Általános élelmiszer-technológiai elnök Prof
Általános élelmiszer-technológiai elnök Prof. Dr. K.-H. Engel szemináriumi dokumentumok (W. Weiss) A 280 nm, 250 nm, 220 nm
Élelmiszerkémiai szeminárium Walter Weiss 2011/12-es téli félév; Zsírsav spektrum) Enzimatikus analízis Optikai módszerek (UV/Vis fotometria) Gyors módszerek (tesztcsíkok, reflektometria) Kromatográfiai elválasztási technikák (TLC, GC, HPLC) 2. alkalmazási példák
Módszerek 1) Klasszikus, többnyire nedves kémiai folyamatok, többnyire gravimetrikus/titrimetrikus (mérés: nagyon pontos!) Gyakran: hivatalos módszer (választottbírósági vagy referenciamódszer) vészhelyzetek esetén (pl. Ha egy automatikus analizátor meghibásodik) alacsony sebességet és eszközköltségeket használnak gyakran a nagy sebességű módszerek kalibrálásához Hátrányok/korlátozások: többnyire csak összegparaméterek (zsír, fehérje stb.) Határozhatók meg, munkaigényesek és időigényesek, magas vegyszerfogyasztás; Hulladékkezelés (drága) 2.) Gyors azonosítási módszerek pl. Sűrűség vagy térfogat mérés; Refraktometria; Vizsgálati botok (merítő bot); Reflektometria; TLC (félkvantitatív) gyors, olcsó -> rutinanalízishez, többnyire folyamatszabályozáshoz az LM gyártása során, ideális határérték túllépésének vagy aláesésének észleléséhez vagy elemzési minták előválasztásához Hátrány: kevésbé precíz, mint a referencia módszerek 3) Instrumentális (részben vagy teljesen automatizált) HPLC módszerek, GC, FT-IR, NMR, enzimatikus analízis, ELISA zt több paraméter (zsír, cukor, fehérje; pl. Milkoscan vagy Winescan használata) egyidejű meghatározása többnyire nagyon gyorsan; részben nagyon precíz hátrányai a magas beszerzési (eszköz) költségek is gyakori kalibrálás szükséges bonyolult értékelés 4
Példa: sűrűségmeghatározási módszer piknométer (referenciamódszer, gravimetrikus) hajlító oszcillátor (műszeres analízis, teljesen automatizált) hidrométer (gyors módszer, volumetrikus) 5
Reprezentatív minta/átlagos sajtkenyér minta: homogenizálja a szegmenst (süteménydarab) Tej Tej: krémek feltöltése -> óvatosan keverje össze (kerülje a levegőbe jutást, különben változtassa meg a sűrűségét!) Kolbász; növényi étel: távolítsa el az ehetetlen részeket (bőrt, héjat)! 7.
