Тема 3.5.: «Современные методы контроля качества продукции ресторанного хозяйства» План

1. Физико-химические методы исследования состав свойств пищевого сырья и продуктов.

2. Спектроскопия. Использование спектров для определения химического состава и безопасности сырья и готовой продукции.

1.Физико-химические методы исследования состав свойств пищевого сырья и продуктов.

Определение массовой доли влаги, золы, белка, жира, титруемой кислотности в пищевом сырье и продуктах.

Оптические характеристики пищевых объектов. Теория и практика рефрактометрии. Примеры применения рефрактометрии для определения пищевой и биологической ценности животного и рас-тительного сырья.

Виды люминесценции. Физические основы метода. Интенсивность и квантовый выход люминесценции. Применение люми-несценции для оценки доброкачественности пищевого сырья. Идентификация и люминесцентный анализ пищевого сырья.

Классификация электрохимических методов анализа. Основы потенциометрических определений. Ионоселективные электроды. Определение некоторых ионов, макро- и микроэлементов с использованием ионометрии. рН-метрия. Правила приготовления исследуемых растворов. Буферные смеси. Примеры потенциометрических определений.

При изучении данного подраздела студентам рекомендуется повторить материал по изучавшимся ранее базовым дисциплинам, в частности физике и аналитической химии.

Вода является во многих продуктах количественно преобладающим компонентом. Она существенно влияет на качественные характеристики пищевого сырья и его устойчивость к воздействию микробиологических факторов.

Массовая доля воды в пищевом сырье зависит от особенностей химического состава, сроков и условий хранения.

Вода в биологических объектах присутствует в трех формах: в виде свободной, слабо связанной и прочно связанной. Свободная вода, сохраняя подвижность до температуры замерзания около 0 С, служит растворителем многих веществ. Связанная вода прочно соединена с коллоидными веществами, образуя их гидратную оболочку, и не является растворителем. Слабо связанная вода замерзает при температуре –3…–5 С. В процессе хранения происходит изменение соотношения между свободной и связанной водой, что влияет на свойства пищевого сырья.

Существуют различные методы аналитического определения содержания воды. В наиболее распространенных методах воду удаляют из исследуемого объекта высушиванием, отгонкой и поглощением осушителями. В качестве осушителей чаще всего используют перхлорат магния, сульфат кальция, сульфат натрия, оксид фосфора и хлорид кальция.

В настоящее время для определения влажности используют также химические методы и методы, основанные на измерении некоторых физических свойств продукта, например диэлектрической проницаемости. Указанный принцип положен в основу одного из вариантов дистанционного измерения влажности продукта. Быстрым и универсальным способом определения воды в пищевых объектах является метод газожидкостной хроматографии метанольных экстрактов. Этот метод характеризуется высокой точностью и воспроизводимостью.

Метод высушивания – наиболее распространенный и унверсальный способ определения воды. Содержание воды определяют по потере массы испытываемых образцов при их высушивании. Свободную влагу удаляют при температуре, близкой к температуре кипения воды. При воздействии повышенной температуры в об-разцах пищевых продуктов могут возникать побочные явления, связанные с развитием процессов дезаминирования и декарбокси-лирования, образованием летучих соединений в результате терми-ческого разложения компонентов продукта, испарением летучих веществ и окислительными изменениями при контакте с кислородом воздуха. Увеличение массы исследуемых образцов за счет образования продуктов окисления липидов может быть особенно значительным при сушке жиров или биоматериалов с высокой массовой долей жира. Поэтому наиболее объективные результаты можно получить при высушивании образцов в условиях вакуума или в атмосфере инертных газов. Условия сушки необходимо подбирать с учетом особенности состава и свойств высушиваемого материала.

Точность результатов определения и продолжительность анализа зависят от температурного режима сушки и условий подготовки проб к высушиванию. Обычно высушивание проводят при температуре, не превышающей 105 С, до достижения постоян-ной массы образцов. Ткани, содержащие нативные (неденатури-рованные) белки, следует сушить под вакуумом при температуре ниже температуры денатурации белков. При сушке жиров или продуктов с высоким содержанием жира температура не должна превышать 105 С.

При сушке продуктов с невысокой массовой долей жира

• высоким содержанием влаги температуру высушивания можно

доводить до 150 С, при этом продолжительность сушки не должна превышать 1 ч.

