Экстракция моно- и дисахаридов и их определение в пищевых продуктах и напитках тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

Защита диссертации состоится «16» октября 2014 г. в 14 часов 00 мин на заседании диссертационного совета Д212.035.05 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, Воронеж, пр. Революции, 19, конференц-зал

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные гербовой печатью учреждения, просим присылать ученому секретарю совета Д212.035.05.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «ВГУИТ». Полный текст диссертации размещен в сети Интернет на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» http://www.vsuet.ru. 21 июля 2014 г. Автореферат размещен в сети Интернет на официальном сайте Министерства образования и науки РФ: vak2.ed.gov.ru и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» http://www.vsuet.ru 25 июля 2014 г.

Автореферат разослан «1» сентября 2014 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д.212.035.05, канд. техн. наук, доц

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Углеводы - жизненно важные составляющие компоненты многих продуктов питания. Распространенные природные углеводы (фруктоза, глюкоза, галактоза, сахароза, лактоза) содержатся во многих плодах, ягодах, млечном соке растений, молочной сыворотке. Определение природных Сахаров необходимо для решения различных прикладных задач, включая контроль качества и установление подлинности пищевых продуктов и напитков, предназначенных для диетического питания; мониторинга ферментации при производстве молочных продуктов. Для определения природных Сахаров в водных средах широко применяются хроматографические методы. Ввиду нелетучести и хорошей растворимости моно- и дисахаридов в воде наибольшее распространение для их определения получила жидкостная хроматография, в частности ВЭЖХ и ТСХ. Применение современных методов (ВЭЖХ, капиллярный электрофорез) связано с использованием сложного и дорогостоящего оборудования, требует специальной про-боподготовки.

Разнообразие объектов анализа (от пищевых продуктов до фармацевтических препаратов и биологических жидкостей) обусловливает необходимость отделения углеводов от мешающих компонентов, в том числе и основных, составляющих матрицу анализируемого образца.

Жидкостная экстракция является одним из наиболее распространенных методов пробоподготовки при определении микроколичеств органических соединений разных классов. Сведения о коэффициентах распределения и степени извлечения фруктозы, глюкозы, галактозы, сахарозы, лактозы органическими растворителями весьма ограничены. Для решения практических задач с применением жидкостной экстракции необходима разработка новых экстракционных систем, характеризующихся высокими количественными характеристиками.

Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России 20092013 гг.» (г/к № П2264 от 13.11.09 г.) и научным направлением кафедры «Экстращия органических соединений» (рег. № 0105 от 10.02.2008).

Цель исследования - разработка комплекса способов извлечения и раздельного определения фруктозы, глюкозы, галактозы, сахарозы и лактозы в пищевых продуктах и напитках, включающих экстракцию углеводов из углеводсодержащих водных вытяжек и последующий анализ экстракта физико-химическими методами.

• установление некоторых закономерностей экстракции моно-и дисахаридов гидрофильными растворителями, их бинарными и тройными смесями;

• разработка новых экстракционных систем для анализа водных сред, содержащих моно- и дисахариды методами фотометрии, поляриметрии, хроматографии в тонком слое и неводного потенцио-метрического титрования;

• применение физико-химических способов определения углеводов с предварительным экстракционным извлечением в анализе объектов со сложной многокомпонентной матрицей (диабетические кондитерские изделия, натуральные соки, кисломолочные продукты, мед);

Установлены взаимосвязи экстракционных характеристик углеводов со свойствами органических растворителей. Предложены схемы взаимодействия моно- и дисахаридов со спиртами, эфирами и ацетоном. На коэффициенты распределения углеводов в изученных системах наибольшее влияние оказывает диэлектрическая проницаемость и поверхностное натяжение экстрагентов. Наиболее полное извлечение дисахаридов достигается смесью изомерный спирт - ацетон, моносахаридов — смесью ацетон - этилацетат - изопропиловый спирт.

Предложены эффективные условия определения моно- и дисахаридов в водных средах и пищевых продуктах методом хроматографии в тонком слое. Для достижения практически полного разделения углеводов разработана подвижная фаза состава этилацетат - н.пропиловый спирт — концентрированная уксусная кислота — формамид — вода. Оптимизированы условия активации хроматографических пластин.

