Подходы к анализу пищевых продуктов. Разработка масс
реклама
Я. И. Коренман, Т. А. Кучменко УДК 641.1/4:658.562 Подходы к анализу пищевых продуктов. Разработка масс-чувствительных сенсоров Я. И. Коренман, Т. А. Кучменко ЯКОВ ИЗРАИЛЬЕВИЧ КОРЕНМАН — доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой аналитической химии Воронежской государственной технологической академии. Председатель Воронежского отделения РХО им. Д. И. Менделеева. Заслуженный деятель науки и техники РФ, почетный доктор Белградского (Югославия) и Канзасского (США) университетов, соросовский профессор. Область научных интересов: теория экстракции органических соединений, создание новых методов концентрирования и определения микроколичеств ароматических соединений в объектах окружающей среды и пищевых продуктах. ТАТЬЯНА АНАТОЛЬЕВНА КУЧМЕНКО — кандидат химических наук, доцент кафедры аналитической химии Воронежской государственной технологической академии, соросовский доцент. Область научных интересов: теория и практика определения органических соединений в объектах окружающей среды и пищевых продуктах. 394000 Воронеж, просп. Революции, 19, Воронежская государственная технологическая академия, E-mail korenman@vgta.vrn.ru, tak@vgta.vrn.ru Можно выд елить по меньшей мере д ва уровня необх од имой информированности человека о сод ержащих ся тех или иных соед инениях в возд ух е, вод е, пище, объектах быта — степень безопасности (соответствие санитарно-эпид емиолог ическим нормативам) и качество (соответствие г осуд арственным станд артам). Второй критерий в большей степени распространяется на пищевые прод укты. Контроль качества пищевых продуктов — одна из составляющих проблемы здоровог о питания, обеспечивающег о не только проживание, но порой и выживание потребителя пищевых продуктов. Не секрет, что значительное расширение ассортимента продуктов питания на потребительском рынке не обходится без стремления выпускать под видом известных товарных марок явные подделки или продукцию заведомо заниженног о качества [1]. В связи с этим особую актуальность приобретает идентификация пищевых продуктов, которая включает ряд процедур по установлению их соответствия образцам (стандартам) или описанию. Фальсификация пищевых прод уктов устанавливается по признакам, параметрам и показателям, необх од имым и д остаточным д ля под твержд ения соответствия станд арту. Количество ид ентифицируемых показателей зависит от вид а прод укции. Например, д ля опред еления отд ельных компонентов в плод ах и овощах контролю под лежит 30 орг анолептических , физикох имических и микробиолог ических показателей [2]. Орг анолептические показатели трад иционно используются в контроле пищевых прод уктов. Оценка орг анолептических показателей осуществляется орг анами обоняния и вкуса. Практически д ля всех пищевых прод уктов в ГОСТах пред усмотрены такие показатели, как вкус и запах , соответствие которым устанавливается качественно, например: «вкус и запах , свойственные 34 д ля д анног о наименования прод укта, без посторонних примесей». Большую ценность орг анолептические показатели приобретают при д ополнении качественной информации количественной оценкой, получаемой с помощью аналитических метод ов. Вместе с тем, степень д остоверности орг анолептических показателей д ля ассортиментной ид ентификации зачастую невысока и именно они чаще всег о становятся объектами фальсификации. Физико-х имические показатели оценивают свойственные (ид ентифицирующие ассортиментную принад лежность прод укции) и несвойственные (х арактерные д ля сред ств фальсификации) признаки. В свете решения зад ач ид ентификации и установления факта фальсификации пищевых прод уктов особое значение приобретает разработка экспресс-метод ик, основанных , например, на качественных х имических реакциях [1]. В послед ние д есятилетия в аналитической практике успешно развивается направление по созд анию сенсорных устройств, х арактеризующих ся селективностью, низкими пред елами обнаружения, компактностью, над ежностью и простотой эксплуатации. Разработка и широкое распространение экспресс- и тестспособов анализа позволяют скорректировать не только некоторые природ оох ранные, но и социальные проблемы, связанные с получением информации о состоянии вод ы и возд ух а в местах жизнед еятельности человека [3, 4], а также о качестве потребляемой им пищи. Для созд ания сенсорных устройств, пред назначаемых д ля анализа пищевых прод уктов, широко используется принцип обнаружения ароматобразующих веществ. