Определение свободной и связанной влаги

Определение общего содержания влаги

Количественное содержание влаги и сухих веществ в пищевых продуктах определяют обыкновенно одним исследованием, направленным на установление веса одного из названных компонентов во взятой навеске; вес другого определяют как арифметическую разность между весом навески и весом найденного компонента.

Для указанных исследований предложено большое количество методов. Выбор конкретного метода зависит от природы продукта, в котором нужно определить влагу.

Метод высушивания. Принцип метода заключается в том, что определенную навеску вещества высушивают до постоянного веса и по разности между начальным весом и весом сухого остатка находят количество влаги в данном продукте. Высушивание проводят в сушильном шкафу при температуре 100–105ºС. Это стандартный метод определения влаги в химическом контроле пищевых продуктов. Метод простой и доступный, но требует много времени для проведения анализа и это главный недостаток метода.

Способы ускоряющие высушивание. Для ускорения высушивания вязких веществ (консервы, джем, повидло, мед и др.) применяют разрыхлители, придающие веществу большую поверхность и препятствующие образованию на поверхности корочки. В качестве разрыхлителя пользуются песком: 10–12 г на одну пробу.

Используемый песок предварительно обрабатывают следующим образом. Песок просеивают через сито диаметром отверстий 1,5 мм и остающийся на сите диаметром 0,3 мм, промывают водой до тех пор, пока вода перестанет мутнеть (отделение глинистых продуктов). Затем песок заливают двойным объемом разбавленной соляной кислоты (1:1) и выдерживают в течение суток, периодически перемешивая. Песок снова промывают водой до нейтральной реакции промывных вод на лакмус, высушивают при 150–160ºС до постоянной массы.

Проведение испытания. В бюкс помещают речной или кварцевый песок в количестве, примерно в 2–3 раза превышающем навеску продукта. Навеску высушивают в сушильном шкафу в открытом бюксе при температуре 103ºС в течение 30 мин. Затем бюкс закрывают крышкой, охлаждают в эксикаторе до комнатной температуры и взвешивают. Во взвешенный бюкс с песком вносят навеску продукта и повторно взвешивают. К содержимому приливают этиловый спирт и помещают бюкс на водяную баню (80–90ºС) и помешивая палочкой, нагревают до исчезновения запаха этилового спирта. Затем пробу высушивают в течение 2 ч в сушильном шкафу при температуре 103ºС, охлаждают в эксикаторе и взвешивают. Высушивание продолжают до постоянной массы. Результаты двух последних взвешиваний не должны отличаться более чем на 0,1% массы навески. Взвешивание проводят с погрешностью не более 0,001 г. Титрование по модифицированному методу Карла Фишера. Метод основан на использовании реакции окисления-восстановления с участием йода и диоксида серы, которая протекает в присутствии воды. Использование специально подобранных органических реагентов позволяет достигнуть полного извлечения воды из пищевого продукта, а использование в качестве органического основания имидазола способствует практически полному протеканию реакции. Содержание влаги в продукте рассчитывается по количеству йода, затраченному на титрование. Метод отличается высокой точностью и стабильностью результатов (в том числе при очень низком содержании влаги) и быстротой проведения анализа.

Реактив Фишера представляет собой раствор I₂ и SO₂ в пиридине и метаноле. Получают его растворением сублимированного йода в смеси безводного пиридина и абсолютного метанола. Раствор охлаждают льдом и добавляют жидкий или газообразный диоксид серы (соотношение SO₂:I₂ = 1:1.3). Реактив взаимодействует с водой по схеме:

Py×SO₂ + CH₃OH «PyH⁺ × CH₃SO₃^–

PyH⁺ × CH₃SO₃^– + Py×I₂ + H₂O + Py ® 2(PyH⁺×I^–) + PyH⁺×CH₃SO₄^–

Пиридин необходим для связывания кислых продуктов реакции и создания оптимального рН в интервале 5–8. Реактив Фишера применяют для прямого и обратного титриметрического определения воды. Точку эквивалентности устанавливают по появлению или исчезновению окраски йода методом амперометрии или потенциометрии. В широко распространенном кулонометрическом варианте титрование осуществляют электрогенерированным йодом в растворе, содержащем I^–, SO₂, пиридин и метанол.

Используют различные модификации реактива. Так, вместо пиридина применяют диэтаноламин или имидазол, вместо йода и пиридина – смесь ацетата натрия с йодидом калия или натрия (так называемый ацетатный реактив Фишера), вместо метанола – метил- или этилцеллозольв.

С помощью реактива Фишера определяют содержание воды (не менее 5×10^–6%) не только в продуктах питания, но и в нефти, лаках, красках, лекарственных средствах и др. Реактив непригоден для определения влажности окислителей и восстановителей, реагирующих с его компонентами с поглощением или выделением воды или йода.

Двухэтапное высушивание. Так как пищевые продукты представляют, в большинстве случаев, биоколлоиды и с трудом поддаются высушиванию, то для тех из них, которые особенно богаты влагой (фрукты, овощи, хлеб, мясо и др.), рекомендуется вести высушивание в два этапа: сначала взятую навеску (10–20 г) разрезают на тонкие куски и высушивают при комнатной температуре (иногда в сушильном шкафу) до воздушно-сухого состояния, предохранив навеску от возможных загрязнений. Пробу затем взвешивают, после чего небольшую навеску (3–5 г) измельчают и досушивают в шкафу до постоянного веса при 105ºС.

