EVALUATION OF QUALITY AND AUTHENTICITY OF FRUIT RAW MATERIAL USING FTIR SPECTROSCOPY OF FRUSTRATED TOTAL INTERNAL REFLECTION
Authors:
1.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology (University)
Type:
Article
Pages:
from 126
to 132
Status:
Published
Received:
23.07.2017
Accepted:
23.07.2017
Published:
23.07.2017
Subject area:
UDK [635+634.7]:543.42
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Fruit raw material, spectroscopy, FTIR, identification of species, plant raw material, falsification of food products
Abstract (English):
The use of FTIR spectroscopy to determine the authenticity of the raw material has been actively applied in recent years. This method has several advantages: one can examine any of the samples, in any form or state of aggregation - solids and liquids, powders, pastes, granules, suspensions, fibers, etc. The study of the obtained IR spectra of fruit raw material has shown that each type of raw material has differences in patters, in the degree of intensity of absorption bands and the area under the spectral absorption curve that appears to be determined by chemical composition characteristics of raw materials. It has been found that using the method of FTIR spectroscopy of frustrated total internal reflection one can obtain IR spectra of individual fruit raw material. It is experimentally proved that FTIR attenuated total reflectance spectroscopy method allows identification of fruit raw materials. The obtained individual IR spectra and spectral characteristics (absorption band intensity and the area under the spectral absorption curve) are strictly specific to each type of raw material and due, apparently, the morphological features of structure and chemical composition. They allow us to identify species when introducing the standard sample spectrum into the instrument library. The investigation of the possibility of applying the method of FTIR spectroscopy to identify the fruit raw material in complex food systems has shown that this method allows us to determine the presence of the fruit raw material in the product, but it is impossible to identify the species it belongs to.
The use of FTIR spectroscopy to determine the authenticity of the raw material has been actively applied in recent years. This method has several advantages: one can examine any of the samples, in any form or state of aggregation - solids and liquids, powders, pastes, granules, suspensions, fibers, etc. The study of the obtained IR spectra of fruit raw material has shown that each type of raw material has differences in patters, in the degree of intensity of absorption bands and the area under the spectral absorption curve that appears to be determined by chemical composition characteristics of raw materials. It has been found that using the method of FTIR spectroscopy of frustrated total internal reflection one can obtain IR spectra of individual fruit raw material. It is experimentally proved that FTIR attenuated total reflectance spectroscopy method allows identification of fruit raw materials. The obtained individual IR spectra and spectral characteristics (absorption band intensity and the area under the spectral absorption curve) are strictly specific to each type of raw material and due, apparently, the morphological features of structure and chemical composition. They allow us to identify species when introducing the standard sample spectrum into the instrument library. The investigation of the possibility of applying the method of FTIR spectroscopy to identify the fruit raw material in complex food systems has shown that this method allows us to determine the presence of the fruit raw material in the product, but it is impossible to identify the species it belongs to.
Keywords:
Fruit raw material, spectroscopy, FTIR, identification of species, plant raw material, falsification of food products
Fruit raw material, spectroscopy, FTIR, identification of species, plant raw material, falsification of food products
