Методы исследования сырья и продуктов растительного происхождения (теория и практика). Учебное пособие

Рефрактометрия (определение показателя преломления) широко применяется в контроле бродильных производств для определения концентрации сахарозы в чистых сахарных растворах, а также для нахождения общей суммы растворимых сухих веществ в мелассе, ликеро-водочных изделиях, пиве, сусле, соках и морсах. Определив показатель преломления, по специальным таблицам находят содержание видимых сухих веществ. Так как таблицы составлены по сахарозе, то чем больше содержание несахаров и чем больше их показатель преломления отличается от показателя преломления сахарозы, тем больше содержание видимых веществ, найденных рефрактометрически, отличается от истинного значения. По показателю преломления, кроме того, определяют концентрацию водно-спиртовых растворов.

Одна из особенностей рефрактометрических методов анализа – их безынерционность, которая дает возможность использовать рефрактометры в производственном контроле как приборы непрерывного действия.

Принцип рефрактометрического анализа состоит в том, что луч света при переходе в более плотную среду преломляется. Этот эффект известен по преломлению света при погружении предметов в воду. Можно очень точно измерить преломление света на оптически менее точном объекте (жидкости) в оптически более плотной призме. Это преломление света, выраженное показателем преломления, является функцией концентрации вещества (спирта, экстракта), температуры и длины волны.

Плотность жидкости зависит от содержания спирта и содержания экстракта. Поэтому, зная показатель преломления, можно определить относительную плотность, а затем и экстрактивность начального сусла.

Видимая плотность определяется с помощью ареометра или вибрационно-частотного преобразователя, показатель преломления – с помощью прецизионного или погружного рефрактометра с термостатируемой призмой. Оба измерения могут проводиться совместно в автоматических анализаторах, проводимых необходимые вычисления.

31

для автоматического анализа серии однотипных образцов. Для подачи образца в ячейку используют сжатый воздух. Приборы снабжены нагревателем для анализа высоковязких образцов.

Вибрационно-частотный метод измерения плотности пива

Измерение показателя преломления можно заменить измерением скорости звука в исследуемом пиве. Поскольку звук в жидкости распространяется в зависимости от концентрации, а следовательно, от концентрации экстракта, на этом принципе может основываться ряд методов измерений.

Вибрационно-частотный преобразователь - резонатор представляет собой U-образную трубку, заполненную исследуемой жидкостью.

С помощью системы, основанной на электромагнитном или пьезоэлектрическом методе, трубка начинает колебаться. Резонансную частоту колебаний можно очень точно измерить, что дает возможность определить плотность точно и быстро.

Вибрационно-частотный преобразователь используется в настоящее время повсеместно: в переносных приборах; в стационарных лабораторных приборах, например, «Колос»; в контрольно-измерительных приборах, встроенных в линию для непрерывного производственного контроля.

По результатам измерений плотности и частоты ультразвуковых колебаний можно вычислить экстрактивность начального сусла – массовую долю сухих веществ в охмеленном сусле.

Лабораторная работа № 1. Определение сухих веществ мелассы пикнометрическим методом

Цель работы: освоить пикнометрический метод определения концентрации сухих веществ мелассы; по получен-

33

ным результатам дать оценку методам определения сухих веществ в растворах.

Оборудование и материалы: технические весы, анали-

тические весы, химический стакан, пикнометр; меласса, дистиллированная вода.

Краткие теоретические сведения

Определение ведут в разбавленных растворах вследствие большой вязкости мелассы. Самый простой из методов - двойное разбавление: в сухой стакан отвешивают на технических весах 150 г мелассы, затем ее разбавляют горячей водой, охлаждают, доливают водой на весах до 300 г, тщательно перемешивают и охлаждают. Определяют плотность раствора и находят в нем по приложению 1 содержание сахара (в % мас.)

впересчете на сахарозу. Для определения содержания сахара

висходной мелассе полученные данные удваивают. Недостаток этого метода заключается в необходимости троекратного взвешивания.

Большое распространение получил метод нормальной навески продукта на 100 см3 раствора, так как требует одного взвешивания мелассы. Недостатком этого метода является большое разбавление продукта (примерно в 4 раза). Метод нормальной навески широко используется в поляриметриче-

ских и ареометрических определениях. Нормальной навеской считают 26 г мелассы в 100 см3 раствора.

Преимущество метода – однократное взвешивание мелассы.

