ОЦЕНКА КАЧЕСТВА И ПОДЛИННОСТИ ПЛОДОВО-ЯГОДНОГО СЫРЬЯ МЕТОДОМ ИК-ФУРЬЕ СПЕКТРОСКОПИИ НАРУШЕННОГО ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ
Авторы:
1.
ФГБОУ ВО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет)»
Тип:
Статья
Страницы:
с 126
по 132
Статус:
Опубликован
Получено:
23.07.2017
Одобрено:
23.07.2017
Опубликовано:
23.07.2017
Классификаторы:
УДК [635+634.7]:543.42
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
УДК 60 Прикладные науки. Общие вопросы
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
УДК 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
Плодово-ягодное сырье, спектроскопия, ИК-Фурье, видовая идентификация, растительное сырье, фальсификация продуктов
Аннотация (русский):
Использование метода ИК-Фурье спектроскопии для определения подлинности сырья активно применяется в последние годы. Данный метод имеет ряд преимуществ: исследовать можно любые образцы, в любой форме и агрегатном 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. Автором проведена оценка качества и подлинности плодово-ягодного сырья методом ИК-Фурье спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения. Изучение полученных ИК-спектров плодово-ягодного сырья показало, что у каждого вида сырья имеются отличия в рисунке, в степени интенсивности полос поглощения и величине площади под спектральной кривой поглощения, что, по-видимому, определяется особенностями химического состава сырья. Установлено, что с помощью метода ИК-Фурье спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения можно получить индивидуальные ИК-спектры плодово-ягодного сырья. Экспериментально доказано, что метод ИК-Фурье спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения позволяет идентифицировать плодово-ягодное сырье; полученные индивидуальные ИК-спектры и спектральные 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 химического состава. Они позволяют идентифицировать видовую принадлежность при введении в библиотеку прибора стандартного спектра образца. Изучение возможности применения метода ИК-Фурье спектроскопии для идентификации плодово-ягодного сырья в сложных пищевых системах показало, что данный метод позволяет определить наличие в продукте плодово-ягодного сырья, но идентифицировать его видовую принадлежность не позволяет.
Использование метода ИК-Фурье спектроскопии для определения подлинности сырья активно применяется в последние годы. Данный метод имеет ряд преимуществ: исследовать можно любые образцы, в любой форме и агрегатном 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. Автором проведена оценка качества и подлинности плодово-ягодного сырья методом ИК-Фурье спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения. Изучение полученных ИК-спектров плодово-ягодного сырья показало, что у каждого вида сырья имеются отличия в рисунке, в степени интенсивности полос поглощения и величине площади под спектральной кривой поглощения, что, по-видимому, определяется особенностями химического состава сырья. Установлено, что с помощью метода ИК-Фурье спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения можно получить индивидуальные ИК-спектры плодово-ягодного сырья. Экспериментально доказано, что метод ИК-Фурье спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения позволяет идентифицировать плодово-ягодное сырье; полученные индивидуальные ИК-спектры и спектральные 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 химического состава. Они позволяют идентифицировать видовую принадлежность при введении в библиотеку прибора стандартного спектра образца. Изучение возможности применения метода ИК-Фурье спектроскопии для идентификации плодово-ягодного сырья в сложных пищевых системах показало, что данный метод позволяет определить наличие в продукте плодово-ягодного сырья, но идентифицировать его видовую принадлежность не позволяет.
Ключевые слова:
Плодово-ягодное сырье, спектроскопия, ИК-Фурье, видовая идентификация, растительное сырье, фальсификация продуктов
Плодово-ягодное сырье, спектроскопия, ИК-Фурье, видовая идентификация, растительное сырье, фальсификация продуктов
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. Применение тандемной масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением для идентификации икариина в растительном сырье / О.А. Шевлякова, А.А. Ихалайнен, А.М. Антохин, В.Ф. Таранченко [и др.] // Масс-спектрометрия. - 2014. - Т. 11. - № 4. - С. 247-254.
2. Арзамасцев, А.П. Современное состояние проблемы применения ИК-спектроскопии в фармацевтическом анализе лекарственных средств / А.П. Арзамасцев, Н.П. Садчикова, А.В. Титова // Химико-фармацевтический журнал. - 2008. - № 8. - С. 26-30.
3. Использование метода Фурье-ИК спектроскопии для изучения изменений химического состава Potentilia Erectata Raeusch. под действием антропогенных факторов / Н.В. Ильяшенко, В.Д. Ильяшенко, С.М. Дементьева, С.Д. Хижняк, П.М. Пахомов // Вестник ТвГУ. Серия «Биология и экология». - 2009. - № 13. - С. 211-220.
4. Влияние факторов окружающей среды на изменения химического состава в листовых пластинках биоиндикационных растений-гидрофитов на примере роголиста темно-зеленого (Ceratophylium Demersum L.) / Н.В. Ильяшенко, Ю.Г. Оленева, А.И. Иванова, С.Д. Хижняк, П.М. Пахомов // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 2. - С. 1-10.
5. Авилова, И.А. Возможность использования метода ИК-спектроскопии при анализе сырья и продуктов питания растительного происхождения / И.А. Авилова, Д.В. Хлыстов // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия Физика и химия. - 2014. - № 1. - С.34-37.
6. Гордеева, Л.Н. Идентификация винодельческой продукции методами хроматографии и спектрометрии / Л.Н. Гордеева // Пищевая и перерабатывающая промышленность. Реферативный журнал. - 2004. - № 1. - С. 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. Инфракрасные спектры лепестков цветков одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale Wigg.) в зависимости от места произрастания / Т. Шукуров, А.А. Джураев, З.М. Хаитова, Ан. Джубаев // Доклады академии наук республики Таджикистан. - 2008. - № 5.- С. 351-355.
9. Просеков, А.Ю. Современные методы исследования сырья и биотехнологической продукции / А.Ю. Просеков, О.О. Бабич, С.А. Сухих. - Кемерово, 2013. - 183 с.
10. Просеков, А.Ю. Влияние технологической обработки продовольственного сырья на эффективность видовой идентификации / А.Ю. Просеков, Ю.В. Голубцова, К.А. Шевякова // Пищевая промышленность. - 2014. - № 6. - С. 8-10.
11. Съедин, А.В. Использование метода ИК-спектроскопии для экспресс-идентификации тиогликозидов в растительном сырье / А.В. Съедин, Т.В. Орловская, М.В. Гаврилин // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 1. - С. 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.
