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

также от природы растворителя. Поэтому для получения сравнимых данных об оптической активности различных веществ, а также для их количественного определения принято измерять угол вращения при температуре 20 оС, используя желтый свет натриевого пламени (монохроматический свет).

Для растворов за удельную вращательную способность принимают такой угол вращения плоскости поляризации, который наблюдается при прохождении света через слой раствора толщиной l = 1 дм при условной концентрации вещества в растворе с=100 г в 100 см3 раствора. Удельное вращение вещества, находящегося в растворенном состоянии, рассчитывают по формуле:

= α∙100:(lc).

Удельное вращение является характерной и постоянной величиной для каждого оптически активного вещества при определенных условиях измерения. Однако необходимо отметить, что для редуцирующих сахаров (глюкозы, фруктозы, инвертного сахара и др.) величина удельного вращения заметно изменяется в зависимости от температуры и концентрации растворов. Кроме того, у свежеприготовленных растворов редуцирующих сахаров наблюдается явление мутаротации (постепенного изменения удельного вращения), связанное с существованием различных форм данного сахара.

У нередуцирующих сахаров, в том числе и сахарозы, удельное вращение незначительно изменяется с изменением температуры и концентрации раствора. Поэтому для их количественного определения наиболее пригоден поляриметрический метод. Определение сахаров этим методом сводится к измерению угла поворота плоскости поляризации раствором сахара. Зная толщину слоя раствора, удельное вращение сахара и угол поворота, можно найти концентрацию раствора с (в г на 100 см3 раствора):

с=α·100:,

где - удельное вращение вещества при температуре 20 оС.

Как видно из уравнения, для одного и того же сахара угол поворота плоскости поляризации луча света при определенной толщине слоя раствора сахара зависит только от кон-

41

центрации раствора. Эта зависимость и является основой поляриметрического метода.

Прибор для измерения угла поворота плоскости поляризации света называется поляриметром. В поляриметрах общего назначения для измерения угла поворота применяется круговая шкала, градуированная в дуговых градусах. В пищевой промышленности применяются специальные поляриметры, шкала которых градуирована по раствору сахарозы. Такие поляриметры называются сахариметрами. Шкала сахариметра

градуирована по сахарозе в условных градусах, обозначаемых

оS (рис. 5).

По этой шкале отсчет 100 оS получают, когда измеряют вращение раствора,

содержащего при 20 оС

Рис. 5 Шкала поляриметра в 100 см3 26,0 г хими-

чески чистой безводной сахарозы, а измерение проводят при 20 оС в поляриметрической трубке длиной 200 мм. Отсчет 0 оS получают, когда та же трубка заполнена дистиллированной водой. Расстояние между этими отметками делят на сто равных частей – градусов, следовательно, 1 оS шкалы соответствует 0,26 г сахарозы. Такая шкала называется международной сахарной шкалой. 100 оS сахарной шкалы соответствуют 34,62 град дуговой шкалы поляриметра, а 1 оS = 0,3462 град дуговой шкалы. Число 0,3462 используется как коэффициент перевода градусов сахарной шкалы в дуговые градусы.

Масса навески 26,0 г и трубка длиной 200 мм называются нормальными. Если на анализ берут нормальную навеску материала или раствора, содержащую сахарозу, и поляриметрируют

внормальной трубке, то шкала сахариметра показывает содержание сахарозы в анализируемом образце в процентах.

Например, при анализе мелассы взяли массу навески 26,0 г

вколбу на 100 см3, измерение вращения проводили в трубке длиной 200 мм. При этом показание шкалы было 48,2 оS, следовательно, в навеске содержалось 48,2 – 0,26 г сахарозы а в 100 г

мелассы содержится (48,2 – 0,26) · 100 : 26,0 = 48,2 % сахарозы.

42

Таким образом, работать с нормальной навеской или с кратным ей количеством сахарозосодержащего вещества очень удобно.

Поляриметрическая трубка длиной 200 мм называется нормальной. Кроме нормальных трубок, сахариметр снабжается трубками длиной 100 мм (полунормальные), которые используются при анализе растворов с высокой концентрацией сахара, а также темноокрашенных растворов, и трубками длиной 400 мм (двойные) – для анализа растворов с низкой концентрацией сахара. Чтобы получить результаты анализа в процентах, показание сахариметра для трубки длиной 100 мм умножают на 2, а для трубки длиной 400 мм делят на 2.

