандартный раствор в таком количестве, чтобы высота волны раствора с добавкой возросла примерно вдвое. Снимают полярограмму раствора с добавкой, при этом находят hх+ст. Концентрацию вещества в исследуемом растворе Сx определяют по формуле
Cx = Cст hx / (hх+ст - hx.). (5.5)
При использовании этого метода полностью устраняются ошибки, вносимые фоном и другими артефактами.
В практике полярографического анализа используются как отечественные приборы типов ППТ-1, ПУ-1, так и зарубежные типов LP-7, LP-60 и типов ОН-104, ОН-105, в которых полярограмма записывается на диаграммной ленте.
Для массовых определений оптимальный диапазон концентраций для полярографии равен 10-2-10-5 моль/дм3, а погрешность аналитических результатов не превышает ±2%.
Данным методом можно определять хроматы, иодаты, молибдаты, ванадаты, анионные хлоридные комплексы вольфрама, олова и молибдена, а также наличие кадмия, свинца, хрома, олова, цинка, никеля, алюминия, железа и других металлов.
В настоящее время разработан ряд эффективных полярографических методик и для определения органических соединений, в частности органических галогенидов, альдегидов, кетонов, хинонов, гидрохинонов, меркаптанов, дисульфидов, сулъфоксидов, нитро- и нитрозосоединений, азосоединений, олеинов и др.
1. На чем основан поляриметрический метод анализа?
2. Что такое удельное вращение плоскости поляризации?
3. Принцип работы полутеневого поляриметра.
4. На чем основан полярографический метод анализа?
5. Какие методы используются для количественного определения вещества в полярографии?
6. На чем построен количественный полярографический анализ?
6 Радиометрический метод анализа
Загрязнение пищевых продуктов радиоактивными веществами (радионуклидами) небезопасно для здоровья человека. Контроль пищи растительного и животного происхождения осуществляют лаборатории, оборудованные соответствующими приборами и имеющие в штате подготовленных работников с помощью радиометрического метода анализа.
(1) Активность миллиграмм-эквивалента радия (мг-экв. Ra) - обладает такое количество радионуклида, которое создает такую же мощность дозы, как и 1 мг радия, заключенного в фильтр из платины толщиной 0,5 мм.
(2) Активностью вещества - мера количества радиоактивного вещества, выражаемая числом радиоактивных превращений в единицу времени.
(3) Единица поглощенной дозы излучения (Дж/кг) - это поглощенная доза излучения, переданная массе облучаемого вещества в 1 кг и измеряемая энергией в 1 Дж.
(4) Кюри (Ки) - это активность такого количества вещества, в котором происходит 3,7.1010 актов распада в одну секунду. Единица активности Ки соответствует активности 1 г радия.
(5) Мощность поглощенной и экспозиционной доз - поглощенная и экспозиционная дозы излучения, отнесенные к единице времени.
(6) Период полураспада - время, в течение которого распадается половина всех атомов радиоактивных веществ.
(7) Поглощенная доза - энергия, поглощенная единицей массы облучаемого вещества.
(8) Рад - это поглощенная доза, при которой количество поглощенной энергии в 1 г любого вещества составляет 100 эрг независимо от вида и энергии излучения.
(9) Радиоактивность - это способность некоторых химических элементов (урана, тория, радия, калифорния и др.) самопроизвольно распадаться и испускать невидимые излучения. Такие элементы называют радиоактивными.
6.1 Радиоактивность и активность веществ. Понятие «поглощенная и экспозиционная доза». Приборы для определения радиологического заражения пищевых продуктов и воздуха
Радиоактивность (9) - это способность некоторых химических элементов (урана, тория, радия, калифорния и др.) самопроизвольно распадаться и испускать невидимые излучения. Такие элементы называют радиоактивными.
Радиоактивные вещества распадаются со строго определенной скоростью, измеряемой периодом полураспада (6), т. е. временем, в течение которого распадается половина всех атомов. Радиоактивный распад не может быть остановлен или ускорен каким-либо способом. Распад радиоактивных ядер сопровождается ионизирующим излучением. Скорость распада А пропорциональна числу ядер радионуклида:
А = N, (6.1)
где N - число ядер радионуклида;
- постоянная распада, характеризующая вероятность распада за единицу времени (доля общего числа атомов изотопа, распадающихся каждую секунду).
