Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
34
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ДОНЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ЭКОНОМИКИ И ТОРГОВЛИ им. М.ТУГАН-БАРАНОВСКОГО
Крюк Т.В.
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Курс лекций
для студентов дневной и заочной форм обучения
специальности 7.091711 “Технология питания”
Донецк – 2005
Лекция 1. ОРГАНОЛЕПТИЧЕСКИЕ (СЕНСОРНЫЕ) МЕТОДЫ
План
1. Органолептический метод оценки качества (от греч. organon – инструмент, орган и leptiсos – берущий, выполняющий) – метод, основанный на анализе восприятия органов чувств человека без применения измерительных приборов. Часто этот метод анализа называют (от англ. sensory – чувствительный) сенсорным. Термины «органолептический» и «сенсорный» являются синонимами, однако, в более широком смысле под понятием «сенсорный анализ» подразумевают оценку качества пищевого продукта, проведенную дегустаторами с применением методов и условий, гарантирующих точность и воспроизводимость результатов.
Исходя из основных чувств, с помощью которых осуществляется дегустация, различают следующие показатели качества пищевых продуктов:
1. Показатели качества, определяемые с помощью зрения (визуальное восприятие):
внешний вид – общее зрительное ощущение, производимое продуктом;
форма – соединение геометрических пропорций продукта;
цвет – впечатление, вызванное световым импульсом, определенное доминирующей длиной световой волны и интенсивностью;
блеск – способность продукта отражать большую часть лучей, падающих на его поверхность, в зависимости от гладкости поверхности продукта;
прозрачность – свойство жидких продуктов, определяемое степенью пропускания света через слой жидкости определенной толщины.
2. Показатели качества, определяемые с помощью глубокого осязания (нажима) (тактильное восприятие):
консистенция – свойство продукта, обусловленное его вязкостью и определяемое степенью деформации во время нажима;
плотность – свойство сопротивления продукта нажиму;
эластичность – способность продукта возвращать первоначальную форму после нажима, не превышающего критической величины (предела эластичности).
3. Показатели качества, определяемые обонянием:
запах – впечатление, возникающее при возбуждении рецепторов обоняния;
аромат – приятный естественный характерный запах исходного сырья;
букет – приятный запах, развивающийся под влиянием сложных процессов, происходящих во время созревания, брожения и ферментации (например, «букет» вина).
4. Показатели качества, определяемые осязанием (в полости рта):
однородность – впечатление, вызванное размерами частиц продукта (однородность начинок конфет, шоколадной массы);
сочность – впечатление, возникающее под действием соков продукта во время разжевывания (например, продукт сочный, малосочный, суховатый, сухой);
консистенция – осязание, связанное с густотой, клейкостью продукта, силой нажима (консистенция жидкая, сиропообразная, густая, плотная); она чувствуется при распределении продукта на языке; консистенция воспринимается как сумма вкуса, запаха и ощущений;
волокнистость – впечатление, вызываемое волокнами, оказывающими сопротивление при разжевывании продукта (например, мясо с тонкими волокнами);
крошливость – свойство твердого продукта распадаться на мелкие части при раскусывании и разжевывании, обусловленное слабой степенью сцепления между частицами;
нежность – условный термин, оценивается как сопротивление, которое оказывает продукт при разжевывании (например, мягкое яблоко, хрустящий огурец, нежное мясо);
терпкость – чувство, вызванное тем, что внутренняя поверхность полости рта стягивается и при этом появляется сухость во рту;
вкус – чувство, возникающее при раздражении рецепторов и определяемое как качественно (сладкий, соленый, кислый, горький), так и количественно (интенсивность вкуса);
флевор (флейвор) или вкусность – комплексное впечатление вкуса, запаха и осязания при распределении продукта в полости рта.
Для оценки некоторых продуктов применяют специфические признаки, которые не показаны в приведенной классификации.
В процессе изучения спроса на те или иные пищевые продукты было установлено, что большинство покупателей при выборе продуктов руководствуются главным образом зрительной оценкой качества товара. Из них 8% выбирают продукты по внешнему виду, 7% – руководствуются услышанным мнением других покупателей о продукте, 3,5% – запахом продукта, 1,5% – посредством опробования и 1% – на основании ощущений осязания. Исходя из этого, органолептические показатели определяют в такой последовательности:
2. Общее впечатление о продукте создается обычно на основе внешнего осмотра, т.е. зрительного ощущения, называемого также визуальным (от лат. visual – зрительный). Внешний вид продукта должен вызывать у человека приятные, соответствующие данному продукту вкусовые ощущения, желание попробовать его. Визуально определяют, прежде всего, художественное оформление, форму, цвет и консистенцию.
Орган зрения – глаз – является анализатором, который возбуждается волнами световых лучей в видимой области электромагнитного спектра (от 380 до 760 нм). Электромагнитные волны короче 380 нм (ультрафиолетовое излучение) и длиннее 760 нм (инфракрасное излучение) невидимы для человеческого глаза. Излучение в видимой области в зависимости от длины волны имеет различный цвет (см. табл.1.1, колонка 2).