Точность установки на полутень, а следовательно, и точность измерения зависят от опытности и субъективных особенностей светового восприятия наблюдателя. Поэтому при анализе одного и того же раствора двумя исполнителями могут получаться разные результаты. К тому же при большом числе измерений глаза быстро утомляются, острота восприятия снижается и воспроизводимость измерений падает. Эти недостатки визуальных сахариметров устранены в современных автоматических фотоэлектрических поляриметрах.

Основной недостаток поляриметрического метода заключается в его неспецифичности: им нельзя определить один какой-нибудь сахар в присутствии других сахаров и оптически активных несахаров. При измерении угла вращения такой смеси получают алгебраическую сумму углов вращений право- и левовращающих веществ. Поэтому, когда нужно найти действительное содержание данного сахара, прибегают к различным сложным приемам. Для анализа чистых сахаров этот метод является одним из наиболее быстрых и точных, так как позволяет определять массовую долю сахара с точностью до 0,02 % и не требует большого разведения раствора, всегда вносящего ошибку в результаты анализа.

При анализе прозрачных растворов их поляриметрируют непосредственно без обработки, лишь с разведением водой. Однако большинство продуктов бродильных производств требуют специальной подготовки. Так, при растворе-

43

нии мелассы в воде получается мутный темноокрашенный раствор, совершенно непригодный к поляриметрированию. Поэтому его предварительно осветляют при помощи свинцового уксуса или основного нитрата свинца (реактив Герлеса), которые переводят в нерастворимое состояние большинство несахаров и красящие вещества. Образовавшийся осадок отделяют фильтрацией. В избытке свинцового уксуса выпавшие в осадок белки могут снова раствориться, поэтому его добавляют к раствору точно по прописи.

Крахмал является главной составной частью сухих веществ зерна и картофеля. Его содержание в рисе составляет

70 – 80 %, пшенице и ячмене — 60 – 70, ржи —55 – 65, овсе –

35 – 50, картофеле – 12 – 22 % сухих веществ этих культур. Точность определения крахмала зависит от тонкости

измельчения материала. При тонком помоле разрываются оболочки клеток и крахмал становится доступным воздействию применяемых реактивов. Для получения сравнимых результатов анализа необходимо брать пробы с одинаковой степенью измельчения, проверяя ее просеиванием через сито с известным размером отверстий. Для определения содержания крахмала по величине угла поворота плоскости поляризации его предварительно растворяют соляной кислотой или хлоридом кальция.

Основным стандартным методом определения крахмала при оценке качества зерна в нашей стране принят метод Эверса, основанный на растворении крахмала кипячением со слабым раствором соляной кислоты (в соответствии с ОСТ 10-00334586.1-93 «Зерно. Методы определения условной крахмалистости»). При нагревании с соляной кислотой даже низкой концентрации (около 1 % мас.) происходит не только растворение, но и частичный гидролиз крахмала, белков, гемицеллюлоз, пектиновых веществ, поэтому получаемый раствор представляет собой сложный конгломерат, состоящий из 70 – 80 % крахмала и декстринов, 5 – 15 % пентозанов, 14 – 18 % моно- и олигосахаридов и неосаждаемых азотистых веществ.

44

Удельное вращение декстринов и всех примесей ниже, чем крахмала, а некоторые примеси (фруктоза, некоторые амино- и оксикислоты) имеют левое вращение. Поэтому угол поворота плоскости поляризации в таком растворе всегда меньше, чем в растворе чистого крахмала. Так как крахмал, полученный из разных культур, различается по физикохимическим свойствам и при нагревании с соляной кислотой гидролизуется в различной степени, то удельное вращение для разных культур получается различным.

Химические методы определения углеводов

Химические методы основаны на окислении свободной альдегидной или кетонной группы сахаров оксидами тяжелых металлов. В связи с тем что оксиды металлов, окисляя сахар, сами восстанавливаются, сахара, способные восстанавливать окислители, называются редуцирующими. Это все моносахариды, также мальтоза, мальтотриоза и другие продукты гидролиза крахмала.

