Predseda spoločnosti General Food Technology Prof
Predseda pre technológiu General Food Technology Prof. Dr. K.-H. Seminárne dokumenty Engel (W. Weiss) A 280 nm 250 nm 220 nm
Seminár o chémii potravín Walter Weiss zimný semester 2011/12 Analýza chémie potravín: Nevyhnutnosť, praktické požiadavky, metódy, príprava a následné skúšky, príprava vzorky, priemerná vzorka, štatistické vyhodnotenie, stanovenie chýb minerálnych látok (spaľovanie), stanovenie obsahu vody a sušiny, analýza bielkovín a aminokyselín, analýza sacharidov, analýza tukov (obsah tuku; kľúčové údaje); Spektrum mastných kyselín) Enzymatické analýzy Optické metódy (UV/Vis fotometria) Rýchle metódy (testovacie prúžky, reflektometria) Chromatografické separačné techniky (TLC, GC, HPLC) Príklady použitia 2
Metódy 1) Klasické, väčšinou mokro-chemické procesy, väčšinou gravimetrické/titrimetrické (váženie: veľmi presné!) Často: oficiálna metóda (arbitrážna alebo referenčná metóda) pre mimoriadne situácie (napr. Ak zlyhá automatický analyzátor) na kalibráciu rýchlych metód sa často používajú nízke náklady na získanie a náklady na zariadenie Nevýhody/obmedzenia: väčšinou je možné určiť iba súhrnné parametre (tuk, bielkoviny atď.), Čiastočne náročné na prácu a čas. vysoká spotreba chemikálií; Likvidácia odpadu (drahá) 2.) Metódy rýchlej identifikácie napr. Meranie hustoty alebo objemu; Refraktometria; Testovacie tyčinky (dip stick); Reflektometria; TLC (semikvantitatívne) rýchle, lacné -> pre rutinnú analýzu, väčšinou pre kontrolu procesu pri výrobe LM, ideálne na detekciu prekročenia alebo poklesu pod medznú hodnotu alebo na predvýber vzoriek na analýzu Nevýhoda: menej presná ako referenčné metódy 3) Inštrumentálne (čiastočne alebo úplne automatizované) metódy HPLC, GC, FT-IR, NMR, enzymatické analýzy, ELISA zt súčasné stanovenie niekoľkých parametrov (tuk, cukor, bielkoviny; napr. pomocou Milkoscanu alebo Winescanu) väčšinou veľmi rýchlo; čiastočne tiež veľmi presné nevýhody vysoké obstarávacie (prístrojové) náklady vyžaduje sa častá kalibrácia komplikované hodnotenie 4
Príklad: metóda stanovenia hustoty pyknometer (referenčná metóda, gravimetrická), ohybový oscilátor (prístrojová analýza, plne automatizovaná), hustomer (rýchla metóda, volumetrický) 5
Reprezentatívna vzorka/priemerná vzorka bochníka syra: zhomogenizujte segment (kúsok koláča) Mlieko Mlieko: krémy up -> premiešajte opatrne (vyvarujte sa vstupu vzduchu, inak sa zmení hustota!) Klobása; zeleninové jedlo: odstráňte nejedlé časti (šupku, šupky)! 7.