Предложены экстракционные системы, обеспечивающие практически полное (93 %-ное и более) извлечение углеводов (патенты РФ №№ 2429471 и 2471806).

Для определения фруктозы, глюкозы и сахарозы в натуральных соках применены фотометрия и поляриметрия. Продолжительность анализа 30-40 мин, относительная погрешность определения не выше 10 %.

Разработан способ экстракционно-потенциометрического раздельного определения углеводов в пищевых продуктах и напитках, включающая экстракцию бинарными смесями гидрофильных раство-

рителей, и последующее определение углеводов методом неводного потенциометрического титрования.

Фруктозу и сахарозу в диабетических кондитерских изделиях определяли методом восходящей тонкослойной хроматографии. Экстракты из меда, энергетических напитков, молока, фруктовых йогуртов и безлактозных молочных продуктов анализировали потенцио-метрически.

Новизна практических разработок подтверждена материалами Роспатента, они опубликованы в информационных бюллетенях Воронежского ЦНТИ. Разработки апробированы в отделе контроля качества на предприятии ОАО «Молвест».

Основные положения, представляемые к защите:

• эффективные экстракционные системы для концентрирования и практически полного извлечения углеводов из водно-солевых растворов;

• новые подвижные фазы и способы активации хроматогра-фических пластин для разделения углеводов методом хроматографии в тонком слое;

• способ экстракционно-потенциометрического раздельного определения углеводов в пищевых продуктах и напитках, содержащих 5 или менее моно- и дисахаридов;

• комплекс фотометрических, поляриметрических, хромато-графических и потенциометрических способов определения углеводов в водных средах и пищевых продуктах (диабетические кондитерские изделия, натуральные соки, кисломолочные продукты, мед).

Отдельные разделы диссертационной работы доложены на IV Международной конференции «Экстракция органических соединений» (Воронеж, 2010), XI Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань 2010), XX—XXIV Российской молодежной научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии», (Екатеринбург 2010-2014); Ш Международном симпозиуме по сорбции и экстракции (Владивосток, 2010), 76-81 конференциях молодых ученых «HayKOBi досягнення молод! - виришенню проблем харчування людства в XXI столггп» (Киев, 2010-2014), «Аналитика России» (Краснодар, 2011), «ХП Научной конференции с международным участием «Льв1всьи xímÍ4hí читання» (Львов, 2011), Всероссийской конференции «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2010-2013); Съезде аналитиков России «Аналитическая химия - новые методы и возможности» (Москва,

2010), I Международной конференции «Современные методы аналитического контроля качества и безопасности продовольственного сырья и продуктов питания» (Москва, 2010), V-VI Всероссийских конференциях студентов и аспирантов «Химия в современном мире» (Санкт-Петербург, 2011, 2012), XXI Российской молодежной научной конференции, посвященной 150-летию академика Н.Д. Зелинского (Екатеринбург, 2011), конференции «Химическая технология» (Москва,

2012), IX Всеукрашська конференции з анаттично1 химш (Донецк,

2013), IV Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности (Бийск, 2013), ежегодных отчетных научных конференциях и семинарах ВГУ-ИТ (Воронеж, 2010-2014).

Основное содержание диссертации опубликовано в 7 статьях в журналах, входящих в перечень ВАК, 8 научных статьях, 3 патентах РФ, а также материалах Всероссийских и Международных конференций.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитируемой литературы (210 источников) и приложения (материалы Роспатента, акты апробации практических разработок, материалы Воронежского ЦНТИ). Работа изложена на 160 страницах машинописного текста, включает 27 рисунков и 26 таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы и перспективность применения экстракции и физико-химических методов анализа для определения моно- и дисахаридов в пищевых продуктах и напитках.

ГЛАВА I. Обзор литературы. Приводится обзор методов извлечения и концентрирования углеводов из водных сред. Обобщены известные физико-химические способы определения углеводов в пищевых продуктах и напитках. Обзор литературы позволяет сделать вывод об отсутствии систематических исследований в области извлечения, концентрирования и определения углеводов. Недостаточно изучена экстракция моно- и дисахаридов из водных сред, не разработаны способы их определения непосредственно в концентратах.