Таблица 1.1.
|
Поглощаемая часть спектра, нм |
Цвет поглощенной части светового потока |
Дополнительный (кажущийся) цвет вещества |
|
380 – 450 |
Фиолетовый |
Желто-зеленый |
|
450 – 480 |
Синий |
Желтый |
|
480 – 490 |
Зелено-синий |
Оранжевый |
|
490 – 500 |
Сине-зеленый |
Красный |
|
500 – 560 |
Зеленый |
Пурпурный |
|
560 – 575 |
Желто-зеленый |
Фиолетовый |
|
575 – 590 |
Желтый |
Синий |
|
590 – 625 |
Оранжевый |
Зелено-синий |
|
625 – 760 |
Красный |
Сине-зеленый |
При падении луча света на вещество возможны следующие случаи:
Существует от 7 до 10 млн. цветовых различий. Словарный запас содержит несколько тысяч наименований, но лишь несколько десятков из них можно выразить отдельными смысловыми словами (красный, желтый…). Несколько сотен названий представляют собой словосочетания цвета и насыщенности (светло-зеленый, ярко-синий…). Часто для обозначения цвета используются термины, ассоциируемые со знакомыми объектами (морковный, золотистый…), либо называют путем комбинирования специальных терминов (сине-зеленый, желто-коричневый…).
Цвет, его оттенки, насыщенность и яркость зависят также от поверхности объекта, которая может быть блестящей, гладкой, ровной или пористой, тусклой, матовой, шероховатой, что связано с равномерным или неравномерным отражением световых лучей поверхностью продукта.
Цвет является одним из главнейших элементов эстетического оформления пищевых продуктов и способствует привлечению внимания потребителя, вызывает определенные ассоциации и является показателем доброкачественности товара. Так, румяная блестящая корочка хлеба свидетельствует о его вкусовых и потребительских достоинствах; красный, розовый, зеленый цвет томатов – о степени их зрелости и т.д.
3. Ощущение запаха возникает в органе обоняния, находящемся в носовой полости и возбуждаемом определенными летучими пахучими веществами. Обоняние – чувство чрезвычайно тонкое. Обычный человек без труда различает до 1000 запахов – опытный специалист способен различить от 10 до 17 тысяч запахов. Наряду с понятием запаха используют термины «аромат» для обозначения приятного запаха и «букет» для характеристики сложного аромата, развивающегося в результате ферментативных и химических процессов (при выдержке коньяка и вин, созревании сычужных сыров, рыбных консервов типа шпрот и сардин, обжаривании зерен кофе, ферментации чая).
Запах продукта может быть обусловлен композицией 2-х, нескольких или многих низкомолекулярных компонентов (аромат шоколада, чая, кофе, копчения) либо присутствием ключевого вещества. Многие продукты имеют композиционный аромат, который развивается при созревании плодов, ягод, овощей либо при технологической обработке (обжаривание бобов какао и зерен кофе, выпечка хлеба, копчение мяса и рыбы, брожение пива и др. ферментативные процессы). Ароматообразующие композиции в данных случаях содержат несколько десятков или сотен веществ.
Пороговые концентрации различных веществ колеблются в широких пределах. Например, запах этилового спирта ощущается при концентрации 1 мг/м3 воздуха, масляной кислоты – 0,001 мг/м3, ванилина – 2·10–7 мг/м3. В зависимости от пороговой концентрации и массовой доли вещества человек может воспринимать запах одного и того же соединения по-разному. Например, при большой концентрации индол имеет отвратительный запах, а при незначительной – приятный цветочный аромат.
Химические соединения, обладающие запахом, ощущаются сенсорно достаточно сильно, поэтому обычно они используются в качестве ароматизаторов с массовой долей 1–10 частей на 1 млн. 1 кг пищи с ароматообразующими веществами в количестве 1 часть на 1 млн. содержит только 1 мг этих веществ.
Летучие вещества служат источником информации о качестве продуктов. Раздражая обонятельные рецепторы, они дают человеку сведения о свежести продукта, вызывая аппетит, либо, наоборот, слабым или дефектным запахом сообщают о недоброкачественности пищи. Продукты с высоким содержанием питательных веществ теряют свою ценность, если имеют неприятный запах (как и вкус). Отрицательная оценка запаха используется человеком как сигнал и часто спасает от пищевых отравлений.
Существует несколько систем классификации запахов. Наиболее распространенная из них выделяет 7 основных запахов:
4. Оценка вкуса занимает основное место в органолептике. Вкус продукта определяется в ротовой полости путем возбуждения органов вкуса определенными растворимыми веществами. Поскольку носовая полость сообщается с ротовой полостью, первоначальное обонятельное ощущение часто сливается с вкусовым или дополняется новыми оттенками при определении вкуса. Поэтому для многих продуктов запах и вкус оценивают как один общий показатель качества. Для характеристики комплексного ощущения запаха и вкуса применяют термины «вкусность» или «флевор» (от лат. flavour – аромат). Понятие «флевор» (“флейвор”) может включать и ощущение консистенции продукта, воспринимаемое в ротовой полости. Для описания вкуса и запаха употребляют термины «характерный» или «посторонний». Второе понятие включает не свойственные оцениваемому продукту запах или вкус. Вкусовые и ароматические вещества пищевых продуктов выполняют роль раздражителей и являются столь же необходимыми компонентами питания, как белки, жиры, углеводы и другие вещества пищи.