Проведение анализа

65 г мелассы, т. е. 2,5 нормальной навески, отвешивают на технических весах в сухой фарфоровой чашке или в химическом стакане. При помощи дистиллированной воды температурой 70 – 80 оС мелассу количественно переносят в мерную колбу вместимостью 250 см3. Содержимое колбы охлаждают до 20 оС, доливают водой до метки и тщательно пере-

34

мешивают. Определив плотность раствора мелассы пикнометром, по приложению 2 находят содержание в ней растворимых сухих веществ. Для пересчета на мелассу использу-

ют уравнение:

В = b · d. 100 / 26,

где d – плотность раствора мелассы при 20 оС.

Пример. Определить содержание растворимых сухих веществ в мелассе, если плотность нормального ее раствора равна 1,0807 г/ см3 (приложение 2). Зная плотность раствора мелассы, по приложению 1 находят эквивалентную массовую долю сухих веществ – 19,5 % и затем рассчитывают величину

В = 19,5 · 1,0807 · 100 / 26 = 81,05 % мас.

Лабораторная работа № 2. Определение концентрации видимых сухих веществ

мелассы ареометрическим методом

Цель работы: освоить ареометрический метод определения концентрации сухих веществ в растворе мелассы; по полученным результатам дать оценку методам определения сухих веществ в растворах.

Оборудование и материалы: цилиндры, сахаромеры,

термометры, дистиллированная вода, меласса.

Проведение анализа

Определение ведут в нормальном растворе мелассы или растворе, полученным методом двойного разбавления. Для этого можно использовать растворы мелассы, приготовленные для пикнометрического метода определения сухих веществ. В доведенном до температуры 20 оС растворе концентрацию видимых сухих веществ определяют с помощью сахаромера. Сахаромер погружают в раствор трижды и для расчетов берут среднее значение. Показание сахаромера при 20 оС указывает на концентрацию видимых сухих веществ в растворе мелассы, выраженную в % мас. В случае необходимости вводят соответствующую поправку на температуру. Показание

35

сахаромера умножают на 2 (при двукратном разбавлении) или на отношение 100/26 (при использовании нормальной навески).

Лабораторная работа № 3.

Отбор проб и определение концентрации сухих веществ пивного сусла ареометрическим методом

Цель работы: освоить ареометрический метод определения концентрации веществ в пивном сусле; по полученным результатам дать оценку методам определения сухих веществ в растворах.

Оборудование и материалы: цилиндры, сахаромеры,

термометры; пивное сусло.

Проведение анализа

Для анализа сусло отбирают в сосуд с крышкой непосредственно из сусловарочного аппарата перед перекачкой его на охлаждение. Сусло освобождают от хмелевой дробины фильтрованием через воронку с сеткой. Для взятия пробы удобен металлический сосуд, имеющий крышку с сеткой: его опускают в сусло, и хмелевая дробина задерживается сеткой.

Пробу передают на охлаждение, наливают в стеклянный цилиндр, диаметром в 2 – 3 раза большим, чем диаметр сахаромера. Сахаромер плавно погружают в цилиндр, отсчет по шкале производят через 2 – 3 мин по верхнему мениску при положении глаза на уровне мениска.

Для достижения большей точности измерения ареометром следует придерживаться следующих правил: погруженный в жидкость ареометр не должен касаться стенок цилиндра; поверхность ареометра должна быть обезжиренной, сухой; исследуемая жидкость не должна содержать пузырьков воздуха и пены; новые сахаромеры проверяют по раствору caxaрозы с массовой долей 20 %.

36

Лабораторная работа № 4. Отбор проб и определение концентрации

сухих веществ пивного сусла рефрактометрическим методом

Цель работы: освоить рефрактометрический метод определения концентрации сухих веществ в пивном сусле; по полученным результатам дать оценку методам определения сухих веществ в растворах.

Оборудование и материалы: рефрактометр ИРФ-454Б2М, пивное сусло, дистиллированная вода.

Проведение анализа

Призму прибора протирают чистой льняной салфеткой (нельзя использовать фильтровальную бумагу!). Оплавленным концом стеклянной палочки наносят на плоскость измерительной призмы 1 ...2 капли дистиллированной воды (температура 20 оС) и закрывают верхнюю камеру. Зеркалами подсветки шкалы и поля подают свет на призменный блок наблюдая его равномерной освещенности в окуляр. При необходимости добиваются резкости изображения перекрестья нитей и шкалы, вращая окуляр. Затем вращая маховичок компенсатора (справа) необходимо добиться резкого отображения границы раздела, при необходимости откорректировать его положение.

При правильной установке прибора на нуль граница светотени при 20 оС должна быть совмещена с нулевым делением шкалы сухих веществ, а также с делением шкалы показателя преломления воды (п = 1,33299).

Тщательно протирают призму, наносят каплю пивного сусла при температуре 20 оС, снимают показания прибора по нижней шкале. Измерения повторяют не менее трех раз.

