Исследование методом газовой хроматографии состава паровой фазы масла сладко-сливочного крестьянского, выработанного на предприятиях Вологодской области

Состав летучих веществ масла и молочного жира начали исследовать еще в 50-х годах ХХ века. К 1996 году было опубликовано 46 работ, в которых установлено почти 290 различных соединений [1-3].

Использованы разные варианты подготовки проб масла (прямой анализ паровой фазы, вакуумная перегонка, перегонка с водяным паром, флюидная жидкостная экстракция). Для идентификации наиболее часто использовано сочетание газовой хроматографии и масс-спектрометрии(GC-MS) и ольфактометрии (GC/MS-O) [5-10]. Показано, что наибольший вклад во вкус и аромат масла вносят соединения: диацетил, масляная, гексановая и декановая кислоты, гексаналь, ацетальдегид, диметилсульфид, δ- лактоны 8,10,12 и 14 атомами углерода, 2- гептанон, 2-нонанон, фенол, индол и скатол.

Образование привкуса пастеризации по данным многочисленных исследований [6], является результатом взаимодействия молочных белков, углеводов и жиров, свободных аминокислот, жирных кислот и других компонентов сливок в процессе их тепловой обработки. При этом образуется множество новых соединений, способных придавать сливкам множеством вкусовых и ароматических оттенков, которые в совокупности воспринимаются как единый вкусовой букет, по существующей терминологии «сливочный вкус с выраженным привкусом пастеризации» являющийся обязательным признаком высококачественного сладко-сливочного масла отечественного производства.

Позднее было замечено, что эффективность температурного воздействия усиливается фактором времени, т.е. продолжительностью выдерживания горячих сливок. При этом было замечено, что максимально доступные температуры нагревания сливок и длинные выдержки не всегда обеспечивают получение желаемых результатов.

При этом было установлено, что в формировании «привкуса пастеризации» сладко-сливочного масла участвует множество разнообразных вкусо-ароматических веществ (ВАВ) [5, 7, 12].

Сульфогидрильные соединения (свободные) являются основными в формировании привкуса «пастеризации» молочных продуктов, включая сливочное масло. Эти вещества – белковой природы, водорастворимы.

Карбонильные соединения – это альдегиды: алифатические насыщенные и ненасыщенные от С1 до С11 (формальдегид, ацетальдегид, пропионовый, масляный, изомасляный, валериановый, капроновый, каприловый, кротоновый и др.), ароматические и жирноароматические (бензойный, фенилуксусный, фурфурол и др.); кетоны - алифатические насыщенные и ненасыщенные от С3 до С15 (ацетон, ацетоин, диацетил, бутанон-2, гептанон-2 и т.д.), ароматические и пр.

Некоторые из ненасыщенных альдегидов имеют неприятные запахи – кормовой, окисленный и т.д. Низшие алифатические кетоны и дикарбонильные соединения (ацетон, гексанон-2, виниламилкетон, глиоксаль и др.) являются резкопахнущими жидкостями. В небольших концентрациях ацетон, пентанон-2 и гексанон-2 обладают приятными характерными запахами. Высшие кетоны с 11-15 атомами углерода имеют сильные приятные запахи, жироароматические кетоны – грубые.

Именно наличие этих соединений и их количественное соотношение предположительно является причиной различных вкусовых пороков сливочного масла.

Карбоновые кислоты, участвующие в формировании вкуса и запаха – это свободные летучие жирные кислоты (СЛЖК), включая муравьиную, уксусную, пропионовую, масляную, каприловую, каприновую и др., образующиеся в результате тепловой обработки сливок, гидролиза молочного жира под действием микрофлоры, окислительных реакций молочного жира, дезаминирования аминокислот, про-текаемых при выработке и хранении масла.

СЛЖК С1–С3 обладают раздражающим, резким запахом и вкусом, С5–С10 - неприятным прогорклым, затхлым, вяжущим. При сильном разбавлении некоторые из СЛЖК имеют слабые приятные (сливочный, ореховый, сырный и т.д.) вкус и запах.

Кроме жирных кислот с короткой цепью, молочные продукты содержат жирные 2-кетокислоты, жирные 4- и 5-оксикислоты, которые могут усиливать приятные и неприятные вкусовые оттенки масла [5, 7, 12].

