Новый способ определения андростенона

Интерес к сенсорам различного типа действия в последнее время растет. Как относительно простые и недорогие устройства они позволяют идентифицировать и определять вещества в газовой и жидкой фазах, в том числе в автоматическом режиме, дистанционно при

осуществлении различных технологических процессов, находят применение в медицине, в сельском хозяйстве, при мониторинге окружающей среды [1, 2]. В настоящее время в аналитической сенсорике широко применяются резонаторы объемных акустических волн (ОАВ, BAW) – пьезокварцевые микровесы [1, 3].

1202-2019-1-276-281

За последние 10–15 лет расширяется применение и возможности не только единичных сенсоров (селективные пьезовесы), но и поли-сенсорных систем на основе разнохарактерных измерительных элементов. Традиционными для таких устройств объектами анализа являются: пищевые системы (сырье, добавки, готовые продукты), объекты экологического мониторинга, биопробы, особые системы. Их применяют для контроля технологических процессов, изучения биологических и других реакций на молекулярном уровне.

Отличительная черта селективных масс-чувствительных резонаторов (пьезосенсоров) – наличие сорбционного покрытия, характеризующегося по-разному выраженной избирательностью в отношении сорбции–десорбции компонентов из предъэлектродного пространства.

Если основная экологическая угроза здоровью населения проявляется при вдыхании загрязненного воздуха, то не менее важной задачей является проблема здорового питания. Значительное расширение ассортимента пищевых товаров на потребительском рынке не обходится без появления и распространения явных подделок или продукции заведомо заниженного качества [4, 10]. В связи с этим особую актуальность приобретает идентификация пищевых продуктов, предусматривающая проведение ряда процедур по установлению соответствия конкретной продукции образцу (стандарту) или описанию с целью установления грубой фальсификации (часто – идентификация образца). В контроле пищевых продуктов наиболее доступно определение органолептических показателей, однако степень их достоверности для ассортиментной идентификации зачастую невысока. Одним из наиболее сложно оцениваемых показателей качества пищевых продуктов является запах. Количественная (интенсивность) и качественная (присутствие и содержание основных групп соединений) характеристики запаха устанавливаются, наряду с дегустационной оценкой, физико-химическими, а в последнее время все чаще – сенсорными методами анализа.

Аналитические возможности современных газовых и жидкостных хроматографов и масс-спектрометров позволяют получить разнообразную информацию о качественном и количественном составе запахов изделий и композиционных смесей паров в объектах окружающей среды [5, 6]. Однако такая информация является дорогостоящей, требует больших затрат времени и за редкими исключениями неприменима для мобильного получения информации во внела-бораторных («полевых») условиях. По этой причине приоритетны разработки более простых, экономичных и быстрых анализаторов – муль-тисенсорных систем для экспрессной оценки качества запахов в практических условиях [7].

Запах, как один из основных показателей качества пищевых продуктов, образуется из комплексного смешения множества летучих веществ. При этом каждое из них или группа близких по химической природе соединений могут не фиксироваться обонятельным центром человека или не иметь запаха, типичного для исследуемого продукта (табл. 1). При этом трудно оценить органолептическое влияние различных компонентов на качество того или иного продукта.

Высокая чувствительность по массе (до 10-15 г), а также быстрое время отклика пьезоэлектрического резонатора позволяют активно применять метод пьезокварцевого микровзвешивания в самых разных областях [1]. Отдельные сенсоры и их массивы (мультисен-сорные или полисенсорные) после предварительного обучения по набору тест-соединений, газов-маркеров состояния широко применяют для классификации запахов, в анализе пищевых продуктов. Анализ публикаций показывает, что выбор газов-маркеров состояния различных систем подчиняется принципу: нормальное (нативное состояние систем) → возможные деструктивные процессы (порча, деятельность микроорганизмов) → продукты этих процессов (газы-маркеры состояния).

Известно, что наибольшей органолептической проблемой мяса и свиного жира является запах и вкус хряка. Он определяется как «неприятный запах и посторонний привкус в мясе некастрированных половозрелых самцов свиней», ярко проявляющийся в процессе термической обработки. Основными соединениями, формирующими запах хряка, являются андростенон и скатол (рисунок 1).

androstenon             scatol

Рисунок 1. 3D–модели молекул андростенона и скатола

Figure 1. 3D models of androstenon and scatol molecules

Андростенон (5α-андрост-16-ен-3-он) – стероидный гормон, который вырабатывается половозрелыми животными самцами, метаболит мужского полового гормона тестостерона. Андростенон содержится в моче и слюне кабанов. Скатол образуется у всех свиней при бактериальном разложении триптофана в кишечнике. Но у некоторых хряков скатол не претерпевает метаболических изменений в печени и накапливается в жировой ткани.