В последние годы в исследовании качества пи- щевого и лекарственного сырья применяют новые методы спектроскопии [1]. Все большее рас- пространение в исследовании качества и подлинности сырья находит метод ИК-Фурье спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО). При использовании данного метода ИК- излучение проникает в образец на глубину около од- ного микрометра, а детектор регистрирует спектр поглощения. Метод имеет ряд преимуществ по срав- нению с техникой измерения на пропускание. Иссле- довать можно любые образцы, в любой форме и агре- гатном состоянии - твердые и жидкие, порошки и пасты, гранулы, суспензии, волокна и т.д. Весь анализ занимает буквально минуту, включая размещение образца, сбор и обработку данных [2-4]. Идентифицируют значения характеристиче- ских частот ИК-спектра, соответствующих хими- ческому составу образца, и определяют подлин- ность пищевого или лекарственного растительно- го сырья по табличным спектральным данным для эталонных образцов сырья. На практике при интерпретации спектров определяют положение полос поглощения и их интенсивность (сильная, средняя, слабая). Сопоставление ИК-спектров начинают с анализа характеристических полос, которые обычно хорошо проявляются на спек- трах, и лишь при их совпадении сопоставляют низкочастотную область [5]. Совпадение спек- тральной кривой исследуемого вещества с ри- сунком стандартного спектра свидетельствует об идентичности двух веществ (видов сырья). От- сутствие в спектре исследуемого вещества полос, наблюдаемых в спектре стандартного образца, однозначно указывает на то, что эти вещества различны. Присутствие в спектре исследуемого вещества большего числа полос, по сравнению со спектром стандарта, может быть объяснено как загрязнением исследуемого вещества, так и раз- личием обоих веществ [6]. Таким образом, ИК- спектр испытуемого образца должен иметь пол- ное совпадение полос поглощения с полосами поглощения стандартного спектра по положению и относительной интенсивности [7]. Метод ИК-спектроскопии широко используется для оценки подлинности и качества лекарственного сырья, в частности в оценке загрязнения сырья тех- ногенного характера [3, 4, 8] в исследованиях по идентификации компонентов растительного сырья и продуктов питания растительного происхождения [9, 10, 11]. Объекты и методы исследования Теоретические и экспериментальные исследо- вания выполнены на кафедре «Бионанотехноло- гия» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образова- ния «Кемеровский технологический институт пи- щевой промышленности (университет)». Отдельные этапы работы выполнены в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», ГК №14.740.11.1219 по теме: «Молекулярно-генетический анализ ДНК растительного происхождения с целью разработки ПЦР-тест-систем для идентификации фальсифи- кации продуктов на их основе», соглашение № 4.В37.2.968. Целью исследований являлась оценка качества, подлинности и видовой принадлежности плодово- ягодного сырья методом ИК-Фурье спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения. Согласно выдвинутой научной гипотезе изучение полученных ИК-спектров плодово-ягодного сырья покажет отличия в рисунке, степени интенсивности полос поглощения и величине площади под спектральной кривой поглощения для каждого вида сырья. В работе исследовано плодовое сырье: Ríbes úva- críspa (крыжовник обыкновенный, сорт Кооператор), Rosa majalis Herrm (шиповник майский), Prunus fruticose (вишня степная, сорт Алтайская ласточка), Actinidia deliciosa (киви деликатесный). Ягоды кры- жовника, вишни и шиповника были собраны в августе 2015 года на территории Кемеровской области. В ра- боте использованы плоды киви урожая 2015 года, страна производитель - Китай. В качестве дополнительного метода в оценке качества и подлинности плодово-ягодного сырья применяли метод ИК-Фурье спектроскопии нару- шенного полного внутреннего отражения (НПВО). В работе использован ИК-спектрофотометр IRPrestige-21 (Shimadzu) с приставкой с НПВО Silver GateTM и программным пакетом IRsolution, включающим модули сбора и обработки данных, их количественного анализа, формирования собственных библиотек спектров, идентификации соединений по собственным и стандартным биб- лиотекам спектров, преобразования форматов спек- тральных файлов, обработки микроскопических изображений, а также библиографию по ИК-спект- роскопии. Спектры образцов плодово-ягодного сырья снимались в диапазоне 600-4000 см-1, ширина щели 4 см-1, усиление 1, количество сканов 40. В работе предпринята попытка идентификации вида плодово-ягодного сырья в многокомпонент- ной пищевой системе. Для этих целей полученные спектры плодово-ягодного сырья были введены в базу данных ИК-спектрометра. Для изучения возможности идентификации ви- да плодово-ягодного сырья в сложной