Постоянная распада связана с периодом полураспада Т соотношением
T = 0,693 / . (6.2)
Активностью вещества (2) называется мера количества радиоактивного вещества, выражаемая числом радиоактивных превращений в единицу времени.
В системе СИ за единицу активности принято одно ядерное превращение в секунду (расп./с). Эта единица носит название беккереля (Бк). Внесистемной единицей измерения активности является кюри (Ки) (4).
Ки - это активность такого количества вещества, в котором происходит 3,7.1010 актов распада в одну секунду. Единица активности Ки соответствует активности 1 г радия.
Для измерения малой активности пользуются производными величинами: милликюри (1 мКи = 10-3 Ки), микрокюри (1 мкКи = 10-6 Ки).
Для определения активности источников г-излучения чаще всего пользуются специальной единицей измерения - миллиграмм-эквивалент радия (мг-экв. Ra). Активностью 1 мг-экв. Ra (1) обладает такое количество радионуклида, которое создает такую же мощность дозы, как и 1 мг радия, заключенного в фильтр из платины толщиной 0,5 мм.
Удельная активность выражается различными единицами измерений: Бк/см3, Бк/г, Ки/дм3, Ки/кг, Бк/м3 и т. д.
Степень, глубина и форма лучевых поражений прежде всего зависит от величины поглощенной биологическим объектом энергии излучения. Для характеристики этого показателя используют понятий поглощенной дозы (7), т. е. энергии, поглощенной единицей массы облучаемого вещества.
За единицу поглощенной дозы (3) излучения принимают джоуль на килограмм (Дж/кг) - это поглощенная доза излучения, переданная массе облучаемого вещества в 1 кг и измеряемая энергией в 1 Дж.
В радиационной гигиене широкое применение получила внесистемная единица - рад (8) - это поглощенная доза, при которой количество поглощенной энергии в 1 г любого вещества составляет 100 эрг независимо от вида и энергии излучения. Производными данной единицы являются миллирад (1 мрад = 10-3 рад) и микрорад (1 мкрад =10-2 рад).
Внесистемной единицей экспозиционной дозы рентгеновского и ?-излучения является рентген (Р). Величины 0,114 эрг/см3 и 87,7 эрг/г принято называть энергетическими эквивалентами рентгена. Соотношение между поглощенной дозой излучения, выраженной в радах, и экспозиционной дозой, выраженной в рентгенах, для воздуха имеет вид
Dэксп = 0,877 Dпогл. (6.3)
Поглощенная и экспозиционная дозы излучения, отнесенные к единице времени, называются мощностью поглощенной и экспозиционной доз (5).
Биологические эквивалентом рентгена (бэр) в системе СИ является зивер (Зв).
Для обнаружения и измерения радиоактивных излучений используют приборы различных типов.
Детекторы ионизирующих излучений применяют для обнаружения ионизирующего излучения и измерения его энергии. Действие большинства детекторов основано на обнаружении эффекта от ионизации или возбуждения атомов или молекул вещества ионизирующим излучением. К ним относятся детекторы с ионизационными камерами и газоразрядными счетчиками. Детекторы, в которых используется эффект флуоресценции, называют сцинтилляционными счетчиками. Фотографические детекторы позволяют измерить уровень ионизирующих излучений по плотности почернения фотоматериалов, а химические - по результатам различных химических реакций (ферросульфатный детектор, детектор на основе четыреххлористого углерода, нитратный детектор).
Чаще всего в радиометрических измерениях используют сцинтилляционные счетчики, обладающие рядом достоинств:
- они универсальны с точки зрения возможности регистрации ионизирующих излучений практически любых видов;
- дают возможность измерять энергию исследуемых частиц или квантов; обладают высокой разрешающей способностью и высокой эффективностью регистрации г-излучения (до нескольких процентов).
Современный сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора - вещества, способного испускать видимое излучение под действием заряженных частиц, и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), в котором энергия световых вспышек (сцинтилляции) преобразуется в импульсы электрического тока.
Приборы отечественного производства для радиационной разведки и дозиметрического контроля (ДП-5В, СРП-68-01, ДП-100, РКБ-4, КРБ-1) широко используются для контроля пищевых продуктов и питьевой воды.
1. Что такое радиоактивность вещества?
2. Что называется периодом полураспада?