Ásványi anyagok (hamu) meghatározása Főként két módszer: száraz égetés nedves (nedves) mineralizálás 1) száraz égetési hamu = a szerves anyag teljes elégetése után visszamaradó maradék (= főleg ásványi anyagok; esetleg homok is!) Munkamódszer: porcelán vagy platina tégely izzítsa meg és mérje meg a mintát, mérje le a porcelán/platina tégelyben, amely IR-sugárzóval + Bunsen-égővel párosodik, majd a szerves anyagot kb. 520-550 ° C-on égeti a mufferkemencében; Szükséges idő: 2-3 óra Hőmérséklet: 550 C illékony! (-> Sóveszteség!) Teljes elégetés után: Hagyja lehűlni a tégelyt az exszikkátorban, és mérje vissza. Leginkább: Reakciógyorsítók (elégetéshez szükséges segédanyagok) hozzáadása pl. H 2 O 2, Mg acetát Magnézium-acetát: - peroxidképződés -> oxigénhordozó - termikus bomlás -> duzzanat -> felületnövekedés -> jobb levegőhozzáférés -> a szerves anyag gyorsabb égése Hátrány: Mg acetát nem ég maradéktalanul -> vakpróba Mg acetáttal szükséges korlátozás Nem alkalmas erősen illékony fémek (különösen mérgező nyomelemek, pl. As, Hg, Cd, Pb vegyületek) meghatározására, mivel túl nagy veszteségek -> ebben az esetben: végezzen nedves mineralizációt 8
2) Nedves (nedves) mineralizáció (nedves elégetés) Nedves (nedves) mineralizáláskor az analitot illékony oxidálószerekkel kezeljük a hőben, amíg az összes szerves anyag el nem bomlik. Általában nyomástartó edényben vagy visszafolyató hűtés alatt -> a veszteségeket nagyrészt elkerüljük Oxidálószerek: konc. Kénsav + salétromsav Perklórsav (60%) 65% salétromsav (HNO 3) ritkábban: 50% hidrogén-peroxid (H 2 O 2) Fő alkalmazási terület: Mintakészítés erősen illékony (különösen mérgező) nyomelemek meghatározására. Tényleges kvantitatív meghatározás: atomabszorpciós spektroszkópia (AAS) segítségével ) Atomizer reflux készülék Az AAS vezeték forrása (üreges katódlámpa) Monokróm detektor Nyomás emésztő edény Láng minta nélkül Láng sótartalmú mintával Folyamatos, valamint az emissziós és abszorpciós spektrum 9
Előnyök viszonylag olcsó (szárítószekrény, mérlegek, alumínium edények, tengeri homok) párhuzamos módszer (több tucat minta egyidejű elemzése) viszonylag kevés erőfeszítés az értékek jó reprodukálhatósága -> gyakran referenciamódszerként írják elő (hivatalos módszer) Hátrányok hosszú időveszteség (3-4 óra) mások illékony anyagokat (alkoholokat, illóolajokat) is feljegyeznek. Valójában nem a víztartalmat, hanem a szárítás veszteségét határozzák meg -> ha szükséges, ajánlott a kémiai vízmeghatározási módszerrel történő kalibrálás (pl. Karl Fischer szerint). Termikusan instabil anyagok (pl. méz) esetében a Bomlás vagy kémiai reakciók (pl. Maillard-reakció) Változat: vákuumszárító szekrény 70 C-on 2) Infravörös szárítás A szárítószekrényes módszerrel gyorsabb előnyök (10-30 perc) integrált mérlegekkel kombinálva automatizálhatók; On-line mérési hátrányok Csak vékony rétegben alkalmazza a mintát. Kalibrálás referenciamódszerrel (pl. Szárítószekrény tengeri homok vagy Karl Fischer módszer) szükséges Alkalmazási területek Gyors módszer, különösen élelmiszer-előállítás során pl. húskészítményekhez, halhoz IR szárító 3) Mikrohullámú szárítás Előny: nagyon kevés idő szükséges (5-10 perc) Hátrányok: hasonlóan az IR szárító mikrohullámú szárítóhoz 12