многоком- понентной системе готовили модельную пищевую систему на основе биопродукта творожного йо- гуртного - «Активия» следующего состава: творог обезжиренный, обезжиренное молоко, сливки, концентрат молочных белков, желатин, йогуртная закваска, бифидобактерии ActiRegularis (не менее 1х107 КОЕ/г), массовая доля жира 4,5 %, изгото- витель: ООО Данон Индустрия. Плодово-ягодное сырье измельчали на блендере и вносили в тво- рожный йогуртный продукт в количестве 5 % от массы (в случае использования одного вида пло- дово-ягодного сырья и их смеси). Результаты и обсуждение В ходе проведения серии последовательных экспериментов получены ИК-спектры плодово- ягодного сырья, возникшие в результате колеба- тельного движения молекул, а именно - в результа- те переходов между колебательными уровнями основного электронного состояния молекул. Анализ спектров показывает, что их рисунок строго специфичен для каждого вида сырья (рис. 1, табл. 1). Тем не менее, у всех видов сырья в ИК- спектрах имеются сходные области полос погло- щения по положению, но различающиеся своей интенсивностью. В области частот 3800-2600 см-1 ИК-спектров обычно проявляются частоты валентных колебаний ОН-групп, включенных во внутримолекулярные водородные связи, а также групп СН2 и СН3. В об- ласти частот 1800-1200 см-1 в основном проявляются характеристические частоты валентных коле- баний групп -С=О и -С=С-, деформационных ко- лебаний метильных и метиленовых групп, а также ОН-групп. Максимальные пики поглощения выявлены в диа- пазоне частот 1100-1000 см-1 у всех видов плодово- ягодного сырья. Данные пики могут быть обусловле- ны колебаниями, связанными с группой С-О-Н неко- торых фенольных соединений (например, первичных и вторичных спиртов), которые в большом количе- стве присутствуют в ягодах и плодах растений. Фе- нольные соединения являются одним из многочис- ленных классов вторичных соединений растений, обусловливающих их биологическую ценность. С наличием фенольных соединений связаны также полосы поглощения, обусловленные валент- ными колебаниями свободных групп ОН (частоты 3670-3580 см-1), внутри- и межмолекулярных Н- связей в димерах и полимерах (частоты 3400- 3200 см-1), колебаниями, связанными с группой С-О-Н: R-O-H (частоты 1450-1250 см-1, 750- 650 см-1), первичных спиртов (частоты 1075-1000; 1350-1260 см-1), вторичных спиртов (частоты 1125- 1030; 1350-1260 см-1), третичных спиртов (частоты 1170-1100; 1410-1310 см-1), фенолов (частоты 1270-1140; 1410-1310 см-1), колебаниями групп карбоновых кислот: валентными колебаниями групп СООН (частоты 1760; 1725-1700 см-1), сво- бодными ОН-группами (частоты 3350-3500 см-1), связанными ОН-группами (частоты 3300- 2500 см-1), любыми группами ОН (частоты 995- 890 см-1), колебаниями С-О связей (частоты 1320- 1210 см-1); колебаниями С-О-С в эфирах аромати- ческих кислот (частоты 1300-1250 см-1). О присутствии углеводов свидетельствуют по- лосы поглощения, обусловленные валентными ко- лебаниями СН2-групп при частоте ~ 2930 см-1. Следует отметить, что при характеристике интен- сивности полос ИК-спектров анализируют интен- сивность в максимуме поглощения и интегральную интенсивность (площадь под спектральной кривой поглощения). Анализ спектров показывает, что практически у всех исследуемых видов плодово- ягодного сырья с различной степенью интенсивности присутствуют полосы поглощения в указан- ных диапазонах частот. Изучение полученных ИК-спектров плодово- ягодного сырья показало, что у каждого вида сырья имеются отличия в рисунке, в степени интенсив- ности полос поглощения и величине площади под спектральной кривой поглощения, что, по- видимому, определяется особенностями хими- ческого состава сырья. Наибольшая величина ин- тенсивности в максимуме поглощения характерна для плодов шиповника в диапазонах частот: 3526,03; 2500…2774; 1709,97 и 3174,0 см-1 и соответственно равна 28,29; 77,41…75,06; 59,02 и 57,31 усл. ед; однако интегральная интенсивность равна соответственно 8,94; 8,04…7,32; 15,78 и 21,17 усл. ед. Для плодов вишни и киви характерны средняя интенсивность полос в максимуме погло- щения (21,33…38,42 усл. ед.), в диапазонах частот: 2218,23; 3212,58; 3311,92; 3507,70 см-1 (для вишни) и 3113,24; 3470,09; 3625,37; 3879,98; 3933,99 см-1 (для киви); при этом отмечаются и средние величи- ны интегральной интенсивности (в диапазоне зна- чений 10,04…48,84 усл. ед., за исключением часто- ты 3507,7 см-1 у