ГЛАВА II. Методика эксперимента. Обоснован выбор объектов исследования. Изложена методика выполнения эксперимента. Для опти-

мизации условий экстракции (продолжительность, соотношение объемов фаз) углеводов применяли методы планирования эксперимента. Модель экстракции имеет вид уравнения регрессии, рассчитанного на основе эксперимента с применением центрального композиционного униформ-планирования (полный факторный эксперимент второго порядка 2 ). Оптимальные условия экстракции вычисляли методом неопределенных множителей Лагранжа. Экстрагенты - спирты (этиловый, н.пропиловый, изопропиловый, н.бутиловый, изобугиловый, н.пентиловый, н.гекси-ловый, н.октиловый, нониловый), ацетон, эфиры (этилацетат, бутилаце-тат, пентилацетат, 1,4-диоксан) и их смеси. Высаливатели - сульфат аммония и карбонат калия; соотношение объемов водной и органических фаз (f) 15 : 1 (индивидуальные экстрагенты) и 10 :1 (бинарные и тройные смеси). Изучена зависимость коэффициентов распределения углеводов от реакции среды. Установлено, что независимо от характера применяемого высаливателя максимальные коэффициенты распределения углеводов достигаются при рН 4,0 — 5,0. Коэффициенты распределения определялись при разных концентрациях исследуемого моно- и дисахарида и оказались постоянными в диапазоне от 0,1 до 20 мг/см3. Количественные характеристики экстракции найдены в условиях установившегося межфазного равновесия (

10 мин) при 20° С и рН

Экстракты анализировали методами неводного потенциомет-рического тирования (иономер И-130, хлоридсеребряный и платиновый электроды, титрант - изопропанольный раствор борной кислоты), поляриметрии, а также хроматографически (пластины Sorbfil (Россия) и Silufol (Чехия)).

Фотометрическое определение углеводов в водных растворах выполняли на фотоэлектроколориметре КФК-2МП по реакции с резорцином, тимолом или дихроматом калия (стеклянная кювета / = 0,5 см, X = 490-540 нм, область линейности градуировочных графиков углеводов 0,02 - 0,001 мг/см3).

Обработку и оценку достоверности результатов анализа проводили методами математической статистики (п = 3, Р = 0,95).

ГЛАВА Ш. Экстракция моно- и дисахаридов гидрофильными растворителями.

Эффективность распределения биологически активных веществ в системах гидрофильный органический растворитель - насыщенный водно-солевой раствор определяется способностью экстра-гентов образовывать с извлекаемым веществом устойчивые комплексы, - сольваты, гидрато-сольваты. Сольватация обусловлена образованием водородных связей между ОН-группами углеводов (фрукто-

зы, глюкозы, галактозы, сахарозы, лактоза) и атомами кислорода (ке-тоны, эфиры) или водорода ОН-групп (спирты). При этом преимущественно происходит связывание ОН-группы при атоме Сб за счет усиления полярности связи О—Н именно в этом положении.

Установленные корреляции между коэффициентами распределения углеводов в системе вода - сульфат аммония — гидрофильный экстрагент и физико-химическими параметрами экстрагентов (диэлектрической проницаемостью растворителей (е), дипольным моментом (ц), поверхностным натяжением (о)) позволяют прогнозировать экстракционные характеристики углеводов.

Экстракция эфирами и ацетоном. Апротонный полярный растворитель ацетон, характеризуется дифференцирующим действием в отношении большинства электролитов, хорошо растворяет многие органические вещества. Химические свойства ацетона обусловлены высоким дипольным моментом карбонильной группы, положительным зарядом С-атома и поляризуемостью двойной связи. Распределение углеводов между ацетоном и водно-солевым раствором возможно с образованием ассоциатов, в том числе с участием «мостиков» воды.

Подобно экстракции ацетоном, сольватация алкилацетатами и 1,4-диоксаном объясняется образованием водородных связей между ОН-группами углеводов и атомами кислорода эфиров. При однократной экстракции ацетоном и эфирами наиболее полно извлекаются лактоза и сахароза степень извлечения достигает 80 и 70 % соответственно при Г = 15 (табл. 1). Это объясняется повышенным содержанием ОН-групп в молекулах дисахаридов по сравнению с моносахаридами.

Таблица 1. Коэффициенты распределения углеводов в системе гидрофильный растворитель — водный раствор сульфата аммония; п=3, Р = 0,95.