Физиологический анализ вкусовых ощущений позволил выделить из огромного разнообразия ощущений 4 основных вкуса:
Однако сложные вкусовые ощущения не основываются на сочетании этих четырех элементов вкуса. Продукт, попадая в полость рта человека, воздействует на различные рецепторы, вызывая при этом смешанные ощущения вкуса, запаха, боли, температуры, и дополненные зрительными, а иногда и слуховыми ощущениями, в целом определяет аппетит. Например, говорят, что вкус у этого продукта острый (вызывается ощущением не вкуса, а ожога слизистой оболочки), вяжущий (вызывается частичной денатурацией белка под действием дубильных веществ) и т.д.
|
Вкусовые ощущения воспринимаются с различной скоростью. Наиболее быстро возникает ощущение соленого вкуса, затем сладкого и кислого, значительно медленнее – горького. Это объясняется неравномерным расположением вкусовых рецепторов на языке человека (Рис.1.1). При содержании в пищевых продуктах различных вкусовых веществ ощущается сложный вкус: кисло-сладкий (ягоды), кисло-соленый (квашеная капуста), сладко-горький (шоколад). Если в продукте находятся вещества, одновременно вызывающие ощущение кислого и горького вкусов или сладкого и соленого, то эти вкусы воспринимаются раздельно. |
|
|
Рис.1.1. Дифференцирование вкусовых восприятий языка |
Ощущение вкуса может меняться в зависимости от свойств растворенных веществ и их концентрации. Например, раствор NaCl ниже пороговой концентрации воспринимается сладким; сахар и другие вещества с интенсивным сладким вкусом в концентрированном растворе имеют горький вкус.
5. Осязательные или тактильные (от лат. tactilus – осязательный) ощущения позволяют определить консистенцию, структуру, температуру продукта, степень измельчения и некоторые другие физические свойства. Осязание (восприятие кожей) механических раздражителей разделяют на касание, давление (нажим) и вибрацию. В органолептике наиболее важным является ощущение касания.
Чувствительные рецепторы, реагирующие на прикосновение, глубокое осязание, температуру, обильно размещены в ротовой полости, на концах пальцев, ладонях (всего на поверхности кожи и слизистой оболочке расположено около 500 тысяч рецепторов). Способность к осязанию зависит от внешних факторов (при отрицательной температуре осязательная восприимчивость рецепторов снижается) и индивидуальных особенностей дегустатора (обычно с возрастом осязание человека сильно ослабевает).
Наиболее важное осязательное ощущение при оценке качества продукта – консистенция. Это понятие используется для характеристики суммы свойств продукта, воспринимаемых органами зрения, обоняния и осязания. Визуально определяют жидкую, твердую, гранулированную, порошко-, мазе- и сиропообразную консистенцию. С помощью нажима оценивают плотность, эластичность. Органами осязания, находящимися в ротовой полости, ощущают волокнистость, крошливость, нежность и другие признаки консистенции.
Согласно стандарту СЭВ термин «консистенция» означает характерный признак продукта, воспринимаемый ощущениями, возникающими при возбуждении механических и осязательных рецепторов, особенно в ротовой полости, а также при сопротивлении, которое оказывает продукт при попытке его деформировать. Фрагмент классификации параметров консистенции показан на рис.1.2. Консистенция продукта воспринимается потребителем как составляющая флевора. Например, резиноподобный бифштекс вызовет отвращение, даже имея превосходный аппетитный цвет, вкус и аромат.
Параметры консистенции делят на 3 группы:
|
Рис.1.2. Классификация параметров консистенции пищевых продуктов |
Консистенция не только взаимосвязана с вкусовыми свойствами продукта, но и влияет на усвояемость или характеризует свежесть. Например, присутствие частиц оболочки зерна пшеницы или ржи в муке ухудшает вкус и снижает усвояемость хлеба; о свежести мяса или рыбы судят обычно по запаху и эластичности мышечной ткани. Для придания продукту желаемой консистенции применяют загустители, студнеобразователи, эмульгаторы, пенообразователи, разжижители и другие вещества.
6. В зависимости от поставленной цели применяют различные методы, которые можно подразделить на следующие 3 группы:
В зависимости от степени подготовленности и квалификации дегустаторов органолептические методы можно подразделить на:
Среди аналитических методов выделяют:
Лекция 2. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
1. Пусть поток монохроматического излучения с интенсивностью I0 проходит через слой раствора с концентрацией поглощающих частиц С и толщиной l. При этом одна часть потока рассеивается, другая отражается, третья – поглощается. В результате выходящий поток с интенсивностью I1 будет ослаблен, т.е. I1 < I0. Отношение I1/I0 называют пропусканием Т. Оно показывает, какая доля падающего на раствор света поглощается, при этом доля рассеянного и отраженного света обычно мала, и ею пренебрегают. Пропускание часто выражают в процентах. Для абсолютно прозрачных растворов Т = 100 %, для абсолютно непрозрачных растворов Т = 0.
|
lg (I0/I1) = a·C·l |
(2.1) |
Величину lg (I0/I1) называют оптической плотностью и обозначают буквами А или D (далее по тексту только D).
Для абсолютно прозрачного раствора D = 0. Для абсолютно непрозрачного раствора D ® 0.
Оптическая плотность и пропускание связаны между собой выражением
|
D = lg (1/Т). |
(2.2) |
Если Т выражают в процентах, то D = 2 – lg Т.
Коэффициент поглощения а в выражении (2.1) равен оптической плотности раствора при единичных концентрации и толщине слоя и, в зависимости от способа выражения последних, может иметь разные единицы измерения.
Уравнение (2.1) является математическим выражением основного закона светопоглощения или закона Бугера-Ламберта-Бера: количество электромагнитного излучения, поглощенного раствором, пропорционально концентрации поглощающих частиц и толщине слоя раствора. Его можно представить в экспоненциальной формуле:
|
I1 = I0 ·10a·C·l. |
(2.3) |
2. Метод абсорбционной спектроскопии относится к оптическим методам анализа и основан на взаимодействии вещества с излучениями ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей электромагнитного излучения однородными нерассеивающими системами. Широкое развитие данного метода началось в 1955г., после того, как успехи квантовой теории излучения позволили установить связь различных излучательных и поглощательных процессов, имеющих место в атомных системах. Благодаря теоретическому обоснованию процессов абсорбции удалось получить количественные данные о солнечной и звездной средах: их химическом составе, температурах.
