Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы исследования молока и молочных продуктов. Учебно-методическое пособие.pdf
X
- •Введение
- •1 Классификация методов исследования
- •2 Органолептические методы исследования
- •Лабораторная работа 1
- •Методы органолептического анализа пищевых продуктов
- •3 Оптические методы исследования
- •Лабораторная работа 2
- •Лабораторная работа 3
- •4 Спектральные методы исследования
- •Лабораторная работа 4
- •Лабораторная работа 5
- •Лабораторная работа 6
- •5 Ультразвуковые методы исследования
- •Лабораторная работа 7
- •6 Хроматографические методы исследования
- •Лабораторная работа 8
- •Вопросы для подготовки к зачету
- •Список литературы

41
Вид излучения
Спектральная область
Гамма (γ)
50-140 пм
Рентгеновское
0,01-10 нм
Ультрафиолетовое
180-400 нм
Видимое
400-780 нм
Ближнее ИК-излучение
780-2500 нм
ИК-спектроскопия
2500-25000 нм
Микроволновое
1-4 мм
Радиоволновое
0,5-10 м
а
б
Р и с. 4.1. Примеры типов спектров:
а – линейчатый (полосатый) спектр натрия, б – сплошной (непрерывный) спектр
В спектре излучения различают радио- и микроволны, инфракрасное
(тепловое) излучение, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и
γ-излучения. Соотнесение наиболее распространенных спектроскопических
методов анализа с соответствующими им областями спектра электромагнитного излучения представлено в табл. 4.1.
Таблица 4.1 – Характеристика видов излучения
*Примечание. Расшифровка единиц измерения: пм – пикометры (10
метры (10
–
9
м).
–12
м); нм – нано-
В зависимости от вида взаимодействия электромагнитного излучения
и вещества выделяют две группы спектроскопических методов: абсорбционную спектроскопию, при которой вещество поглощает излучение, и
эмиссионную – при которой испускает. Схематичное изображение процессов абсорбции и эмиссии при взаимодействии электромагнитного излучения с веществом представлено на рис. 4.2.
Р и с. 4.2. Схематичное изображение процессов абсорбции
излучения веществом и его эмиссии

42
К спектральным методам анализа относят оптическую спектроскопию
элементного анализа, молекулярного анализа, а также масс-спектрометрию
и флуориметрию.
Классификация спектральных методов анализа представлена на
рис. 4.3.
Р и с. 4.3. Классификация спектральных методов
Поглощение или испускание квантов анализируемой системой можно
рассматривать как процесс возникновения характеристических сигналов,
несущих информацию о качественном и количественном составе исследуемого вещества.
Частота (длина волны) излучения определяется составом вещества, а
интенсивность аналитического сигнала пропорциональна количеству частиц, вызвавших его появление, т.е. массе определяемого вещества или
компонента смеси.
Таким образом спектроскопические методы различаются по источнику сигнала и типу взаимодействия излучения с веществом.
Характеристика основных спектроскопических методов анализа представлена в табл. 4.2.

43
Таблица 4.2 – Характеристика спектральных методов анализа
Источник ана-
(абсорбция)
абсорбция)
нитный момент
Масс-
Спектро-
скопия
Молеку-
лярная
Атомная Атом
Магнит-
ного
резонанса
литического
сигнала
Молекула
Ядро атомов
(магнитный
момент ядра)
Электрон (маг-
электрона)
Аналитический сигнал Метод
Поглощение
Испускание (люминес-
ценция)
Поглощение (
Испускание (эмиссия)
Ядерный магнитный ре-
зонанс — ЯМР-спектр
Электронный парамаг-
нитный резонанс —
ЭПР-спектр
Молекулярно-абсорбционная спек-
троскопия (MAC). Молекулярно-
люминесцентная спектроскопия
(МЛС), или флуориметрия
Атомно-абсорбционная спектро-
скопия (ААС). Атомно-
эмиссионная спектроскопия (АЭС)
Спектроскопия ядерного магнитно-
го резонанса (ЯМР). Спектроскопия
электронного парамагнитного резо-
нанса (ЭПР)
спектро-
скопия
Ион Масс-спектр Масс-спектрометрия
Спектральные методы дают широкие возможности для наблюдения и
исследования соответствующих аналитических сигналов в различных областях электромагнитного спектра - рентгеновское излучение, ультрафиолетовое (УФ) излучение, видимый свет; инфракрасное (ИК), а также микро- и
радиоволновое излучение.
Метод атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС) основан на яв-
лении резонансного поглощения излучения видимого или ультрафиолетового диапазона свободными невозбужденными атомами.
В результате резонансного поглощения интенсивность излучения,
прошедшего через объем невозбужденных атомов (атомный пар), ослабевает тем больше, чем выше концентрация атомов. Главное условие резонансного поглощения - длина волны, соответствующая максимуму поглощения
атомных паров определяемого элемента, должна быть равна длине волны
максимума интенсивности излучения источника. Для практической реализации этого условия применяют специальные источники излучения – лампы
с полым катодом, изготовленным из материала, содержащего атомы определяемого элемента.
Для измерения концентрации нескольких элементов требуется набор
таких одноэлементных ламп. Необходимость смены и прогрева ламп огра-