4) Azeotrop desztillációs elv: Az ételben lévő vizet az elemzési mintából hidrofób folyadékkal (traktor), általában toluollal vagy xilollal desztillálják. Mérőcsőben végzett kondenzálás után az elválasztott víz térfogata leolvasható. Nagy mintamennyiségek előnyös felhasználása lehetséges -> ideális inhomogén élelmiszerekhez (pl. Savanyú káposzta) vagy magas zsírtartalmú, nagyon viszkózus mintákhoz (pl. Krémek) Hátrány viszonylag pontatlan, mivel a térfogatmérés reflux kondenzátor kondenzvízmintája traktor fűtőlemez skálájával 5) Speciális módszerek a víz hozzáadásának meghatározásához 5.1 Krioszkópia (fagyáspont meghatározása) ) Alapelv: Az oldat (pl. Tej) fagyáspontját víz hozzáadásával megemeljük -> A hígítás kimutatása/mennyiségi meghatározása Előnyök elvileg nagyon pontosak; a legjobb módszer tejjel automatizálható (ebben az esetben is nagyon gyorsan) Hátrány nagyon pontos hőmérsékletmérés szükséges (tejjel: kb. 10% -os vízadagoló krioszkóp; 30 minta/óra 13
5.2 Egyéb módszerek a víz hozzáadásának detektálására Sűrűségmérés (piknométer, hidrométer, hajlító oszcillátor) Refraktometria (pl. Szérum refrakció a tejben) Alapelv: Az oldat sűrűsége vagy törésmutatója víz hozzáadásakor változik. A változás (bizonyos határokon belül) arányos a hozzáadott víz mennyiségével Előny: nagyon gyors mérés (kivétel: piknométer) Megjegyzés: pontos hőmérséklet-szabályozás szükséges, mivel a térfogat (mérés) erősen hőmérsékletfüggő! ÖSSZEFOGLALÓ: Vízmeghatározás - miért? Hamisítás vagy hígítás igazolása (tej!) Az élelmiszerek eltarthatósága a víztartalomtól (pontosabban: a vízi aktivitástól) függ (-> mikroorganizmusok; enzimaktivitások) A fűtőérték kiszámításához: A szénhidrát meghatározása általában nehéz -> ezért gyakran:% KH = 100 - (víz + Zsír + fehérje + hamu), mindaddig, amíg az élelmiszerben nincs nagyobb mennyiségű egyéb komponens (pl. Étkezési rost) 14
Fehérje- és aminosav-analízis A fehérjék aminosavakból állnak; nitrogéntartalmuk csak szűk határok között ingadozik (N 15-18%; ø 16%). elhanyagolható Ezen okok miatt az élelmiszer fehérjetartalmát általában annak nitrogéntartalma határozza meg. A gyakorlatban két módszer: a) Kjeldahl szerint b) Dumas módszer szerint Kjeldahl konc. H 2 SO 4 + Kat. + T H 3 BO4 4 HCl + NaOH Egyszerűsített ábrázolás! A minta konc. A kénsav oxidatív módon emészthető katalizátor (főleg réz-szulfát) jelenlétében. K2S04 további hozzáadása a forráspont növeléséhez (kb. 370 C!) -> a fehérje-nitrogént ammónium-szulfáttá alakítják: konc. H 2 SO 4 protein-nitrogén (NH 4) 2 SO 4 katalizátor, T Az emésztés befejezése után: Hagyja lehűlni a lombikot (!). Dist hozzáadása után A felesleges víz és NaOH (ellenőrizze a lúgos reakciót!) Az ammónium-szulfátból [(NH 4) 2 SO 4] ammónia (NH 3) szabadul fel (az erős bázikus NaOH kiszorítja a gyenge NH 3 bázist sójából), és gőz desztillációval savas vevő (főleg bórsav) eltúlzott (NH 4) 2 SO 4 + 2 NaOH 2 H 2 O + 2NH 3 + Na 2 SO 4 15