Для ускорения сушки рекомендуется уменьшить толщину высушиваемого слоя и увеличить пористость продукта, смешивая его с твердым инертным материалом, например песком. Песок, применяемый для этой цели, промывают водой, просеивают через сито с отверстиями 1–3 мм и настаивают с разбавленной соляной кислотой в течение суток. После обработки кислотой песок промывают водой до нейтральной реакции промывных вод на лакмус и высушивают при 150 С. Скорость сушки можно увеличить, добавляя к материалу этанол.

В лабораторной практике высушивание под вакуумом проводят лишь в специальных случаях. Обычно продукты высушивают при атмосферном давлении. Для этого служат сушильные шкафы разных устройств. Наиболее удобны шкаф с электрическим обогревом и терморегулятором, позволяющим поддерживать определенную температуру.

Общее содержание минеральных веществ может быть определено озолением.

Зола представляет собой минеральную часть продукта, полу-ченную после сжигания органических веществ. В состав мине-ральных веществ входят хлористые, карбонатные, фосфорные и суль-фатные соли калия, натрия, аммония, магния, кальция. В небольших количествах содержится железо; в микродозах – медь, цинк, стронций, барий, бор, кремний, олово, молибден, кобальт, никель другие химические элементы.

Содержание золы дает приближенное представление о коли-честве минеральных веществ в продукте, так как процесс озоления может сопровождаться изменением их состава. Например, в зави-симости от условий озоления карбонаты могут частично или полностью превращаться в оксиды с выделением двуокиси углерода; ортофосфаты – в пирофосфаты; сульфиды – в сульфаты; нитриты и нитраты частично переходят в оксиды. Повышение температуры может сопровождаться потерями серы, фосфора, хлора. При озолении продуктов, содержащих относительно высокое количество хлоридов, могут наблюдаться потери железа, свинца, алюминия и меди благодаря образованию летучих хлоридов этих металлов.

В состав золы входят элементы, которые содержались в орга-нических компонентах продукта до его минерализации. При определенных условиях минерализации проб может быть обеспечен сравнительно постоянный состав золы, что позволяет получить сопоставимые результаты. В настоящее время для определения содержания золы используют три метода: метод без пред-варительного высушивания навески; ускоренный метод; метод определения минеральных веществ, не растворимых в 10 %-м раст-воре соляной кислоты. Метод без предварительного высушивания навески применяют в том случае, если содержание влаги в продукте не превышает 20 %.

Большинство методов количественного определения жира основано на извлечении его органическими растворителями и по-следующем определении количества жира в экстракте. Для извле-чения жира применяют растворители с низкой температурой кипения, удаление которых из жира не представляет затруднений. Чаще всего используют серный или петролейный эфир, хлороформ, дихлорэтан. Петролейный эфир имеет преимущество перед другими растворителями, поскольку извлекает меньше веществ, сопутству-ющих жирам. На экстрагирующую способность жира влияет наличие в нем посторонних примесей, в частности воды.

Полнота извлечения жира из пищевых объектов растворителями зависит от характера и степени взаимодействия липидов с другими компонентами продукта, содержания в нем влаги, структуры, соотношения растворителя и жирсодержащего материала, а также продолжительности экстрагирования. Более полно липиды извлекаются смесью бинарных растворителей с разными полярными свойствами, например смесью хлороформа с метанолом и хлоро-форма с этанолом.

Вода, содержащаяся в тканях, препятствует диффузии жира из материала в растворитель. Поэтому прибегают к обезвоживанию материала перед экстракцией. Перед экстракцией измельченные пробы рекомендуется растирать с песком.

Наряду с высушиванием при повышенной температуре применяют способ, при котором пробы исследуемого материала растирают с нейтральными водоотнимающими веществами, например безводным сульфатом натрия, а также обезвоживание материала настаиванием или кипячением со спиртом. Чаще всего жир определяют методом Сокслета.

Методом Сокслета извлекают не только липиды, но и сопутствующие им вещества – фосфатиды, стерины, свободные жирные кис-лоты, красящие вещества, поэтому определяемый таким образом жир называют «сырым жиром». Полученный экстракт используют для количественного определения жира, кислотного и перекисного чисел.