44
ничивает скорость проведения анализа, что особенно существенно при измерении в одной пробе концентрации нескольких элементов. Увеличение
скорости проведения анализа иногда достигают с помощью турели – специального устройства для смены ламп. Иногда применяют многоэлементные
лампы, более сложные в изготовлении и потому более дорогие и менее
надежные.
При соблюдении условий резонансного поглощения и неизменной
толщине поглощающего слоя оптическая плотность поглощающей среды
(величина атомной адсорбции) линейно зависит от концентрации атомов
определяемого элемента в соответствии с законом Бугера–Ламберта–Бера.
Это позволяет путем измерения атомной адсорбции определять концентрацию элементов в анализируемой пробе, используя предварительно
полученную зависимость (или график) величины атомной адсорбции от
концентрации определяемого элемента.
Первоначально анализируемую пробу, в которой определяемые элементы обычно находятся в виде соединений, переводят в элементное состояние – атомный пар, состоящий из свободных невозбужденных атомов.
Этот процесс, называемый атомизацией, осуществляют путем нагрева пробы до температуры (2000–3000)°С (верхний предел ограничен ионизацией
атомов) при помощи одного из двух методов: пламенного (в пламени горелки) или электротермического (в графитовой печи), либо их комбинации.
Электротермический вариант ААС имеет ряд преимуществ по сравнению с пламенным: отличается более высокой чувствительностью, требует
меньшее количество вещества для проведения анализа, обеспечивает возможность в некоторых случаях анализа твердых проб без специальной пробоподготовки, отсутствуют необходимость в горючих газах и неудобства,
связанные с их применением (соблюдение особых правил техники безопасности). Комбинация двух вариантов ААС позволяет проводить анализ в
весьма широком диапазоне концентраций при высокой чувствительности,
что дает возможность точного количественного определения большого числа элементов таблицы Менделеева. Это особенно важно при больших объемах анализов, а также в тех случаях, когда существует необходимость определения нескольких элементах в продуктах сложного состава. Однако
атомно-адсорбционные спектрометры с такой комбинацией атомизаторов
имеют более сложную конструкцию и высокую цену.
Атомно-эмиссионная спектрометрия (АЭС) – это метод, основанный
на явлении ионизации свободных атомов определяемого элемента при высокотемпературном нагреве (при температуре 3500–8000°С). Последующий
переход атомов из возбужденного состояния в нормальное (рекомбинация)
сопровождается излучением определенных длин волн. Спектр излучения
для атомов каждого элемента строго индивидуален, а интенсивность излучения характеристической длины волны зависит от концентрации элемента.
Это позволяет идентифицировать атомы, имея библиотеку спектров, а по

45
интенсивности излучения и предварительно полученным с помощью стандартных растворов калибровочным зависимостям проводить количественное определение содержания элементов в пробе.
В качестве источников энергии для возбуждения атомов - перевода их
в ионизированное состояние – используются, кроме высокотемпературного
пламени, дуга, искра, высокочастотно-индуцированная плазма. В настоящее
время в качестве источника плазмы чаще всего используют пламя, питающееся энергией химической реакции окисления горючего газа. Для этого
варианта атомной эмиссии присущи все недостатки, связанные с использованием пламени в ААС, но достигаются вместе с тем высокая чувствительность и экспрессность анализа, хорошая воспроизводимость результатов.
Наибольшая чувствительность возможна при определении легко ионизируемых атомов элементов – лития, натрия, калия, рубидия, цезия, кальция,
марганца, цинка, кадмия, серебра и др.
Область применения метода АЭС такая же, как и у метода ААС, поэтому выбор этих методов должен осуществляться с учетом преимуществ и
недостатков, значимых для конкретных аналитических задач.
Масс-спектрометрия – это метод анализа, основанный на разделении
ионов анализируемого вещества в зависимости от величины отношения
массы к заряду. Общая схема масс-спектрометра представлена на рис.4.4.
Р и с. 4.4. Общая схема масс-спектрометра
В настоящее время в конструкции масс-спектрометров используется
три типа источников ионизации: источник ионов электронного удара; источник ионов химической ионизации; индуктивно-связанная плазма.
При использовании источника ионов электронного удара пары анализируемого вещества пересекаются пучком электронов, которые испускает

