Боева Светлана Евгеньевна
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук
Краснодар 2007
Работа выполнена на кафедре аналитической химии ГОУ ВПО
Актуальность проблемы. Ароматобразующие вещества формируют характерный запах – один из верных признаков свежести и качества пищевых продуктов. Решение важной государственной проблемы – создание новых функциональных пищевых продуктов, обеспечивающих здоровое питание в экологическом и медико-биологическом аспектах. Задачу частично можно решить за счет утилизации творожной сыворотки, которая относится к побочным продуктам производства творога, образуется в результате коагуляции молока микрофлорой. Вместе с тем широкое применение сыворотки затруднено ее специфическим запахом. Сведения об ароматобразующих веществах, обусловливающих специфический сывороточный запах отсутствуют. В этой связи актуальная задача состоит в идентификации и определении ароматобразующих компонентов сыворотки, а также веществ, образующих с ними композиции с улучшенными органолептическими свойствами, либо маскирующих неприятный сывороточный запах. Решение задачи позволит получить новые молокосодержащие продукты и исключить загрязнение окружающей среды. Для примера: слив молочной сыворотки сыродельного завода средней мощности (25 т/сутки) адекватен по ущербу канализационным стокам города с населением 40 тыс. человек.
Информацию о качественном и количественном составе запаха (парогазовая смесь сложного состава) пищевых продуктов с целью контроля их аутентичности, качества и безопасности получают с применением химических, хроматографических, хромато-масс-спектрометрических методов. Несмотря на известные достижения физико-химических методов анализа, альтернативой остаются органолептические определения, основанные на субъективных восприятиях человека. Разработка экспрессных и легковыполнимых способов и средств оценки качества и подлинности пищевых продуктов – актуальная аналитическая задача. В связи с этим в последние десятилетия в анализе пищевых продуктов возрастающее применение находят сенсорные системы. Такие определения характеризуются низкими пределами обнаружения, воспроизводимостью и надежностью результатов, экспрессностью получения аналитического сигнала.
Отметим также проблему замены сахарозы безвредными и безопасными для человека подсластителями натурального происхождения, к которым относится стевия, содержащая дитерпеновые гликозиды, а также флавоноиды, водорастворимые ксантофиллы и хлорофиллы, свободные сахара, аминокислоты, оксикоричные кислоты, витамины, микроэлементы, эфирные масла.
Применение ультрафильтрата творожной сыворотки в качестве экстрагента дитерпеновых гликозидов и других пищевых компонентов стевии позволяет получить экстракт, содержащий ценные вещества стевии и сыворотки. Дитерпеновые гликозиды способны модифицировать и усиливать запах пищевых продуктов.
Цель работы состоит в разработке аналитической схемы экспресс-оценки качества некоторых молокосодержащих продуктов с применением мультисенсорной системы на основе модифицированных пьезокварцевых резонаторов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
– оптимизация условий сенсорометрического анализа (метод пьезо-кварцевого микровзвешивания) паров равновесных газовых фаз легколетучих ароматобразующих веществ сыворотки;
– разработка мультисенсорной системы и программного обеспечения для тестирования многокомпонентной смеси ароматобразующих веществ и обработки интегрального аналитического сигнала датчиков;
– идентификация и определение индивидуальных ароматобразующих веществ сыворотки;
– изучение влияния различных факторов на экстрагирование дитерпеновых гликозидов и других пищевых компонентов из листьев стевии;
– определение дитерпеновых гликозидов, аминокислот, флавоноидов, свободных сахаров, витаминов – В1, В2, Е, макроэлементов – Са, Р в экстракте;
– разработка методик экспресс-оценки органолептических характеристик, динамики изменения качества, установления сроков хранения и прогнозирования показателей качества сыворотки, ультрафильтрата и экстракта;
– разработка аналитической схемы экспресс-оценки качества некоторых молокосодержащих продуктов.
Научная новизна: Разработана аналитическая схема экспресс-оценки качества некоторых молокосодержащих продуктов с применением мультисенсорной системы. Предложен алгоритм и разработано программное обеспечение «Анализ потока данных» для автоматической обработки интегрального выходного сигнала датчиков.
Практическая значимость: Разработанные методики экспресс-оценки качества с применением мультисенсорной системы на основе модифицированных пьезокварцевых резонаторов апробированы при контроле технологического процесса производства молокосодержащих продуктов, разработке новых рецептур.
Установлен качественный состав и содержание основных ароматобразующих веществ творожной сыворотки.