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2002, т. XLVI, № 4 Таблица 1 Ароматобразующие вещества, идентифицированные в пищевых продуктах [5–7] Ароматобразующие вещества, количество (шт.) Продукты общее количество углеводоро- гетероциклы карбонильные ды соединения спирты и фенолы кислоты и лактоны эфиры серосодержащие другие Земляник а 256 31 5 47 40 36 94 3 Цитрусовые 322 49 — 31 35 10 29 — — 3 Помидоры 193 12 3 51 26 10 6 4 1 Земляные орех и обжаренные 317 29 69 40 19 3 8 8 11 Кофе 483 50 26 146 56 21 33 21 47 Какао-продукты 317 31 39 37 23 28 35 9 19 Коньяк 128 — — 12 27 13 76 — — Пиво 183 6 2 20 44 30 61 9 1 Вино 354 — — — — — — — — Виск и 249 — — — — — — — — Чай 315 — — — — — — — — Хлеб 211 3 21 70 23 32 17 9 2 Мясо птицы 189 35 12 54 23 7 3 20 35 Аромат — один из основных показателей качества сыщенные жирные кислоты С2—С18 с четным числом Спищевог о продукта, формируется с участием мног их атомов [5]. летучих веществ, при этом каждое из них или г руппа Опред еление летучих веществ в пищевых прод укблизких по химической природе соединений мог ут не тах осложняют компоненты, оказывающие сильное иметь аромата, типичног о для данног о продукта (табл. 1). физиолог ическое д ействие, которые влияют на аромат, Анализ аромата осложнен тем, что ег о составляют в осно не участвуют в ег о формировании. новном лег колетучие вещества с относительной молекуРазработку над ежных способов анализа и ид ентилярной массой менее 300. Дополнительные трудности фикации ароматных композиций затруд няет также возникают при установлении влияния отдельных компоотсутствие общепринятой теории обоняния (табл. 2). нентов запаха на качество тог о или иног о продукта. Сог ласно од ной из теорий, ощущение запах а объясняКоличество ароматобразующих веществ, идентиТаблица 2 фицированных в пищевых продуктах, за последние «Обонятельные» модели и теории [8] г оды значительно расширилось. Их обнаружение и идентификация является непрерывным процессом и ог раничивается лишь пределами обнаружения соСвойства пахучих молекул Авторы и год временных методов анализа и приборов. в основе «обонятельных» моделей и теорий создания модели Сопоставить отдельные ароматобразующие веМольный объем Mullins, 1955, щества в данном продукте по их количеству и вкусоAmoore, 1962, вой эффективности невозможно, что затрудняет Laffort, 1965 оценку практическог о значения каждог о из них для Поперечное сечение молек улы Davis, 1957 образования аромата продукта. Можно сделать только предположения об определяющей роли тог о или Геометрия молек улы Timmerman, 1954 иног о компонента. Так, можно предположить, что Beets, 1964 серосодержащие соединения, в значительных колиAmoore, 1965 чествах присутствующие в кофе, имеют большое Профиль, образуемый функ циональной Beets, 1961 значение для данног о продукта, или что г етероцикг руппой молек улы лические соединения (пиразин, пиррол, производПрирода функ циональной г руппы Мног ие авторы ные фурана), обнаруженные в кофе, какао, хлебе и Дипольный момент молек улы Muller, 1936 обжаренных орехах, имеют принципиальное значеСпек тральные х арак теристик и Dyson, 1937 – 1954 ние при формировании аромата этих продуктов. Wright, 1954 – 1965 Однако объективно доказать такие предположения пока не представляется возможным. Элек тронодонорные, ак цепторные взаимоAmoore, 1962, действия Dravnieks, 1965 В связи с затронутым вопросом о взаимном влиянии компонентов на формирование аромата отмеДавление насыщенног о пара Mullins, 1955 тим и тот факт, что мног ие простые по строению Свободная энерг ия растворимости Мног ие авторы ароматобразующие вещества обнаружены в боль«Прок ол» мембраны Davies, Taylor, 1954 шинстве пищевых продуктов. К ним относятся, например, спирты С2—С6, ацетальдег ид, г ексаналь, Биох имическ ие свойства (взаимодействие с Lauffer, 1959 ферментами) Rosano, 1966 ацетон, этилацетат, уксусная кислота. Во всех пищевых продуктах, проанализированных на содержание ароматобразующих компонентов, обнаружены на- 35 Я. И. Коренман, Т. А. Кучменко ется как результат соприкосновения летучег о вещества с окончаниями обонятельных нервов-рецепторов. Эта теория исх од ит из положения о различных х арактеристических частотах колебаний молекул, в том числе низкочастотных . На основании этог о положения д ля х арактеристики орг анолептических свойств прод уктов пред ложено созд ать базу спектров пог лощения ароматобразующих веществ в инфракрасной области. По мнению д руг их исслед ователей восприятие запах а связано с мг новенной х имической реакцией пах учег о вещества с большим количеством рецепторов. Полаг ают, что запах молекулы опред еляется ее формой, молекулярной массой и природ ой функциональных г рупп. Од нако попытки объяснить мех анизм восприятия запах а х имическим строением молекул, их реакционной способностью, формой, электрическими и маг нитными свойствами остаются безуспешными. Cостав летучих веществ, опред еляющих аромат пищевых прод уктов, изучают х имическими и х роматог рафическими метод ами (табл. 3), при этом в рамках существующих метод ик анализ вед ется с различной полнотой расшифровки