Catedra de Tehnologie Alimentară Generală Prof
Catedra Tehnologia Generală a Alimentelor Prof. Dr. K.-H. Documente de seminar Engel (W. Weiss) A 280 nm 250 nm 220 nm
Seminar de chimie alimentară semestrul de iarnă Walter Weiss 2011/12 Analiză chimie alimentară: Necesitate, cerințe practice, metode, pregătirea și urmărirea testelor, pregătirea eșantionului, eșantionul mediu, evaluarea statistică, determinarea erorilor substanțelor minerale (incinerare), determinarea conținutului de apă și a substanței uscate, analiza proteinelor și aminoacizilor, analiza carbohidraților, analiza grăsimilor (conținut de grăsime; cifre cheie); Spectru de acizi grași) Analize enzimatice Metode optice (fotometrie UV/Vis) Metode rapide (benzi de testare, reflectometrie) Tehnici de separare cromatografică (TLC, GC, HPLC) Exemple de aplicare 2
Metode 1) Procese clasice, în mare parte chimice umede, în special gravimetrice/titrimetrice (cântărire: foarte precisă!) Adesea: metodă oficială (arbitraj sau metodă de referință) pentru situații de urgență (de exemplu, dacă un analizor automat eșuează) costurile scăzute ale achiziției și ale dispozitivului sunt adesea utilizate pentru calibrarea metodelor de mare viteză Dezavantaje/restricții: în mare parte pot fi determinați doar parametrii de sumă (grăsimi, proteine etc.), care necesită multă muncă și consumă mult timp consum chimic ridicat; Eliminarea deșeurilor (costisitoare) 2.) Metode de identificare rapidă de ex. Măsurarea densității sau a volumului; Refractometrie; Test stick-uri (dip stick); Reflectometrie; TLC (semicantitativ) rapid, ieftin -> pentru analiza de rutină, în special pentru controlul procesului în timpul producției LM, ideal pentru detectarea depășirii sau scăderii sub o valoare limită sau pentru preselectarea probelor de analiză Dezavantaj: mai puțin precis decât metodele de referință 3) Metode instrumentale (parțial sau complet automatizate) HPLC, GC, FT-IR, RMN, analize enzimatice, ELISA zt determinarea simultană a mai multor parametri (grăsimi, zahăr, proteine; de exemplu, folosind Milkoscan sau Winescan) în cea mai mare parte foarte repede; parţial de asemenea, foarte dezavantajează costurile ridicate de achiziție (dispozitiv) este necesară o calibrare frecventă evaluare complicată 4
Exemplu: metoda de determinare a densității picnometru (metodă de referință, gravimetrică) oscilator flexural (analiză instrumentală, complet automat) hidrometru (metodă rapidă, volumetric) 5
Eșantion reprezentativ/eșantion mediu de pâine de brânză: omogenizați segmentul (bucată de tort) Lapte Lapte: rame -> amestecați cu atenție (evitați intrarea aerului, altfel modificați densitatea!) Cârnați; alimente vegetale: îndepărtați părțile necomestibile (piele, coajă)! Al 7-lea
Determinarea mineralelor (cenușă) În principal două metode utilizate: incinerare uscată mineralizare umedă (umedă) 1) cenușă de incinerare uscată = reziduul (= predominant minerale; posibil și nisip!) Metoda de lucru a creuzetului din porțelan sau platină prăjiți și cântăriți proba de cântărire în porcelan/creuzet de platină cu ardere cu radiator IR + arzător Bunsen, apoi ardeți substanța organică în cuptorul muffle la aproximativ 520-550 C; Timp necesar: 2-3 h Temperatură: 550 C volatil! (-> Pierderi de sare!) După incinerarea completă: Lăsați creuzetul să se răcească în desicator și cântăriți-l în mare parte. Adăugarea acceleratorilor de reacție (ajutoare pentru incinerare) H 2 O 2, acetat de Mg Acetat de magneziu: - Formare de peroxid -> Purtător de oxigen - Descompunere termică -> Umflare -> Mărirea suprafeței -> Acces mai bun la aer -> combustie mai rapidă a substanței organice Dezavantaj: Acetat de Mg nu arde fără a lăsa reziduuri -> Test în gol cu acetat de Mg restricție necesară Nu este potrivit pentru determinarea metalelor foarte volatile (în special pentru oligoelemente toxice, de exemplu compuși As, Hg, Cd, Pb), deoarece pierderile sunt prea mari -> în acest caz: efectuați mineralizarea umedă 8
