Способ экспрессного определения отдельных показателей качества масла грецкого ореха по сигналам анализатора «Электронный нос»

Возрастающий интерес потребителя к продуктам с высокой биологической ценностью способствует расширению ассортимента растительных масел, для производства которых все чаще используют нетрадиционное сырьё, такое как плодовые и виноградные косточки, семена тыквы, томатов, зародыши пшеницы, рисовые отруби, ядра орехов, в том числе грецких.

Вследствие особенностей химического состава такие масла легко подвергаются окислению. Окисление жиров атмосферным воздухом (автоокисление) приводит к значительному ухудшению их потребительских свойств. Жиры, в которых начались окислительные процессы, имеют пониженную стойкость при дальнейшем хранении.

Высококачественные растительные масла не должны содержать ни первичных, ни вторичных продуктов окисления, или содержать их в малых количествах.

Окисление растительных масел в процессе производства не укладывается в рамки обычной общепринятой схемы окислительных процессов, предусматривающей постепенное разрушение ингибиторов в течение индукционного периода, сопровождаемое ростом перекисного числа.

Процесс окисления жирных кислот в зависимости от их строения и условий окисления протекает неодинаково. Окисление насыщенных жирных кислот и их эфиров сопровождается деструкцией углеродной цепи. В результате образуются низкомолекулярные кислоты: муравьиная, уксусная, масляная, капроновая, энантовая - и другие карбонилсодержащее соединения. Образовавшиеся альдегиды, кетоны и кислоты склонны к дальнейшему окислению и полимеризации.

Скорость окисления жиров определяется строением радикалов жирных кислот, входящих в состав триглицеридов, температурными условиями, присутствием в жирах катализаторов и ингибиторов окисления, действием света и радиации.

При автоокислении в пищевых жирах в зависимости от образовавшихся специфических продуктов окисления триглицеридов появляются разнообразные нежелательные привкусы и запахи: олеистый, салистый, окисленный, металлический, рыбный, прогорклый.

Проблема установления корреляции между органолептическими свойствами жиров и химическими показателями является, как известно, весьма сложной, несмотря на распространение новых приборов для интегральной быстрой оценки состояния образца. Не прекращаются попытки найти универсальную химическую характеристику, на основании которой можно было бы объективно судить об органолептической порче жиров, масел и различных маслосодержащих продуктов.

Одни группы авторов предлагают в качестве универсальной характеристики перекисное число, другие - анизидиновое, третьи определяют присутствие кетонов, содержание эпокисей ит. п. [1].

Опыты показывают [2], что в одних случаях обнаруживается корреляция между изменениями органолептических свойств жиров и некоторыми химическими показателями (содержанием перекисей или эпокисей, альдегидов и кетонов). Сами по себе перекиси и эпо-киси не имеют резко выраженного запаха и вкуса, не уловимы биологическими сенсорными системами. Однако их рост свидетельствует о ходе достаточно глубоких окислительных процессов, идущих с накоплением одорирующих продуктов окисления. Природа таких одорирующих веществ неодинакова для различных видов масел, технологии производства и условий хранения. В одних случаях это могут быть некоторые альдегиды, в других - кетоны, или низкомолекулярные свободные жирные кислоты, или свободные ненасыщенные жирные кислоты и т. п.

В настоящее время общепризнано, что ответственными за развитие нежелательных привкусов и запахов являются, в первую очередь, карбонильные соединения [3].

Информацию о качественном и количественном составе легколетучих веществ растительных масел получают с применением хроматографических, спектральных методов анализа, а также метода ВЭЖХ-масс-спектроскопии [4]. С развитием современных методов удалось идентифицировать несколько десятков легколетучих веществ растительных масел [5].

Перспективной является разработка альтернативных методов, способов, имеющих единый методологический подход и не требующих сложного аппаратурного оформления и многостадийной подготовки пробы.

Решение задачи возможно с применением интеллектуальных систем: «электронный нос», «электронный язык». «Электронные носы» широко применяются в анализе сырья и пищевых продуктов, ориентированы на установление идентичности и различий в составе легколетучих фракций образцов [6]. Особое место среди таких систем занимают анализаторы на основе модифицированных пьезокварцевых резонаторов (пьезосенсоры).

Управление чувствительностью и селективностью в таких системах возможно путем направленного подбора модификаторов электродов резонаторов. Результатами многочисленных системно проведенных исследований установлено [6], что наибольший объем аналитической информации по сигналам массива сенсоров может быть получен при комбинации в массиве сенсоров с универсальными, селективными и специфическими покрытиями. Такой набор сенсоров реализован в многоканальном анализаторе газов «МАГ-8» (производитель – ООО «Сенсорные технологии», РФ) на массиве сенсоров «Food-nanoC», который позволяет фиксировать изменения в составе сложных смесей различных соединений.