качественног о и количественног о состава ароматных композиций. Химические метод ы обеспечивают опред еление х арактерных устойчивых ароматных компонентов. Микроколичества неустойчивых и лег колетучих ароматобразующих соед инений опред елить классическими метод ами не уд ается [16]. Наиболее плод отворным под х од ом д ля разработки объективных метод ов установления качества пищевых прод уктов и созд ания искусственных ароматизаторов является оценка аромата прод уктов по общей сумме или сумме отд ельных г рупп летучих веществ. Качественные и количественные опред еления всех компонентов запах а можно осуществить комбинированными физико-х имическими метод ами (спектрофотометрия, масс-спектрометрия, ЯМР, г азовая и жид костная х роматог рафия). Попытки воспроизвед ения основных функций орг ана обоняния человека с применением физикох имических метод ов и электронных устройств пред принимались мног ими исслед ователями. Основными ог раничениями в д ействии пред ложенных мод елей орг ана обоняния являются низкая селективность и сложность аппаратурног о решения. В конце 1980-х г од ов была разработана сх ема од новременной обработки аналитических сиг налов от г руппы неселективных сенсоров. Возможность реализации таког о тех ническог о решения основана в первую очеред ь на опережающем развитии сред ств вычислительной тех ники, обеспечивающем обработку мног опараметрической информации в режиме on line. При мультисенсорном под х од е можно получать с известной точностью информацию как о составе, так и о концентрации отд ельных составляющих мног окомпонентных смесей. Итог ом этих исслед ований стал новый тип искусственных аналитических систем — «электронный нос» («E-nose»), такое название в настоящее время является общепринятым [8]. «Электронный нос» — это анализатор паров на основе матрицы разнород ных (неравнозначных ) сенсоров, имитирующий работу орг ана обоняния человека [17, 18]. Система обеспечивает получение узнаваемог о образа специфической смеси паров (пах учих веществ), которая может сод ержать сотни различных х имических соед инений. Основа «электронног о носа» — сенсорная матрица состоит из г азовых сенсоров, которые под бираются по их х имическому срод ству к отд ельным компонентам анализируемой смеси г азов и паров. Естественно, г азовые сенсоры д олжны быть тех нолог ичными в изг отовлении, над ежными в работе и обеспечивать мониторинг анализируемых объектов в течение д лительног о времени. Современным микроэлектронным тех нолог иям вполне д оступно изг отовление таких устройств. Кажд ый сенсор в матрице первичных приемников облад ает различными парциальными чувствительностями к анализируемым запах ам и имеет свой специфический профиль откликов в ответ на тестируемые запах и. Результирующая картина откликов всех сенсоров д остаточно сложная, ид ентификация и описание запах а в понятной д ля человека общепринятой терминолог ии возможны только с применением современных электронных вычислительных сред ств [8]. По аппаратурному исполнению «электронный нос» — комплексная система, состоящая из трех функциональных узлов, работающих в режиме период ическог о Таблица 3 Примеры идентификации запахов пищевых продуктов Объекты анализа 36 Метод анализа Принцип определения Ссылка Хлеб Химическ ий Реак ция на уг леводы и белк и с использованием специфическ их реаг ентов [9] Рыба Химическ ий, х роматог рафическ ий Ок исление жиров рыбы и анализ динамик и изменения ароматог рамм [10] Сыр Химическ ий, х роматог рафическ ий Ок исление жировой фрак ции сыра и анализ динамик и изменения ароматог рамм [6], [11] Кофе Хроматог рафическ ий Фрак ционирование на сефадек се С-25 [12] Пиво, шампанск ое Хроматог рафическ ий Разделение на фрак ции и анализ состава по х роматог раммам [7] Яблок и, бананы Хроматог рафическ ий То же [13], [14] Мясо (г овядина, свинина) Хроматог рафическ ий То же [15] Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2002, т. XLVI, № 4 восприятия пах учих проб: системы пробоотбора и пробопод г отовки, матрицы (линейки) сенсоров с зад анными свойствами и блока процессорной обработки сиг налов матрицы сенсоров. Анализируемая проба через вх од ной патрубок поступает в термостатируемое кюветное отд еление с установленной в нем матрицей сенсоров. Сенсоры экспонируются в парах веществ, обусловливающих запах , при этом пары возд ействуют на поверх ность сенсора, либо проникают в объем пленочног о покрытия сенсора (д ля мод ификации поверх ность сенсоров покрывают пленкой из х емосорбирующих полимеров), в результате формируется суммарный отклик системы. В течение измерительног о интервала времени отклик сенсорной матрицы анализируется и перед ается на процессорный мод уль. Для перех од а к след ующему измерительному циклу через систему пропускают промывочный аг ент (например, пары