2) Mineralizare umedă (umedă) (incinerare umedă) În mineralizarea umedă (umedă), analitul este tratat cu agenți de oxidare volatili la căldură până când toată materia organică este descompusă. De obicei într-un vas de digestie sub presiune sau sub răcire la reflux -> pierderile sunt evitate în mare măsură Agenți oxidanți: conc. Acid sulfuric + acid azotic Acid percloric (60%) 65% acid azotic (HNO 3) mai rar: 50% peroxid de hidrogen (H 2 O 2) Domeniul principal de aplicare: Pregătirea probei pentru determinarea oligoelementelor foarte volatile (în special toxice). Determinarea cantitativă efectivă: prin spectroscopie de absorbție atomică (AAS ) Aparat de reflux al atomizorului Principiul sursei de linie AAS (lampă cu catod gol) Detector monocromator Vas de digestie sub presiune Flacără fără probă Flacără cu probă care conține sare Continuă, precum și spectru de emisie și absorbție 9
Avantaje relativ ieftine (dulap de uscare, cântare, vase de aluminiu, nisip de mare) metodă paralelă (analiza simultană a mai multor zeci de probe) efort relativ mic reproductibilitate bună a valorilor -> adesea prescrisă ca metodă de referință (metodă oficială) Dezavantaje cheltuieli lungi de timp (3-4 h) altele sunt de asemenea înregistrate substanțe volatile (alcooli, uleiuri esențiale). De fapt, nu se determină conținutul de apă, ci pierderea la uscare -> dacă este necesar, se recomandă calibrarea cu o metodă chimică de determinare a apei (de exemplu, conform lui Karl Fischer). Pentru substanțele instabile termic (de exemplu, mierea), valorile sunt prea mari din cauza Descompunere sau reacții chimice (de exemplu, reacția Maillard) Variantă: dulap de uscare sub vid la 70 C 2) Uscare în infraroșu Avantajele mai rapide decât metoda dulapului de uscare (10-30 min) pot fi automatizate în combinație cu cântare integrate; Măsurare on-line Dezavantaje Aplicați eșantionul numai în strat subțire Calibrarea prin metoda de referință (de ex. Uscarea nisipului de mare a dulapului sau metoda Karl Fischer) necesară Domenii de aplicare Metodă rapidă, în special în timpul producției LM de ex. pentru produse din carne, pește uscător IR 3) Uscare cu microunde Avantaj: foarte puțin timp necesar (5-10 min) Dezavantaje: similar cu uscător IR cu uscător cu microunde 12
4) Principiul distilării azeotrope: Apa conținută în alimente este distilată din proba de analiză cu un lichid hidrofob (tractor), de obicei toluen sau xilen. După condensarea într-un tub gradat, volumul apei separate poate fi citit. Utilizarea avantajelor a cantităților mari de probe este posibilă -> ideală pentru produse alimentare neomogene (de exemplu varză acră) sau probe cu conținut ridicat de grăsimi, foarte vâscoase (de exemplu creme) Dezavantaj relativ imprecis, deoarece măsurarea volumului condensator de reflux eșantion de apă condensată cu scara de încălzire a tractorului 5) Metode speciale pentru determinarea adăugării de apă 5.1 Crioscopie (determinarea punctului de îngheț) ) Principiu: punctul de îngheț al unei soluții (de exemplu, lapte) este crescut prin adăugarea de apă -> Detectarea/cuantificarea unei diluții Avantajele în principiu foarte precise; cea mai bună metodă poate fi automatizată cu lapte (în acest caz și foarte rapid) Dezavantaj este necesară măsurarea foarte exactă a temperaturii (cu lapte: aproximativ 10% crioscop de adăugare de apă; 30 de probe/h 13
5.2 Alte metode de detectare a adăugării de apă Măsurarea densității (picnometru, hidrometru, oscilator flexural) Refractometrie (de exemplu, refracția serică în lapte) Principiu: Densitatea sau indicele de refracție al unei soluții se schimbă atunci când se adaugă apă. Modificarea este (în anumite limite) proporțională cu cantitatea de apă adăugată Avantaj: măsurare foarte rapidă (excepție: picnometru) Notă: este necesar controlul exact al temperaturii, deoarece volumul (măsurarea) este puternic dependent de temperatură! REZUMAT: Determinarea apei - De ce? Dovada adulterării sau diluării (lapte!) Perioada de valabilitate a unui produs alimentar depinde de conținutul de apă (mai precis: de activitatea sa de apă) (-> microorganisme; activități enzimatice) Pentru a calcula puterea calorică: Determinările carbohidraților sunt de obicei dificile -> prin urmare, deseori:% KH = 100 - + Grăsime + proteină + cenușă), atâta timp cât nu există cantități mai mari de alte componente în alimente (de exemplu, fibre dietetice) 14