После проведения анализа тщательно промывают призму и шарнир камеры водой, температура которой не должна отличаться от температуры призм. Призмы досуха вытирают

37

чистой салфеткой из льняного полотна, не оставляющего ворсинок и пыли на полированной поверхности.

Контрольные вопросы

1.Что понимают под концентрацией сухих веществ в испытуемом материале?

2.Какие сухие вещества называются истинными и видимыми, какие из них больше и почему?

3.Что такое плотность вещества?

4.Какие величины входят в формулу для расчета относительной плотности вещества?

5.В чем состоит пикнометрический метод определения плотности? Перечислить пикнометры, используемые в данном методе.

6.Каковы правила работы с пикнометрами? Привести расчетную формулу для определения относительной плотности раствора.

7.Какова сущность ареометрического метода определения концентрации растворимых сухих веществ в сырье?

8.Что представляет собой ареометр, каким образом градуирована его шкала?

9.Какие условия необходимо соблюдать при работе с ареометрами?

10.Какие методы основаны на определении показателя преломления?

11.Каковы основные понятия рефрактометрии?

3. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕВОДОВ

В растительном сырье сухие вещества на 70 – 80 % состоят из углеводов, и от полноты их использования зависит экономика производства. Основная масса углеводов представлена крахмалом или сахарами, которые и определяют ценность сырья. Так, расход сырья и выход готовой продукции зависят от исходного содержания в сырье крахмала или

38

сахара. Контроль технологического процесса ведется, главным образом, по углеводам: определяется полнота осахаривания крахмала, количество сахара на разных стадиях производства и в отходах.

Среди углеводов зернового сырья содержится до 10 –

– 15 % гемицеллюлоз. Они состоят в основном из пентозанов (арабан, ксилан) и небольшого количества гексозанов (галактан, маннан). При осахаривании заторов гемицеллюлозы гидролизуются до несбраживаемых дрожжами сахаров. В производстве пива они почти полностью переходят в экстракт и придают пиву полноту вкуса.

В производстве же спирта пентозаны не могут быть использованы. Однако, обладая теми же свойствами, что и крахмал, они определяются вместе с ним, что приводит к ошибке в расчете выхода спирта из зерна. Поэтому для установления истинного содержания крахмала вносят поправку на пентозаны, определяя их по особым, присущим только им свойствам.

Классификация методов определения углеводов

Для количественного определения разных видов углеводов разработано много различных методов. По принципу действия их можно разбить на четыре основные группы:

поляриметрические методы, основанные на свойстве углеводов вращать плоскость поляризации поляризованного света;

химические методы, основанные на способности моносахаридов и некоторых более сложных сахаров, содержащих

вмолекуле свободную альдегидную или кетонную группу, окисляться оксидами тяжелых металлов. В лабораторном контроле наиболее широкое применение получили методы, основанные на реакции восстановления в щелочной среде оксида меди (II) в оксид меди (I), протекающей по схеме 2СuО = = Сu2О + О; методы, основанные на реакции восстановления

вщелочной среде оксида железа (III) в оксид железа (II),

39

идущей по схеме Fe2O3 = 2 FeO + О, и методы, основанные на реакции восстановления в щелочной среде йода;

колориметрические методы, основанные на способно-

сти сахаров в сильно кислой среде превращаться в фурфурол или оксиметилфурфурол, которые с антроном и резорцином дают окрашенные соединения;

ферментативные методы, основанные на специфичности фермента катализировать только определенную химическую реакцию или разрывать строго определенную химическую связь.

Поляриметрические методы определения углеводов

Углеводы (сахара и крахмал, которые в первую очередь подлежат контролю в бродильном производстве) обладают оптической активностью, которая обусловливается наличием в их молекулах асимметрических атомов углерода.

Оптическую активность углеводов можно обнаружить и измерить при помощи поляризованного света. Поляризованным называют свет, у которого электромагнитные колебания происходят только в одной плоскости, перпендикулярной направлению луча света. Эта плоскость называется плоскостью колебаний, а перпендикулярная ей плоскость – плоскостью поляризации. Обе плоскости взаимосвязаны: при изменении положения одной плоскости на ту же величину изменяется положение другой.

При прохождении поляризованного света через слой оптически активного вещества плоскость поляризации изменяет свое положение, поворачиваясь вправо или влево (если смотреть навстречу лучу света) на некоторый угол, который называется углом вращения плоскости поляризации α. Вращение плоскости поляризации вправо обозначают знаком «+», влево

– знаком «–».

Величина угла вращения зависит не только от оптической активности вещества, но и от условий ее измерения, а именно: от температуры, длины волны света, толщины слоя оптически активного вещества, концентрации его раствора, а

40