Скорость процесса окисления и состав продуктов реакции прежде всего зависят от активности окислителя, реакции среды и температуры. Решающее значение имеет рН среды. В кислой среды моносахариды сравнительно устойчивы, тогда как щелочная среда сама по себе вызывает далеко идущий распад молекулы сахара. Поэтому реакцию окисления сахаров проводят в щелочной среде.

Ионы тяжелых металлов ускоряют реакцию окисления. Как катализаторы они активируют кислород воздуха и переносят его на молекулу сахара, причем обратимо изменяется их валентность. Наиболее активные катализаторы – ионы меди, несколько слабее действуют ионы железа, еще слабее – ионы йода. В зависимости от активности окислителя и условий протекания реакции окисление альдоз и кетоз доходит до различных стадий.

Наиболее часто используют медьсодержащие растворы. Щелочной раствор меди готовят по способу, разработанному Фелингом. Жидкость восстанавливают все моносахариды и

45

полисахариды, содержащие свободную карбонильную группу. Происходит фрагментация молекулы моносахарида, а соответствующий оксид металла, восстанавливаясь, образует закись. Определяя ее количество, можно по приложению 3 рассчитать количество имеющегося в растворе сахара.

Производственные среды обычно содержат смесь простых и сложных сахаридов. Так, в сусле, кроме мальтозы, присутствует глюкоза, мальтоподобные сахара с 3 – 6 остатками молекул глюкозы и низкомолекулярные декстрины. Эти продукты гидролиза крахмала значительно различаются по молекулярной массе, но все имеют по одной свободной альдегидной группе. Следовательно, химическим анализом нельзя определить истинное содержание сахара в такой смеси без предварительного гидролиза сложных сахаров до моносахаридов.

Метод дает хорошо воспроизводимые результаты анализа только при строгом соблюдении условий проведения реакции окисления сахара.

В процессе затирания солода стремятся накопить мальтозу в количестве, достаточном для достижения концентрации алкоголя, требуемой стандартом для того или иного сорта пива. В зависимости от сорта пива содержание мальтозы колеблется от 65 до 80 % экстракта сусла. В сусле темных сортов пива ее содержится меньше (65...70 %), а в сусле светлых сортов — больше (75...80 %). Чаще всего определяют мальтозу методом Бертрана, который основан на окислении сахаров фелинговой жидкостью, которая представляет собой смесь двух растворов: сернокислой меди (I) и сегнетовой соли и едкого натра (II). Сущность метода заключается в следующем. Смешивая оба раствора Фелинга, получают осадок гидрата оксида меди, который, вступая во взаимодействие с сегнетовой солью, образует комплексное соединение меди. При кипячении с редуцирующими сахарами оно окисляет сахар, а медь при этом восстанавливается и выпадает в осадок в виде оксида меди красного цвета. Осадок отфильтровывают, промывают и растворяют в присутствии серной кислоты в растворе железо-аммонийных квасцов. Количество образовавше-

46

гося сульфата железа определяется титрованием перманганатом калия. Умножая объем, см3, перманганата калия, пошедшего на титрование, на его титр, определенный по меди, рассчитывают массу меди (мг) и по таблицам находят соответствующее содержание сахара. Количество углевода в пробе должно быть от 1 до 100 мг, оптимально 40...60.

Метод, основанный на окислении альдоз йодом. Метод разработан Вильштеттером и Шудлем. В основу метода положена реакция окисления альдегидной группы сахаров в соответствующую одноосновную кислоту. Например, глюкоза окисляется в глюконовую кислоту по уравнению

CH2OH(CHOH)4COH + I2 + 2NaOH = СН2ОН(СНОН)4СООН + + 2NaI + H2O.

По приведенному уравнению процесс окисления сахаров протекает лишь в слабощелочной среде и при комнатной температуре. Щелочь добавляют в количестве, достаточном для нейтрализации образующейся кислоты, при этом щелочность среды не должна превышать рН = 9. Кетозы в этих условиях не окисляются, что позволяет определять глюкозу в присутствии фруктозы.