Применение атомной абсорбции в аналитической химии сначала касалось исключительно определения паров ртути в воздухе, и в одном из первых абсорбционных спектрометров использовалось свойство именно паров ртути, т.е. способность находиться в атомном состоянии при комнатной температуре. Позднее появилась работа, посвященная применению атомной абсорбции для анализа газов. Этими единичными работами ограничивалось конкретное аналитическое использование атомно-абсорбционной спектрометрии. В Австралии был предложен рациональный способ регистрации атомной абсорбции и рекомендована схема установки для проведения анализов. В качестве источника света применяли лампу с полым катодом и пламя для получения атомов определяемого элемента из образца раствора, распыляемого в виде тонкодисперсного тумана.
Метод является достаточно простым и имеет несложное аппаратурное оформление, что привлекает внимание аналитиков и сейчас он является одним из наиболее широко используемых. Распространение получили и непламенные методы абсорбции, в которых в качестве атомизатора используют графитовую печь. В настоящее время методы атомной абсорбции с электротермической атомизацией получили более широкое развитие по сравнению с пламенными.
Атомно-абсорбционный метод анализа разработан для определения элементного состава жидких проб, поэтому аналитический процесс метода проводят по установленной схеме.
3. Если монохроматический луч А проходит через поверхность раздела 2-х сред, то одна часть света А' отражается от поверхности раздела, а другая часть В проходит через 2-ю среду, изменяя при этом направление. Эту часть монохроматического света называют преломленным светом. Преломление луча света описывается законом Снелля:
|
, |
(2.5) |
где α – угол падения, β – угол преломления, n1, n2 – показатель преломления 1-й и 2-й сред.
Метод рефрактометрии основан на определении показателя преломления (рефракции). n зависит от температуры, концентрации раствора и длины волны проходящего света. В смеси каждое вещество сохраняет преломляющую способность, и показатель преломления смеси соответствует сумме показателей преломления всех входящих в смесь компонентов.
При прохождении луча света из одной среды в другую, он направлен по прямой, когда падает перпендикулярно на поверхность раздела 2-х сред. Если луч падает под некоторым углом, он преломляется, и отношение синуса угла падения к синусу угла преломления является постоянной величиной и выражается как собственно показатель преломления:
|
. |
(2.6) |
|
Если луч света А направлен под углом α из среды с меньшим n в среду с большим n, то, изменив направление, он приближается к перпендикуляру РР1 и угол преломления β будет меньше угла падения α (Рис.2.4). Если луч В переходит из среды более плотной в среду менее плотную, то, преломляясь, он удаляется от перпендикуляра, и занимает положение луча А. |
|
|
Рис.2.4. Схема преломления луча света |
Если при переходе из менее плотной среды в более плотную падающий луч С образует с перпендикуляром луч α', приближающийся к 90о, то соответствующий ему луч преломления D будет давать с перпендикуляром угол β', лежащий в меньшей угловой области. Т.к. угол падения не может быть больше 90о, то соответствующий ему преломленный луч D является пограничным лучом распространения света в этой среде. Луч света Е, падающий под углом, больше предельного, не преломляется, а полностью отражается; он претерпевает «полное внутреннее отражение» от границы раздела, приобретая направление ОЕ1. С правой стороны от луча D будет темнота, а с левой – свет. При переходе к полному отражению резко возрастает яркость света и это дает возможность установить направление предельного луча.
4. Поляриметрией называют метод, основанный на определении оптического вращения. Оптическое вращение – это вращение плоскости поляризации света раствором оптически активного вещества. Оптическому вращению подвергается поляризованный свет. Поляризованный свет отличается тем, что колебания световых волн в нем происходят только в одной плоскости, а в неполяризованном – во всех плоскостях. Плоскость, в которой происходят колебания волн поляризованного света, называют плоскостью поляризации.
Поляризованный свет образуется при прохождении световых лучей через кристаллы, обладающие оптической неоднородностью (исландский шпат, турмалин). Преломление световых волн в разных плоскостях таких кристаллов происходит по-разному. Наименьшему преломлению подвергаются световые волны, плоскость колебаний которых совпадает наилучшим образом с оптическими свойствами кристалла. В кристалле вследствие этого наблюдается раздвоение луча света, причем оба луча поляризованы, но плоскости поляризации у них взаимно перпендикулярны. При этом один луч подвергается большему преломлению, другой – меньшему.
Атомы молекул некоторых веществ способны поляризоваться, т.е. приобретать дипольный момент в электрическом поле. Поляризация атомов обусловлена смещением в молекуле атомов разного типа, что связано с несимметричным распределением в молекуле электронной плотности, т.е. наличием так называемых асимметрических атомов. Вещества, содержащие такие атомы, обладают оптической активностью, т.е. они способны вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через исследуемое вещество света.
Величина такого вращения в растворах зависит от их концентрации, поэтому поляриметрию применяют для измерения оптически активных веществ, в частности, сахаров. Асимметрический углеродный атом в сахарах делает их оптически активными, способными вращать плоскость поляризации.
Характерным показателем каждого оптически активного вещества является его удельное вращение – угол вращения плоскости поляризации при 20оС для линии D натриевого пламени раствором, содержащим 100 г вещества в 100 см3, когда луч в этом растворе проходит путь, равный 100 мм. Концентрация вещества (г в 100 см3 раствора) рассчитывается по формуле:
|
, |
(2.8) |
где α – угол вращения, – удельное вращение анализируемого вещества при 20оС, l – длина поляризационной трубки, мм.
