Материал: Определение диацетила и ацетоина в алкогольных напитках

Определение диацетила и ацетоина в алкогольных напитках

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Кафедра аналитической химии

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА

Определение диацетила и ацетоина в алкогольных напитках

Работу выполнила М.Н. Вашакидзе

Факультет химии и высоких технологий

Научный руководитель, ст.преп., канд. хим. наук Л.И. Пиль

Нормоконтролер доц., канд. хим. наук, О.Б. Воронова

Краснодар 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

. Аналитический обзор

.1      Физические и химические свойства диацетила и ацетоина

.2      Образование диацетила и ацетоина в некоторых продуктах

.2.1   Образование диацетила и ацетоина в пиве

.2.2   Образование диацетила и ацетоина в вине

.2.3 Образование диацетила и ацетоина в молочных продуктах

.3      Влияние диацетила на организм человека

.4      Методы определения диацетила и ацетоина

.4.1   Спектрофотометрические методы

.4.2   Флуориметрические методы

.4.3   Вольтамперометрические методы

.4.4   Хроматографические методы

.        Экспериментальная часть

.1      Исходные реактивы, материалы и используемая литература

.2      Приготовление растворов

.2.1   Приготовление основного раствора диацетила

.2.2   Приготовление основного раствора ацетоина

.2.3   Приготовление раствора соляной кислоты

.2.4   Приготовление 1%-ного раствора о-фенилендиамина

.3      Пробоподготовка

.4      Стандартизация раствора хлорида железа (III)

.5 Установление условий эксперимента

.5.1 Определение зависимости аналитического сигнала 2,3-диметилхинок- салина от времени реакции

.5.2 Определение зависимости аналитического сигнала от времени после прибавления соляной кислоты

.6 Определение диацетила

.6.1Выделение диацетила методом отгонки

.7 Установление условий окисления ацетоина

.7.1 Определение объема хлорида железа (III)

.7.2 Определение оптимального времени для окисления

.8 Зависимость аналитического сигнала от концентрации

.9 Проверка правильности методики

Заключение

Список использованных источников

диацетил ацетоин алкогольный определение

ВВЕДЕНИЕ

Исследование любого пищевого продукта - сложная аналитическая задача. Из-за индивидуальности состава и многокомпонентности продуктов необходимо приспосабливать стандартные методы к особенностям состава и физико-химической структуры продукта, то есть в каждом конкретном случае требуется проведение той или иной аналитической исследовательской работы. При этом необходимо учитывать физическое состояние исследуемого вещества и сопутствующих определяемому веществу компонентов.

Особенности состава и форм нахождения определяемых компонентов в пищевых продуктах осложняют пробоподготовку: необходимо предварительно выделить (изолировать) компонент.

Судить о качестве исходного сырья, технологического процесса и готовой продукции представляется возможным только при совокупном анализе объекта. Последнее возможно только при использовании комплекса анализов (физических, физико-химических, микробиологических и др.).

В последние годы в нашей стране пивоваренная промышленность развивается быстрыми темпами, и, в связи с этим, большое внимание уделяется интенсификации технологического процесса, а также повышению вкусо-ароматических характеристик и вкусовой стабильности пива. Изменения технологических режимов, направленные на сокращение продолжительности процесса получения пива и повышения его качества, а также применение новых видов сырья и штаммов дрожжей нового поколения привели к необходимости изучения синтеза вкусовых компонентов пива.

Одними из наиболее важных компонентов, при повышенных концентрациях отрицательно влияющих на вкус и аромат напитка, являются диацетил и ацетоин.

Весьма распространенным способом определения диацетила и ацетоина является спектрофотометрический метод с предшествующей дистилляцией с водяным паром. Используется реакция вицинальных дикетонов с дериватизационным реагентом.

Работа посвящена оптимизации условий спектрофотометрического определения диацетила и ацетоина и применению этого метода для определения диацетила и ацетоина в пиве.

Работа выполнена на оборудовании ЦКП «Эколого - аналитический центр».

.       
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

.1 Физические и химические свойства диацетила и ацетоина

Диацетил (2,3-бутандион, диметилглиоксаль) - простейший представитель дикетонов с формулой С₄H₆O₂. Диацетил - желто-зелёная жидкость, имеет сильный, жирный запах сливочного масла и сметаны, но практически безвкусен. Растворяется в воде 25 %. С метанолом образует азеотроп (62 °C, 25 %). Подобно другим 1,2-дикетонам, с о-фенилендиамином диацетил дает производное хиноксалина, с N и альдегидами - имидазола. При окислении гидропероксидами образуется уксусная кислота или ее ангидрид. Сильно летуч [1].

Ацетоин (ацетилметилкарбинол, З-гидрокси-2-бутанон) - вещество, являющееся простейшим представителем ацилоинов. Ацетоин представляет из себя бесцветную или жёлтую жидкость с сильным маслянисто-сливочным запахом. Может существовать в форме мономера или димера. Товарный продукт, используемый в промышленности, чаще всего представляет собой димер. Содержится в сливочном масле, вине, кофе. Применяется в производстве пищевых ароматизаторов.