Для экстракции липидов с последующим хроматографированием экстрактов применяют метод Фолча. Данный метод основан на экстракции липидов из тканей хлороформметаноловой смесью. Он позволяет выделить как полярные, так и неполярные липиды и полностью сохранить фракцию фосфолипидов. Полученный экстракт липидов используют для исследования фракционного состава липидов и их жирно-кислотного состава.

Обычно о содержании белковых веществ в пищевом сырье животного происхождения судят по количеству азота. При проведении производственного анализа содержание белковых веществ подсчитывают не по белковому, а по общему азоту, входящему в состав всех органических и неорганических веществ. Такое отклонение в точности определения содержания белков вполне допустимо.

Минерализацию (сжигание) производят нагреванием навески продукта с концентрированной серной кислотой в присутствии катализаторов (серно-кислой меди или пероксида водорода), а также веществ, повышающих температуру кипения смеси (сульфата натрия или калия).

Кислотность обусловливает вкусовые свойства продукта и является показателем его свежести и доброкачественности.

Титруемой кислотностью называют количество свободных органических кислот и их кислых солей, содержащихся в исследуемом продукте. Метод основан на нейтрализации раствором щелочи водных вытяжек кислот и кислых солей, извлеченных из навесок исследуемого продукта.

Обычно для титрования применяют 0,1 н. раствор едкого натрия, который удобно готовить из фиксанола; в этом случае его поправочный коэффициент равен единице. Окончание нейтрализации определяют по изменению окраски внесенного индикатора. В качестве индикатора наиболее часто применяют 1 %-й спиртовой раствор фенолфталеина, в этом случае титрование вытяжки ведут 0,1 н. раствором едкого натрия до устойчивого слабо-розового окрашивания.

При титровании окрашенных вытяжек кислот их разбавляют дистиллированной водой в два–три раза и титруют в присутствии фенолфталеина до изменения цвета вытяжки, что устанавливают сравнением с цветом такой же нетитрованной пробы (контроль). Титрование вытяжки и сравнение ее с контролем проводят на белом фоне (колбочки помещают на белый лист бумаги). Окрашенные вытяжки можно титровать щелочью в присутствии 0,1 %-го спиртового раствора тимолфталеина. Окончание титрования определяют по получению устойчивой синей окраски.

Титрование можно проводить потенциометрическим методом, обычно его применяют для титрования окрашенных растворов. В этом случае окончание нейтрализации определяют по изменению электропроводности исследуемого раствора с помощью потенциометра.

Кислотность выражается в различных единицах измерения. Кислотность продуктов, содержащих разные кислоты и зна

чительное количество кислых солей, выражают в градусах.

В процентах к преобладающей кислоте выражают кислотность плодово-ягодных соков (яблочная), маринадов (уксусная), квашеных овощей (молочная).

Кислотность муки, хлебобулочных и кондитерских изделий выражают в градусах кислотности. Под градусом кислотности понимают количество миллилитров нормальной едкой щелочи, необходимое для нейтрализации кислот, содержащихся в 100 г исследуемого продукта.

Кислотность молочных продуктов выражают в градусах Тернера, что означает количество миллилитров 0,1 н. раствора едкой щелочи, необходимого для нейтрализации кислот, находящихся в 100 миллилитрах или 100 граммах продукта.

Кислотность жиров выражают в миллиграммах едкого калия, необходимого для нейтрализации свободных жирных кислот, находящихся в 1 г исследуемого жира.

При прохождении светового луча через поверхность раздела двух сред он отклоняется от первоначального направления, т. е. преломляется. Величина угла отклонения зависит от концентрации и температуры вещества. Угол падения и угол преломления связаны соотношением, которое называется показателем преломления. Метод измерения показателя преломления называется рефрактометрией.

Если монохроматический луч проходит через поверхность раздела двух сред, то одна часть света отражается от поверхности раздела, а другая часть проходит через вторую среду, изменяя при этом скорость и направление. Эту часть монохроматического света называют «преломленным» светом. Отношение скоростей распространения света в обеих средах называют относительным пока-зателем преломления. Преломление луча света описывается законом Снеллиуса.