3. Какие единицы измерения величин используются в радиометрическом методе анализа?
4. Какие приборы используются для обнаружения и измерения радиоактивных излучений?
7 Хроматографические методы анализа
Методики, основанные на использовании хроматографических методов разделения, довольно разнообразны и позволяют успешно исследовать практически любые пищевые продукты.
Благодаря высокому уровню развития экспериментальной техники и инструментального оснащения современные хроматографические методы позволяют с большой степенью точности и воспроизводимости решать сложные аналитические задачи, стоящие перед работниками лабораторий контроля качества пищевых продуктов, полуфабрикатов и сырья. В последние годы вследствие усовершенствования хроматографического метода были достигнуты высокая эффективность, значительная скорость разделения, что позволило использовать его и как микроаналитический метод.
(1) Адсорбционная хроматография - хроматография, проводимая за счет адсорбционного равновесия между неподвижной твердой и подвижной жидкой фазами.
(2) Адсорбционная хроматография газожидкостная - хроматография, проводимая за счет равновесного распределения между неподвижной жидкой и подвижной газовой фазами.
(3) Адсорбционная хроматография ионообменная - хроматография, проводимая за счет равновесия между ионообменной смолой и электролитом (подвижная фаза).
(4) Адсорбционная хроматография на бумаге - хроматография, проводимая за счет равновесного распределения между неподвижной жидкой и подвижной жидкой фазами.
(5) Аффинная хроматография - хроматография, проводимая за счет равновесного связывания макромолекулы с молекулой малой, по отношению к которой она проявляет высокую специфичность.
(6) Проникающая хроматография - хроматография, проводимая за счет равновесия между жидкой фазой на внутренней и внешней поверхностях пористой структуры или «молекулярного сита».
(7) Хроматография - метод, основанный на разделении сложных смесей на составные компоненты между двумя несмешивающимися фазами, из которых одна подвижная, а другая неподвижная.
(1) Внутренний стандарт - соединение, которое по физическим свойствам очень близко к исследуемому, и при хроматографировании движется вдоль колонки.
(2) Временем удерживания - время (температура, скорость пропускания газа-носителя и т. д.) прохождения анализируемого соединения через колонку, является постоянной величиной.
(1) Гель-фильтрация - разделение веществ при помощи гелей, основанное на разделении молекул по размерам при пропускании через плотное молекулярное сито.
7.1 Классификация хроматографических методов анализа
Хроматография (7) основана на разделении сложных смесей на составные компоненты между двумя несмешивающимися фазами, из которых одна подвижная, а другая неподвижная.
Существенным признаком хроматографического процесса является его динамический характер. В ходе процесса происходит перемещение подвижной фазы, содержащей анализируемую пробу, через неподвижную фазу. Причем взаимодействие «сорбция-десорбция» повторяется многократно, что обусловливает высокую эффективность хроматографического разделения.
Подвижная фаза может быть жидкой, твердой или представлять собой смесь жидкой или газообразной фаз и обычно перемещается по неподвижной фазе или пропускается через нее. По характеру разделения хроматографические методы анализа делятся на 4 группы:
адсорбционная хроматография (1) - за счет адсорбционного равновесия между неподвижной твердой и подвижной жидкой фазами;
распределительная хроматография и ее разновидности:
- на бумаге (4) - за счет равновесного распределения между неподвижной жидкой и подвижной жидкой фазами;
- в тонком слое;
- газожидкостная (2) - за счет равновесного распределения между неподвижной жидкой и подвижной газовой фазами;
- ионообменная (3) - за счет равновесия между ионообменной смолой и электролитом (подвижная фаза);
- проникающая хроматография (6) - за счет равновесия между жидкой фазой на внутренней и внешней поверхностях пористой структуры или «молекулярного сита»;
- аффинная хроматография (5) - за счет равновесного связывания макромолекулы с молекулой малой, по отношению к которой она проявляет высокую специфичность.
7.2 Адсорбционная хроматография
Разделение при адсорбционной хроматографии основано на различной адсорбируемости компонентов анализируемой смеси на адсорбенте. Эти свойства в основном определяются молекулярной структурой соединений. Вещество с более высоким коэффициентом распределения передвигается по поверхности адсорбента с большей скоростью. Если соединения окрашены, то при их разделении можно видеть окрашенные полосы (рис. 7.1).