Лекция 3. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
План
1. Электрохимические методы основаны на измерении электрических параметров электрохимических явлений, возникающих в исследуемом растворе. Такое измерение осуществляется с помощью электрохимической ячейки, представляющей собой сосуд с исследуемым раствором, в который помещены электроды. Электрохимические процессы в растворе сопровождаются появлением или изменением разности потенциалов между электродами или изменением величины тока, проходящего через раствор.
В состав электролитической ячейки входят 2 или 3 электрода, один из которых индикаторный или рабочий – электрод, действующий как датчик и реагирующий на фактор возбуждения, но не изменяющий состава раствора за время измерения; второй – электрод сравнения – изменяющий состав раствора под действием тока, протекающего через ячейку; используемый в трехэлектродной ячейке вспомогательный электрод (противоэлектрод) вместе с рабочим электродом включен в электрическую цепь.
Электрохимические методы классифицируют в зависимости от типа явлений, замеряемых в процессе анализа. В общем случае различают две группы электрохимических методов.
Электрохимические методы используют либо для прямых измерений, основанных на зависимости «аналитический сигнал – состав», либо для индикации конечной точки титрования в титриметрии. Это очень точные и воспроизводимые методы, позволяют определять концентрацию веществ в широком интервале (1–10–9 моль/дм3).
2. Прямая кондуктометрия. Методы прямой кондуктометрии основаны на том, что в области разбавленных и умеренно концентрированных растворов электрическая проводимость растет с увеличением концентрации электролита. Прямая кондуктометрия позволяет решать многие практические задачи и осуществлять непрерывный контроль производства. Широко применяется определение концентрации солевых растворов с помощью специальных солемеров. Кондуктометрию используют для контроля процесса очистки воды и, в частности, для контроля дистиллированной воды, оценки загрязненности сточных вод, при определении общего содержания солей в растворах.
Определение электропроводности – один из методов контроля качества пищевых продуктов: молока, вин, напитков и др. Прямая кондуктометрия применяется и для определения влажности органических растворителей, газов, твердых солей, текстильных материалов, бумаги, зерна и т.д.
Косвенная кондуктометрия. Наряду с прямой кондуктометрией применяется также косвенная кондуктометрия, при которой кроме электропроводности измеряют и другие величины (рефракцию, вязкость, плотность, рН, массу сухого остатка и т.д.); при этом возможно определение не только индивидуальных веществ, но и смесей. Например, по величине электропроводности раствора и массе сухого остатка можно провести определение двух солей – KCl и KI в растворе.
В некоторых случаях определению электропроводности предшествует химическое взаимодействие. Именно так проводят кондуктометрическое определение различных газов: СО2, СО, О2, SО2, H2S и т.д. Например, при определении СО2 измеряют электропроводность раствора щелочи после поглощения.
Для аналитических целей применяется так же сочетание нескольких методов. Примером может послужить применение кондуктометрии при хроматографическом разделении (см. главу 4).
Кондуктометрическое титрование. Кондуктометрическое титрование используется при определении индивидуальных веществ и анализе разнообразных смесей. Точку эквивалентности при кондуктометрическом титровании определяют по изменению электропроводности раствора. Электропроводность измеряют после добавления каждой порции титранта. Зависимость электропроводности раствора от количества, добавленного титранта изображают графически. Полученный график называют кривой кондуктометрического титрования. Кондуктометрические кривые имеют излом, соответствующий точке эквивалентности. Изменение электропроводности в точках эквивалентности связано с тем, что в процессе титрования одни ионы замещаются другими, имеющими другую подвижность.
Характер кривых титрования зависит от величины подвижности ионов определяемого вещества и титранта (Рис.3.1). Например, при титровании сильной кислоты сильным основанием (Рис.3.1(а)) электропроводность исходного раствора велика, т.к. в нем присутствуют ионы Н+, которые имеют аномально высокую подвижность. При добавлении щелочи ионы Н+ связываются в молекулы воды, вместо ионов Н+ появляются менее подвижные катионы металла, электропроводность раствора падает. При достижении точки эквивалентности электропроводность растет вследствие с появлением в растворе избыточных ионов металла и ОН–, причем прямая круто поднимается из-за высокой подвижности иона ОН–. Точку эквивалентности точно определяют экстраполяцией.
Высокочастотное титрование. Установки для высокочастотного титрования во многом отличаются от установок обычной низкочастотной кондуктометрии. Ячейка с анализируемым раствором при высокочастотном титровании помещается или между пластинами конденсатора, или внутри индуктивной катушки. Соответственно этому в первом случае ячейку называют конденсаторной или емкостной, а во втором – индуктивной ячейкой. В ячейках высококачественного титрования электроды не соприкасаются с исследуемым раствором, что является одним из существенных достоинств метода.
Изменение в ячейке, происходящее в результате реакции титрования, вызывают изменение в режиме работы высокочастотного генератора. Индуктивная ячейка с анализируемым раствором включается в цепь колебательного контура (помещается внутрь катушки индукции). Изменение состава раствора при титровании в такой ячейке вызывают изменение индуктивности, что легко фиксируется микроамперметром через несложную схему.
В конденсаторных ячейках при титровании раствора вследствие изменения диэлектрической проницаемости происходит сдвиг рабочей частоты генератора, что устанавливается с помощью измерительного конденсатора. При построении кривой титрования показания прибора откладывают как функцию обмена добавленного титранта.
