Тема 2.4. Визначення масової частки вуглеводів. План
1.Методи визначення масової частки вуглеводів.
2. Поляриметрія. Оптично-активні речовини. Питоме обертання.
3. Будова поляриметра.
4. Визначення масової частки крохмалю та цукру поляриметричним методом.
5. Хімічні методи визначення вуглеводів.
Питання, що винесене на самостійну роботу.
6. Теоретичні основи хроматографічних методів аналізу. Види хроматографії.
1. В пиво-безалкогольному виробництві точне визначення вмісту вуглеводів ( крохмалю, цукрів) має велике значення. По вмісту крохмалю в ячмені оцінюють його якість; по співвідношенню між цурками і не цукрами в пивному суслі говорять про правильність проведення процесу затирання, по наявності зброджуваних цукрів – про можливість ступеня зброджування. В виробництві б/а напоїв вміст цукру визначає живильні властивості напоїв, обумовлюючи їх густину, якість.
Для визначення вмісту вуглеводів найчастіше використовують поляриметричний і хімічні методи аналізу; відомі також колориметричні, ферментативні, хроматографічні і полярографічні методи.
2. Поляриметричний метод заснований на оптичних властивостях вуглеводів - обертати площину поляризації пройденого через них поляризованого променя світла.
Світло являє собою електромагнітні коливання, які розповсюджуються від джерела світла в усі сторони по прямим лініям. Розрізняють промені природні і поляризовані. Промінь, коливання якого проходять в усіх площинах, перпендикулярних його направленню, називається природнім променем. Поляризованим променем називається такий промінь, коливання якого проходять тільки в якій-небудь одній площині. Площина, в якій проходить коливання променя, називається площиною коливання поляризованого променя, а площина, перпендикулярна їй – площиною поляризації.
Здібність речовин і розчинів змінювати ( обертати) площину поляризації світла називаються оптичною активністю.
Речовини, які здібні обертати площину поляризації світла, являються оптично активними (ОАР). Якщо речовини не здібні змінювати площину поляризації світла називаються оптично неактивними. Вуглеводи відносяться до оптично активних речовин. Оптична активність вуглеводів обумовлена наявністю в їх молекулі асиметричних атомів вуглецю, тобто таких, всі чотири валентні зв’язки яких з’єднані з різними атомами або групами атомів. Оптичну активність вуглеводи проявляють в розчинному вигляді. На властивості оптичної активності вуглеводів заснований поляриметричний метод їх визначення.
Розрізняють речовини, які змінюють площину поляризації світла по годинниковій стрілці - правообертаючі – і змінюючи її проти годинникової стрілки – лівообертаючі.
До правообертаючих речовин відносяться глюкоза, сахароза, рафіноза, крохмаль, до лівообертаючих – фруктоза.
Якщо через розчин оптично активної речовини проходить поляризований промінь, то він обертає площину поляризації. Площина поляризації променя, який вийшов, буде повернутою на деякий кут, який називається кутом обертання площини поляризації.
Величина цього кута залежить від:
- природи речовини,
- товщини шару розчину(довжини шляху променя),
- концентрації розчину,
- довжини хвилі поляризованого світла,
- температури .
Для зрівнювання оптичної активності різних оптично активних речовин введено поняття питоме обертання.
Питомим обертанням називають кут, на який повертається площина поляризації під дією розчину, який містить 100 г речовини в 100 см3 розчину при товщині шару цього розчину 1 дм(100мм).
де
- кут обертання площини поляризації
С – концентрація ОАР в г/100 см3 розчину;
-
товщина шару розчину, дм
Кут повороту площини поляризації визначають з допомогою оптичного приладу – поляриметра.
Поляриметри, в який шкала лінійна і градуйована по розчину сахарози, називаються сахариметрами. Один градус лінійної шкали відповідає 0,26 г сахарози, так як при градуюванні використовують розчин, в 100 см3 якого розчинені при 20°С 26 г чистої сахарози ( нормальна наважка).