46
раскаленный катод. При столкновении электронов с молекулами исследуемого вещества происходит как ионизация этих молекул, так и распад молекул на фрагменты, которые образуют масс-спектр индивидуального вещества. Для фиксированного значения энергии ионизации электронов массспектр каждого вещества индивидуален. Это позволяет идентифицировать
неизвестное вещество путем сравнения его масс-спектра со спектрами известных веществ, хранящихся в библиотеке масс-спектров.
Источник ионов химической ионизации имеет другой принцип рабо-
ты. Ионизация исследуемого вещества происходит за счет ионномолекулярных реакций при взаимодействии с ионами и радикалами газареагента, которые образуются в результате «бомбардировки» электронами
метана или изобутана.
Ионизация атомов при помощи индуктивно-связанной плазмы проис-
ходит следующим образом. В аргоновую горелку, в которой температура
плазмы достигает 3700–8500°С, в виде тонко распыленного аэрозоля подается исследуемый образец. Горение горелки обеспечивается индукционной
катушкой, на которую подается высокочастотное напряжение большой амплитуды. За счет высокой температуры плазмы в горелке происходит атомизация и ионизация исследуемого вещества.
Образующиеся ионы, попадая в магнитное поле масс-анализатора,
при пересечении силовых линий начинают двигаться по окружности, радиус которой зависит от напряженности магнитного поля, энергии иона и отношения его массы к заряду. Меняя напряженность магнитного поля,
направляют ионы с различными массами на регистрирующее устройство
(детектор), т.е. делают развертку масс-спектра.
Часто метод масс-спектрометрии сочетают с газовой или жидкостной
хроматографией (МС-ГХ или МС-ЖХ). В этом случае выход хроматографической колонки через подогреваемый интерфейс соединяют с источником ионов масс-спектрометра. Выходящие из колонки после разделения
вещества попадают в область ионизации, а образовавшиеся ионы регистрируются в виде масс-спектра. Система обработки данных позволяет получить
масс-спектр каждого хроматографического пика.
В сочетании с хроматографией или капиллярным электрофорезом
масс-спектрометрия становится мощным инструментальным методом анализа, обладающим высокой информативностью и пригодным для исследования практически всех классов органических соединений. В таком сочетании этот метод в настоящее время наиболее часто используется для целей
идентификации разных видов пищевой продукции и продовольственного
сырья.
К достоинствам масс-спектрометрии относятся: высокая точность из-
мерения и возможность определения всех компонентов газовой смеси в одной пробе. Недостатками являются: высокая стоимость приборов, энергоемкость, необходимость специальной квалификации у персонала.