Получают диацетил дегидрированием 2,3-бутандиола при ферментации как побочный продукт синтеза валина, когда дрожжи производят α-ацетолактат, который покидает клетку и спонтанно декарбоксилируется в диацетил. Дрожжи затем абсорбируют диацетил, и восстанавливают кето-группу с образованием ацетоина и 2,3-бутандиола.

Диацетил содержится в коровьем жире, некоторых эфирных маслах, обжаренном кофе, цикории, продуктах гидролиза древесины, пиролиза табака [2].

Встречается в дистилляционных водах после отгонки эфирных масел кипариса, казацкого можжевельника, корня ветиверы и ириса, западно-индийского сандалового дерева, хмеля, тмина, корня ангелики. В соке винограда встречается в количествах 0,1- 0,5 мг/дм³, в винах - 0,5-5 мг/дм³. Образуется при окислении ацетоина во время брожения спиртового, яблочно-молочного, а также в процессе различных обработок вин. Количество диацетила находится в прямой зависимости от исходной концентрации сахара в сусле. Участвует в создании аромата вин: некоторым винам придает приятный запах лесного ореха или слегка прогорклого масла. Белые столовые вина, содержащие диацетил выше 1 мг/дм³, приобретают тона окисленности. Пороговая концентрация 0,7-0,8 мг/дм³.

Диацетил образуется не только в пиве, инфицированном педиококками или молочными бактериями, некоторые расы пивоваренных дрожжей тоже способны его образовывать. Считается нормальным содержание в пиве 0,2 мг/л диацетила, 0,35 мг/л диацетила и выше влияет на запах и привкус (неприятный).

Дрожжи обладают способностью восстанавливать диацетил в 2,3-бутандиол в стадии активного размножения. Более низкие концентрации диацетила, которые могут быть получены в пиве в результате редукции живыми дрожжами, равны 0,2 мг/л. В практике запах диацетила можно удалить из пива путем добавления свежих густых дрожжей от 0,5 до 1,0 г/л.

.2 Образование диацетила и ацетоина в некоторых продуктах питания

Диацетил придает запах и вкус сливочного масла многим продуктам питания. Он имеет естественное происхождение, являясь побочным продуктом брожения, и содержится в некоторых продуктах. Например, в таких, как пиво [3], вино [4], сливочное масло, сметана, сыр, молоко, маргарин, йогурт [5], а так же в хлебе, апельсиновом соке [6], кофе, бренди, роме и других продуктах. Диацетил содержится в коровьем жире, некоторых эфирных маслах, цикории, квасе. Диацетил - продукт брожения и поэтому количество диацетила находится в прямой зависимости от исходной концентрации сахара в сусле. Синтетический диацетил используется для создания некоторых ароматизаторов для пищевой промышленности, при формировании запаха масла в производстве маргарина и других жировых пищевых продуктов. Хорошо маскирует синтетические добавки. Он также используется в промышленности как компонент искусственного вкуса сливочного масла для производства попкорна [7], конфет, кондитерских и хлебобулочных изделий, в смесях для выпечки.

Умеренное потребление диацетила безвредно. Однако, диацетил, как и все вицинальные дикетоны, является ароматобразующим и влияет на вкусовые качества продуктов, поэтому важно следить за его содержанием в продуктах.

Диацетил - важнейший компонент букета молодого вина, пива и молочных продуктов. При превышении порогового значения он придает продуктам брожения нечистый вкус - от сладкого до противного, образуясь в очень больших количествах, может давать привкус прогорклого масла. Расщепление диацетила протекает параллельно с другими процессами и считается сегодня одним из главнейших критериев созревания пива и вина. Слишком высокие концентрации некоторых вкусовых компонентов будут придавать нехарактерный вкус пиву, и также может считаться изъяном, если важный вкусовой компонент отсутствует или присутствует в слишком низкой концентрации.

.2.1 Образование диацетила и ацетоина в пиве

Пиво содержит большое количество вкусовых компонентов, которые обычно присутствуют в концентрациях ниже или близких к порогу их чувствительности. Если концентрация одного или нескольких компонентов увеличится значительно, то нюансы во вкусе и аромате, отличные от нормальных, могут иметь место, вызывая вкусовые пороки или привкусы [8]. Методико-токсикологической оценкой производства установлено, что токсичное действие пива на организм человека зависит не от процентного содержания алкоголя в нем, а от реакции организма на некоторые побочные продукты брожения. Эти продукты, действующие как наркотики, окисляются в организме человека через фазу этилового спирта и являются гепатропными ядами [9]. Многие из них являются ароматообразующими и во многом определяют как вкусовые качества пива, так и критерий его созревания. Поэтому нормирование содержания побочных продуктов брожения и их своевременный контроль в процессе производства будет способствовать выпуску пива с улучшенными вкусовыми характеристиками, а так же снижению его токсичности.