3. Будова поляриметра. Основними частинами поляриметра являються поляризатор і аналізатор. Поляризатор служить для отримання поляризованого світла, аналізатор – для його дослідження і знаходження. В якості поляризатора і аналізатора користуються призмами Ніколя. В поляриметрах-сахариметрах аналізатор встановлюють нерухомо і замість обертання аналізатора використовують кварцеві компенсатори. Кварц являється оптично активною речовиною; існують два різновида кварца – право- і лівообертаючий. Якщо між поляризатором і аналізатором помістити два кварцевих клина – один право обертаючий, а другий – лівообертаючий – так, щоб товщина шару одного дорівнювала товщині шару другого, то обертова здібність їх буде дорівнювати нулю.
В прилад поміщають поляриметричну трубку, в яку наливають досліджуваний розчин. Трубки виготовляють із метала і скла. При досліджуванні розчинів з кислою реакцією необхідно використовувати скляні трубки. Довжина трубок 100, 200 і 400 мм. Трубка довжиною 200мм рахується нормальною і 400 мм – двонормальною. Кінці трубок з двох сторін закривають покривними стеклами, придавлюючи їх гайками. Трубка повинна бути чистою і сухою. Трубку з одного кінця закривають склом з гайкою, беруть двома пальцями і наливають рідину до тих пір, доки вона не буде виступати поверх краю трубки у вигляді каплі. Потім накривають покривним склом, зрізаючи каплю рідини, що виступає. Закривають трубку швидко і акуратно, щоб під покривним склом не було бульбашки повітря. Якщо утворилася бульбашка повітря, то операцію необхідно повторити.
В харчовій промисловості використовують поляриметр марки СУ-4 і автоматичний поляриметр.
Поляризацію на поляриметрі СУ-4 проводять наступним чином. Окуляр аналізатора встановлюють на ясну видимість і обертанням гвинта 19 досягають однакової інтенсивності освітлення обох половинок поля зору, покази поляриметра при цьому повинні дорівнювати нулю. Потім в камеру поміщають поляриметричну трубку, заповнену досліджуваним розчином. Поля зору поляриметра розділяються по вертикальній лінії на дві половини – темну і світлу. Потім обертанням того ж гвинта досягають однакової інтенсивності освітлення обох половинок. Після чого проводять відлік по ноніусу ( верхній шкалі). Покази нижньої шкали зліва до нуля ноніуса – цілі числа, а поділка ноніуса вправо від нуля, яка співпадає з якою-небудь поділкою нижньої шкали, показує десяті одиниці. Поляризацію проводять 2-3 рази для більш точного визначення, і по отриманим даним розраховують середнє арифметичне значення.
4. Визначення вмісту крохмалю методом Еверса. Наважку розмеленого зерна 5 г пересипають в суху широкогорлу мірну колбу (колбу Кольрауша). Сюди ж в два прийоми, по 25 см3, вливають 50 см3 розчину соляної кислоти. Після додавання першої порції кислоти вміст колби перемішують до повного змочування продукту і зникнення комочків. Рештою 25 см3 кислоти змивають решту борошна із стінок горличка колби і поміщають колбу в кип’ячу баню. Протягом перших 3 хвилин, не виймаючи колби із бані, розмішують усю суміш плавними круговими рухами. Необхідно щоб вода в бані покривала усю широку частину колби і безперервно кипіла.
Точно через 15 хвилин (термін гідролізу крохмалю під дією кислоти) колбу виймають із бані і швидко приливають до неї стільки холодної дистильованої води, щоб до мірної риски залишався об’єм не більше 10 – 15 см3.
Суміш колби охолоджують до температури 20ºС. Потім у колбу приливають 5 см3 розчину молібденовокислого амонію (для осадження білків і освітлення розчину в колбі).
Розчин у колбі доводять дистильованою водою до мітки, ретельно перемішують і фільтрують через сухий складчастий паперовий фільтр у суху колбу. Для запобігання випарювання при фільтруванні воронку накривають склом.