Рисунок 7.1 - Этапы хроматографического разделения на колонке:
а - поступление смеси на стартовую точку; б - опережение одного компонента другим; в - появление на выходе
Разделяемую пробу можно собрать в виде фракций пропусканием соответствующего растворителя через колонку, а затем производить анализ. Эффективность разделения во многом зависит от правильного выбора адсорбента.
Адсорбенты, применяемые в колоночной хроматографии, представлены в таблице 7.1.
Таблица 7.1 - Адсорбенты в колоночной хроматографии
|
Адсорбент |
Разделяемые соединения |
|
|
Силикагель |
Аминокислоты, углеводы, жирные кислоты, липиды, эфирные масла, неорганические катионы и анионы, алкалоиды |
|
|
Оксид алюминия |
Витамины, аминокислоты, пищевые красители, фенолы, алкалоиды, каротиноиды, стероиды |
|
|
Целлюлоза |
Аминокислоты, пищевые красители, нуклеотиды |
|
|
Крахмал |
Аминокислоты |
|
|
Сефадекс |
Белки, аминокислоты |
|
|
Целлюлоза ионообменная |
Нуклеотиды |
7.3 Распределительная хроматография: на бумаге, в тонком слое, газожидкостная и ионообменная
Распределительная хроматография осуществляется на колонках (газожидкостная и колоночная хроматография) либо на специальной хроматографической бумаге (распределительная хроматография на бумаге).
Хроматографическая бумага обладает свойством задерживать воду между волокнами. Эту воду можно рассматривать как один из растворителей (неподвижная фаза). Если бумагу поместить в слой неводного растворителя, то под воздействием капиллярных сил неводный растворитель (подвижная фаза) будет перемещаться и молекулы анализируемого вещества, предварительно нанесенного на хроматографическую бумагу, будут распределяться между фазами в соответствии с их коэффициентом распределения Rf. Каждое вещество характеризуется своей величиной Rf
В идеальном случае Rf определяется только природой вещества, параметрами бумаги и свойствами растворителей и не зависит от концентрации вещества и присутствия других компонентов.
По технике выполнения различают следующие виды хроматографии на бумаге: одномерную, двухмерную и круговую.
Первые два вида могут быть получены в восходящем и нисходящем потоке растворителей (рис. 7.2). Однако двумерная хроматография открывает более широкие возможности в разделении сложных смесей, чем одномерная.
К хроматографической бумаге и растворителям предъявляются определенные требования: бумага должна быть однородной по плотности, химически чистой и инертной по отношению к разделяемым компонентам и подвижному растворителю; объемные соотношения растворителей приведены в таблице 7.2.
При использовании тонкослойной хроматографии (ТСХ) сорбент распределяют тонким слоем (0,25-5,00 мм) на стеклянные или металлические пластинки. Пробу в виде пятна наносят при помощи микропипетки на расстоянии примерно 2,5 см от нижнего края пластинки. Разделение проводят в стеклянной камере, на дно которой налит растворитель слоем 2 см. Пластинку оставляют в камере на определенное время для уравновешивания в закрытом состоянии.
Рисунок 7.2 - Восходящая (а) и нисходящая (б) хроматография на бумаге: 1 - крышка; 2 - держатель; 3 - зажим; 4 - бумага; 5 - стеклянная камера; 6 - место нанесения пробы; 7 - растворитель; 8 - стеклянная палочка; 9 - лоток с растворителем
Таблица 7.2 - Объемные соотношения растворителей, используемые в распределительной хроматографии
|
Анализируемые соединения |
Растворители |
|
|
Аминокислоты |
н-Бутанол-уксусная кислота-вода (40:10:50) н-Бутанол-пиридин-вода (33:33:33) метанол-пиридин-вода (25:12:63) |
|
|
Углеводы |
н-Бутанол-пиридин-вода (50:28:22) |
|
|
Хлорофиллы и каротиноиды |
1-Пропанол-петролейный эфир (4:96) хлороформ-петролейный эфир (30:70) |
Многие специальные сорбенты для тонкослойной хроматографии содержат флуоресцирующие красители, поэтому после разделения можно просматривать пластины в ультрафиолетовом свете и при этом отдельные компоненты разделяемой смеси выявляются на них в виде окрашенных пятен.
При тонкослойной хроматографии для разделения веществ применяют ряд растворителей, приведенных в таблице 7.3.
