Пробоподготовка в анализе пищевой продукции.

Подготовка пробы – важный этап проведения химических анализов пищевой продукции. При подготовке пробы к анализу можно выделить три основные стадии: 1) высушивание; 2) разложение (чаще с переведением пробы в раствор); 3) устранение влияния мешающих компонентов. В зависимости от цели анализа, природы объекта и выбранного метода могут быть использованы различные модификации и комбинации этих стадий. В правильном проведении химического анализа роль подготовки пробы настолько велика, что химик-аналитик должен каждый раз оценить необходимость включения указанных стадий в схему анализа, установить условия проведения этих стадий.

Разложение образцов. Переведение пробы в раствор. Существуют методы анализа (например, некоторые спектроскопические или ядерно-физические), в которых для измерения аналитического сигнала используют анализируемые пробы, в том числе и твердые объекты, без предварительного разложения: в виде гомогенных образцов, порошков, таблеток, полученных прессованием, и т.п. В большинстве же методов анализа требуется предварительное переведение определяемого компонента в раствор.

В основе современных методов подготовки пробы лежит использование высоко активных реагентов, повышенных давления и температуры, катализа, излучений разного типа (ультразвукового, микроволнового и т.п.). Выбор способа разложения пробы и переведения ее компонентов в раствор зависят от нескольких факторов, которые необходимо учитывать при обосновании схемы химического анализа. Прежде всего обращают внимание на неорганическую и органическую природу основы (матрицы) объекта, химический состав образца, химические свойства определяемого компонента. Так, при определении одного и того же элемента (например, кобальт, цинк, железо) в пищевых продуктах способ разложения образцов определяется соответственно органической или неорганической природой объекта.

Способ разложения пробы и переведения ее в раствор определяется также целью анализа. Так, по-разному проводят пробоподготовку при элементном и функциональном анализах органических соединений; при определении общего содержания какого-то элемента (железо, хром) и его форм в различной степени окисления [железо (II) и (III), хром (III) и (VI)], а также основных компонентов образца и примесей в нем и т.д.

Способ разложения и переведения пробы в раствор во многом определяется выбранным аналитическим методом. Например, пробоподготовка при определении органических соединений в пищевых объектах хроматографическими и спектрофотометрическими методами различается.

Выбрав способ разложения пробы, необходимо оценить источники всех возможных погрешностей на этой стадии анализа. Наиболее типичные ошибки обусловлены потерей летучих компонентов при использовании высоких температур; загрязнением из материалов посуды и приспособлений для разложения проб; наличием мешающих проведению анализа примесей в реактивах и растворителях, используемых при разложении образцов.

Способы разложения издавна делят на «сухие»и «мокрые»: к первым относят термическое разложение, сплавление и спекание с различными веществами (соли, оксиды, щелочи и их смеси); ко вторым – растворение анализируемой пробы в различных растворителях, преимущественно в кислотах и их смесях.

Растворение. В идеальном случае растворитель должен растворять пробу быстро, в достаточно мягких условиях и не мешать на последующих стадиях анализа.

Лучший растворитель – вода. Многие неорганические соли (особенно соли щелочных металлов, аммония и магния) и некоторые органические соединения (низшие и многоатомные спирты, аминокислоты, гидрохлориды аминов, соли щелочных металлов органических кислот, мочевина и т.п.) легко растворяются в воде. Иногда в воду добавляют немного кислоты для предотвращения гидролиза и частичного осаждения некоторых катионов металлов. В отдельных случаях для растворения органических веществ используют смесь воды и смешивающегося с ней органического растворителя (например, смесь воды и этанола).

Для растворения органических компонентов пищевых продуктов применяют органические растворители. Как правило, это спирты, хлорированные углеводороды, кетоны. Так, для растворения жиров используют диэтиловый эфир и хлороформ.

При «мокром» способе разложения пробы пищевого продукта часто применяют различные кислоты и их смеси при нагревании. При этом в пробу не вводят посторонние катионы; а сами кислоты сравнительно легко удаляются из сферы реакции при нагревании. Кислоты в зависимости от их природы и концентрации могут проявлять окислительные (конц. HNO₃ и H₂SO₄) или комплексообразующие свойства (HF и H₃PO₄). Иногда в кислотах добавляют H₂O₂ , органические оксикислоты и т.п. Наиболее часто используемые для растворения кислоты и их смеси.

При разложении проб растворы гидроксидов, карбонатов щелочных металлов или аммиака применяют значительно реже, чем кислоты. Эти соединения используют для перевода в раствор анионов; при этом многие неорганические катионы и органические соединения, входящие в состав образца, остаются в осадке.

Растворение проб пищевой продукции часто проводят в автоклавах, что имеет определенные преимущества: обеспечивается разложение веществ, не взаимодействующих с реагентами при обычных температуре и давлении; уменьшается количество расходуемых реагентов; увеличивается скорость разложения; удается избежать потерь летучих продуктов реакции, за исключением газов после охлаждения автоклава и его разгерметизации.

Для ускорения разложения кислотами иногда используют катализаторы. Так, окисление органических материалов концентрированной серной кислотой ускоряется в присутствии CuSO₄, HgSO₄ и H₂SeO₃.

В отдельных случаях для растворения продуктов используют ферменты. Один из способов растворения белков - гидролиз в присутствии трипсина, папаина и других протеаз.