этиловог о спирта) с целью уд аления пах учег о вещества с поверх ности или из объема активной части материала сенсора, затем в ячейку под ают г аз-носитель, и таким образом д остиг ается полная рег енерация системы и под г отовка прибора к новому измерительному циклу [8, 18]. В результате послед овательног о опроса кажд ог о сенсора получается г истог рамма откликов всех д етекторов. Отклики неравнозначны, иног д а множество сенсоров реаг ирует на од но и то же вещество, т. е. происх од ит наложение сиг налов. Новые возможности увеличения чувствительности д ает реализация принципа распред еления паров вещества, тестируемог о сенсорной матрицей, межд у отд ельными сенсорами (пред варительное разд еление анализируемой смеси). Так появилось новое поколение приборов типа «электронный нос на базе скоростной г азовой х роматог рафии» [18]. К настоящему времени разработаны сенсоры с различными принципами функционирования, измеряемой величиной может быть провод имость, прирост массы, х арактеристики поверх ностных акустических волн, оптические параметры и д р. Кажд ая г руппа сенсоров имеет свои д остоинства и ог раничения, поэтому в равной степени они широко применяются в мультисенсорных системах типа «электронный нос». Нерешенными д о конца остаются проблемы д рейфа сиг налов во времени и нелинейности откликов д атчиков в системе «электронный нос» [19]. Что касается чувствительности современных сенсоров, то она вполне обеспечивает над ежный контроль качества мног их пищевых прод уктов. Использование в д атчиках полупровод ников из оксид ов металлов, провод ящих полимеров, различных осцилляторов обеспечивает снижение пред ела обнаружения орг анических соед инений д о уровня ppb. Такой под х од реализован при сочетании высокочувствительных трансд ьюсеров с электронным и х емометрическим обеспечением в системах «электронный нос», пред назначенных д ля анализа мног окомпонентных г азовых смесей различног о происх ожд ения (табл. 4) [20]. Отметим, что по аналог ии с системами «электронный нос» в послед нее время активно развиваются исслед ования по созд анию мультисенсорных систем «электронный язык» [21, 22]. Эти системы пред назначаются д ля тестирования апельсиновых , яблочных со- ков и напитков, распознавания минеральных вод , кофе и д р. Систематические исслед ования по применению масс-чувствительных д атчиков (пьезокварцевые резонаторы с пленочными покрытиями на электрод ах ) в парофазном анализе провод ятся на кафед ре аналитической х имии Воронежской г осуд арственной тех нолог ической акад емии. Отд ельное направление составляет разработка новых способов тест-анализа пищевых прод уктов с применением ед иничных д атчиков и матрицы нескольких д атчиков. Проиллюстрируем общие метод ические под х од ы к созд анию сенсорных устройств на примере д етектирования качества кофе и коньяка — прод уктов, наиболее под верженных фальсификации. В послед ние г од ы наметилась устойчивая тенд енция к увеличению нецентрализованных закупок кофе коммерческими структурами. На российский рынок все чаще попад ает некачественный кофе, возрос объем фальсифицированной кофейной прод укции отечественног о производ ства [34]. Под д елка может осуществляться, например, путем замены натуральног о кофе ег о зерновыми или иными суррог атами, либо искусственными, например, пластмассовыми или д руг ими, окрашенными в кофейный цвет компонентами. Такие г рубые приемы применяются в основном д ля реализации кофе непосред ственно покупателю. В табл. 5 привед ены примеры фальсификации натуральног о кофе и способы ее обнаружения. Основными критериями орг анолептической проверки прод укта являются окраска и строение зерен, а также аромат. Отсутствие специфическог о кофейног о аромата с большой вероятностью указывает на под д елку. В то же время след ует иметь в вид у, что современные ароматизаторы способны прид ать х арактерный д ля кофе аромат и тем самым ввести в заблужд ение нетренированног о д ег устатора, так что проблема установления фальсификации кофе д остаточно сложна. Для прид ания товарног о вид а сух ие кофейные бобы (зерна) под верг ают ферментации, сушке и обжариванию при 180–200 °С в течение 25—30 мин в специальных аппаратах [34]. Именно при обжаривании образуются вещества, прид ающие х арактерный аромат и вкус зернам, молотому кофе и напитку. В состав, обусловливающий запах жареног о кофе (кофеоль), вх од ят около 70 лег колетучих и окисляющих ся на возд ух е ароматических соед инений [35]. К часто фальсифицируемым напиткам относится также коньяк. В процессе созревания коньячных спиртов осуществляются процессы окислительно-восстановительные, эфирообразования и испарения через поры древесины бочек [36]. В результате получается продукт, резко отличающийся от друг их крепких спиртных напитков высоким содержанием микропримесей (этилацетат, спирты С1—С4, изопентиловые спирты). Наиболее полный и д остоверный анализ под линности коньяков обеспечивают метод ы г азовой и жид костной х роматог рафии, а также д руг ие инструментальные метод ы с использованием компьютерных систем и банков д анных . Такие опред еления требуют д орог остоящег о оборуд ования и высококвалифицированног о обслуживающег о персонала, что ог раничивает широкое применение этих аналитических систем в серийных анализах на пищевых пред приятиях . 