3. Потенциометрический метод основан на измерении потенциалов электродов, погруженных в исследуемый раствор. Экспериментально измеряют разность потенциалов – электродвижущую силу (ЭДС). Разность потенциалов измеряется между индикаторным электродом – электродом, потенциал которого зависит от концентрации определенных ионов в растворе, и электродом сравнения – электродом, потенциал которого не зависит от концентрации определяемых ионов.
Для измерения ЭДС составляют ячейку из индикаторного полуэлемента и полуэлемента, содержащего электрод сравнения, соединяют их электролитическим ключом и измеряют разность потенциалов между обоими электродами (Рис.3.8). На практике обычно оба электрода погружают в анализируемый раствор; иногда оба элемента размещают в одном корпусе. Электрод сравнения в этих случаях помещают в стеклянный цилиндр, заполненный раствором электролита, который отделен от анализируемого раствора с помощью диафрагмы.
|
Рис.3.8. Установка для потенциометрических измерений |
Чтобы в процессе измерения не происходило электролиза, сила тока в цепи должна быть как можно меньше. Для этого во внешнюю цепь включают большое сопротивление. Напряжение в цепи измеряют различными способами: компенсационным методом Поггендорфа, с помощью ламповых вольтметров или полупроводниковых устройств (транзисторов).
4. Вольтамперометрия – метод анализа и физико-химических исследований, основанный на изучении вольтамперограмм, т.е. кривых зависимости тока электрохимической реакции ячейки, возникающего в результате окислительно-восстановительных процессов на индикаторном электроде, от потенциала его поляризации. Обычно электрохимическая ячейка содержит исследуемый раствор (или расплав), индикаторный и вспомогательный электроды, с помощью которых задают поляризующее напряжение от внешнего источника. Как правило, вспомогательный электрод не поляризуется, т.е. его потенциал практически не меняется при прохождении тока через электрохимическую ячейку, поскольку его площадь во много раз превосходит площадь индикаторного электрода.
Для снятия вольтамперограмм специально приготовленный раствор, содержащий анализируемое вещество, помещают в электролитическую ячейку с двумя либо тремя электродами. К электродам ячейки подводят питание от внешнего источника. Если устанавливать различные значения напряжения на ячейке и измерять средний ток, проходящий через нее, то по этим данным можно построить статическую вольтамперную характеристику в прямоугольной системе координат напряжение – ток. Она имеет особую форму и называется вольтамперограммой (Рис.3.4).
|
Рис. 3.4. Вольтамперограмма |
Теоретически доказано и практически подтверждено, что вольтамперограмма содержит в себе информацию о количестве и природе вещества, находящегося в растворе. Установлено, что высота пика тока на вольтамперограмме h (высота полуволны) пропорциональна концентрации вещества и потому она является мерой количественного анализа. Установлено также, что потенциал, соответствующий отрезку E1/2 (потенциал полуволны) характеризует природу вещества. Этот потенциал называют потенциалом пика для анализируемого вещества. Потенциал пика не зависит от концентрации вещества, индикаторного электрода и для данного раствора определяется только природой вещества, находящегося в нем. Поэтому потенциал пика является критерием качественного анализа. Если в растворе несколько веществ, что чаще всего бывает на практике, то вольтамперограмма имеет несколько пиков, каждый из которых качественно и количественно определяет соответствующее вещество.
Лекция 4. ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА.
План
1. В этом методе происходит распределение компонентов анализируемой смеси между газообразной и твердой или жидкой фазами. В установке для газовой хроматографии используют твердый инертный пористый носитель; эта жидкая или твердая фаза неподвижна. Подвижной фазой является газ-носитель, в котором содержится анализируемая проба. В качестве газа-носителя применяют инертные газы, не взаимодействующие с парами веществ – азот, диоксид углерода, гелий, аргон, водород.
При проведении анализа в нагретый до определенной температуры поток газа-носителя вводят пробу, вещества которой испаряются и вместе с потоком газа поступают в термостатированную колонку с неподвижной фазой (адсорбентом). На выходе из колонки смесь разделяется на индивидуальные вещества, поступающие с потоком газа на детектор. Схема газового хроматографа приведена на рис.4.2.
Детектор – наиболее ответственный узел газового хроматографа. Он реагирует на изменение состава газа при его выходе и передает эти данные регистрирующему прибору. Детекторы бывают интегральные и дифференциальные. Сигнал интегрального детектора пропорционален общей массе вещества в потоке газа. При прохождении через детектор чистого газа-носителя на ленте записывается горизонтальная линия; когда через детектор проходит компонент смеси, перо самописца перемещается, вычерчивая ступени, высота которых пропорциональна массе компонента. Работа дифференциальных детекторов основана на:
а) различии в теплопроводности определяемых компонентов и подвижной фазы – катарометры;
б) изменении электрической проводимости при ионизации компонентов анализируемой смеси – ионизационные детекторы;
в) разности плотности газа и пробы – денситометрические детекторы;
г) на измерении поглощения в монохроматическом свете – спектрофотометрические детекторы.
2. Жидкостная хроматография основана на тех же принципах, что и газовая, с той лишь разницей, что вместо газа носителя используется поток жидкости, не смешивающийся с неподвижной фазой, находящейся в колонке. При вводе пробы анализируемого материала в поток жидкого носителя в хроматографической колонке происходят процессы перераспределения веществ между подвижной и неподвижной фазами и смесь разделяется на индивидуальные соединения. На детекторе регистрируются пики, соответствующие индивидуальным веществам. Жидкостная хроматография позволяет анализировать практически любые смеси веществ, растворимые в том или ином растворителе.