Першу порцію фільтрату повертають назад у воронку, фільтратом наповнюють поляриметричну трубку сахариметра і зразу ж роблять перший відлік по шкалі.
Відлік показів поляриметра повинен бути зроблений швидко, щоб уникнути невірних результатів визначення.
Заповнюючи поляриметричну трубку новою порцією фільтрату, роблять слідуючий відлік. Всього повинно бути зроблено не менше трьох відліків.
За кінцевий результат приймають середнє арифметичне результатів трьох відліків, крайнє значення яких не перевищує допустимого відхилення.
Масову частку крохмалю у сухій речовині зерна (m) у відсотках обраховують по формулі :
,
де К – перевідний коефіцієнт (для ячменю К = 1,912);
а – покази поляриметра, в градусах шкали;
W – масова доля вологи у розмеленому зерні, %.
5. Хімічні методи визначення вуглеводів.
В основу хімічних методів аналізу покладені редуцюючі властивості цукрі, які мають вільну кетонну або альдегідну групу.
Під редуцюючими властивостями розуміють їх відновлюючи властивості, здатність цукрі окислюватися і при цьому відновлювати деякі метали ( Си).
Хімічні методи, які використовуються в бродильних виробництвах поділяються на дві групи:
І – методи основані на окисленні цукрів лужними розчинами міді:
а) метод Бертрана ;
б) Лейна і Ейнона;
в) Мюллера і Офнера.
ІІ – методи основані на окисленні цукрів йодом в лужному середовищі .
Визначення вмісту цукрі по методу Бертрана.
Для окислення цукрів використовують Фелінгові рідини: Фелінг І являє собою сірчано-кислу мідь, Фелінг ІІ – суміш розчину їдкого натрію і калій натрієвої солі винної кислоти ( сегнетова сіль). Ці сполуки не стійкі при зберіганні, тому ці розчини зберігають окремо і змішують в рівних кількостях по об’єму в момент використання.
І етап - при змішуванні Фелінгових рідин сірчано-кисла мідь вступає в реакцію з гідроксидом натрію і утворюється гідроксид міді.
ІІ етап – гідроксид міді зразу ж не розчиняється , а вступає у взаємодію з сегнетовою сіллю і утворюється комплексна сполука міді. Ця сполука добре розчиняється і є окислювачем у Фелінгових рідинах.
ІІІ етап – при взаємодії комплексної сполуки міді з цурками при кипятінні – цукри окислюються , а мідь відновлюється, тобто із двох- валентної переходить в одновалентну і випадає в осад червоного кольору закису міді.
ІV етап – кількість вуглеводів зводиться до кількісного визначення утвореного осаду закису міді. Для цього суміш кип’ятять і під вакуумом фільрують за допомогою насосу Камовського. Осад промивають гарячою водою до зникнення лужної реакції по лакмусовому папірцю . Потім осад розчиняють залізоаміачними квасцями, в результаті утворюється сірчанокисле залізо.. Після цього отриманий розчин титрують перманганатом калію, при цьому двохвалентне залізо окислюється в трьохвалентне. По кількості перманганату калію, що пішов на титрування визначають кількість міді. 1 см3 перманганату калію концентрацією 1 моль/дм3 відповідає 6,36 мг міді. По спеціальним таблицям по кількості міді знаходять кількість цукру.
Паралельно проводять контрольний дослід з дистильованою водою.
6. Хроматографія - це фізико-хімічний метод розділення і аналізу сумішей газів, парів, рідин або розчинених речовин і визначення фізико-хімічних властивостей індивідуальних речовин, заснований на розподілі поділюваних компонентів сумішей між двома фазами: рухомою і нерухомою. Речовини, що становлять нерухому фазу, називаються сорбентами. Нерухома фаза може бути твердою і рідкою. Рухома фаза - це потік рідини або газу, фільтруючий через шар сорбенту. Рухома фаза виконує функції розчинника та носія досліджуваної суміші речовин, перекладеної в газоподібний або рідкий стан. Розрізняють два види сорбції: адсорбцію - поглинання речовин твердою поверхнею і абсорбцію - розчинення газів і рідин в рідких розчинниках. Різноманіття видозмін і варіантів методу хроматографії вимагає їх систематизації та класифікації.