Экстрагент Фруктоза Глюкоза Галактоза Сахароза Лактоза

1,4-диоксан 11,1 ±0,7 17,8 ±0,9 13,1 ±0,7 30,9 ±1,5 52,6 ±2,6

этилацетат 19,5 ±1,1 23,6 ±1,2 14,2 ±0,7 34,6 ±1,7 65,1 ±33

бутилацетат 12,7 ±0,7 15,7 ±0,8 9,7 ±0,5 20,4 ±1,0 34,5 ±1,7

пентилацетат 9,5 ± 0,5 13,0 ±0,5 6,6 ±03 10,4 ±0,5 18,4 ±0,9

ацетон 16,5 ±0,9 23,4 ± 15,2 ±0,8 35,3 ±1,8 60,6 ±3,0

Экстракция спиртами. Межфазное распределение углеводов в системах со спиртами осуществляется преимущественно за счет атома кислорода ОН-групп углеводов и атома водорода ОН-групп спиртов, а также взаимодействием атома кислорода альдегидной (кетонной) группы углевода в ациклической форме и ОН-групп спиртов, которое в 2 раза превосходит силы, обусловливающие взаимодействие экстрагентов с ОН-группами углеводов.

Коэффициенты распределения углеводов в системах со спиртами нормального строения повышаются в ряду галактоза < фруктоза < глюкоза < сахароза < лактоза (табл. 2).

Таблица 2. Коэффициенты распределения углеводов в системе спирт -водный раствор сульфат аммония — углевод; п = 3, Р = 0,95.

Экстрагенг (спирт) Фруктоза Глюкоза Галактоза Сахароза Лактоза

н.пропиловый 16,9 ±0,9 24,7 ±13 14,8 ±0,7 47,0 ±2,4 83,0 ± 4,2

н.бугиловый 11,9-0,7 22,0 ±1,2 10,7 ±0,5 25,9 ±13 56,6 ±2,8

н.пентиловый 93 ±0,6 16,2 ±0,8 8,0 ±0,4 10,6 ±0,5 30,0 ±1,5

изопропиловый 9,5 ±0,6 133 ±0,7 10,0 ±0,5 35,3 ±1,8 673 ±3,4

изобугиловый 7,4 ±0,5 11,8 ±0,6 7,7 ±0,4 18,4 ±0,9 43,0 ±2,1

изопенгиловый 6,0 ±03 9,5 ± 0,5 6,2 ±0,3 83 ±0,4 22,7 ±1,1

Установлена корреляция между коэффициентами распределения (^О) и температурой плавления углеводов, связанной со способностью углеводов образовывать гидраты. Минимальные коэффициенты распределения характерны для моносахарида галактозы, две гидроксильные группы которой находятся в аксиальном положении, вследствие чего, образование гидратов и сольватов этими углеводами затруднено. Максимальные значения коэффициента Б установлены для дисахарида лактозы, характеризующейся наибольшим значением температуры плавления и в кристаллической форме находящейся в форме дигидрата.

Степень извлечения углеводов гидрофильными растворителями при однократной экстракции и Г = 15 не превышает 85 %. Повышение степени извлечения углеводов может быть достигнута с применением бинарных смесей растворителей.

Экстракция бинарными смесями растворителей. Экстракция углеводов бинарными смесями растворителей сопровождается си-нергетическим эффектом, максимум отклонения коэффициентов

распределения от аддитивности достигается при содержании этил-ацетата в смеси не более 0,5 мол. доли (рис. 1).

Для всех изученных углеводов наиболее эффективна экстракция смесью на основе изопропилового спирта, что объясняется наибольшим содержанием воды в органической фазе по сравнению с экстракцией другими изученными нами спиртами, при этом максимальная степень извлечения достигается для лактозы (89 % при однократной экстракции и Г= 10; табл. 3).

мол. доля этилацетата моя. доля ацетона

Рис. 1. Зависимость коэффициентов распределения глюкозы (а) и сахарозы (б) от содержания этилацетата при экстракции в смеси с пропиловым (1); бутиловым (2); изобугаловым спиртами (3); пунктиром указаны линии аддитивности.

Таблица 3. Степень извлечения углеводов смесями растворителей на основе изопропилового спирта при однократной экстракции; __

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