37 Я. И. Коренман, Т. А. Кучменко Таблица 4 Примеры применения систем «электронный нос» в анализе пищевых и других продуктов Объекты анализа Задачи анализа Методика получения информации Измерительная система Ссылка Как ао, шок олад Контроль к ачества сырог о материала (зерна к ак ао), промежуточных продук тов, оптимизация состава новых шок оладных продук тов с к ак ао Обработк а данных с применением мног опараметрическ их статистическ их методов Сенсорная матричная система [23] Китайск ий плод Schisandrae fructus, лек арственные вещества на ег о основе Детек тирование яблочной, лимонной и винной к ислот (предел обнаружения 0,036; 0,065 и 0,040 мк г /мл) Ионная х роматог рафия с детек тированием ОАВсенсором* Детек тор ОАВ-типа [24] Ароматическ ие соединения в парфюмерной промышленности Дифференциация по летучести Обработк а данных с применением иск усственных нейронных сетей «Элек тронный нос» [25] Душистые специи – к орица, черный и к расный перец, тимода, муск атный орех Классифик ация и идентифик ация по основному к омпоненту запаха Распознавание образцов по алг оритму иск усственных нейронных сетей Система из 9 промышленных сенсоров на основе SnO2 [26] Крах мал Оценк а к ачества по уровням: «соответствует принятому; не соответствует принятому; не соответствует не принятому» Оптимизация различия трех уровней к ачества с применением разных матриц Матричная система датчик ов [27] Упак овочная бумаг а Определение остаточных растворителей, веществ, используемых для пок рытий, чернил в пробе малой массы Обработк а данных методами мног овариантног о анализа (линейная статистик а) и нелинейных нейронных сетей «Элек тронный нос» FOX 4000 с 18 сенсорами (ок сиды металлов); распознает на поток е неизвестные образцы с правильностью 98 % [28] Кофе, сырые и обжаренные зерна Определение летучих к омпонентов Избирательная сорбция к омпонентов на пленочных пок рытиях , прог рамма мног овариантной обработк и отк лик ов отдельных сенсоров «Элек тронный нос» [29] Пищевые масла Оценк а к ачества Обработк а данных и идентифик ация образцов методами анализа основног о к омпонента и диск риминационных функ ций «Элек тронный нос»FOX 3000. Хорошая к орреляция данных , полученных с применением сенсорной системы, г азовой х роматог рафии и дег устации [30] Яблок и, бананы, апельсины Распознавание к етонов, альдег идов, сложных эфиров Использование сенсоров, модифицированных пленк ами жидк их сорбентов Матрица из 12 пьезоэлек трическ их ак устическ их сенсоров с пок рытиями со сдвиг ом по толщине [31] Пищевой ук сус, спиртные напитк и, к офе Детек тирование этилацетата, этанола Качественная и к оличественная оценк а сиг налов «Элек тронный нос» FOX 4000 [32], [33] * Детек тор и сенсор на основе пьезоэлек трическ ог о к варцевог о резонатора объемных ак устическ их волн. 38 Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2002, т. XLVI, № 4 Таблица 5 Средства и способы обнаружения фальсификации натурального кофе [36] Сорта кофе Средства и способы подделки Способы обнаружения Кофе в зернах , Иск усственные подделк и (г линяные, к ерамическ ие, пластмассовые, к рах мальные), имитирующие внешний вид и цвет. Проверк а вида зерен в разрезе, растирание в ступк е, интенсивное перемешивание с водой. необжаренный и жареный Оценк а по аромату обжаренных зерен, размалывание и оценк а вк уса и аромата. Обработк а поверх ности зерен маслом для придания г лянцевости. Оценк а по запах у. Растирание зерен ладонями (остается налет масла). Частичная или полная замена к офе цик орием. Оценк а по ок раск е при растворении в воде. Частичная или полная замена к офе зерносодержащими к омпонентами, желудями. Проверк а к офейной г ущи на наличие к рах мальног о к лейстера. Определение к офеина, мик роск опирование тк аней. Кофе молотый натуральный (без добавок ) с добавлением цик ория Таблица 6 Химический состав кофейного аромата и селективность сорбентов Компоненты равновесного пара кофе Класс Рекомендуемые сорбенты полярности по Эвеллу Селективность сорбентов группа полярности константа Мак-Рейнольдса N-содержащие вещества, например, пиридин II, III ПЭГ-2000 Динонилфталат Тритон Х-100 А В Б 641 159 362 S-содержащие вещества: диметилсульфид, сероводород, сероуг лерод, метилсульфид, тиофен, фуран, метилфураны, фурфурол IV Динонилтерефталат