Stanovenie minerálov (popol) Používajú sa hlavne dve metódy: suché spaľovanie mokrá (vlhká) mineralizácia 1) suchý spaľovací popol = zvyšok (= prevažne minerály; prípadne aj piesok!) Pracovná metóda téglika z porcelánu alebo platiny žíhať a odvážiť vzorku, odvážiť v porcelánovom/platinovom kelímku pomocou zušľachťovača pomocou IR žiariča + Bunsenovho horáka a potom spáliť organickú látku v muflovej peci pri približne 520 - 550 C; Potrebný čas: 2 - 3 h Teplota: 550 C prchavé! (-> Straty solí!) Po úplnom spálení: Nechajte téglik vychladnúť v exsikátore a odvážte ho späť Väčšinou: Pridanie urýchľovačov reakcie (pomocných látok na spaľovanie), napr. H 2 O 2, octan horečnatý Octan horečnatý: - tvorba peroxidu -> nosič kyslíka - tepelný rozklad -> napučanie -> zväčšenie povrchu -> lepší prístup vzduchu -> rýchlejšie spaľovanie organickej látky Nevýhoda: octan horečnatý nespáli zvyšky -> slepý pokus s octanom horečnatým požadované obmedzenie Nevhodné na stanovenie vysoko prchavých kovov (najmä pre toxické stopové prvky, napr. zlúčeniny As, Hg, Cd, Pb), pretože dochádza k príliš vysokým stratám -> v tomto prípade: vykonajte mokrú mineralizáciu 8
2) Mokrá (vlhká) mineralizácia (mokré spaľovanie) Pri mokrej (vlhkej) mineralizácii sa analyt podrobí pôsobeniu prchavých oxidačných činidiel, kým sa nerozloží všetka organická hmota. Obyčajne v tlakovej vyhnívacej nádobe alebo pri spätnom chladení -> stratám sa zväčša zabráni Oxidačné činidlá: konc. Kyselina sírová + kyselina dusičná Kyselina chloristá (60%) 65% kyselina dusičná (HNO 3) zriedkavejšie: 50% peroxid vodíka (H 2 O 2) Hlavná oblasť použitia: Príprava vzorky na stanovenie vysoko prchavých (obzvlášť toxických) stopových prvkov. Skutočné kvantitatívne stanovenie: pomocou atómovej absorpčnej spektroskopie (AAS) ) Refluxný prístroj rozprašovača Princíp zdroja zdroja AAS (lampa s dutou katódou) Monochromátorový detektor Tlaková digesčná nádoba Plameň bez vzorky Plameň so slanou vzorkou Kontinuálne, ako aj emisné a absorpčné spektrum 9
Výhody relatívne lacné (sušiaca skrinka, váhy, hliníkový riad, morský piesok) paralelná metóda (simultánna analýza niekoľkých desiatok vzoriek) relatívne malé úsilie dobrá reprodukovateľnosť hodnôt -> často predpísané ako referenčná metóda (oficiálna metóda) Nevýhody dlhý čas (3-4 h) iné Zaznamenávajú sa aj prchavé látky (alkoholy, éterické oleje). V skutočnosti sa nezisťuje obsah vody, ale strata sušenia -> v prípade potreby sa odporúča kalibrácia chemickou metódou stanovenia vody (napr. podľa Karla Fischera) Rozklad alebo chemické reakcie (napr. Maillardova reakcia) Varianta: Vákuová sušiaca komora pri 70 ° C 2) Infračervené sušenie Výhody rýchlejšie ako v prípade sušiacej metódy (10 - 30 min.) Je možné automatizovať v kombinácii s integrovanými váhami; On-line meranie Nevýhody Vzorku nanášajte iba v tenkej vrstve Vyžaduje sa kalibrácia referenčnou metódou (napr. Sušením v morskom piesku alebo metódou Karla Fischera) Oblasti použitia Rýchla metóda, najmä pri výrobe potravín, napr. pre mäsové výrobky, ryby IR sušička 3) Mikrovlnné sušenie Výhoda: vyžaduje sa len veľmi málo času (5-10 min.) Nevýhody: podobné ako v prípade mikrovlnnej sušičky s infračerveným žiarením 12