вишни). Проведенные исследования показали, что с по- мощью метода ИК-Фурье спектроскопии нарушен- ного полного внутреннего отражения можно полу- чить индивидуальные ИК-спектры плодово- ягодного сырья. Экспериментально установлено, что рисунок ИК-спектра, такие спектральные ха- рактеристики, как интенсивность полосы поглоще- ния и площадь под спектральной кривой поглоще- ния, являются строго специфичными для каждого вида сырья и позволяют идентифицировать видо- вую принадлежность при введении в библиотеку прибора стандартного спектра образца. Остается открытым вопрос о возможностях данного метода в идентификации растительного сырья в многокомпонентных пищевых системах. Для исследований возможности использования метода ИК спектроскопии в идентификации расти- тельного сырья в многокомпонентных пищевых системах использован биопродукт творожный йо- гуртный - «Активия». Результаты исследований показывают, что из большого набора органических веществ в библио- теке ИК-спектрометра, данный метод позволяет идентифицировать, с большей вероятностью, нали- чие в пищевой системе плодово-ягодного сырья, однако видовую принадлежность плодово-ягодного сырья данный метод определить не позволяет (рис. 2, 3). Как показывают данные рис. 2 программный пакет IRsolution ИК-спектрометра из собственных библиотек спектров (справочные данные) выбрал приоритетными в составе йогурта ИК-спектры пло- дово-ягодного сырья с вероятностью 724-765 % из 1000 (позиции 1-8), однако идентифицировал в качестве основного вида - плоды шиповника вместо киви (выделенная позиция № 1 в списке ИК-спектров библиотеки). При анализе йогурта с фруктовой смесью программный пакет спектроа б 2.4 KM 2.2 2 1716.72 1530.58 1435.10 1349.26 1257.64 1.8 3833.69 3739.17 3628.26 3579.07 3038.02 2927.10 2856.70 2773.76 2674.42 2593.40 2536.50 2428.48 2279.96 2212.45 2086.10 1995.45 1.6 838.11 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 60 FTIR Measurement в 1/cm 3.75 KM 3.5 3.25 3 2.75 2.5 2.25 2 1.75 2920.35 2913.60 1393.63 1369.52 1345.41 1324.19 1246.07 1239.32 1.5 2744.82 1721.54 1540.23 887.29 855.47 838.11 798.56 1.25 3933.99 3879.98 3625.37 3470.09 3113.24 2572.19 2437.16 1653.07 637.50 1 0.75 0.5 0.25 -0 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 60 FTIR Measurement г 1/cm Рис. 1. ИК-спектры плодово-ягодного сырья: а) шиповник; б) вишня; в) крыжовник; г) киви: оси: горизонтальная - волновое число (1/см), вертикальная - поглощение (отн. ед.) метра приоритетно идентифицировал в составе йо- гурта плодово-ягодное сырье с вероятностью 785-702 % из 1000 (позиции 1-8), однако с наибольшей вероятностью был идентифицирован крыжовник (выделенная позиция № 1 в списке ИК- спектров библиотеки) (рис. 3.). Рис. 2. ИК-спектры йогурта с 5 % фруктовой смесью: оси: горизонтальная - волновое число (1/см), вертикальная - поглощение (отн. ед.) Рис. 3. ИК-спектры йогурта с 5 % фруктовой смесью: оси: горизонтальная - волновое число (1/см), вертикальная - поглощение (отн. ед.) В литературных источниках практически нет сведений о возможности использования ИКспектроскопии в оценке подлинности растительно- го сырья в составе многокомпонентных пищевых систем. Имеется работа И.А. Авиловой и Д.В. Хлы- стова (2014) по возможности использования метода ИК-спектроскопии для определения качества рас- тительных масел, подтверждения подлинности состава, а также для идентификации производителя растительных масел и контроля технологического процесса [5]. Таким образом, метод ИК-Фурье спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения поз- воляет идентифицировать плодово-ягодное сырье; полученные индивидуальные ИК-спектры и спект- ральные характеристики (интенсивность полосы поглощения и площадь под спектральной кривой поглощения) являются строго специфичными для каждого вида сырья и обусловлены, по-видимому, морфологическими особенностями строения и хи- мического состава. Изучение возможности применения метода ИК- Фурье спектроскопии для идентификации плодово- ягодного сырья в сложных пищевых системах по- казало, что данный метод позволяет определить наличие в продукте плодово-ягодного сырья, но идентифицировать его видовую принадлежность не позволяет. Дальнейшие исследования будут направлены на изучение влияния сахаров, кислот и др. веществ, добавленных извне и присущих составу плодов и ягод на спектральные характеристики, а также использование плодово-ягодных соков вместо плодов.