Выбор «сухого способа» разложения (сплавление, спекание и термическое разложение) определяется задачей анализа и природой пищевого объекта. «Сухой способ» используют тогда, когда «мокрый» способ не дает удовлетворительных результатов. Сухой способ менее предпочтителен, чем растворение в кислотах, поскольку возрастает вероятность и величина погрешностей, особенно при сплавлении. Это связанно, во-первых, с высокой температурой обработки образца и отсюда с большими потерями летучих веществ и разрушением материала посуды, а следовательно, загрязнениями пробы. Во-вторых, источником ошибок может служить большой (по сравнению с массой пробы) избыток разлагающих агентов. При этом происходит загрязнение анализируемого материала, а растворы после обработки сплава содержат много солей, которые могут мешать определению компонентов на последующих стадиях анализа.

Термическое разложение. Это разложение пробы продукта при нагревании, сопровождающееся образованием одного или нескольких компонентов газообразной фазы. При разложении анализируемого вещества образуются промежуточные и конечные продукты, которые характеризуют состав и часто структуру исходного соединения и могут быть использованы для определения его количества.

Химическая природа и количество продуктов термического разложения зависят не только от состава и строения исходного соединения, температуры и скорости нагревания, но также от химического состава газообразной фазы, находящейся в контакте с разлагаемым веществом. Термическое разложение можно проводить как в отсутствие (пиролиз), так и в присутствии (сухое озоление) веществ, реагирующих с разлагаемым соединением.

При пиролизе органических компонентов пищевой продукции характеристические фрагменты органических соединений появляются, главным образом, в интервале 300-700^оС. При более высоких температурах увеличивается степень образования простых веществ, таких, как CH₄, CO, CO₂, H₂O. Неорганические вещества разлагаются, как правило, при более высоких температурах 1000-1500 ^оС. Скорость нагрева должна быть большой: при медленном повышении температуры образовавшиеся продукты разложения могут вступать в реакции.

Пиролиз проводят в атмосфере инертного газа (азот, гелий) или в вакууме. Осуществляют пиролиз различными способами: прокаливают пробу в тигле или небольшой лодочке в печи; наносят образец на металлическую проволоку или спираль и нагревают их до нужной температуры; помещают вещество в вакуумированную или заполненную инертным газом стеклянную или кварцевую трубку и также нагревают ее до необходимой температуры. Помимо указанных, часто используемых, способов применяют термическое разложение при облучении лазером или потоком электронов высокой энергии нагревание смеси пробы с ферромагнитным материалом (например, порошком железа) в высокочастотном электрическом поле и т.д.

При термическом разложении с окислением (сухое озоление) в качестве окислителя часто используют кислород. Сожжение в кислороде применяют в основном при определении органических компонентов пищевой продукции, а также некоторых неорганических компонентов. Выбор условий проведения окисления (в открытых или закрытых сосудах, в потоке кислорода или воздуха и т.д.) зависит от химической природы анализируемых компонентов пищевой продукции и последующих определений.

Простейший метод разложения проб с окислением – прокаливание на воздухе в открытых чашках или тяглах при 500-600^оС. Такой способ используют при определении неорганических компонентов в пищевых объектах, например примесей металлов в пищевых продуктах. При определении элементов в виде летучих продуктов окисления, особенно при элементном анализе органических компонентов пищевой продукции, сжигают пробу в токе кислорода или воздуха. Очищенный, сухой кислород смешивают при этом с инертным газом-носителем (азот, гелий т.д.).

При озолении в пробу иногда вводят вещества, которые ускоряют окисление, предотвращают улетучивание некоторых компонентов пробы, препятствуют взаимодействию компонентов анализируемого образца с материалом тигля, чашки или лодочки, в которых пробу сжигают. Так, в качестве катализаторов при сухом озолении используют платину, палладий, никель или V₂O₅. для уменьшения потерь летучих компонентов к пробе добавляют серную кислоту, иногда карбонаты или оксиды щелочных металлов.

Окисление анализируемых пищевых продуктов можно проводить в закрытых стеклянных или кварцевых сосудах как при нормальном, так и при высоком (кислородные бомбы) давлении. При таком способе сухого озоления окисление проходит быстрее и полнее. Важно также, что продукты реакции поглощаются находящимся в сосуде подходящим адсорбентом или раствором прежде, чем открывают реакционный сосуд. Это дает возможность избежать потерь летучих компонентов, более точно провести определение. В отдельных случаях при окислении пробы вместо или одновременно с кислородом используют другие окисляющие соединения. Так, при определении азота сжигают пищевой продукт в присутствии CuO в токе CO₂ (метод Дюма).

Реже проводят термическое разложение проб продуктовс использованием восстановления водородом или аммиаком. Этот метод разложения используют и в анализе пищевой продукции при определении галогенов, серы и азота.

Способы нагрева сосудов, в которых проводят разложение пробы продукта, техника эксперимента, методы определения продуктов сухого озоления в этом способе термического разложения практически те же, что и при пиролизе. В последние годы для термического разложения проб используют микроволновые печи, что приводит чаще всего к значительному ускорению процесса разложения. Примеры термического разложения проб приведены в таблице 1.

Итак, выбор способа термического разложения определяется задачей анализа, природой разлагаемого вещества, выбранным методом определения компонентов, наличием необходимой аппаратуры.

Таблица 1