Полистирол В Г Эфиры: метилформиат, метилацетат, этилацетат Ш ПЭГ-2000 Динонилфталат А В - Альдег иды: этаналь, пропаналь, бутаналь, 2-метилпропаналь, 3-метилбутаналь, н-пентаналь, 2-метилбутаналь Ш ПЭГ-2000 Поливинилпирролидон Динонилфталат Тритон Х-100 А А В Б - 2-Метил-1,3-бутадиен, пентадиены IV Полистирол прополис Г В, Г 24 Кетоны: ацетон, бутанон III ПЭГ-2000 Поливинилпирролидон Динонилфталат Тритон Х-100 А В Б 453 147 268 Кислоты: уг ольная, муравьиная, ук сусная, пропионовая II ПЭГ-2000 Поливинилпирролидон Динонилфталат Тритон Х-100 Прополис А А В Г В, Г 639 183 158 110 Дик етоны: диацетил, ацетилпропионил Ш ПЭГ-2000 Поливинилпирролидон Динонилфталат Тритон Х-100 А А В Г 666 231 402 Спирты: метанол, этанол, 2-метил-1-бутанол II ПЭГ-2000 Динонилфталат Тритон Х-100 Метилсилик оновое масло А В Б Г 639 183 399 158 Курсивом выделены вещества-стандарты для оценк и селек тивности фаз к г руппе родственных соединений. 39 Я. И. Коренман, Т. А. Кучменко Для разработки сенсорног о прибора, пред назначаемог о д ля контроля качества кофе и коньяка, нами был выбран метод пьезокварцевог о микровзвешивания. Од но из очевид ных преимуществ этог о метод а состоит в простоте и д оступности оборуд ования. В качестве рабочег о элемента д ля экспериментальной установки был использован пьезокварцевый резонатор с пленочным покрытием на электрод ах . Избирательность и чувствительность таког о устройства варьируются путем под бора пленочног о покрытия – сорбента. Применительно к анализу сложных мног окомпонентных смесей, к каковым относятся кофе и коньяк, нельзя од нозначно под обрать универсальный и высокоселективный сорбент д ля мод ификации электрод ов пьезорезонатора. Зад ача распознавания ароматной композиции кофе и обнаружения лег колетучих микропримесей в коньяке может быть решена с применением матрицы д атчиков, сод ержащих не менее четырех рецепторных пленок сорбентов, относящих ся к разным г руппам полярности — А, Б, В и Г. Всесторонний анализ с использованием банка д анных по параметрам сорбции основных классов орг анических соед инений д ал позитивную оценку возможности созд ания матрицы д атчиков на основе пьезокварцевых резонаторов д ля опред еления веществ, вызывающих кофейный и коньячный ароматы [37—40]. Работа по созд анию метод ики анализа и сенсорног о устройства включала исслед ования, целями и зад ачами которых были: — разработка приемов пробопод г отовки и отбора равновесной г азовой фазы (кофе) или лег колетучих микропримесей (коньяк); — оценка комплементарности рецепторов различной природ ы по отношению к компонентам аромата; — оптимизация условий функционирования инд ивид уальных д атчиков; — мод елирование и созд ание матрицы д атчиков; — разработка алг оритмов формирования суммарног о отклика д етектора; Пробоподготовка и отбор равновесной газовой фазы — обработка результатов анализа; — принятие решения о качестве тестируемог о прод укта. На первом этапе на основании анализа информации о х имическом составе веществ, формирующих кофейный и коньячный ароматы, был провед ен выбор сорбентов д ля избирательной сорбции их основных компонентов (табл. 6). Большая часть ароматобразующих веществ кофе относится к II и III классам полярности (систематизация Эвелла), поэтому в качестве матрицы были исслед ованы полярные сорбенты: г руппы А — полиэтиленг ликоль ПЭГ-2000, поливинилпирролид он, г руппы Б — Тритон Х-100, полиэтиленг ликоль ад ипинат и г руппы В — д инонилфталат, метилсиликоновое масло. Малополярные соед инения IV и V классов в основном уд ерживаются сорбентами г руппы Г, в качестве таких сорбентов были использованы полистирол и прополис. Отметим, что прополис по природ е и х имическому составу нельзя од нозначно отнести к какой-либо г руппе сорбентов. Од нако, учитывая общность с пчелиным воском по х имическому составу (на 30 %) и происх ожд ению, а также наличие аминокислот, белков, уг левод ов, можно условно считать прополис промежуточным межд у сорбентами г рупп В и Г. Для повышения селективности опред еления фенольных составляющих аромата электрод ы мод ифицировали 4-аминоантипирином, не являющимся х роматог рафической фазой, но применяемым в аналитической практике в качестве высокочувствительног о фотометрическог о реаг ента на фенол. На рис.1 представлена схема процесса детектирования качества пищевых продуктов с применением пьезосорбционног о матричног о сенсора. Стационарной матрицей служит система с инжекторным вводом равновесной г азовой фазы (кофе) или жидкой пробы (коньяк). Информативной х арактеристикой функционирования д атчика в од но- и мног окомпонентных г азовых смесях является х роночастотог рамма (рис. 2), которая фиксирует отклик масс-чувствительных сенсоров во Инжектирование газа в детектор Обработка результатов анализа Считывание сигналов датчиков в матрице 