A hűvösebb NH 3-at a vevőben lévő bórsav (gyenge sav) köti meg: H 3 BO 3 + NH 3 (NH 4) H 2 BO 3 (egyszerűsített ábrázolás) A megkötött ammónia (NH 3) mennyiségét 0,1 M titrálással határozzuk meg. Sósav (HCl) (kiszorítási titrálás) meghatározza (NH 4) H 2 BO 3 + HCl NH 4 Cl + H 3 BO 3 (egyszerűsített ábrázolás) NaOH felesleg Kjeldahl-lombik H 3 BO 3 Gőz desztilláció A HCl-fogyasztás lehet Számítsa ki a minta N nitrogéntartalmát, és ebből a nyers fehérjetartalmat egy LM vagy fehérje-specifikus F faktor (Kjeldahl faktor) (általában 6,25) segítségével: Élelmiszer LM/fehérje-specifikus F faktor 6,38 hús, hal, tojás 6, 25 zselatin 5,55 dió 5,40 P = N x F Példa: N-tartalom (tojás) = 2,0% fehérjetartalom = (2,0 x 6,25)% = 12,5% 16
Készülékberendezés Kjeldahl - eredeti készülék Hagyományos készülék párhuzamos elemzésekhez Teljesen automatikus készülék több elemzéshez 17
Nitrogénmeghatározás a Dumas-elv szerint A mintában található szerves anyag teljes oxidációja oxigén atmoszférában történő égés útján 900 C - 1000 C hőmérsékleten. Az égési gázokat (CO 2, H 2 O, NO x és N 2 forró rézen vezetik át oxigén hozzáadására) távolítsa el és alakítsa át a meglévő nitrogén-oxidokat (NO x) nitrogénné (N 2). A keletkező gázelegyet CO 2 -/H 2 O csapdán vezetik át. A fennmaradó N 2 volumetrikus (hagyományos módszer) vagy - teljesen automatikus készülékekben - hővezető detektor segítségével és a fehérjetartalmat a nitrogén mennyiségéből egy konverziós képlet segítségével határozzuk meg. Készülék felépítése (elv) O 2 CO 2 N 2 CuO + CuO Cu hálózati anyag kb. 900 CN 2 OO 2Cu + 2NO 2CuO + N 2 50% KOH Előnyök a Kjeldahl-hoz képest Módszer Rendkívül rövid elemzési idő (mintánként csak 3-5 perc) Nincs szükség agresszív vegyszerekre Magas fokú automatizálás Ideális sorozatelemzésekhez Hátrányok Magas inv beruházási költségek; Ezenkívül az amino (fehérje) nitrogén mellett nagy tisztaságú gázokat, egyéb nitrogénvegyületeket (pl. Nitrovegyületeket (R-NO 2)) is rögzítenek az egyedi elemzésekhez: Kjeldahl-módszer olcsóbb 19
Automatizált nitrogénmeghatározás a Dumas Probe Helium O 2 szerint - kemence vízkondenzátor réz TCD GC oszlopdetektor CuO CO 2 - eltávolítás 20
Speciális fehérje- és aminosav-meghatározási módszerek Példák: Kolorimetriás-fotometrikus fehérje-meghatározási módszerek (pl. Lowry vagy Bradford szerint) Formol-titrálás Hidroxiprolin-meghatározás (kötőszövet) Festékkötési módszer Bradford-elv szerint: Fehérjék és savas pH jelenlétében -> A CBB 250 G abszorpciós maximumának eltolódása 465 nm-ről 465 nm-re 595 nm (vörös-ibolya) -> fotometriai meghatározás Kalibrációs görbe Coomassie Brilliant Blue 250 G Alkalmazási terület: Főleg a klinikai kémia és a biokémia területén; ritkábban az élelmiszerelemzés során (korábban: a tej fehérjetartalmának meghatározása) Formol-titrálás A szabad aminosavak összefoglaló rögzítéséhez pl. gyümölcslében A képletszám azt a 0,1 M NaOH-oldat milliliterben kifejezett mennyiségét jelöli, amely a H + -ionok semlegesítésére szolgál, amelyek felszabadulnak, ha 100 ml vizsgálati folyadék R-CH-COO - + vizes formaldehid-oldattal reagál. 2 HCHO R-CH-COO - + H + II NH3 + N- (CH 2OH) 2 aminosav-formaldehid-titrálás 0,1 M NaOH-val 21