В сливочном масле свободные карбоновые кислоты образуются в результате реакции меланоидинообразования.

Лактоны – активно участвующие в формировании привкуса «пастеризации» сливочного масла, представляют собой циклические сложные эфиры оксикарбоновых кислот, они жирорастворимы.

Вкус и запах лактонов зависят от их строения и концентрации. Лактоны d-(С8-С14) и g-С12 в небольших концентрациях обладают приятным вкусом и запахом – орехов, сливок, солода, карамели, персиков и малины. При высоком содержании некоторые из них могут придавать продуктам нежелательные привкусы – несвежий, кокосового ореха и др. [4].

Значительные изменения при нагревании молока и сливок вызываются ме-ланоидиновыми реакциями, в результате взаимодействия между редуцирующими сахарами и свободными аминокислотами.

Выраженность этого привкуса в сливочном масле зависит от активности и завершенности протекающих реакций, температуры и продолжительности ее воздействия на сливки.

Материалы и методика исследований.

Исследовали товарные образцы масла сладко-сливочного Крестьянского (массовая доля жира 72,5 %), выработанного в соответствии с ГОСТ Р 52969-2008 [9]. Пробу масла массой 3,0±0,05 г помещали в специальный флакон емкостью 15 мл и герметично закрывали винтовой крышкой с двойной прокладкой (фторопластовая пленка толщиной 0,1 мм + резиновый вкладыш из бутилового каучука толщиной 1 мм). Крышка имеет отверстие для ввода иглы шприца.

Флакон с пробой масла помещали в специальный термостат для проб с регулируемой температурой (диапазон регулирования температуры – +20-+150 оС. Точность поддержания температуры ±0,1 оС. Время термостатирования – от 15 до 60 минут при периодическом встряхивании (для установления равновесного давления пара летучих компонентов). Далее паровую фазу масла отбирали с помощью газоплотного шприца Hamilton, помещенного в специально изготовленный термостатирующий корпус с регулируемой температурой (V паровой фазы = 1,5 мл; диапазон регулирования температуры – +20-+150 оС; точность поддержания температуры ±0,1 оС).

Предварительными исследованиями установлено, что при времени термостатирования до 60 минут наблюдается сильное увеличение(~ 90 % максимального значения) суммарного отклика (а также уровней сигналов отдельных пиков). При более длительном прогревании (до 200 мин) – изменения не значительны(~ 10 %).

Поэтому в дальнейшем перед отбором паровой фазы для последующего анализа все образцы масла выдерживали в термостате 60 минут.

Для исследований образцов сливочного масла использован газовый хроматограф Clarus 500 фирмы PerkinElmer, оснащенный капиллярной колонкой Elite-FFAP (PerkinElmer) (длина колонки – 30 м; внутренний диаметр (ID) – 0,25 мм; толщина пленки НФ – 250 μм; неподвижная фаза (НФ) – полярная (сшитый полиэтиленгликоль, модифицированный нитротерефталевой кислотой). Детектор пламенно-ионизационный (ПИД) - температура - 250 °С;

инжектор (испаритель) в режиме программирования потока) температура – 150 °С; поток (режим программирования потока): 0,5 см3 /мин; начальный газа-носителя (азот) – 14,9 см/мин; обдув септы – 4 см3/мин; общий поток – 29 см3/мин; деление потока – 1:50; водорода - 45 см3/мин и воздуха - 450 см3/мин;

программирование температуры термостата колонок - 40 °С (0 мин); 150 °С (0 мин) => нагрев со скоростью 15 град/мин до 200 °С; 200 °С (5 мин).

Параметры удерживания веществ в колонке хроматографа и величину сигнала детектора (площадь пика на хроматограмме) вычисляли с помощью программного обеспечения TotalChrom (версия 6.2.1).

Количественная характеристика содержания индивидуального компонента или их суммы в спектре вкусо-ароматических веществ выражалась через площадь газохроматографического пика с размерностью микровольт-секунда (μV.с). Расчеты концентраций выполняли методом внутренней нормализации.

Результаты исследований и их обсуждение.

Примеры хроматограмм приведены на Рисунке 1 (а, б, в).

Рис. 1. Хроматограммы паровой фазы масла различных производителей в режиме программирования температуры колонки: а) ЗАО «ПТК «Северное молоко»;

б) ПК «Вологодский молочный комбинат», г. Вологда;

в) ООО СХП «Устюгмолоко».