4) Azeotropická destilácia Princíp: Voda obsiahnutá v potravinách sa z analytickej vzorky oddestiluje pomocou hydrofóbnej kvapaliny (dopravníka), zvyčajne toluénu alebo xylénu. Po kondenzácii v odmernej trubici je možné odčítať objem oddelenej vody. Výhodné použitie veľkého množstva vzoriek -> ideálne pre nehomogénne potraviny (napr. Kyslá kapusta) alebo vysokotučné, veľmi viskózne vzorky (napr. Krémy) Nevýhoda pomerne nepresná, pretože meranie objemu spätného chladiča kondenzovanej vody so stupnicou ohrievacej dosky traktora 5) Špeciálne metódy na stanovenie pridania vody 5.1 Kryoskopia (stanovenie bodu mrazu) ) Princíp: Bod tuhnutia roztoku (napr. Mlieka) sa zvýši pridaním vody -> detekcia/kvantifikácia zriedenia Výhody sú v zásade veľmi presné; najlepšiu metódu pre mlieko je možné automatizovať (v tomto prípade tiež veľmi rýchlo) Nevýhodou je potrebné veľmi presné meranie teploty (pre mlieko: približne 10% kryoskop na pridanie vody; 30 vzoriek/h 13
5.2 Ďalšie metódy na zisťovanie pridania vody Meranie hustoty (pyknometer, hustomer, ohybový oscilátor) Refraktometria (napr. Lom séra v mlieku) Princíp: Hustota alebo index lomu roztoku sa po pridaní vody mení. Zmena je (v určitých medziach) úmerná množstvu pridanej vody Výhoda: veľmi rýchle meranie (výnimka: pyknometer) Poznámka: je potrebná presná regulácia teploty, pretože objem (meranie) je silne závislý od teploty! ZHRNUTIE: Stanovenie vody - prečo? Dôkaz o falšovaní alebo zriedení (mlieko!) Čas použiteľnosti potraviny závisí od obsahu vody (presnejšie: od jej aktivity vo vode) (-> mikroorganizmy; enzýmové aktivity). + Tuk + bielkoviny + popol), pokiaľ v potravine nie je väčšie množstvo iných zložiek (napr. Vláknina) 14
Analýza proteínov a aminokyselín Proteíny sú tvorené aminokyselinami; ich obsah dusíka kolíše iba v úzkych medziach (N 15 - 18%; ø 16%), ostatné zdroje dusíka v potravinách sú zvyčajne zanedbateľné Z týchto dôvodov sa obsah bielkovín v potravinách zvyčajne určuje podľa obsahu dusíka, v praxi sa používajú dve metódy: a) podľa Kjeldahla b) podľa Dumasovej metódy podľa Kjeldahla konc. H 2 SO 4 + kat. + T H 3 BO4 4 HCl + NaOH Zjednodušené zastúpenie! Vzorka je vyrobená s konc. Kyselina sírová sa oxiduje oxidatívne v prítomnosti katalyzátora (väčšinou síranu meďnatého). Dodatočné pridanie K2S04 na zvýšenie teploty varu (približne 370 ° C) -> proteínový dusík sa prevedie na síran amónny: koncentr. Katalyzátor proteínového dusíka H2S04 (NH4) 2S04, T Po dokončení trávenia: Banka sa nechá vychladnúť (!). Po pridaní dist. Prebytok vody a NaOH (skontrolujte alkalickú reakciu!). Uvoľňuje sa zo síranu amónneho [(NH4) 2S04] amoniaku (NH3) (silná báza NaOH vytláča slabú bázu NH3 zo svojej soli) a destiláciou s parou do kyslý prijímač (väčšinou kyselina boritá) prehnaný (NH4) 2 SO 4 + 2 NaOH 2 H 2 O + 2 NH 3 + Na 2 SO 4 15