Андростенон ассоциируется с запахом мочи, а скатол – с фекальным запахом. Совместное присутствие андростенона и скатола усиливают негативное действие друг друга. В меньшей степени индол и другие стероиды также влияют на проявление специфического негативного запаха.

Запах хряка трудно оценить количественно из-за сильно различающегося восприятия участниками дегустационной комиссии. Пределы обнаружения андростенона и скатола потребителями также различны. Принято считать для неподготовленных потребителей пределом обнаружения андростенона 0,5–1,0 мг/кг жира, для скатола – 0,20–0,25 мг/кг.

Вредные эффекты стероидов устраняют более, чем в 50 странах мира иммунизацией [8]. Количественно андростенон определяют методом высокоэффективной газовой хроматографии, в частности с флуорометрическим детектором.

Однако этот подход является ресурсо-и коммерчески дорогостоящим. В то же время развитие аналитических методов анализа не стоит на месте и предлагает новые способы определения малых концентраций пахучих соединений. К таким инструментам анализа относятся сенсоры.

Цель работы – применение анализатора газов «МАГ-8» с набором разноселективных сенсоров для решения задачи быстрой оценки качества сырья при входном контроле на примере установления наличия в сыром шпике андростенона, который негативно влияет на органолептические свойства продуктов его переработки.

Материалы и методы

В качестве объекта исследования выбран образец шпика с хорошими органолептическими характеристиками (проба 1 – стандарт). Образец был измельчен и на его основе приготовлено несколько исследуемых проб: проба 2 – с добавлением воды, проба 3 – с добавлением водного раствора андростенона 0,2 мкг/мг (0,5 ПДК), проба 4 – андростенон внесен в расчете 0,5 мкг/мг (1 ПДК), проба 5 – исходная проба шпика без добавок после 2 сут хранения на воздухе при комнатной температуре.

Для определения андростенона применен анализатор газов «МАГ-8» с методологией «электронный нос» (рисунок 2).

Рисунок 2. Коммерчески доступный «электронный нос» «МАГ-8» с осушителем (производство ООО «Сенсорика-Новые Технологии»)

Figure 2. Commercially available "electronic nose" of "MAG-8" with dehumidifier (production of Ltd company "Sensorika – New Technologies")

Измерительный массив «МАГ-8» формировался из 8 сенсоров с разно-селективными модификаторами к основным биомолекулам (вода, спирты, кетоны, альдегиды, алифатические кислоты, эфиры, амины) и другим соединениям (ароматические, другие ненасыщенные и циклические углеводороды): ПЭГ-2000, 4-ААП с ПС, тритон Х-100, ТХ-100, прополис, ПР, полиэтиленгликоль фталат, ПЭГФ, полиэтиленгликоль сукцинат, ПЭГСук, дициклогексан-18-краун-6, ДЦГ18К6, триоктилфосфиноксид, ТОФО.

Результаты и обсуждение

Первичной регистрируемой информацией массива 6 сенсоров является набор хроночасто-

Время измерения, с      Measurement time, s

Рисунок 3. Пример хроночастотограмм сенсоров в массиве при нагрузке

Figure 3. Example hronofrequencygramms sensors in the massif at loading

Хроночастотограммы – это интегральные выходные кривые каждого сенсора, особенность функции которых отражает природу и концентрацию компонентов смеси веществ, входящих в равновесную газовую фазу над анализируемыми пробами.

При регистрации даже наиболее простых интегральных откликов «электронного носа» фиксируются различия в составе равновесной газовой фазы над изученными модельными пробами (рисунок 4).

При этом с введением воды существенно изменяется количественный критерий «визуального следа» максимальных сигналов сенсоров – площадь фигуры S, Гц·с. Это отражает большую чувствительность сенсоров к парам воды. При введении малых (ниже и на уровне предельно допустимых) концентраций андростенона в пробу значительно изменяется и площадь фигуры, и форма «следа», отражающая постоянство состава запаха. Изменения в пробе шпика при нарушении условий хранения также достоверно регистрируются набором сенсоров, хотя при этом изменений в цвете и запахе шпика дегустаторами не зафиксировано.

^ Проба-Стандарт

Sample Standard

S = 2572 Гц·с

S = 1659 Гц·с

S = 2163 Гц·с

Пробы с измененными свойствами

Samples with modified properties

S = 2678 Гц·с

S = 2841 Гц·с

Рисунок 4. «Визуальные следы» максимумов и площади фигур для разных проб шпика, измеренные на массиве 8 сенсоров «МАГ-8»: в ПО прибора по кругу «визуального следа» фиксируются номера сенсоров, по вертикальной оси – максимальные отклики сенсоров за 60 с от начала измерения, -Δ F max , Гц·с

• Figure 4.    "Visual traces" of maxima and the areas of figures for different tests of salted pork fat measured on the massif of eight MAG-8 sensors: in programms the device around of "a visual trace" numbers of sensors, on a vertical axis – the maximum responses of sensors for 60 with from the beginning of measurement, -Δ F mах , Hz·s are fixed

Для установления тонких различий в запахе проб шпика рассчитаны параметры A (i/j) , которые являются качественными критериями пьезокварцевого микровзвешивания, позволяющими не только идентифицировать в смеси вещества-маркеры, но и проследить значимые изменения в составе равновесной газовой фазы над пробами. Эти критерии отражают появление или исчезновение, резкое изменение концентрации легколетучих соединений, на которые настроен массив сенсоров (таблица 1).