47
Флуориметрия – это метод элементного и молекулярного анализа, основанный на способности ряда органических и неорганических веществ
(атомов, ионов и более сложных частиц) флуоресцировать, т.е. поглощать излучение от источника и снова его излучать (светиться, люминесцировать) при
большей длине волны в результате перехода электронов из возбужденного
состояния в нормальное. Количественное определение веществ основано на
зависимости интенсивности флуоресценции от концентрации вещества в
пробе. Принцип измерения состоит в облучении пробы излучением УФобласти и измерении спектра флуоресценции с помощью фотодетектора.
Флуориметрия, относящаяся к методам эмиссионной спектроскопии,
характеризуется высокой чувствительностью – в 100–10000 раз превышающей чувствительность абсорбционных оптических методов. Этот метод
пригоден для измерения очень малых концентраций веществ – 10–11
г/моль. Он более селективен, т.к. флуоресцируют меньшее число соединений по сравнению с числом соединений, способных поглощать излучение.
Флуориметрию применяют для количественного определения полициклических органических соединений, металлоорганических соединений,
витаминов, белков, нитратов, нитритов, сульфидов, цианидов, токсичных
металлов в составе пищевых продуктов.
Часто в целях идентификации проводят визуальные наблюдения за
цветом люминесценции. Подобные исследования используют для определения вида и сорта муки, вида мяса, установления природы молочных продуктов и пищевых жиров. Так, например, оболочки, алейроновый слой и зародыш зерен пшеницы и ржи имеют более интенсивное синее свечение по
сравнению с эндоспермом. Следовательно, чем ниже сорт муки, тем более
яркой флуоресценцией она обладает. Разные виды муки тоже имеют разный
цвет флуоресценции: ячменная мука – матово-белый, гороховая – розовый,
соевая – сине-зеленый.
По-разному флуоресцирует мышечная ткань разных видов животных:
для мышц говядины характерны бархатистые темно-красные оттенки, для
баранины – темно-коричневые, для свинины – светло-коричневые. Флуоресцентный анализ пригоден также для определения сортности мяса. Соединительная и хрящевая ткани имеют ярко-голубой цвет свечения, жировая ткань – светло-желтый.
По цвету флуоресценции можно выявлять случаи фальсификации молока. Свежее доброкачественное коровье молоко имеет флуоресценцию ярко-желтого цвета, а молоко с добавлением соды или 15% воды флуоресцирует бледными желтоватыми оттенками.
Наблюдаются различия в цвете флуоресценции пищевых жиров. Животные топленые жиры (говяжий, бараний, свиной) не флуоресцируют,
масло коровье имеет ярко-желтую флуоресценцию, а маргарин – голубую.
Этот идентификационный признак позволяет простым способом обнаруживать примесь маргарина в сливочном масле.

48
Большой класс оптических методов молекулярного анализа основан
на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. В аналитических методах используют ультрафиолетовую (УФ), видимую и инфракрасную (ИК) области спектра электромагнитного излучения. Методы, основанные на исследовании спектров избирательного поглощения излучения
анализируемым веществом, называются спектроскопией. Спектры поглощения индивидуальны для каждого вещества и зависят от его строения, что
позволяет идентифицировать вещество по его спектру, имея библиотеку
спектров стандартных веществ.
Согласно закону Бугера–Ламберта–Бера, интенсивность полос спектров зависит от концентрации вещества. Поэтому методы оптической спектроскопии позволяют также проводить количественный анализ, т.е. определять концентрацию вещества путем измерения коэффициента поглощения
или оптической плотности при определенной длине волны. По найденной
величине, пользуясь заранее построенным калибровочным графиком, находят концентрацию поглощающего вещества в анализируемом растворе. При
анализе бесцветных растворов добавляют реагенты, образующие с определяемым веществом окрашенное соединение.
Приборы для измерения светопоглощения растворов при определенной длине волны называются спектрофотометрами (при использовании видимого излучения – фотоколориметрами).
Метод УФ/видимой спектроскопии предназначен для исследования
светопоглощения (светопропускания) растворов в диапазоне от 185–210 нм
(нижний рабочий предел большинства спектрофотометров) до 650–1000 нм
(верхний предел). Поглощение в УФ/видимой областях связано с возбуждением электронов, поэтому УФ/видимые спектры дают ограниченную информацию о строении молекул и редко могут служить «отпечатком пальцев» какой-либо структуры. Вместе с тем установлены некоторые эмпирические зависимости между длиной волны в максимуме поглощения и структурой молекул (например, для сопряженных и изолированных двойных связей). Группы, вызывающие поглощение в области 200–800 нм, получили
название хромофорных. Они содержат не менее одной кратной связи: С=С,
С≡С, С=О, С≡N, N=О, N=N, С=S, S=O и др. Соответственно, УФ/видимую
спектроскопию используют для количественного и качественного определения алкалоидов (кофеина, теобромина, теофиллина) – при идентификации
чая, кофе, какао-бобов; фенольных соединений (танина, катехинов, антоцианов и др.) – при исследовании состава виноградных и плодовых вин, свежих и переработанных плодов и овощей, чая, кофе; для изучения степени
окисленности жиров при установлении доброкачественности жиросодержащих продуктов (растительных масел, сливочного масла, маргарина и
майонеза, орехов, рыбы с высоким содержанием жиров и др.).
Метод ИК-спектроскопии основан на исследовании спектров поглощения в ИК-области излучения (0,8–2,5 мкм – ближняя область, 2,5–25 мкм –