Chladič NH3 je v prijímači viazaný kyselinou boritou (slabá kyselina): H 3BO 3 + NH 3 (NH 4) H 2 BO 3 (zjednodušené znázornenie) Množstvo viazaného amoniaku (NH 3) sa stanoví titráciou 0,1 M Kyselina chlorovodíková (HCl) (vytesňovacia titrácia) určuje (NH4) H 2BO 3 + HCl NH 4 Cl + H 3 BO 3 (zjednodušené znázornenie) Prebytok NaOH Kjeldahlova banka H 3 BO 3 Destilácia parou Spotreba HCl môže byť Vypočítajte obsah dusíka N vo vzorke az toho obsah dusíkatých látok P pomocou LM alebo bielkovinovo špecifického faktora F (Kjeldahlov faktor) (zvyčajne 6,25): Potraviny LM/proteínovo špecifický faktor F mlieko 6,38 mäso, ryby, vajcia 6, 25 Želatína 5,55 Orechy 5,40 P = N x F Príklad: obsah N (vajcia) = 2,0% obsah bielkovín = (2,0 x 6,25)% = 12,5% 16
Prístrojové vybavenie Kjeldahl - originálny prístroj Konvenčný prístroj pre paralelné analýzy Plne automatický prístroj pre viacnásobné analýzy 17
Stanovenie dusíka podľa Dumasovho princípu Úplná oxidácia organického materiálu vo vzorke spaľovaním v kyslíkovej atmosfére pri teplotách 900 C - 1000 C. Spaliny (CO 2, H 2 O, NO x a N 2) prechádzajú kyslíkom cez horúcu meď odstrániť a previesť existujúce oxidy dusíka (NO x) na dusík (N 2) Výsledná zmes plynov sa vedie cez lapač CO 2 -/H 2 O. Zvyšný N 2 je objemový (tradičná metóda) alebo - v plne automatických zariadeniach - pomocou detektora tepelnej vodivosti a obsah bielkovín sa stanoví z množstva dusíka pomocou konverzného vzorca Štruktúra prístroja (princíp) O 2 CO 2 N 2 CuO + CuO Cu sieťová látka cca 900 CN 2 OO 2Cu + 2NO 2CuO + N 2 50% KOH Výhody v porovnaní s Kjeldahlom Metóda Mimoriadne krátky čas na analýzu (iba 3 - 5 minút na vzorku) Nie sú potrebné žiadne agresívne chemikálie Vysoký stupeň automatizácie Ideálny pre sériové analýzy Nevýhody Vysoká inv. investičné náklady; Okrem toho sú pre jednotlivé analýzy zaznamenané aj vysoko čisté plyny požadované okrem amino (bielkovinového) dusíka, aj ďalšie zlúčeniny dusíka (napr. Nitrozlúčeniny (R-NO 2)): Kjeldahlova metóda lacnejšia 19
Automatické stanovenie dusíka podľa sondy Dumas Hélium O 2 - kondenzátor vody v dodávke pece meď TCD GC kolónový detektor CuO CO 2 - odstránenie 20
Špeciálne metódy stanovenia proteínov a aminokyselín Príklady: Kolorimetricko-fotometrické metódy stanovenia bielkovín (napr. Podľa Lowryho alebo Bradforda) Titrácia formolu Stanovenie hydroxyprolínu (spojivové tkanivo) Metóda viazania farbiva podľa Bradforda Princíp: V prítomnosti bielkovín a kyslého pH -> posun absorpčného maxima CBB 250 G zo 465 nm na 595 nm (červenofialová) -> fotometrické stanovenie Kalibračná krivka Coomassie Brilliant Blue 250 G Oblasť použitia: Hlavne v klinickej chémii a biochémii; menej často pri analýze potravín (predtým: stanovenie obsahu bielkovín v mlieku) Titrácia formolu Na súhrnný záznam voľných aminokyselín, napr. v ovocnej šťave Číslo vzorca označuje množstvo 0,1 M roztoku NaOH v ml, ktoré sa používa na neutralizáciu iónov H +, ktoré sa uvoľňujú pri reakcii 100 ml testovanej kvapaliny s vodným roztokom formaldehydu R-CH-COO - + 2 HCHO R-CH-COO - + H + II NH3 + N- (CH2OH) 2 aminokyselina titrácia formaldehydom 0,1 M NaOH 21