В основу класифікації можна покласти різні ознаки, а саме: 1. Агрегатний стан фаз;
2. Механізм поділу;
3.Спосіб проведення процесу;
4.Мета проведення процесу.
Класифікація за агрегатним станом фаз:
газова (рухома фаза - газ), газорідинна (рухома фаза - газ, нерухома фаза - рідина), рідка (рухома фаза - рідина) хроматографія.
а) Газова (газо-адсорбційна) хроматографія
Газова хроматографія - хроматографічний метод, в якому рухомою фазою є газ. Газова хроматографія отримала найбільше застосування для розділення, аналізу і дослідження речовин і їх сумішей, що переходять без розкладання в пароподібний стан.
Одним з варіантів газової хроматографії є газо-адсорбційна хроматографія - це метод, в якому нерухомою фазою є твердий адсорбент. У газовій хроматографії в якості рухомої фази (газу-носія) використовується інертний газ: гелій, азот, аргон, значно рідше водень і вуглекислий газ. Іноді газом-носієм служать пари легколетучих рідин.
Газохроматографический процес зазвичай здійснюється у спеціальних приладах, званих газовими хроматографами. У кожному з них є система подачі потоку газу-носія, система підготовки і введення досліджуваної суміші, хроматографічна колонка з системою регулювання її температури, що аналізує система (детектор) і система реєстрації результатів поділу та аналізу (реєстратор). Важливе значення у газо-адсорбційної хроматографії має температура. Її роль перш за все полягає у зміні сорбційної рівноваги в системі газ - тверде тіло. Від правильного підбору температури колонки залежить, і ступінь розділення компонентів суміші, і ефективність колонки, і загальна швидкість аналізу.
Газо-адсорбційна хроматографія використовується в хімічній і нафтохімічній промисловості для аналізу продуктів хімічного і нафтохімічного синтезу, складу фракцій нафти, визначення чистоти реактивів і змісту ключових продуктів на різних стадіях технологічних процесів і т.п. Аналіз постійних газів і легких вуглеводнів, включаючи ізомери, методом газової хроматографії займає 5 - 6 хвилин. Раніше, на традиційних газоанализаторах, цей аналіз тривав 5 - 6 годин. Все це призвело до того, що газова хроматографія стала широко використовуватися не тільки в науково-дослідних інститутах і контрольно-вимірювальних лабораторіях, але і увійшла до системи комплексної автоматизації промислових підприємств. Дуже часто газова хроматографія застосовується для визначення вмісту спирту в крові водіїв автомобілів.
Газова хроматографія дозволяє отримувати цінну та унікальну інформацію про склад запахів харчових продуктів, таких, як сир, кава, ікра, коньяк та ін..
Розприділююча хроматографія.
Цей метод заснований на різниці в роз приділенні речовин між двома розчинниками, які не змішуються .
Розподіл методом розпридільчої хроматографії можна проводити на колонках, які заповнені твердими зернами носія, які пропитані нерухомим розчинником, або на смужках паперу ( фільтрувальної). Аналіз на смужках паперу називають паперовою розприділюючою хроматографією і використовують для визначення вмісту вуглеводів , амінокислот і інших зєднань .
Література: [2, с.49-85]; [2, с.60-65].
Питання для самоконтролю
1. Якими методами для визначення вуглеводів користуються в пиво-безалкогольному виробництві?
2. В чому суть поляриметричних методів визначення вуглеводів?
3. Які застосовують хімічні методи для визначення вуглеводів ? В чому їх суть?
4. Дайте визначення слідуючим поняттям – «площина поляризації», «поляризований промінь», «оптично-активні речовини», « питоме обертання»?
5. Що таке правообертаючі і лівообертаючі речовини? Які речовини до них відносяться?
6. В чому суть хроматографічних методів визначення вуглеводів?
7. Які види хроматографії застосовують в пиво-безалкогольному виробництві?