Цель исследования: оценить возможность применения анализатора газов «MAГ-8» на основе восьми разнохарактерных пьезосенсоров для изучения состояния масла грецкого ореха при хранении и возможности оценки по составу равновесной газовой фазы показателей качества, отражающих процессы окисления масла.

В качестве основного объекта исследований выбран образец масла грецкого ореха, полученный способом холодного прессования без добавления антиоксидантов.

В стеклянные пробоотборники помещали по 30 г масла (n=12), герметично закрывали. Основным фактором, катализирующим процесс окисления, выбран ультрафиолетовый свет. Пробы хранили на рассеянном свету при температуре 19±2 °C. Общее время воздействия на пробы составило 8 суток, с шагом измерения 48 часов (4 контрольные точки).

В каждой контрольной точке отбирали 5 г средней пробы масла, помещали в стеклянный бюкс с полиуретановой мембраной, выдерживали в течение 20 мин до насыщения равновесной газовой фазы (РГФ) легколетучими компонентами пробы. Индивидуальным шприцем отбирали 3 см3 РГФ и вводили в ячейку детектирования многоканального анализатора газов «МАГ-8» с повторностью n=3.

Продолжительность измерения реакции сенсоров на смеси легколетучих соединений в РГФ над маслами составляла 1 мин с дискретностью 1 с.

В массиве сенсоров «Food-nanoC» в качестве модификаторов пьезокварцевых резонаторов (ПКР) применяли стандартные неподвижные хроматографические фазы различной полярности и специфические сорбенты, а именно: динонилфталат (ДНФ), полиэтиленгликоль себацинат (ПЭГ себацинат), полиэтиленгликоль адипинат (ПЭГ адипинат), ди-циклогексан-18-краун-6 (ДЦГ-18-К-6), тритон

Х-100 (ТХ-100), полиэтиленгликоль 2000 (ПЭГ-2000), полидиэтиленгликоль сукцинат (ПДЭГ сукцинат), поливинилпирролидон (ПВП). Сорбенты характеризуются перекрёстной чувствительностью к веществам различных классов органических легколетучих соединений, являющихся продуктами окислительной деструкции жиров (пероксиды, кетоны, спирты, кислоты, эфиры).

В программном обеспечении «MAGSoft» фиксировали частоты колебаний сенсоров (F i , Гц), относительные их изменения ( ∆ F i , Гц) во времени с шагом 1 с в виде хроночастотограмм, а также аналитические сигналы ( ∆ F max , Гц), проводили статистическую обработку результатов измерений.

Аналитические сигналы пьезосенсоров – максимальные изменения частот колебания кварцевых пластин в результате сорбции компонентов РГФ над исследуемым объектом на тонких пленках сорбентов ( ∆ F max , Гц), представленные в виде «визуального отпечатка» (ВО) максимумов, кинетические «визуальные отпечатки» и их площади (S BO , Гц ⋅ с).

В качестве основных показателей качества, характеризующих степень окисленности растительного масла, определяли по стандартным методикам перекисное [8] и кислотное число [9] для количественного определения перекисных и гидроперекисных групп, а также свободных жирных кислот и других титруемых щелочью веществ масла.

Жирнокислотный состав масла грецкого ореха определяли согласно ДСТУ ISO 55092002 «Жиры и масла животные и растительные. Приготовление метиловых эфиров жирных кислот (ISO 5509:2000, IDT)». Пробопод-готовку осуществляли методом переэтерифи -кации. Хроматографическое исследование пробы проводили согласно ДСТУ ISO 55082001 «Масла и жиры животные и растительные. Анализ методом газовой хроматографии метиловых эфиров жирных кислот (ISO 5508:1990, IDT)». Анализ состава жирных кислот проводили на капиллярном газовом хроматографе «Кристаллюкс – 4000М» с пламенноионизационным детектором на колонке SP-2560: длинной 100 м, внутренним диаметром 0,25 мм, толщиной покрытия 0,2 мкм. Условия хроматографирования: температура детектора – 250 °C, температура инжектора – 230 °C, давление на колонке – 0,8 атм., температурный градиент термостата колонок от 50 до 220 °C, (скорость 4 град./мин.), газ-носитель – азот.

Для исследования особенностей протекания окислительного прогоркания масла грецкого ореха был изучен жирнокислотный состав масла (таблица 1.)