Жидкостная хроматография – универсальный метод химического анализа, он обладает высокой чувствительностью, избирательностью и универсальностью. Важной особенностью метода (в отличие от газовой хроматографии) является возможность проведения процесса при комнатной температуре, что ценно при исследовании белков, аминокислот и других неустойчивых соединений.
3. В основе ионообенной хроматографии лежит обмен ионами между ионообменником и раствором. Ионообменник имеет противоионы – подвижные ионы, способные к обмену на другие аналогично заряженные ионы. В зависимости от заряда обмениваемых ионов различают катионо- и анионообменники (катиониты и аниониты).
Ионообменники могут быть минерального и органического происхождения. В катионообменниках ионогенными группами являются сульфогруппы –SO3H, обеспечивающие сильнокислотные свойства ионообменных смол. Слабее выражены кислотные свойства у катионообменников, содержащих в качестве ионогенных групп карбоксильную –COOH, фосфиновую –PO3H2 и другие. Примером ионообменников является сильноосновной АВ–17, содержащий триметиламмониевую группу, в которой группа –ОН может обмениваться на другие анионы.
Ионный обмен протекает путем обмена катионами или анионами между ионообменной смолой и раствором. Например, катионообменники, имеющие на поверхности группы –SO3H, при реакции обмена вследствие диссоциации выделяют протон и присоединяют из раствора соответствующий катион:
Матрица·nSO3H + nKt+ ↔ Матрица·nSO3Kt + nH+.
Процесс ионного обмена обратим. При обработке раствором НСl катионообменник восстанавливается, отдавая в раствор катионы и присоединяя протоны. При этом происходит переход катионообменника в исходную рабочую кислотную форму. Аналогично анионообменник при обработке раствором NaOH превращается в основную форму, готовую к работе.
Ионообменные смолы имеют соответствующую маркировку: КУ – катионит универсальный, активная группа –SO3H; КБ – катионит буферный, активная группа –СООН; КФ – катионит фосфиновокислый, активная группа –РО3Н2; АВ – анионит высокоосновной; АН – анионит низкоосновной. Иногда применяют обозначения, указывающие химическую основу ионообменной смолы, например ММГ – меланин, мочевина, гуанидин; СДВ – стирол, дивинилбензол; АЭ – аминэтилцеллюлоза и др. Ионообменные смолы характеризуются емкостью поглощения, или удельной емкостью, равной количеству миллимолей ионогенных групп (или поглощенных ионов) на 1 г сухой смолы.
4. Гель-проникающая хроматография представляет собой метод разделения молекул, основанный на различии их размеров. В качестве неподвижной фазы используют частицы, имеющие определенные размеры пор. Подвижной фазой служат водные растворы или органические элюенты. Молекулы анализируемых веществ распределены между неподвижным растворителем в порах сорбента и растворителем, протекающим через слой неподвижной фазы. Молекулы, которые имеют размеры, позволяющие им проникать в поры сорбента при движении вдоль колонки, часть времени теряют на пребывание в порах. Молекулы, имеющие размеры, превышающие размер пор, не проникают в сорбент и вымываются из колонки со скоростью движения элюэнта. Молекулы, которые проникают в поры всех размеров, движутся наиболее медленно. Снижение скорости движения веществ вдоль колонки тем больше, чем в большее количество пор способны диффундировать распределяемые частицы.
Лекция 5. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
План
1. Реология – наука о течении и деформациях, изучает поведение тел при механическом их нагружении. Пищевые продукты, в основном, представляют собой дисперсные системы (суспензии, эмульсии, порошки, пены и др.). Реологические свойства этих систем обусловлены их структурой, т.е. внутренним строением и характером взаимодействия составляющих систему фаз. Поэтому реологические свойства пищевых продуктов часто называют структурно-механическими.
Именно эти свойства, т.к. они являются проявлением химического состава, могут дать наиболее полное представление об изменении факторов, непосредственно связанных с качеством. Благодаря этому реологические методы могут быть использованы для оценки эффективности технологических процессов и оборудования, оценки качества полуфабрикатов и готовой продукции.
При действии внешней нагрузки в теле возникают деформации и напряжения, являющиеся мерой сил внутреннего взаимодействия между элементами тела, взаимосвязь между которыми описывается посредством реологических констант – различных структурно-механических характеристик. По виду механических нагружений и вызываемых ими деформаций основные реологические свойства классифицируют следующим образом:
Реологические свойства описывают такими структурно-механическими характеристиками: сдвиговые – коэффициентами динамической (ньютоновской), эффективной и пластической вязкости, предельным напряжением сдвига, индексом течения и др.; компрессионные – модулями упругости и пластичности, различными прочностными характеристиками и параметрами текстуры; поверхностные – адгезионными и когезионными характеристиками и коэффициентами внешнего трения.
Так как не всегда при определенном виде деформации тела одновременно проявляются все его реологические свойства, то для полной количественной оценки реологических свойств тела необходимо применять различные методы нагружения. Инструментальное определение реологических констант требует правильного выбора методов измерений и приборов (реометров).
При изучении структурно-механических методов обычно исследуется развитие во времени деформации, возникающей в теле под действием внешней нагрузки. Эта деформация является мерой сил внутреннего взаимодействия между элементами тела. Наиболее простой и удобный способ изучения реологических свойств заключается в построении кривых кинетики деформации – реограмм (Рис.5.1).
|
В момент приложения постоянной нагрузки в системе возникает упругая деформация ε0 (участок ОА), как мгновенная реакция системы на внешнее воздействие. После этого деформация нарастает до определенного предельного значения εm (АВ), за которым следует установившееся течение. После снятия нагрузки исчезает упругая деформация (ВС) и |
|
|
Рис.5.1. Реограмма ползучести |
восстанавливается частично эластическая деформация (СD), приближаясь асимптотически к конечному значению остаточной деформации (εост). Анализ такой реограммы позволяет вычислять некоторые независимые деформационные характеристики системы, например, модули мгновенной упругости и эластичности, вязкость, пределы упругости, прочности и др.