Analiza proteinelor și aminoacizilor Proteinele sunt alcătuite din aminoacizi; conținutul lor de azot fluctuează numai în limite înguste (N 15-18%; ø 16%) alte surse de azot din alimente sunt în general neglijabil Din aceste motive, conținutul de proteine al unui aliment este de obicei determinat de conținutul său de azot.În practică, două metode: a) conform Kjeldahl b) conform metodei Dumas conform Kjeldahl conc. H 2 SO 4 + Cat. + T H 3 BO4 4 HCl + NaOH Reprezentare simplificată! Eșantionul se face cu conc. Acidul sulfuric a digerat oxidativ în prezența unui catalizator (în principal sulfat de cupru). În plus, adăugarea de K2S04 pentru a crește punctul de fierbere (aprox. 370 C!) -> azot proteic este transformat în sulfat de amoniu: conc. H 2 SO 4 azot proteic (NH 4) 2 catalizator SO 4, T După ce digestia este completă: Lăsați balonul să se răcească (!). După adăugarea dist. Excesul de apă și NaOH (verificați reacția alcalină!) Se eliberează din sulfatul de amoniu [(NH 4) 2 SO 4] amoniac (NH 3) (baza puternică NaOH deplasează baza slabă NH 3 din sarea sa) și prin distilarea cu abur într-o receptor acid (în principal acid boric) exagerat (NH 4) 2 SO 4 + 2 NaOH 2 H 2 O + 2NH 3 + Na 2 SO 4 15
Răcitorul NH 3 este legat de acidul boric (acid slab) din receptor: H 3 BO 3 + NH 3 (NH 4) H 2 BO 3 (reprezentare simplificată) Cantitatea de amoniac legat (NH 3) este determinată prin titrare cu 0,1 M Acid clorhidric (HCl) (titrarea deplasării) determinat (NH 4) H 2 BO 3 + HCI NH 4 Cl + H 3 BO 3 (reprezentare simplificată) NaOH balon Kjeldahl în exces H 3 BO 3 Distilare cu abur Consumul de HCl poate fi Calculați conținutul de azot N al eșantionului și din acesta conținutul de proteine brute P cu ajutorul unui factor LM sau al factorului proteic specific F (factor Kjeldahl) (de obicei 6,25): Alimente LM/factor specific proteinei F lapte 6,38 carne, pește, ou 6, 25 gelatină 5,55 nuci 5,40 P = N x F Exemplu: Conținut de N (ou) = 2,0% conținut de proteine = (2,0 x 6,25)% = 12,5% 16
Echipament pentru aparate Kjeldahl - aparat original Aparat convențional pentru analize paralele Aparat complet automat pentru analize multiple 17
Determinarea azotului conform principiului Dumas Oxidarea completă a materialului organic din probă prin ardere într-o atmosferă de oxigen la temperaturi de 900 C - 1000 C. Gazele de ardere (CO 2, H 2 O, NO x și N 2 sunt trecute peste cupru fierbinte pentru a adăuga oxigen îndepărtați și convertiți oxizii de azot (NO x) existenți în azot (N 2) Amestecul de gaze rezultat este trecut printr-o capcană de CO 2 -/H 2 O N 2 rămas este volumetric (metoda tradițională) sau - în dispozitive complet automate - prin intermediul unui detector de conductivitate termică iar conținutul de proteine este determinat din cantitatea de azot utilizând o formulă de conversie. Structura aparatului (principiu) O 2 CO 2 N 2 CuO + CuO Cu substanță rețea aprox.900 CN 2 OO 2Cu + 2NO 2CuO + N 2 50% KOH Avantajele comparativ cu Kjeldahl Metodă Timp de analiză extrem de scurt (doar 3-5 minute pe probă) Nu sunt necesare substanțe chimice agresive Grad ridicat de automatizare Ideal pentru analize în serie Dezavantaje Inv. Mare costuri de investiții; În plus, gazele de înaltă puritate necesare în plus față de amino (proteine) azot, alți compuși azotici (de exemplu compuși nitro (R-NO 2)) sunt de asemenea înregistrate pentru analize individuale:
Determinarea automată a azotului în conformitate cu Dumas Probe Helium O 2 - furnal de apă condensator cupru TCD GC detector coloană CuO CO 2 - îndepărtare 20
Metode speciale de determinare a proteinelor și aminoacizilor Exemple: Metode de determinare a proteinelor colorimetric-fotometrice (de exemplu, conform Lowry sau Bradford) Titrarea formolului Determinarea hidroxiprolinei (țesut conjunctiv) Metoda de legare a coloranților conform principiului Bradford: În prezența proteinelor și pH acid -> deplasarea absorbției maxime a CBB 250 G de la 465 nm la 595 nm (roșu-violet) -> determinare fotometrică Curbă de calibrare Coomassie Brilliant Blue 250 G Domeniu de aplicare: În principal în chimie clinică și biochimie; mai rar în analiza alimentelor (anterior: determinarea conținutului de proteine din lapte) Titrarea formolului Pentru înregistrarea sumară a aminoacizilor liberi, de ex. în suc de fructe Numărul formulei indică cantitatea de soluție NaOH 0,1 M în ml care este utilizată pentru neutralizarea ionilor H + care sunt eliberați atunci când 100 ml de lichid testat reacționează cu o soluție apoasă de formaldehidă R-CH-COO - + 2 HCHO R-CH-COO - + H + II NH 3 + N- (CH 2 OH) 2 titrare a aminoacizilor formaldehidă cu 0,1 M NaOH 21