1. Primenenie tandemnoy mass-spektrometrii s ionizaciey elektroraspyleniem dlya identifikacii ikariina v rastitel'nom syr'e / O.A. Shevlyakova, A.A. Ihalaynen, A.M. Antohin, V.F. Taranchenko [i dr.] // Mass-spektrometriya. - 2014. - T. 11. - № 4. - S. 247-254.
2. Arzamascev, A.P. Sovremennoe sostoyanie problemy primeneniya IK-spektroskopii v farmacevticheskom analize lekarstvennyh sredstv / A.P. Arzamascev, N.P. Sadchikova, A.V. Titova // Himiko-farmacevticheskiy zhurnal. - 2008. - № 8. - S. 26-30.
3. Ispol'zovanie metoda Fur'e-IK spektroskopii dlya izucheniya izmeneniy himicheskogo sostava Potentilia Erectata Raeusch. pod deystviem antropogennyh faktorov / N.V. Il'yashenko, V.D. Il'yashenko, S.M. Dement'eva, S.D. Hizhnyak, P.M. Pahomov // Vestnik TvGU. Seriya «Biologiya i ekologiya». - 2009. - № 13. - S. 211-220.
4. Vliyanie faktorov okruzhayuschey sredy na izmeneniya himicheskogo sostava v listovyh plastinkah bioindikacionnyh rasteniy-gidrofitov na primere rogolista temno-zelenogo (Ceratophylium Demersum L.) / N.V. Il'yashenko, Yu.G. Oleneva, A.I. Ivanova, S.D. Hizhnyak, P.M. Pahomov // Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. - 2012. - № 2. - S. 1-10.
5. Avilova, I.A. Vozmozhnost' ispol'zovaniya metoda IK-spektroskopii pri analize syr'ya i produktov pitaniya rastitel'nogo proishozhdeniya / I.A. Avilova, D.V. Hlystov // Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya Fizika i himiya. - 2014. - № 1. - S.34-37.
6. Gordeeva, L.N. Identifikaciya vinodel'cheskoy produkcii metodami hromatografii i spektrometrii / L.N. Gordeeva // Pischevaya i pererabatyvayuschaya promyshlennost'. Referativnyy zhurnal. - 2004. - № 1. - S. 35.
7. Monitoring toasting intensity of barrels by chromatographic analysis of volatile compounds from toasted oak wood / P. Chatonnet, I. Cutzach, M. Pons, D. Dubourdieu // J. Agric. Food Chem. - 1999. - N 47. - P. 4310-4318.
8. Infrakrasnye spektry lepestkov cvetkov oduvanchika lekarstvennogo (Taraxacum officinale Wigg.) v zavisimosti ot mesta proizrastaniya / T. Shukurov, A.A. Dzhuraev, Z.M. Haitova, An. Dzhubaev // Doklady akademii nauk respubliki Tadzhikistan. - 2008. - № 5.- S. 351-355.
9. Prosekov, A.Yu. Sovremennye metody issledovaniya syr'ya i biotehnologicheskoy produkcii / A.Yu. Prosekov, O.O. Babich, S.A. Suhih. - Kemerovo, 2013. - 183 s.
10. Prosekov, A.Yu. Vliyanie tehnologicheskoy obrabotki prodovol'stvennogo syr'ya na effektivnost' vidovoy identifikacii / A.Yu. Prosekov, Yu.V. Golubcova, K.A. Shevyakova // Pischevaya promyshlennost'. - 2014. - № 6. - S. 8-10.
11. S'edin, A.V. Ispol'zovanie metoda IK-spektroskopii dlya ekspress-identifikacii tioglikozidov v rastitel'nom syr'e / A.V. S'edin, T.V. Orlovskaya, M.V. Gavrilin // Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. - 2014. - № 1. - S. 32-38.
12. Prosekov A.Yu. Providing food security in the existing tendencies of population growth and political and economic instability in the world / A.Yu. Prosekov, S.A. Ivanova // Foods and Raw Materials. - 2016.- Vol. 4, - № 2. - pp. 201-211. DOI:https://doi.org/10.21179/2308-4057-2016-2-201-211.
13. Prosekov A.Yu. Theory and practice of prion protein analysis in food products / A.Yu. Prosekov // Foods and Raw Mate- rials. - 2014.- Vol. 2, -№ 2. - pp. 106-120. DOI:https://doi.org/10.12737/5467.