Наиболее важными реологическими характеристиками пищевых продуктов являются вязкость и плотность. Эти параметры тесно связаны с химическим составом, концентрацией, температурой. Поскольку абсолютную плотность (массу единицы объема продукта) измерить трудно, определяют относительную плотность – отношение массы продукта к массе воды в одном и том же объеме при одной температуре. По плотности контролируется качество молочных продуктов, ликероводочных изделий, вина, соков, растительных масел, жиров и др. Для сыпучих и мелких по размеру продуктов используется насыпная (объемная) плотность, т.е. масса единицы объема продукта при свободной укладке (насыпании).
Наиболее чувствительной реологической характеристикой продуктов, которая несет в себе значительную информацию о состоянии продукта, является вязкость – внутреннее трение между слоями жидкости в ламинарном потоке. Все однородные жидкости с небольшой вязкостью подчиняются закону Ньютона, согласно которому η не зависит от приложенного напряжения сдвига (Рис.5.2(а)). Однако течение многих пищевых продуктов не подчиняется закону Ньютона: их вязкость зависит от напряжения сдвига (Рис.5.2.(б)); такие тела называются аномально-вязкими (неньютоновскими).
|
а |
б |
|
Рис.5.2. Зависимость вязкости от напряжения сдвига для нормальной (ньютоновской) жидкости (а) и аномально-вязкой (неньютоновской) жидкости (б) |
При малых напряжения сдвига Р внутренняя структура дисперсной системы разрушается и успевает полностью восстановиться; в этой области вязкость практически постоянна и является вязкостью практически неразрушенной структуры. С ростом напряжения сдвига процессы разрушения структуры преобладают над восстановлением и вязкость резко снижается; в этой области вязкость зависит от действующего напряжения. При очень больших Р структура системы полностью разрушается и вязкость снова принимает постоянное значение, но это уже вязкость предельно разрушенной структуры, которая приближается к динамической (ньютоновской) вязкости.
Таким образом, течение реальных твердых тел наблюдается после превышения критического напряжения – предела текучести. При дальнейшем нагружении достигается предел прочности, при превышении которого твердое тело разрушается. Это явление наблюдается в таких процессах, как резание или дробление, и поэтому имеет технологическое значение. Если разрушение происходит без существенного изменения формы – говорят о хрупком разрушении; если разрушению предшествует значительное изменение формы – говорят о вязком разрушении.
Кроме деформаций, при реологических исследованиях могут измеряться и другие величины: сила, напряжение, скорость деформации, время.
2. Для экспериментального определения реологических параметров продуктов или текстурных показателей консистенции существует множество методов, которые различаются по области применения (лабораторные и производственные), виду измеряемой величины (например, реологические характеристики продукта и показатели его консистенции), принципам нагружения, степени автоматизации и др.
Для практического выбора метода измерения учитывают необходимое количество проб, точность и продолжительность измерений и другие факторы, которые зависят от конкретных конструктивных решений измерительного прибора.
Большое число реологических методов измерений предназначено для лабораторных исследований. Кроме лабораторных методов измерений для фундаментальных научных исследований реологических характеристик материалов с высокой точностью, для многократно повторяющихся исследований предпочтение отдается тем методам и приборам, которые позволяют провести измерения и обработку их результатов быстро и с минимальной зависимостью от субъективных факторов. Промышленностью ряда зарубежных стран выпускаются такие приборы, измерения на которых полностью автоматизированы с помощью компьютера, одновременно математически обрабатывающего исходные данные измерений в соответствии с выбранными моделями и уравнениями деформации и течения исследуемых продуктов, а также комплексные реологические лаборатории по названием «автоматизированное рабочее место реолога».
Методы измерений в производственном процессе требуют использования большей частью несложных принципов одномерного нагружения продукта (простой сдвиг, одноосное растяжение–сжатие и т.п.), охватывающих измерение конкретных показателей консистенции или характерных величин, которые связаны с выбранными реологическими свойствами.
Одномерное стационарное сдвиговое течение может быть реализовано при капиллярном, плоскопараллельном, цилиндрическом и торсионном течении. Измерение одномерного сдвига лежит в основе принципа действия стандартных реометров.
Известны реометры, принцип измерения которых основан на течении Стокса вокруг падающих шариков. Расчет скорости сдвига для падающих шариков в узкой трубе чрезвычайно сложен, поэтому константы прибора определяют посредством калибровки с помощью жидкости с известной вязкостью.
Для количественного определения вязкоупругих характеристик используют реометры, основанные на одномерном осциллирующем сдвиговом течении.
Для исследования сложных неньютоновских жидкостей применяют методы, которые дают быстрые, воспроизводимые результаты измерений. Такие методы приобретают особое значение при исследовании продуктов или полуфабрикатов, реологические свойства которых быстро изменяются вследствие ферментативных, химических или физиологических процессов.
Литература
Содержание
|
стр. |
|
|
Лекция 1. Органолептические (сенсорные) методы анализа |
2 |
|
Лекция 2. Оптические методы анализа |
12 |
|
Лекция 3. Электрохимические методы анализа |
17 |
|
Лекция 4. Хроматографические методы анализа |
24 |
|
Лекция 5. Реологические (структурно–механические) методы анализа |
27 |
|
Литература |
33 |