Таблица 7.3 - Системы растворителей для тонкослойной хроматографии
|
Анализируемые соединения |
Адсорбент |
Растворители |
|
|
Аминокислоты |
Силикагель |
Этанол 96%-ный-вода (70:30) Бутанол-уксусная кислота-вода (80:20:20) |
|
|
Углеводы |
Кизельгур |
Этилацетат-1-пропанол (65:35) Н-Бутанол-ацетон-фосфатный буфер рН 5 (40:50:10) |
|
|
Нейтральные липиды |
Силикагель |
Петролейный эфир-диэтиловый эфир-ацетон (90:10:1) |
|
|
Фосфолипиды |
Силикагель |
Хлороформ-метанол-вода (65:25:10) |
|
|
Каротиноиды |
Кизельгур |
Петролейный эфир-1-пропанол (99:1) |
Эффективность разделения можно повысить с помощью двухмерной хроматографии (рис. 7.3).
Рисунок 7.3 - Двухмерная хроматограмма
Метод газожидкостной хроматографии (ГЖХ) основан на распределении анализируемых соединений между жидкой и газовыми фазами. Благодаря высокой чувствительности и быстроте разделения он используется для количественного и качественного анализов. Принципиальная схема газожидкостного хроматографа приведена на рис. 7.4.
Основное преимущество данного вида хроматографии перед другими методами заключается в том, что благодаря большой скорости десорбции разделяемых компонентов в газовой среде можно значительно ускорить продвижение проявителя (газа-носителя) и тем самым ускорить процесс разделения.
Например, анализ пятикомпонентной смеси летучих углеводородов, спиртов, жирных кислот, эфиров и т. д. на газовом хроматографе с высокочувствительным детектором может быть проведен за 5 мин.
Рисунок 7.4 - Принципиальная схема газожидкостного хроматографа (а) пламенно-ионизационного детектора (б): 1 - детектор; 2 - усилитель; 3 - самописец; 4 - интегратор; 5 - место введения пробы; 6 - устройство, регулирующее температуру термостата; 7 - хроматографическая колонка; 8 - термостат; 9 - запальное устройство; 10 - выходное отверстие; 11 - пламя; 12 - электрод
По полученным хроматографическим кривым можно определить количественный состав анализируемой смеси путем измерения высоты максимумов пиков, а также найти произведение удерживаемого объема разделяемых веществ на высоту пиков.
Площадь пиков в данном случае находят с помощью планиметра, взвешиванием на аналитических весах вырезанного из бумаги пика и сравнением с массой куска той же бумаги известной площади, либо умножением половины высоты пика на его ширину. Удерживаемый объем рассчитывают по оси объемов от момента ввода порции анализируемой пробы до момента достижения максимума пика.
В стандартных условиях (температура, скорость пропускания газа-носителя и т. д.) время прохождения анализируемого соединения через колонку является постоянной величиной и называется временем удерживания (2). При количественном анализе в ГЖК используют внутренний стандарт (1) - соединение, которое по физическим свойствам очень близко к исследуемому, и при хроматографировании движется вдоль колонки.
Отечественная промышленность выпускает хроматографы лабораторного и промышленного типов, обладающие чувствительностью, для некоторых типов 5?10-14 моль/с.
В основе ионообменной хроматографии многих соединений (аминокислот, органических кислот, сахаров и т. д.) лежит способность к ионизации, обусловливающая суммарный положительный или отрицательный заряд.
Разделение веществ с помощью этого вида хроматографии проводят на колонках, заполненных ионообменной (катионо- или анионообменной) смолой. Набухшую смолу помещают в колонку (рис. 7.5) и подвергают регенерации, пропуская через нее раствор НС1 молярной концентрацией 1 моль/дм3 (для катионообменной) или NaOH той же концентрации (для анионообменной). Затем колонку промывают дистиллированной водой до полного удаления регенерирующего вещества, после чего она готова к хроматографированию. Этот принцип используется во всех промышленных приборах - автоматических аминокислотных анализаторах.
Для разделения ионообменной хроматографией высокомолекулярных соединений (белков, нуклеотидов и др.) в качестве фильтра широко применяется модифицированная целлюлоза.