49
средняя, более 25 мкм – дальняя). Поглощение в ИК-области связано с молекулярными колебаниями, соответственно ИК-спектры дают информацию о
строении соединений. Этот метод может быть использован для анализа почти
всех молекул с ковалентными связями, кроме двухатомных (Н
, N2, О2). ИК-
2
спектры могут служить источником подробной информации о структуре молекулярных соединений различной природы - витаминов, аминокислот, сложных эфиров, сахаров, спиртов и других, поэтому широко используется для целей идентификации. Так, например, в Китае этот метод применяют для идентификации коммерческих сортов пакетированного чая, в Испании – для дифференциации по возрасту вин и бренди. Большое распространение получили
ИК-спектрофотометры с Фурье преобразованием, которые при работе используют все частоты излучения источника одновременно, что позволяет повысить
информативность метода, обеспечить существенно большую чувствительность и экспрессность анализа по сравнению с классическими ИКспектрофотометрами.
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основана на
взаимодействии вещества и электромагнитного излучения при помещении
пробы одновременно в два магнитных поля – одно постоянное, а другое радиочастотное. В момент совпадения частот магнитного и радиочастотного
полей (точка резонанса) с частотой перехода между энергетическими уровнями ядер с различной ориентацией спина наблюдается сильное поглощение излучения, пропорциональное количеству ядер исследуемого элемента.
Ядерный магнитный резонанс наблюдается только в ядрах, имеющих магнитный момент (
Н, 13С, 15N, 19F, 31P и др.). Содержание этих ядер для мно-
1
гих видов продукции является важным идентификационным признаком.
Так, например, установлено, что содержание изотопов
Н и 13С в этиловом
2
спирте виноградных вин является довольно консервативным признаком, в
значительной степени зависящими от эколого-географических факторов, в
которых произрастал виноград, использованный для приготовления вин. В
Испании метод спектроскопии ЯМР используется для различения красных
вин, произведенных в разных винодельческих регионах.
Фотометрия – метод количественного анализа, основанный на спо-
собности определяемого вещества, компонента смеси или их окрашенных
форм поглощать электромагнитное излучение оптического диапазона.
Способность к поглощению зависит от цветности исследуемого вещества. Цветность определяется электронным строением молекулы, обычно ее
связывают с наличием в молекуле так называемых хромофорных групп,
обусловливающих поглощение электромагнитного излучения веществом в
видимой и УФ-областях спектра.
Приборами, применяемыми в фотометрии, являются колориметры,
фотометры, фотоэлектроколориметры, спектрофотометры и т. д. Основное
различие между ними заключается в комбинациях источников света, монохроматизаторов и рецепторов.

50
Существует несколько классификаций приборов фотометрии в зави-
симости от признака, положенного в основу.
По способу монохроматизации лучистого потока выделяют:
- спектрофотометры - приборы с призменным или решеточным моно-
хроматором, позволяющие достигать высокой степени монохроматизации рабочего излучения;
- фотоэлектроколориметры - приборы, в которых монохроматизация
достигается с помощью светофильтров.
По способу измерения:
- однолучевые с прямой схемой измерения (прямопоказывающие);
- двухлучевыс с компенсационной схемой.
По способу регистрации измерений:
- регистрирующие;
- нерегистрирующие.
Рассмотрим принципиальную схему одноканального абсорбционного
фотоколориметра, в котором выделение светового потока с определенной
длины волны (монохроматизация)) осуществляется за счет применения светофильтров, представленную на рисунке 4.5
Р и с. 4.5. Схема одноканального абсорбционного фотоколориметра:
1 – источник излучения, 2 – оптическая избирательная система (линза и фильтр), 3а –
исследуемое вещество, 3б – вещество сравнения, 4 – фотоприемник (фотоэлемент), 5 –
устройство преобразования информации (усилитель, гальванометр), 6 – устройство
регистрации и отображения информации (дисплей)
Принцип работы фотоколориметра заключается в сравнении между
собой двух световых потоков.
Один из них – это фоновый световой поток, формирующийся в ре-
зультате прохождения излучения от источника 1 через оптическую систему,
где происходит выделение определенной длины волны, и раствор сравнения, состав которого известен.
Вторым световым потоком является так называемый основной свето-
вой поток, который образуется при прохождении света от источника через
оптическую систему и рабочий (исследуемый) раствор.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