Основные положения, представляемые к защите:
– результаты исследований по анализу и оценке качества некоторых молокосодержащих продуктов с применением хроматографических (ГХ, ВЭЖХ) и сенсорометрического методов;
– аналитическая схема экспресс-оценки качества некоторых молокосодержащих продуктов (творожная сыворотка, ультрафильтрат, экстракт стевии) с применением системы модифицированных пьезосенсоров, специально разработанного программного обеспечения и искусственных нейронных сетей;
– математическая модель процесса экстрагирования пищевых компонентов из листьев стевии.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка цитируемой литературы (180 источников, из них 70 на иностранных языках) и приложения (материалы Роспатента, листинг программы «Анализ потока данных», акт апрбации). Работа изложена на 163 страницах машинописного текста, содержит 4 схемы, 40 рисунков, 32 таблицы.
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в изобретении, 10 статьях, тезисах 21 доклада, сделанных на Российских, Международных и Региональных конференциях.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на III Региональной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Пермь, 2004), 42 – 44 съездах Польского химического общества (Вроцлав, 2004; Познань, 2005; Гданьск, 2006), Всероссийской конференции «Высокоэффективные технологии, методы и средства для их реализации» (Москва, 2004), Международной конференции «Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности» (Москва, 2005), II Международном симпозиуме «Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии» (Краснодар, 2005), III Международной конференции «Экстракция органических соединений» (Воронеж, 2005), Всероссийской конференции «Пищевая промышленность: интеграция науки, образования и производства» (Краснодар, 2005), XV – XVII Российских конференциях «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург, 2005 – 2007), 71 – 73 конференциях молодых ученых «Научные достижения молодежи – решению проблем питания человечества в XXI веке» (Киев, Украина, 2005 – 2007), International Congress on Analitical Sciences ICAS-2006 (Moscow, 2006), Международной конференции «Пищевые технологии» (Казань, 2006, 2007), 43 – 45 отчетных научных конференциях ВГТА (Воронеж, 2005 – 2007).
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость работы.
Глава 1 содержит обзор современных методов определения ароматобразующих веществ, применения сенсоров и мультисенсорных систем в анализе пищевых продуктов, а также методов извлечения и определения дитерпеновых гликозидов стевии.
В главе 2 приведена методика эксперимента. Объекты исследования – ароматобразующие вещества творожной сыворотки; дитерпеновые гликозиды и другие компоненты (флавоноиды, свободные сахара, аминокислоты, витамины – В1, В2, Е, макро-элементы – Са, Р) стевии.
Ароматобразующие вещества идентифицировали газохроматографически. Пробоподготовка при определении качественного и количественного состава смеси жирных кислот заключалась в получении летучих производных (метиловые эфиры). Условия хроматографирования: газовый хроматограф «Цвет-500»; детектор пламенно–ионизационный; капиллярная колонка SCOT длиной 60 м; неподвижная фаза SE - 30; температуры детектора 250 0С, инжектора 200 0С, колонки от 60 до 150 0С (программирование); скорость газа-носителя (гелий) 30 см3/мин, водорода 30 см3/мин, воздуха 300 см3/мин; объем вводимой пробы 1 мкл. Хроматограммы обрабатывали с применением программного обеспечения «Цвет-Аналитик».
Для оптимизации условий микровзвешивания паров равновесных газовых фаз легколетучих ароматобразующих веществ сыворотки сенсорометрический анализ проводили в статическом режиме с инжекторным вводом пробы на мультисенсорной экспериментальной установке. В качестве модификаторов электродов пьезокварцевых резонаторов АТ-среза с собственной частотой колебаний 8 – 10 МГц применяли стандартные неподвижные газохроматографические фазы различной полярности [полиэтилен-гликоль-2000 (ПЭГ-2000) и его эфиры – адипинат (ПЭГА), сукцинат (ПЭГС), себацинат (ПЭГСб), фталат (ПЭГФ); тетрабензоатпентаэритрита (ТБПЭ); tween-40; Тритон Х-100 (ТХ-100); поливинилпирролидон (ПВП); бис(2-цианэтиловый) эфир; полистирол (ПС); сквалан; апиезон-L], а также специфические сорбенты [дициклогексан-18-краун-6; β-аланин]. Установка регистрирует и записывает в виде файлов частоты всех модифицированных пьезокварцевых резонаторов одновременно.
Для автоматизации обработки интегрального выходного сигнала датчиков мультисенсорной системы, визуализации полученных результатов, как в определенный момент времени, так и в динамике изменения, а также хранения ранее обработанных результатов в базе данных разработано программное обеспечение «Анализ потока данных» (язык программирования – Object Pascal с применением системы визуального проектирования Delphi 7 фирмы Borland).