В большинстве случаев при измерении показателей преломления в качестве стандартной среды используют вакуум. Отношение скорости света в вакууме к скорости света в данной среде называют абсолютным показателем преломления этой среды. В некоторых случаях абсолютным считают показатель преломления, рассчитанный по отношению к воздуху, что не является большой ошибкой, так как нет существенной разницы при распространении электромагнитной волны в воздухе и вакууме (в некоторых источниках эту величину называют относительным показателем преломления, отнесенным к воздуху). Показатель преломления среды по отношению к воздуху на 0,03 % меньше абсолютного показателя преломления по отношению к вакууму.

Значение показателя преломления практически не зависит от давления, однако в значительной степени зависит от температуры. Показатель преломления органических жидкостей уменьшается при увеличении температуры.

Показатели преломления измеряют при помощи рефрактометров. Стандартным рефрактометром является прибор Аббе. Основные элементы прибора: измерительная и освещающая призмы, элементы микроскопа, термостат и источник света.

Большинство лабораторных рефрактометров позволяют измерять показатели преломления в интервале температур от 0 до 80 ºС. Рефрактометры специального назначения работают в интервале температур от 0 до 200 ºС и находят широкое применение в промышленности.

Показатель преломления твердых объектов определяют в отраженном свете. В этом случае контрастность значительно хуже, чем при измерении в проходящем свете.

Для измерения показателя преломления прозрачных тел на поверхность измерительной призмы рефрактометра наносят каплю жидкости с большим показателем преломления, чем у измеряемого тела (монобромнафталин). Затем плотно прикладывают полирован-ную плоскую поверхность измеряемого тела, причем освещающая призма остается открытой.

Показатель преломления сильноокрашенных жидкостей также определяют в отраженном свете, нанося вещество прямо на поверхность измерительной призмы. Если температура плавления вещества находится в диапазоне температур, регулируемых термостатом, то измеряют показатель преломления вещества в расплавленном состоянии.

Недостаток метода рефрактометрии – испарение жидкости с по-верхности измерительной призмы.

Люминесцентные методы исследования состава и свойств пищевых продуктов основаны на измерении интенсивности свечения (люминесценции) атомов, ионов, молекул при их возбуждении различными видами энергии.

При люминесценции происходит испускание света возбужден-ными частицами. Переходя в более низкое энергетическое состояние, частица испускает квант света – люминесцирует.

Главным преимуществом люминесцентного метода является низкий предел обнаружения (10^–8 % и менее), что практически важно при определении различных добавок и загрязнений в мясе и мясных продуктах. Этот метод хорошо зарекомендовал себя также при экспресс-определении доброкачественности мяса.

Люминесценция характеризуется длительностью возбужденного состояния, которая у различных веществ имеет определенную среднюю величину. Поглощенная энергия некоторое время остается в возбужденной частице. Это время – средняя длительность возбужденного состояния – определяется свойствами возбужденной частицы и действием на нее окружающей среды.

Источники возбуждения люминесценции могут быть разными. В зависимости от вида источника различают термолюминесценцию, редиолюминесценцию и др. Чаще всего источником возбуждения является свет оптического диапазона ультрафиолетовых и видимых частот, в этом случае явление называют фотолюминесценцией. В зависимости от вида возбужденного уровня и времени пребывания в нем фотолюминесценция подразделяется на флуоресценцию и фосфоресценцию.

Флуоресценция – кратковременное свечение (10^–7…10^–10 с), которое продолжается только при облучении. Если источник возбуждения устранить, то свечение прекращается мгновенно или не более чем через 10^–3 с.

Фосфоресценция – более длительное свечение (10^–3…10^–2 с), которое продолжается после отключения источника электромагнитного излучения.

При исследовании пищевых продуктов основную роль играет флуоресценция.

Важной характеристикой люминесцирующих веществ является квантовый выход люминесценции, который показывает, насколько эффективно в исследуемом веществе энергия возбуждения преобразуется в люминесценцию.

Размер квантового выхода зависит от концентрации люминесцирующего вещества в растворе, температуры, присутствия посторонних примесей. Уменьшение квантового выхода под влиянием этих факторов получило название тушения люминесценции.

Одна из основных закономерностей люминесценции заключается в том, что спектр люминесценции (его форма и положение) не зависит от длины волны возбуждающего света.

Согласно правилу Стокса–Ломмеля, спектр излучения в целом и его максимум всегда сдвинуты по сравнению со спектром поглощения и его максимумом в сторону более длинных волн.