Идентификацию летучих компонентов паровой фазы масла проводили путем сравнения литературных данных по линейным индексам удерживания (LRI) кандидатов со значениями LRI обнаруженных веществ [11,12].

Линейные индексы удерживания (LRI) в режиме программирования температуры рассчитывали по уравнению [12]:

где N —

'

t R , x t R , N

LRI = 100 • [ N + ( t R , x t R;N ) ] ⁽ t R , N + 1 t R , N )

число атомов углерода в н- алкане с более короткой цепочкой;

t R , N + 1

исправленные времена удерживания анализируемого вещества –

х, н- алканов, выходящих до и после него, соответственно.

Результаты идентификации летучих компонентов паровой фазы масла, а также их относительное содержание в различных образцах приведены в Таблице 1.

Таблица 1 - Параметры удерживания и состав летучих веществ образцов масла сладко-сливочного Крестьян- ского

(D и s E и Z (D KO О to Ol z	Соединение	ЗАО «ПТК Северное молоко»			ПК «Вологодский молочный комбинат»			ООО СХП «Устюг-молоко»			u z 8! -8 ^ z Q. U	Линейный индекс удерживания -LRI
		z s z *•	ro X s E d ro о E E	z b о (D z 1 -5 ro o' Q. (D d о и	z z z *•	ro X z E d ro о E E	Z ь о (D z 1 -5 ГО o' Q. d о и	z z z *•	ro z E d ro о E E	Z ь о (D z 1 -5 ГО o' Q. V d о и		О z d >z ro X	Спра-воч-ные данные [11]
1	этаналь		0	0,0	0,48	152	4,0		0	0,0	0.48	713	710
2	диметил-сульфид	0,67	130	1,6		0	0,0		0	0,0	0,67	756	761
3	2- пропанон	1,11	2106	26,0	1,12	1842	48,2	1,12	1955	56,6	1,12	832	822
4	н- бутаналь	1,67	901	11,1	1,60	56	1,5		0	0,0	1,64	897	883
5	2- бута-нон	1,72	305	3,8	1,76	114	3,0	1,76	90	2,6	1,75	907	901
6	метанол	1,89	108	1,3		0	0,0	1,90	369	10,7	1,90	919	909
7	2- пропанол		0	0,0	2,05	176	4,6	2 06	258	7,5	2,05	931	933
8	Этанол	2,16	821	10,1	2,16	309	8,1	2,17	313	9,1	2,16	939	936
9	н- пента-наль	2,90	298	3,7	2,90	261	6,8	2,90	127	3,7	2,90	997	981
10	2- буте-наль	3,64	1177	14,5	3,65	421	11,0		0	0,0	3,65	1046	1035
11	3- гептанон	5,53	1934	23,8		0	0,0		0	0,0	5,53	1148	1160

(D и s E и Z (D KO О to Ol z	Соединение	ЗАО «ПТК Северное молоко»			ПК «Вологодский молочный комбинат»			ООО СХП «Устюг-молоко»			u z 88 -8 E X s S’	Линейный индекс удерживания -LRI
		z s z *•	ro X s E d ro о E E	z b о (D z 1 -5 ro o' Q. (D d о и	z z z *•	ro X z E d ro о E E	Z ь о (D z 1 -5 ГО o' Q. d о и	z z z *•	ro X z E d ro о E E	Z ь о (D z 1 -5 ГО o' Q. V d о и		О z d >z ro X	Спра-воч-ные данные [11]
12	2- гептанон	6,22	143	1,8	6,22	233	6,1	6,22	343	9,9	6,22	1178	1182
13	н- гептаналь	6,71	189	2,3	6,68	261	6,8		0	0,0	6,70	1200	1192
Общая площадь:			8112	100,0		3825	100,0		3454	100,0

Масло Крестьянское сливочное (ЗАО «ПТК «Северное молоко»)

Вклад альдегидов и кетонов в общее содержание летучих веществ паровой фазы исследованных проб масла составляет в сумме ~ 88 %, а спиртов ~ 11 %. Основными летучими веществами являются: ацетон (26 %), 3- гептанон (23,8 %), 2- бутеналь (14,5 %), н- бутаналь (11 %), н- пентаналь (10 %). Содержание остальных 4 альдегидов и кетонов значительно меньше (2- бутанон – 3,8 %; н-пентаналь -3,7 %, н- гептаналь – 2,3 %; 2- гептанон – 1,8 %). Следует отметить аномально низкое содержание метанола (1,3 %) в паровой фазе. В тоже время концентрация этанола (10 %) сопоставима с его содержанием в образцах масла Крестьянского других производителей.