Рисунок 7.5 - Хроматографическая колонка упрощенного (а) и усовершенствованного (б) вариантов: 1 - резервуар; 2 - элюирующий раствор; 3 - стеклянная колонка; 4 - наполнитель; 5 - стеклянная вата; 6 - осуд Мариотта с элюирующим раствором; 7 - регулирующий поршень; 8 - сетка из нейлона; 9 - капиллярный шланг, соединенный с регистрирующим устройством и (или) коллектором фракций
7.4 Проникающая и аффинная хроматография
Метод проникающей хроматографии заключается в разделении молекул по размерам при пропускании через плотное молекулярное сито.
Разделение веществ при помощи гелей, основанное на том же принципе, называется гель-фильтрацией (1).
В качестве молекулярного сита при проникающей хроматографии используют гели с поперечными сшивками (сефадексы) агарозные гели (сефароза, биогель-А), полиакриламидный гель (биогель-Р) и полистиролы (биобидз-S), а также пористые стеклянные шарики (биоглас) и пористый кварц (поросил). Изменяя число поперечных сшивок, удается получать несколько типов сефадексов, различающихся степенью пористости частиц, что позволяет успешно применять их для разделения веществ с различными размерами молекул.
При проникающей хроматографии также пользуются колонками. В последнее время для разделения аминокислот, углеводов, стероидов и липофильных соединений применяют тонкослойную гель-филътрацию на пластинках.
Подобные документы
Классификация пищевых продуктов и добавок. Этапы контроля продуктов питания: отбор пробы, приготовление смеси, выделение целевого компонента, анализ. Методы анализа пищевых продуктов: титриметрические, оптические, электрохимические и хроматометрические.
курсовая работа [60,0 K], добавлен 21.12.2014Метрологические основы контроля качества исследовательских работ. Характеристики методов и методик. Вольтамперметрические методы анализа пищевых продуктов. Теплоемкость теста при значении его влажности 39,81%. Титриметрический метод определения крахмала.
контрольная работа [205,1 K], добавлен 17.02.2011Методы определения качества пищевого сырья. Определение качества продуктов с помощью органов чувств органолептическими методами. Микробиологические методы исследования пищевых продуктов. Методы полимеразной цепной реакции и иммуноферментного анализа.
курсовая работа [45,8 K], добавлен 23.10.2008Характеристика основных требований к безопасности пищевых продуктов: консервов, молочных, мучных, зерновых, мясных, рыбных, яичных продуктов. Санитарные и гигиенические требования к кулинарной обработке пищевых продуктов. Болезни пищевого происхождения.
курсовая работа [193,6 K], добавлен 20.12.2010Проблемы безопасности пищевых продуктов. Модификация, денатурализация продуктов питания. Нитраты в сырье для пищевых продуктов. Характеристика токсичных элементов в сырье и готовых продуктах. Требования к санитарному состоянию сырья и пищевых производств.
курсовая работа [87,0 K], добавлен 17.10.2014Органолептическая оценка качества чая и сыра. Методика потребительской оценки качества пищевых продуктов с помощью гедонической и бальной шкалы. Статистическая обработка общих результатов сенсорного анализа качества, окончательное заключение о качестве.
лабораторная работа [154,5 K], добавлен 09.08.2010Понятие качества. Основные признаки качества. Факторы, определяющие качество пищевых продуктов. Методы оценки качества пищевых продуктов (органолептические и лабараторные). Сущность бальной оценки. Пример бальной оценки сычужных сыров.
контрольная работа [54,6 K], добавлен 17.03.2003Основные составные элементы пищевых продуктов растительного и животного происхождения. Консервирование холодом скоропортящихся пищевых продуктов для снижения скорости биохимических процессов. Способы размораживания мяса, сливочного масла, рыбы, овощей.
контрольная работа [23,1 K], добавлен 30.03.2012Органолептические характеристики качества и безопасности продуктов: консервы, молоко, мясо, рыба, яйца, мука, хлеб. Санитарные требования к кулинарной обработке и хранению пищевых продуктов. Болезни пищевого происхождения, вызываемые микроорганизмами.
реферат [39,6 K], добавлен 21.03.2010Ферментные препараты, их характеристика и использование. Применение стабилизаторов, консервантов и веществ, продлевающих сроки хранения продуктов, их характеристика, нормативы и риски. Использование веществ регулирующих вкус и аромат пищевых продуктов.
курсовая работа [110,9 K], добавлен 10.06.2014