Правило Стокса–Ломмеля строго выполняется для большинства веществ, причем сдвиг спектров люминесценции относительно спектров поглощения дает возможность отфильтровать рассеянную часть возбуждающего света, примешивающегося к люминесценции.

Люминесцентный анализ сводится к визуальному наблюдению или регистрации с помощью приборов люминесценции. В зависимости от поставленных целей и задач исследования, способов возбуждения и регистрации люминесценции используются различные методы и приемы анализа.

Различают две группы люминесцентных методов – люминесцентные методы обнаружения и физико-химические люминесцентные методы.

Люминесцентные методы обнаружения в основном используются как качественные экспресс-тесты, так как они не требуют количественных измерений и связанных с ними усложнений. В этой группе методов выделяют: люминесцентный видовой и сортовой анализ – анализ, при котором по цвету и яркости свечения определяют вид и сорт продуктов; люминесцентную диагностику – обнаружение начальных признаков порчи продуктов, наличия примесей, загрязнений и т. д.

К группе физико-химических люминесцентных методов относят качественный люминесцентный анализ, с помощью которого устанавливают качественный состав исследуемого продукта, строение и свойства отдельных компонентов, а также количественный люминесцентный анализ, в задачи которого входит определение количественного содержания в продукте отдельных компонентов или соотношения составных частей продукта.

Визуальные наблюдения за цветом люминесценции используют для диагностики порчи и определения сорта мяса, обнаружения природы пищевых жиров, установления безвредности некоторых мясных продуктов.

Некоторые различия цвета люминесценции имеют растительные масла. Флуоресцентным методом можно обнаружить при-месь минеральных масел в растительных.

Топленые животные жиры (говяжий, свиной, бараний) не флуоресцируют. Сливочное масло имеет канареечно-желтую флуоресценцию, а маргарин – голубую. Этот признак позволяет определить простым методом примесь маргарина в животных жирах.

Люминесцентный анализ позволяет также установить степень окисленности пищевых жиров.

Визуальным наблюдением за люминесценцией можно характеризовать степень свежести яичных продуктов. Например, свежие куриные яйца с белой скорлупой имеют интенсивную красную флуоресценцию, при хранении цвет флуоресценции становится голубым. В процессе хранения куриных яиц с темной скорлупой

• люминесценции появляются голубовато-фиолетовые тона.

• помощью качественного люминесцентного анализа можно определить вид мяса и дать ориентировочную оценку его сортности. Мышечная ткань мяса животных обладает собственной флуоресценцией красновато-коричневых тонов, причем для мышц говядины характерны бархатистые темно-красные оттенки, для баранины – темно-коричневые, для свинины – светло-коричневые.

При порче мяса изменяется цвет его флуоресценции. На первой стадии порчи на темно-красном флуоресцирующем фоне мышечной ткани говядины появляются зеленые точки, которые расширяются по мере углубления порчи продукта. Несвежие мышцы флуорес-цируют темно-красным цветом со сплошным зеленым налетом.

Фотоэлектрические измерения интенсивности люминесценции позволяют судить о степени свежести мяса. Сила тока, возникающего

• цепи фотоэлемента, пропорциональная световому потоку люминесценции, падающему на фотоэлемент. Предварительная градуировка шкалы позволяет измерить интенсивность люминесценции без непосредственного сравнения опытного и контрольного образцов.

Количественный люминесцентный анализ позволяет определить концентрацию исследуемого вещества в растворе по интенсивности люминесценции. Техника количественного анализа основана на том, что при небольшом содержании флуоресцирующего вещества в растворе существует пропорциональная зависимость между яркостью свечения и концентрацией вещества в пробе. Наиболее удобно проводить сравнение по интенсивности люминесценции раствора неизвестной концентрации с эталонным раствором. По концентрации вещества в стандартных растворах рассчитывают содержание вещества в пробах.

Можно использовать также предварительно построенный

калибровочный график, но этот метод менее	надежен, так как
на люминесценцию влияет множество факторов,	поэтому при про-

ведении люминесцентного анализа очень важным условием является создание идентичных условий для исследуемого и стандартного образцов.