Determinarea hidroxiprolinei (țesutului conjunctiv) Aminoacidul 4-hidroxiprolină apare numai în țesutul conjunctiv, într-o proporție constantă de aproximativ 12,5%. Prin urmare, poate fi utilizat pentru a determina proporția țesutului conjunctiv (tendoane, cartilaj, piele) în produsele din carne. Principiul hidroxiprolină (I ) este eliberat din proteina țesutului conjunctiv prin hidroliză acidă și oxidat la pirol (II) prin cloramină T. Acest produs de oxidare formează un produs de condensare de culoare roșie (IV) cu p-dimetilaminobenzaldehidă adăugată (III), a cărui concentrație este determinată fotometric la 558 nm. Bou. (I) (II) (III) (IV) Reacție de culoare (vezi mai sus) + + 6N HCl Hidroliza proteinelor acide Măsurare fotometrică Citiți concentrația hip din curba de calibrare 22
Detectarea cromatografică în strat subțire a zaharurilor individuale AV 1 V 2 A Determinarea compoziției zahărului unui produs alimentar Metodă rapidă, ușor de utilizat, ieftină și fiabilă Mărimea și intensitatea punctului permit o estimare semicantitativă a cantității de zaharuri individuale, adesea folosită și pentru preselecția probelor pentru analize ulterioare Determinarea enzimatică a zaharurilor individuale Teste fotometrice UV pentru determinarea monozaharidelor (de exemplu, glucoză, fructoză), dizaharide (zaharoză, lactoză, maltoză) și polizaharide (amidon, inulină) Avantaje: determinarea foarte specifică a tipurilor individuale de zahăr în amestecuri 24
Principiul determinării POZ se produce o cantitate definită de probă de grăsime dizolvată în cloroform/acid acetic glacial amestecat cu iodură de potasiu (KI) prin reacție redox cu hidroperoxizi iod liber (I 2) (-> culoare galben-maro) determinarea cantității de I 2 produsă prin titrare cu tiosulfat de sodiu Soluție standard (indicator: amidon) 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- Detectarea/determinarea epihidrinei sau malondialdehidei Reacții suplimentare sau descompunerea hidroperoxizilor -> aldehide/cetone Detectarea aldehidelor individuale la sfârșitul lanțului de degradare (în special epihidrina și malondialdehida) are loc printr-o reacție de culoare (cu cât culoarea este mai intensă, cu atât este mai aldehidă este disponibil) sau cu ajutorul HPLC + 2 malondialdehidă (este tautomerică până la epihidrinaldehidă) acid 2-tiobarbituric colorat/produs de condensare fluorescent + + + 32
Pregătirea pentru oxidare a unui ulei/grăsime POZ numai permite afirmații limitate cu privire la stabilitatea la depozitare a unui ulei, deoarece conținutul de eliminatori radicali (de exemplu, tocoferoli, vitamina E) joacă, de asemenea, un rol important (acești eliminatori radicali inhibă auto-oxidarea) Accelerarea auto-oxidării după consumul acestor antioxidanți -> măsurare disponibilitatea de a se oxida după depozitare la temperatură ridicată prin determinarea POZ sau prin intermediul Rancimat. Determinarea stabilității la oxidare a grăsimilor/uleiurilor cu ajutorul Rancimat. Direcționează un flux de aer prin eșantion la 50 220 C (în funcție de grăsime/ulei) Debitul de aer este transferat într-un vas de măsurare cu o soluție de absorbție și apoi cuantificat printr-o măsurare a conductivității 120 C 110 C sondă de măsurare 100 C intrare aer vas de reacție bloc de încălzire probă de ulei/grăsime (50-200 C) celulă de măsurare cu soluție de absorbție (apă) Rancimat: structură schematică 0 5 h 10 h 15 h timp de inducție la 120 C 3 h 110 C 6 h 100 C 12 h Timpi de inducție a autoxidării în funcție de sarcina de temperatură a unei grăsimi/ulei Conductivitate Aparat de măsurare Rancimat Timp de inducție Timp 33