Stanovenie hydroxyprolínu (spojivového tkaniva) Aminokyselina 4-hydroxyprolín sa vyskytuje iba v spojivovom tkanive, a to v konštantnom množstve približne 12,5%. Môže sa preto použiť na stanovenie podielu spojivového tkaniva (šľachy, chrupavky, koža) v mäsových výrobkoch. Princíp Hydroxyproline (I ) sa uvoľňuje z proteínu spojivového tkaniva kyslou hydrolýzou a oxiduje sa na pyrol (II) chlóramínom T. Tento oxidačný produkt vytvára červeno sfarbený kondenzačný produkt (IV) s prídavkom p-dimetylaminobenzaldehydu (III), ktorého koncentrácia sa stanoví fotometricky pri 558 nm. Vôl. (I) (II) (III) (IV) Farebná reakcia (pozri vyššie) + + 6N HCl Hydrolýza kyselinových proteínov Fotometrické meranie Odčítajte koncentráciu hyp z kalibračnej krivky 22
Tenkovrstvová chromatografická detekcia jednotlivých cukrov AV 1 V 2 A Stanovenie cukrového zloženia potraviny rýchla, ľahko použiteľná, lacná a spoľahlivá metóda Veľkosť a intenzita miesta umožňujú semikvantitatívny odhad množstva jednotlivých cukrov, často sa používajú aj na predvýber vzoriek na ďalšie analýzy. Enzymatické stanovenie jednotlivých cukrov UV fotometrické testy na stanovenie monosacharidov (napr. Glukózy, fruktózy), disacharidov (sacharóza, laktóza, maltóza) a polysacharidov (škrob, inulín) Výhody: vysoko špecifické stanovenie jednotlivých cukrov v zmesiach 24
Princíp stanovenia POZ sa vytvorí definované množstvo vzorky tuku rozpusteného v chloroforme/ľadovej kyseline octovej zmiešanej s jodidom draselným (KI) redoxnou reakciou s bezperperoxidmi jódu (I2) (-> žltohnedé zafarbenie) stanovenie množstva I2 vyrobeného titráciou tiosíranom sodným Štandardné roztoky (indikátor: škrob) R 1 - CH-R 2 + 2 I + 2 H + R 1 -CH-R 2 + H 2 O + I 2 II OOH OH I 2 + 2S 2 O 3 2-2I - + S 4 O 6 2- Detekcia/stanovenie epihydrínu alebo malondialdehydu. Ďalšia reakcia alebo rozklad hydroperoxidov -> aldehydy/ketóny. Detekcia jednotlivých aldehydov na konci degradačného reťazca (najmä epihydrínu a malondialdehydu) prebieha farebnou reakciou (čím je farba intenzívnejšia, tým viac aldehydu je. alebo pomocou HPLC + 2 malondialdehydu (je tautomérny voči epihydrinaldehydu), farebný/fluorescenčný kondenzačný produkt s kyselinou 2-tiobarbiturovou + + + 32
Oxidačná pripravenosť oleja/tuku Samotná POZ umožňuje iba obmedzené výroky o stabilite oleja pri skladovaní, pretože dôležitú úlohu zohráva aj obsah lapačov radikálov (napr. Tokoferoly, vitamín E) (tieto lapače radikálov inhibujú autoxidáciu) Zrýchlenie autoxidácie po konzumácii týchto antioxidantov -> meranie pripravenosť oxidovať po skladovaní pri zvýšenej teplote stanovením POZ alebo pomocou Rancimatu. Stanovenie oxidačnej stability tukov/olejov pomocou Rancimatu. Prechod prúdu vzduchu cez vzorku pri 50 220 C (v závislosti od tuku/oleja) Prchavé oxidačné produkty (vrátane prchavých kyselín) sú s prenesený do prúdu vzduchu v meracej nádobe s absorpčným roztokom a potom kvantifikovaný meraním vodivosti 120 C 110 C meracia sonda 100 C prívod vzduchu reakčná nádoba ohrievací blok vzorky oleja/tuku (50-200 C) merací článok s absorpčným roztokom (voda) Rancimat: schematická štruktúra 0 5 h 10 h 15 h indukčný čas pri 120 ° C C 3 h 110 C 6 h 100 C 12 h Indukčné časy autoxidácie v závislosti na teplotnom zaťažení tukom/olejom Vodivosť Merací prístroj Rancimat Indukčný čas Čas 33