Флоурометрический анализ основан на выявлении зависимости между интенсивностью флуоресценции и концентрацией люминесцирующего вещества. Этот метод применяется в тех случаях, когда способностью к люминесценции обладает только определяемое вещество. В противном случае определению должны предшествовать операции по выделению и очистке определяемого вещества или маскированию примесей специальными реагентами.

В количественном люминесцентном анализе применяют люминесцентные фотометры, которые часто называют флуориметрами или флуорометрами.

Электрохимические методы основаны на изучении и использовании процессов, протекающих на поверхности электрода или в электродном пространстве. Любой электрический параметр (потен-циал, сила тока, сопротивление и др.), функционально связанный с концентрацией анализируемого субстрата, может служить анали-тическим сигналом.

В основе потенциометрических измерений лежит зависимость равновесного потенциала электрода от активности (концентрации) определяемого иона. Для измерений необходимо составить гальванический элемент из подходящего индикаторного электрода и электрода сравнения, а также иметь прибор для измерения потенциала индикаторного электрода в условиях, близких к термодинамическим, т. е. без отвода заметного тока от гальванического элемента при замыкании цепи.

Различают прямую и косвенную потенциометрию, или потенциометрическое титрование. В косвенных методах потенциал измеряют в целях нахождения конечной точки титрования определенного компонента подходящим титрантом.

В потенциометрическом методе измеряют разность потен-

циалов (напряжение) между индикаторным электродом и электро

дом сравнения, имеющим постоянный потенциал. Индикаторный электрод должен быстро и обратимо реагировать на изменение концентрации определяемого иона. Например, при потенциометрическом титровании ионов Ag⁺ можно использовать серебряный электрод, а при титровании кислот и оснований –водородный.

Для измерения потенциала составляют ячейку из индикатор-ного полуэлемента, содержащего электрод сравнения, соединяют их электролитическим ключом и измеряют разность потенциалов между обоими электродами. В качестве электродов сравнения используют обычно каломельный электрод (Е = 0,2241 В) или хлоридсеребряный электрод (Е = 0,198 В) для насыщенного раствора КСl.

На практике обычно и индикаторный электрод, и электрод сравнения погружают в анализируемый раствор; иногда оба электрода размещают в одном корпусе. Электрод сравнения в этих случаях помещают в стеклянный цилиндр, заполненный раствором электролита, который отделен от анализируемого раствора при помощи диафрагмы.

В настоящее время получили распространение ионоселективные электроды, которые по принципу действия подобны стеклянному электроду. В них используются кристаллические или ионообменные мембраны, а также жидкие ионообменники. Они обеспечивают установление разности потенциалов между внут-ренним вспомогательным электродом и внешним раствором, которая обусловлена присутствием иона, находящегося в равновесии с мемб-раной.

Электроды с твердыми мембранами имеют мембрану из элект

ропроводящего материала (монокристалла или прессованного порошка). Материал мембраны выбирают таким образом, чтобы она могла пропускать только ионы определенного размера. Это достигается в том случае, если катион и анион вещества, составляющего основу мембраны, сильно различаются по своим размерам.

Электроды с жидкими мембранами действуют по принципу стеклянного электрода. В состав мембраны входит органический полимерный ионообменник (твердый или жидкий) с функциональными группами типа RСОО^– или (RО)₂РОО^–, имеющими специфическое сродство к определяемого иону.

С помощью электродов с жидкими мембранами можно определять ионы К⁺, Са²⁺, Мg²⁺, Сu²⁺, NO₃ и ClО ₄ . Для определения анионов используют ионообменные мембраны, содержащие хелатные комплексы металлов.

Активная кислотность (рН) – показатель концентрации свободных ионов водорода в растворе. Величина рН и ее изменение

при хранении и переработке пищевых продуктов характеризуют их качество, так как деятельность ферментов и бактерий связана с кислотностью среды.

рН определяют непосредственно в пищевых продуктах или водных вытяжках и экстрактах из измельченных пищевых продуктов, если показатель рН служит мерой контроля качества (например, при определении доброкачественности плодовых и овощных соков, свежести мяса).

Концентрацию водородных ионов можно определить потенцио-метрическим (арбитражным) методом и с помощью универсальных индикаторных бумажек (технический метод). Значение рН выражают как среднее арифметическое двух–трех определений. Точность измерений составляет ±0,05 единиц рН.