Лиофильная сушка. В основу метода положено испарение (возгонка) льда без промежуточного образования воды. Метод применим для продуктов, прочно удерживающих воду (вещества, богатые белками, полисахаридами и пр.) Высушивание ведется в вакууме, но при условии предварительного замораживания взятой для анализа пробы. Исследуемый продукт слоем толщиной не более 10 мм подвергается замораживанию в сосуде при помощи угольного ангидрида. Затем сосуд быстро переносят в эксикатор, поместив сосуд на пробку для уменьшения теплопроводности. При помощи наноса создают в эксикаторе вакуум. Испарение воды можно ускорить, если замороженный материал облучать сильным светом.

Если эксикатор не дает просачивания снаружи воздуха и сушитель действует эффективно, то, независимо от интенсивности падающей лучистой энергии, таяние льда не происходит до тех пор, пока давление в эксикаторе будет ниже давления водяных паров надо льдом при температуре, при которой он остается в твердом состоянии. Все подводимое снаружи тепло будет превращаться при этом в скрытую теплоту парообразования.

Сушка закачивается примерно за 4 часа, если замороженный слой имеет толщину 1–2 мм; слой толщиной 10 мм следует сушить в течение 24 часов.

Иногда для удаления остаточной влаги образец сушат в вакуум-эксикаторе над Р₂О₅.

Содержание влаги вычисляют по изменению массы.

В настоящее время различными фирмами производится обширный спектр приборов для лиофильной сушки, которые могут применяться как для ежедневных процессов в лабораториях, так и комплектоваться с учетом индивидуальных задач. В приборах варьируется диапазон температур (от –30 до –85ºС), сосуды для высушивания (колбы, бутыли, ампулы), производительность. Существуют также приборы, позволяющие готовить образцы с точно заданной толщиной слоя. В современном приборном исполнении системы лиофилизации метод лиофильной сушки является экспрессным и эффективным методом определения влаги.

Высушивание инфракрасными лучами. Инфракрасные лучи (λ = 0,76 –343 нм) отличаются хорошо выраженными тепловыми свойствами («тепловые лучи»). Вода сильно поглощает тепловые лучи и легко испаряется. Благодаря способности инфракрасных лучей проникать на некоторую глубину в вещество высушивание его идет быстро. Метод особенно ценен для контроля производственных процессов.

В качестве источника для получения инфракрасных лучей пользуются нагретым телом, лампами накаливания, специальными инфракрасными лампами. Во время сушки контролируют температуру. Методика определения сходна с предыдущими методами.

Многие современные лаборатории используют для определения влажности продуктов специальные анализаторы влажности, в которых высушивание осуществляется инфракрасными лучами. Такие анализаторы представляют собой электронные весы, над чашкой которых установлена инфракрасная лампа. Образец помещается на чашку весов и задается температура процесса. Анализатор определяет массу образца и сам высушивает образец до постоянной массы. На табло прибора отражается содержание влаги в граммах и процентах. Метод высоко экспрессный. При массе образца 30–40 г продолжительность процесса определения влажности составляет 10–15 мин, что чрезвычайно важно в технологическом контроле на производстве.

Дистилляционный метод. Принцип метода основан на отгонке гигроскопической воды из взятой навески продукта и измерении ее количества.

Навеску заливают в колбе какой-нибудь органической жидкостью, не смешивающейся с водой и не реагирующей химически с исследуемым веществом. Чаще всего используют бензин, из которого отогнаны легкие фракции, кипящие до 95ºС. Реже применяют бензол (Т_кип = 80,2ºС), толуол (Т_кип = 110,8ºС) и др. При смешении воды с указанными органическими веществами получаются азеотропные смеси. Воду отгоняют вместе с частью органического растворителя и в приемном сосуде по разделению несмешивающихся жидкостей на два слоя определяют количество отогнанной воды.

Метод применяют для определения влаги в пряностях и приправах.

Рефрактометрический метод. Принцип метода основан на изменении показателя преломления растворов в зависимости от количества растворенных в них сухих веществ. Этим методом определяют количество воды в сиропах, соках, настоях и др.).

Дифференциальная сканирующая калориметрия. Если образец охладить до температуры меньше 0ºС, то свободная влага замерзнет, связанная – нет. При нагревании замороженного образца в калориметре можно измерить тепло, потребляемое при таянии льда. Незамерзающая вода определяется как разница между общей и замерзающей водой.

Термогравиметрический метод. Метод основан на определении скорости высушивания. В контролируемых условиях граница между областью постоянной скорости высушивания и областью, где эта скорость снижается, характеризует связанную влагу.

Диэлектрические измерения. Метод основан на том, что при 0ºС значения диэлектрической проницаемости воды и льда примерно равны. Но если часть влаги связана, то ее диэлектрические свойства должны сильно отличаться от диэлектрических свойств объемной воды и льда.

Измерения теплоемкости. Теплоемкость воды больше, чем теплоемкость льда, т.к. с повышением температуры в воде происходит разрыв водородных связей. Это свойство используют для изучения подвижности молекул воды. Значение теплоемкости воды в зависимости от ее содержания в полимерах дает сведения о количестве связанной воды. Если при низких концентрациях вода специфически связана, то ее вклад в теплоемкость мал. В области высоких значений влажности ее в основном определяет свободная влага, вклад которой в теплоемкость примерно в 2 раза больше, чем льда.

ЯМР. Метод заключается в изучении подвижности воды в неподвижной матрице. При наличии свободной и связанной влаги получают две линии в спектре ЯМР вместо одной для объемной воды.

Контрольные вопросы:

8. Какие функции выполняет вода в пищевых продуктах?

9. Что такое свободная и связанная влага?

10. Как влажность продукта влияет на устойчивость его при хранении?

11. Как на устойчивость продукта при хранении влияет соотношение свободной и связанной влаги?

12. Какие существуют методы определения общей влажности продукта, свободной и связанной влаги в пищевых продуктах?

§ 2.3. Белки

Дата добавления: 2015-05-29