Hidroxiprolin (kötőszövet) meghatározása A 4-hidroxiprolin aminosav csak a kötőszövetben fordul elő, állandó, kb. 12,5% arányban. Ezért felhasználható a kötőszövet (ín, porc, bőr) arányának meghatározására a húskészítményekben. Alapelv Hidroxiprolin (I ) savas hidrolízissel szabadul fel a kötőszöveti fehérjéből, és kloramin T segítségével pirollá (II) oxidálódik. Ez az oxidációs termék vörös színű (IV) kondenzációs terméket képez p-dimetilaminobenzaldehid (III) hozzáadásával, amelynek koncentrációját fotometrikusan határozzák meg 558 nm-en. Ökör. (I) (II) (III) (IV) Színreakció (lásd fent) + + 6N HCl Savfehérje hidrolízis Fotometriai mérés Olvassa le a hyp koncentrációt a kalibrációs görbéből 22
Az egyes cukrok vékonyréteg-kromatográfiás kimutatása AV 1 V 2 A Élelmiszer cukorösszetételének meghatározása gyors, könnyen használható, olcsó és megbízható módszer A foltméret és intenzitás lehetővé teszi az egyes cukrok mennyiségének félkvantitatív becslését, amelyet gyakran a minták előválasztására is használnak további elemzésekhez. Az egyes cukrok enzimatikus meghatározása UV fotometriai vizsgálatok a monoszacharidok (pl. Glükóz, fruktóz), diszacharidok (szacharóz, laktóz, maltóz) és poliszacharidok (keményítő, inulin) meghatározására Előnyök: az egyes cukortípusok rendkívül specifikus meghatározása keverékekben 24
A POZ meghatározásának elve meghatározott mennyiségű kloroformban/jégecetben oldott zsírminta, kálium-jodiddal (KI) elegyítve hidroperoxidokkal redoxireakció során hidroperoxidokkal szabad jódot (I 2) állítanak elő (-> sárgásbarna színű). A nátrium-tioszulfáttal titrálva előállított I 2 mennyiségének meghatározása Standard oldat (indikátor: keményítő) R 1 - CH-R 2 + 2 I + 2 H + R 1 -CH-R 2 + H 2 O + I 2 II OOH OH I 2 + 2S 2 O 3 2-2I - + S 4 O 6 2- Epihidrin vagy malondialdehid detektálása/meghatározása A hidroperoxidok további reakciója vagy bomlása -> aldehidek/ketonok Az egyes aldehidek kimutatása a bomlási lánc végén (különösen az epihidrin és a malondialdehid) egy színreakció révén megy végbe (minél intenzívebb a szín, annál több az aldehid) rendelkezésre áll) vagy HPLC + 2 malondialdehid segítségével (tautomer az epihidrinaldehiddel szemben) 2-tiobarbitursav színű/fluoreszcens kondenzációs termék + + + 32
Egy olaj/zsír oxidációs készültsége önmagában csak korlátozottan enged megfogalmazni egy olaj tárolási stabilitását, mivel a gyökfogók (pl. Tokoferolok, E-vitamin) tartalma szintén fontos szerepet játszik (ezek a gyökfogók gátolják az autoxidációt) Az autoxidáció felgyorsulása ezen antioxidánsok fogyasztása után -> mérés oxidációs készség magas hőmérsékleten történő tárolás után a POZ meghatározásával vagy a Rancimat segítségével. A zsírok/olajok oxidációs stabilitásának meghatározása a Rancimat segítségével. Légáram áthaladása a mintán 50 220 C-on (zsírtól/olajtól függően). Az illékony oxidációs termékek (beleértve az illékony savakat is) abszorpciós oldattal a mérőedényben levő levegőáramra, majd vezetőképességi méréssel 120 C 110 C mérőszondával 100 C levegőbemeneti reakcióedény olaj/zsír minta fűtőblokk (50-200 C) mérőcella abszorpciós oldattal (víz) Rancimat: sematikus szerkezet 0 5 h 10 óra 15 óra indukciós idő 120 ° C-on C 3 h 110 C 6 h 100 C 12 h Az autoxidáció indukciós ideje a zsír/olaj hőmérsékleti terhelésétől függően Vezetőképesség Rancimat mérőberendezés Indukciós idő 33