Широко известны зарубежные методы определения побочных продуктов брожения в пиве, разработанные ведущими мировыми пивоваренными организациями: Европейской пивоваренной конвенцией (ЕВС), Аналитической комиссией стран Центральной Европы по пивоварению (МЕБАК) [10, 11], но в России пивовары на практике редко пользуются этими методами.

Существуют причины, препятствующие этому. Например, побочные продукты брожения не входят в номенклатуру показателей качества, определяемых ГОСТ Р 51174-98 «Пиво. Общие технические условия». Существующие Российские стандарты являются стандартами только вкуса и запаха и не имеют отношения к токсичности пива. Также отсутствуют аттестованные методики определения побочных продуктов брожения.

Из побочных продуктов брожения особое значение имеют вицинальные дикетоны, от содержания которых зависят вкусовые качества пива. Одним из основных продуктов брожения и дображивания, во многом определяющий свойства пива, является диацетил. Диацетил очень влияет на органолептические характеристики пива. Исходным метаболитом в синтезе диацетила является альфа-ацетолактат, который в зависимости от физико-химических условий среды и штаммовых особенностей дрожжей может с разной скоростью превращаться в валин и ацетоин. В виду того, что в процессе размножения дрожжей образуется большое количество а-ацетолактата, избыток его выделяется в бродящее сусло, где происходит оксидативное (в присутствии кислорода) декарбоксилирование а-ацетолактата в диацетил. Здесь следует обратить внимание на то, что образование диацетила из ацетолактата происходит не ферментативным путем (вне дрожжевой клетки). По мере снижения концентрации кислорода в бродящем сусле и уменьшения интенсивности размножения клеток, диацетил при участии фермента алкогольдегидрогеназы, локализованной в клеточной стенке дрожжей, превращается в ацетоин и далее в 2,3-бутандиол. Таким образом, процесс редукции диацетила связан с ферментативной деятельностью дрожжей, а следовательно, определяется концентрацией клеток при дображивании (созревании) пива.

Установлено, что максимальное количество диацетила образуется в экспоненциальной фазе роста дрожжей. В зависимости от технологии получения пива пик синтеза диацетила может приходиться на 2-5 сутки процесса главного брожения. Затем, при дображивании пива, происходит превращение диацетила сначала в ацетоин (при участии редуктазы дрожжей), а затем в 2,3-бутандиол. Критерием завершенности технологического процесса получения пива является восстановление диацетила до бутандиола - вещества, которое не достигает значений пороговой концентрации восприятия.

На образование диацетила влияют следующие штаммовые особенности дрожжей: скорость утилизации валина; активность алкогольдегидрогеназы; активность ацетогидроксикислоты-синтетазы; бродильная активность дрожжей; флокуляционная способность дрожжей.

Синтез диацетила определяется бродильной активностью дрожжей: чем она выше, тем раньше накапливается диацетил в пиве и быстрее проходит его восстановление в бутандиол. Главным показателем, характеризующим бродильную активность дрожжей, является степень сбраживания сусла, определяемая активностью ферментов, участвующих в диссимиляции сахаров сусла (глюкозы, мальтозы, мальтотриозы). Также важны размеры клеток, тип флокуляции. Установлено, что чем раньше достигается максимальная концентрация диацетила, раньше наблюдается ферментативное восстановление дикетона алкогольдегидрогеназой дрожжей. Для ускорения этого процесса необходимо сохранять определенный уровень диспергированных в среде дрожжей после сбраживания экстракта, для чего даже вводят клетки из ранних стадий брожения. Пылевидные дрожжи образуют в 2-3 раза больше диацетила, чем флоккулирующие, но эти дрожжи также быстро осуществляют его редукцию, так как длительное время находятся в пиве во взвешенном состоянии. Также специфический вкус пшеничному пиву придают несбраживаемые пентозаны пшеничного солода. В литературных источниках приводятся многочисленные противоречивые сведения о присутствующих концентрациях диацетила в пиве различных сортов.

В результате исследований было установлено, что при повышении концентрации ацетоина до 5,3 мг/л (ПДК которого составляет 3 мг/л) придает пиву затхлый и плесневый вкус. Подобный привкус придает также 2,3-бутиленгликоль, который, кроме того, при очень большом содержании его в пиве дает остающуюся горечь. Ориентировочное значение содержания общего диацетила (вицинальных дикетонов и их предшественников) в созревшем пиве должно составлять не более 0,4 мг/л [11].

Авторы работы [12] описали способ контроля опасности образования в пиве диацетила при брожении. Удаление диацетила является важной стадией при созревании пива, диацетил образуется при окислительном декарбоксилировании α-ацетолактата. На следующей стадии брожения диацетил превращается в ацетоин под действием комплекса ферментов, содержащегося в дрожжах. Профиль вкуса и аромата пива имеет важное значение, поскольку содержание дикетона должно быть ниже порогового значения. На пилотной установке приготовления пива проведен контроль качества пива, и оптимизация процесса, которая позволила снизить затраты труда и средств. Приведены структурные схемы диацетила и 2,3-пентандиона, кривые затирания солода и изменение концентрации диацетила и рН в зависимости от продолжительности брожения сусла.