Масло Крестьянское сливочное (ПК «Вологодский молочный комбинат», г. Вологда)

Вклад альдегидов и кетонов в общее содержание летучих веществ паровой фазы исследованных проб масла составляет в сумме ~ 87 %, а спиртов ~ 13 %. Основными летучими веществами являются: ацетон и изобутаналь (48,2 %), 2- бу-теналь (11 %), н- пентаналь (6,8 %), н- гептаналь (6,8 %), 2- гептанон (6,1 %). Содержание остальных 4 альдегидов и кетонов значительно меньше (этаналь – 4 %), 2- бутанон – 3,0 %; н- бутаналь – 1,5 %. Следует отметить отсутствие в паровой фазе метанола и наличие 2- пропанола (4,6 %). Концентрация этанола (8 %) сопоставима с его содержанием в образцах масла Крестьянского других производителей.

Масло Крестьянское сливочное (ООО СХП «Устюгмолоко»).

Вклад альдегидов и кетонов в общее содержание летучих веществ паровой фазы исследованных проб масла составляет в сумме ~ 73 %, а спиртов ~ 27 %. Основными летучими веществами являются: ацетон и изобутаналь (56,5 %), 2- гептанон (10 %). Содержание остальных альдегидов и кетонов значительно меньше: 2- бутанон – 2,6%; н- пентаналь – 3,6 %.

Концентрация метанола (10,7 %), этанола (9 %) близки и сопоставимы с их содержанием в образцах масла Крестьянского других производителей. Следует отметить повышенное (по сравнению с другими образцами масла) содержание в паровой фазе 2- пропанола (7,5 %).

Наличие свободных жирных кислот (уксусная, пропионовая, масляная) и других вкусо-ароматических соединений при упрощенной подготовке проб в условиях исследований не зафиксировано.

Сравнительный анализ.

При одинаковых технических условиях выработки (ГОСТ Р 52969-2008) , массовая доля жира (72,5 %) и близких сроках и условиях хранения перед исследованием (3-7 дня при температуре -3 оС) общее количество в паровой фазе летучих компонентов, их спектры имеют как сходство, так и ряд существенных отличий.

При близком абсолютном содержании 2- пропанона и изобутаналя (площади пиков отличаются на ~6 %), относительное содержание этих компонентов значительно отличается: наименьшее (26 %) – для масла, выработанного ЗАО «ПТК «Северное молоко», а наибольшее (56,5 %) – для масла, выработанного ООО СХП «Устюгмолоко».

Содержание летучих ВАВ в паровой фазе масла, выработанного ЗАО «ПТК «Северное молоко» более чем в 2 раза превышает их количество для образцов масла, выработанных на ООО СХП «Устюгмолоко» и ПК «Вологодский молочный комбинат».

Наибольшее количество (11) летучих ВАВ обнаружено в паровой фазе масла, выработанного ЗАО «ПТК «Северное молоко», а наименьшее (7) – для образцов масла, выработанных ООО СХП «Устюгмолоко».

Паровая фаза масла, выработанного ЗАО «ПТК «Северное молоко», характеризуется аномально (по сравнению с маслом других производителей) высоким содержанием 2- бутеналя и 3- гептанона.

Имеются и другие отличия в содержании летучих веществ.

Причины столь существенных отличий, по-видимому, прежде всего, связаны как с вариацией химического состава компонентов сырья (сливок), так и его изменений на разных стадиях технологического процесса выработки масла.

В целом, установленные нами существенные различия в содержании летучих веществ могут лечь в основу создания «хроматографических паспортов» масла различных производителей. Однако для этого требуются дополнительные исследования по расширенному кругу производителей и видов сливочного масла.

При получении достаточно большого статистического массива экспериментальных данных возможно получение спектров высококачественного масла, по которым предположительно будет возможно производить идентификацию качества сладко-сливочного масла в гармонизации его с существующей шкалой органолептической оценки.