В сильнощелочной среде и при повышенной температуре альдозы окисляются в двухосновные кислоты, происходит также окисление кетоз, и результаты анализа значительно завышаются.

Количество окислившегося сахара определяют по разности между объемом раствора йода, взятого на окисление сахара, и объемом его избытка. Избыток йода определяют титрованием тиосульфатом натрия в кислой среде в присутствии крахмала.

Кислоту перед титрованием добавляют в строго определенном количестве, так как в сильно кислой среде образовавшиеся при окислении сахаров йодид и йодат натрия, вступая в реакцию с кислотой, выделяют свободный йод (NaIO3 + + 5NaI+3H2SO4 = 3I2+3Na2SO4+3H2O). Этот йод также оттит-

ровывается тиосульфатом натрия, и результаты анализа сильно занижаются.

47

Крахмал добавляют в конце титрования, чтобы уменьшить адсорбцию на нем йода.

Содержание сахара в анализируемой пробе рассчитывают по уравнению реакции окисления, из которой видно, что на окисление одной молекулы сахара идет 2 атома йода. Для глюкозы эквивалент по йоду равен 180 : 2 = 90 г, а для мальтозы 342 : 2 = 171 г, где 180 и 342 – массы молекул сахаров. Следовательно, 1 см3 0,1 моль/дм3 раствора йода эквивалентен 0,009 г глюкозы и 0,0171 г мальтозы.

Для анализа готовят растворы, содержащие не больше 0,5 % сахара.

Метод широко используется для определения редуцирующих сахаров в сусле, активности амилолитических ферментов солода и грибных культур, при химическом определении крахмала в зерне и при других анализах. Ниже приводится методика определения мальтозы в пивном сусле.

Колориметрические методы определения сахаров

Методы основаны на измерении оптической плотности раствора, полученного после реакции сахара с реактивом, образующим с ним окрашенное соединение. Оптическая плотность прямо пропорциональна концентрации сахарного раствора. Содержание сахара вычисляют по уравнению закона Бугера или находят по калибровочному графику зависимости оптической плотности от концентрации. Для определения сахаров, содержащих альдегидную группу, применяют реактив антрон, а для сахаров, содержащих кетонную группу – резорцин.

Антроновый метод определения альдоз. Антрон – твердое кристаллическое вещество; товарное название 10-дигидро-9-кетоантрацена. Реакцию сахаров с антроном проводят при нагревании в сильнокислой среде. При этом от молекулы сахара отщепляются три молекулы воды, а из пентоз образуется фурфурол:

48

Антроновый метод применяют для определения содержания сахаров в зерне и полупродуктах спиртового производства, в плодово-ягодном сырье, спиртованных соках и морсах, а также в готовых ликероводочных изделиях, который получил признание в промышленности за его простоту и высокую производительность.

В плодово-ягодном сырье и получаемых из него соках и морсах содержатся глюкоза, фруктоза и сахароза, которая в условиях антроновой реакции гидролизуется до глюкозы и фруктозы. Расчет содержания сахара производится по уравнению, в которое вводят коэффициент разбавления. Коэффициент поглощения определяют по раствору химически чистой сахарозы.

Лабораторная работа № 1. Определение содержания сахаров в мелассе

поляриметрическим методом

Цель работы: изучить поляриметрические методы определения углеводов в сырье и полупродуктах бродильного производства, устройство поляриметра; по результатам эксперимента рассчитать содержание сахаров в мелассе.

Оборудование и материалы: технические весы, саха-

риметр, фарфоровая чашка вместимостью 100-150 см3, мерная колба вместимостью 100 см3, воронка со складчатым фильтром, стакан вместимостью 100-150 см3; раствор свинцового уксуса, эфир для гашения пены, меласса.

Проведение анализа

В фарфоровую чашку отвешивают (13±0,01) г мелассы (полунормальная навеска) и небольшими порциями горячей дистиллированной воды ее без потерь переносят в мерную колбу вместимостью 100 см3. Раствор должен занимать 3/4 - 4/5 объема. Его охлаждают, добавляют 6 см3 свинцового уксуса и круговыми движениями перемешивают содержимое колбы. Затем температуру раствора доводят до 20 оС, термо-

50