Найдены параметры, однозначно позволяющие детектировать наличие и содержание андросте-нона в пробе (рисунок 5). Эти параметры учитывают особенности сорбции именно паров негативной добавки и позволяют отличить ее от воды или нативных компонентов шпика. При этом геометрия «визуальных следов» для проб шпика с добавками и их площади отличаются друг от друга незначительно.

1,6

1,2

0,

Рисунок 5. Диаграмма идентификационных параметров A(i/j) , отражающих присутствие и содержание в пробе исходного шпика (1) андростенона на уровне 0,5 ПДК (2) и 1 ПДК (3). Номера по круговой оси соответствуют номеру параметра в табл. 2, по радиальной оси – величины параметров A(i/)

• Figure 5.    The chart of identification parameters A (i/j) reflecting presence and maintenance at test of initial salted pork fat (1) of an androstenon at the level of 0.5 maximum allowable concentrations (2) and 1 maximum allowable concentrations (3). Numbers on a circular axis correspond to number of parameter in tab. 2, on a radial axis – sizes of the A(i/j) parameters

  Таблица 1.

  Идентификационные параметры ( A(i /j) ± 0,02) для модельных проб шпика

  
  

Из всех представленных расчетных параметров наиболее информативным и качественно зависимым от присутствия даже малых концентраций андростенона являются параметры, отмеченные в таблице 1 номерами 2, 5, 6, но в то же время параметры 1, 2, 3, 6 позволяют дополнительно отследить порчу даже на начальном уровне. Информативными являются отклики сенсоров с модификаторами, чувствительными к биомаркерам порчи. Это – спирты, кислоты, кетоны, азот- и серосодержащие соединения, в то время как присутствие и содержание андростенона фиксируют сенсоры с модификаторами, чувствительными к ароматическим и циклическим углеводородам [9].

Масса проб, необходимых для анализа с двукратным повторением, не превышала 5 г, время измерения – 60 с, объем равновесной газовой фазы 5 см3, погрешность – 10%.

Identification parameters (A(i / j) ± 0,02) for model tests of salted pork fat

Table 1.

Модификаторы i и j сенсоров Modifiers i and j sensor	Параметр Parameter	Пробы | Sam			le
		1	2	3	4	5
Прополис/ПЭГ-2000 Propolis/PEG-2000	1	0,13	0,14	0,18	0,16	0,21
ДЦГ18К6/ПЭГ2000 DZG18К6/PEG-2000	2	0,67	0,81	0,94	0,95	0,74
ПЭГФ/ПЭГСук PEGF/PEGS	3	0,16	0,19	0,22	0,24	0,20
ТОФО/ААП TOFO/AAP	4	0,80	0,86	1,00	1,00	0,75
ПЭГФ/ТХ-100 PEGF/TX-100	5	0,71	0,75	1,43	1,50	0,75
ТОФО/ТХ-100 TOFO/TX-100	6	0,43	0,50	0,57	0,88	0,50
ДЦГ18К6/ПЭГСук DZG18К6/PEGS	7	0,31	0,35	0,36	0,37	0,30

В нашей научной группе накоплен огромный материал по анализу самых различных пищевых продуктов, сырья, полуфабрикатов. Возможности расширяются и метрологические характеристики измерений на анализаторе газов «МАГ-8» улучшаются благодаря применению новых материалов в качестве модификаторов, изменению режимов измерения, регистрации и обработке данных, применению хемометрических алгоритмов.

Анализ публикационной активности за последние 25 лет в российской и зарубежной печати в этом и предыдущих обзорах [1], растущее число тезисов докладов на крупных конференциях по направлению «сенсорика», выделение секции на непрофильных аналитических конференциях, например, технологических, информационных – все это позволяет объективно оценить актуальность и интерес научного сообщества (разработчиков) и реального сектора экономики (потребителей) к исследованиям, производству, внедрению в производство и лаборатории миниатюрных анализаторов на основе химических сенсоров с различными принципами действия, в том числе пьезокварцевых микровесов.

Работа выполнена в рамках гранта программы «У.М.Н.И.К-2017» г/к № 13141ГУ/2018 от 23.05.2018 г.