1 блок питания 8 частотомер 2 7 3 6 4 5 1 8 детектор 2 7 3 6 4 5 термостат Рис. 1. Схема тестирования проб с применением пьезосорбционного матричного детектора 40 Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2002, т. XLVI, № 4 2500 4 Частота, Гц 2000 1 5 1500 1* 1000 500 0 4* 2* 0 30 60 90 120 5* 3* 150 2, 3 180 Время сорбции, с Рис. 2. Хроночастотограммы стандартных смесей микропримесей в крепких спиртных напитках на пленках динонилфталата (1–5) и ПЭГ-2000 (1*–5*): 1, 1*; 3,3*; 4, 4*; 5, 5* — к оньяк и, соответственно 1-, 3-, 4- и 5летней выдержк и; 2, 2* — водк а времени ∆F с = ѓf(τ) при экспонировании д атчиков на основе рецепторов различной природ ы в парах анализируемых прод уктов. Хроночастотог рамма позволяет оценить избирательность, скорость и эффективность взаимод ействия в системе. В качестве критериев селективности анализа были использованы такие параметры, как время максимальног о отклика датчика, удельная сорбционная емкость, чувстви3 тельность, выраженная в Гц•дм /моль, измеряемые при экспонировании пьезод атчиков в парах анализируемог о прод укта. За уд ельную сорбционную емкость принимали условную величину — отношение изменений частот колебаний резонатора при сорбции вещества в парах и при нанесении пленки: ауд = c c пл ∆F (F − F ) = пл o пл ∆F (F − F ) г д е F о, F пл— абсолютная частота колебаний резонатора без пленки и с пленкой сорбента, соответственно, Гц; F c — частота колебаний резонатора(с пленкой) при сорбции вещества, Гц. Привед ем основные результаты провед енной работы. С увеличением массы пленки на электрод ах пьезокварцевог о резонатора от 0 д о 15 мкг д ля всех изученных сорбентов закономерно возрастают аналитический сиг нал д атчика и сорбционная емкость пленки. При этом д ля сорбентов г рупп полярности А, Б и В изменение площад и сорбирующей поверх ности при увеличении массы пленки привод ит к существенному возрастанию количественных параметров взаимод ействия. В случае сред не- и малополярных сорбентов (полистирол, прополис) влияние массы пленки на чувствительность д атчика к парам ароматобразующих веществ кофе и лег колетучим микропримесям коньяка незначительно. Дальнейший прирост массы пленки (д о 15 – 30 мкг ) практически не изменяет сорбционную емкость пленок большинства изученных сорбентов. Установлено, что д ля высоковязких фаз (ПЭГ-2000, д инонилфталат, метилсиликоновое масло) х арактерно уменьшение аналитическог о сиг нала сенсора, вызываемое не снижением массы сорбата, а затух анием колебаний объемной акустической волны в пленке. Оптимальная мас- са пленок д ля всех изученных сорбентов составляет 8—20 мкг . При значениях массы пленки наиболее активных сорбентов (4-аминоантипирин, поливинилпирролид он, д инонилфталат), вых од ящих за пред елы оптимальных значений, возникают существенные пог решности анализа, что затруд няет принятие решения о качестве прод укта. Возможны д ва варианта устранения ошибок: 1) д ополнительная станд артизация «образа» аромата кофе, взятог о в качестве эталона в реальных условиях эксперимента; 2) под стройка прог раммы обработки сиг налов по г рад уировочным уравнениям ∆F = f (mпл) д ля кажд ог о сорбента. При экспонировании сенсоров в кофейных парах значительный дрейф нулевой частоты колебаний пьезокерамическог о резонатора характерен для пленок из динонилфталата и 4-аминоантипирина. После рег енерации масса пленки динонилфталата уменьшается вследствие частичног о разрушения рецепторног о слоя. Масса пленки 4-аминоантипирина после десорбции возрастает, что свидетельствует о необратимом взаимодействии компонентов пробы с рецептором. Наиболее резкие изменения нулевог о сиг нала наблюдаются при инжекции в детектор паров новог о образца, количественные параметры сорбции фиксированног о образца воспроизводятся с удовлетворительной точностью. На основании пред варительной оценки селективности и чувствительности пленок-рецепторов и стабильности нулевог о сиг нала в качестве матрицы д атчиков д ля тестирования коньячног о аромата рекоменд ованы ПЭГ-2000, полиэтиленг ликоль ад ипинат, Тритон Х-100, прополис, д инонилфталат, полистирол. Кинетические и количественные параметры сорбции отд ельных микропримесей коньячног о аромата и их мод ельных смесей на пленках -рецепторах позволили разработать сх ему расположения д атчиков в матрице и временной поряд ок считывания их сиг налов при инжектировании в д етектор пробы. Исслед ованы коньяки производ ства различных завод ов, сроков выд ержки и марок. При разработке способа тестирования проб кофе помимо паров ароматобразующих веществ, х арактерных д ля кофе, анализу под верг али равновесную г азовую фазу вод ног о раствора сах ара, какао, шоколад а, чая, вод ки, рома, вина. На основании анализа проб кофе по станд артным метод икам, провед енног о в аккред итованной лаборатории по анализу и сертификации пищевых прод уктов (Тех нолог ическая акад емия, Воронеж), выбраны образцы-станд арты (рис. 3). «Ароматог раммы» паров этих и тестируемых проб, построенные по величинам аналитическог о сиг нала и сорбционной емкости, положили начало формированию банка д анных . Путем сопоставления «ароматог рамм» тестируемых прод уктов и станд артов можно получать первую оценку качества (уровень возможной фальсификации). Полученные результаты свид етельствуют об универсальности рекоменд уемог о под х од а к формированию матрицы масс-чувствительных сенсоров д ля парофазног о анализа. К настоящему времени освоено тестирование проб пряностей и специй, ароматных масел и искусственных ароматизаторов, орех ов. Разрабатываются сенсорометрические способы контроля степени обжарки зерен какао-бобов, орех ов, кофе, опред еляющей вкусовые качества г отовых к реализации прод уктов и напитков на их основе. 41 Я. И. Коренман, Т. А. Кучменко 1 1 14 15 1000 2 14 3 13 4 0 12 5 11 6 10 9 9 8 12 5 11 9 80 9 2 3 4 5 Кофе в зернах, стандарт 1 8 4 5 6 10 9 8 7 Коньяк 3-летней выдержки 1 2 3 7 80 9 0 8 4 6 3 11 7 8 2 0 12 6 10 1 15 1000 13 Водка 0 6 14 0 1 7 3 4 Модельная смесь 80 2 13 7 8 15 1000 1 2 3 0 7 5 4 6 5 Какао Кофе натуральный молотый, стандарт 2 Рис. 3. «Ароматограммы» крепких спиртных напитков, кофе и какао, полученные по сигналам в шестисенсорной матрице. Над осью по к руг у ук азаны номера фик сированных отк лик ов ∆F ЛИТЕРАТУРА 1. Николаева М.А. Партнеры и конкуренты, 2000, № 4, с. 23. 2. ГОСТ Р 51293-99 “Идентифик ация продук ции. Общие положения”. М.: Изд-во стандартов, 1999, 4 с. 3. Золотов Ю.А. Ж. аналит. х имии, 1997, т. 52, № 10, с. 1013. 4. Золотов Ю.А. Вестник РАН, 1997, т. 67, № 6, с. 508—513. 5. Роте М. Аромат х леба. М.: Пищевая пром-ть, 1978, 238 с. 6. Маббит Л., Зелинская М. Образование аромата в сыре чеддар. М.: Издатинлит, 1958, 177 с. 7. Родопуло А.К. Виноградорство и виноделие СССР, 1964, № 1, с. 276—280. 8. Craven M.A., Gardner J.W., Bartlett P.N. TRAC: Trends Anal. Chem., 1996, v. 15, № 9, p. 486—493. 9. Smith D.E., Coffman J.R. Anal. Chem., 1960, v. 32, № 8, p. 1733. 10. Stansby M.E. Food Technol., 1962. v. 1, p. 28—31. 11. Jones N.R. Proc. Flavour Сhemistry Simposium. N.J.: Camden, 1961, p. 61. 12. Streuli H. Chimia, 1962, v. 16, № 8 , p. 371—376. 13. Hultin H.O., Proctor B.E. Food Technol., 1962, v. 1 , p. 162—165. 14. Nel N.R. Food Indust. South Africa, 1960, v. 37, p. 37—41. 15. Hedin P.A., Kurts G.W., Koch R.B. Food Sci, 1961, v. 2 , p. 212. 16. Мохначев И.Г., Кузьмин М.П. Летучие вещества пищевых продук тов. М.: Пищевая пром-ть, 1966, 193 с. 17. Gardner J., Bartlett P. Electronic Noses: Principles and Applications Oxford University Press, 1998. 18. Nagle H.T., Schiffman S., Guitierrez-Osuna R. IEEE Spectrum, 1998. № 9, p. 22—33. 19. Muenchmeyer W., Walte A. PITTCON'99, Orlando, 1999, р. 1650. 20. Кучменко Т.А. Применение метода пьезок варцевог о мик ровзвешивания в аналитическ ой х имии. Воронеж: изд. Воронеж. г ос. тех нол. ак ад., 2001, 280 с. 21. Легин А.В., Рудницкая А.М., Макарычев-Михайлов С.М., Горячева О.Е., Власов Ю.Г. Сенсор, 2002, № 1, с. 2 – 7. 42 c пьезодатчик ов в матрице 22. Легин А.В., Рудницкая А.М., Селезнев Б.Л., Власов Ю.Г. Там же, 2002, № 1, с. 8—15. 23. Dutheil O., Quezel-Crazas P., Benincasa V. PITTCON'99, Orlando, 1999, p. 1660. 24. Yang Xiaorong, Chen Po, Nie Lihene, Yao Shouzhuo Anal. Sci., 1998, v. 14, № 2, p. 413—415. ` 25. Dubreuil В., Garrigues S., Talon T. PITTCON 99, Orlando, 1999, p. 1377. 26. Brezmes J., Ferreras В., е.а. Anal. Сhim. Аcta, 1997, v. 348, p. 503. 27. Quezel-Crasaz P., Luciani J. P., Mignard N., Dauneau P. PITTCON'99, Orlando, 1999, p. 1664. 28. Lucas Q., Chauvet J. F., Benincasa V. PITTCON'98, New Orleans, 1998, p. 443. 29. Патент США № 5465608, 1995. 30. Tan Tza Tsung, Loubet F., Bazzo S., Hewitt-Jones J. D. PITTCON'98, New Orleans, 1998. p. 443. 31. Cao Zhong, Xu Dan, Jiang Jian-Hui Anal. Сhim. Аcta, 1997, v. 335, № 1–2, p. 117—125. 32. Lucas Q., Guerin Y., Benincasa V. PITTCON'97, Atlanta, 1997, р. 613. 33. Lo Su-Chin PITTCON'97, Atlanta, 1997, р. 70. 34. Нахмедов Ф.Г. Тех нолог ия к офепродук тов. М.: Лег к ая и пищевая пром-ть, 1984, 184 с. 35. Чаховский И.А. Культура питания. Минск : Белорусск ая энцик лопедия, 1993, 416 с. 36. Шепелев А.Ф., Мхитарьян К.Р. Товароведение и эк спертиза вк усовых и алк ог ольных товаров. Ростов-на-Дону: "МарТ", 2001, 208 с. 37. Патент РФ, № 2098805. 38. Кучменко Т.А., Коренман Я.И. и др.. Ж. аналит. химии, 1999, т. 54, № 2, с. 178—182. 39. Кучменко Т.А., Семенякина Н.В., Коренман Я.И. Ж. прик л. х имии, 1999, т. 72, № 8, с. 1285—1292. 40. Кучменко Т.А., Страшилина Н.Ю., Аристов И.В., Коренман Я.И., Раякович Л., Антонович Д. Ж. аналит. х имии, 2000, т. 55, № 9, с. 991—997.