Таблица 1

Содержание жирных кислот в масле грецкого ореха

Жирная кислота	Массовая доля в масле, %
Насыщенные жирные кислоты: 8,4%
C 11:0 ундециловая кислота	–
C 14:0 миристиновая кислота	–
С 16:0 пальмитиновая кислота	7,5
С 18:0 стеариновая кислота	0,68
С 20:0 арахиновая кислота	–
С 22:0 бегеновая кислота	0,057
С 24:0 лигноцериновая (тетракозановая) кислота	0,0075
Ненасыщенные жирные кислоты: 90,4%, в т. ч.:
Мононенасыщенные жирные кислоты: 17,3%
С 16:1 пальмитолеиновая кислота	0,13
С 17:1 гептадеценовая кислота	–
С 18:1 n9c олеиновая кислота	17,0
С 20:1 n9 гадолеиновая кислота	0,13
Полиненасыщенные жирные кислоты: 73,2%
С 18:2 n6c цис-линолевая кислота	60,2
С 18:3 n3 альфа-линоленовая кислота	12,2
С 18:3 n6 линоленовая кислота	–
С 20:3 n6 цис-8, 11, 14- эйкозатри-еновая кислота	0,5

Масло грецкого ореха по жирнокислотному составу относится к группе масел с наибольшей массовой долей линолевой кислоты, таких как кукурузное, подсолнечное, виноградное, сафроновое, арбузное, томатное, тыквенное, кедровое масла [7].

В составе масла грецкого ореха преобладают ненасыщенные жирные кислоты – наиболее лабильные в отношении автоокисления компоненты жиров.

Для оценки изменений состояния пробы в каждой контрольной точке определяли перекисное (ПЧ) и кислотное число (КЧ) (рисунок 1), детектировали состав РГФ над пробой.

Рисунок 1. Изменение перекисного (1) и кислотного (2) чисел масла грецкого ореха в процессе хранения

Установлено, что проба в начальной точке эксперимента не соответствует нормативным показателям, значение кислотного числа выходит за границы верхней нормы 4 мг NaOH/г, что связано с производством масла из сырья, которое хранилось 11 месяцев после сбора урожая.

По хроночастотограммам определили наиболее информативные сенсоры в массиве, сигналы не информативных сенсоров из итоговой матрицы исключили. В идентичных условиях получены аналитические сигналы «электронного носа» в парах масла . Показатель стабильности – сдвиг частоты колебаний в течение 1 мин, не превышающий 2 Гц.

Для поиска количественного критерия оценки накопления легколетучих веществ как продуктов окисления триглицеридов рассматривали S i под хроночастотограммами для единичных сенсоров, где i – модификатор сенсоров, а также суммарную площадь «визуального отпечатка», построенного по сигналам информативных сенсоров (ƩS).

Сводная информация представлена в таблице 2.

Т а б л и ц а 2

Аналитические сигналы информативных сенсоров итоговой матрицы многоканального анализатора газов «МАГ-8»

Модификатор пьезокварцевого резонатора	Аналитический сигнал	Контрольная точка
		1	2	3	4
ПЭГ себацинат	S ПЭГсеб, Гц ⋅ с	105	114	136	150
	∆ F max , Гц	3	4	4	4
ПЭГ адипинат	S ПЭГад, Гц ⋅ с	136	160	153	153
	∆ F max , Гц	4	4	4	4
ДЦГ-18-К-6	S ДЦГ , Гц ⋅ с	72	110	115	144
	∆ F max , Гц	2	3	3	4
ТХ-100	S TX100, Гц ⋅ с	195	230	205	210
	∆ F max , Гц	5	5	5	5
ПЭГ-2000	S ПЭГ2000, Гц ⋅ с	230	204	220	220
	∆ F max , Гц	6	5	5	5
ПДЭГ сукцинат	S ПДЭГ сукц , Гц ⋅ с	280	303	290	297
	∆ F max , Гц	6	7	7	7
ƩS		1616	1848	1890	1925

Наиболее заметно изменяется масса сорбата, а значит и концентрация легколетучих соединений в РГФ для сенсоров с покрытиями ПЭГ себацинат и ДЦГ-18-К-6, проявляющими сродство к кислотам, кетонам, спиртам и эфирам.

Несмотря на перекрестную чувствительность покрытий ПКР к веществам различных классов, ПЭГ себацинат наиболее селективно детектирует спирты, соединения с перекисными и гидроперекисными группами, а ДЦГ-18-К-6 – летучие кислоты, кетоны, эфиры в РГФ. Это подтверждается высокой достоверностью ре- зультатов аппроксимации (R2 =0,94) площади под хроночастотограммой сенсора с покрытием ПЭГ себацинат с перекисным числом (рисунок 2 а), достаточно высокой корреляцией (R2 =0,87) SДЦГ с кислотным числом (рисунок 2, б).

Показания сенсора с покрытием ПЭГ себацинат коррелируют с перекисным числом, что позволит заменить длительный и дорогостоящий (реактивы) титриметрический метод точным, простым и экспрессным методом пьезокварцевого микровзвешивания.

Рисунок 2. Корреляция площадей под хроночастотограммой сенсоров с покрытиями ПЭГ себ. (а) и ДЦГ-18-К-6 (б) с перекисным (а) и кислотным (б) числами

Однако в составе РГФ содержаться не только перекиси, кислоты, спирты, кетоны, эфиры, а и другие органические соединения, продукты их полимеризации, то корректнее для оценки степени окислительного прогоркания предложить интегральный показатель – суммарную площадь «визуального отпечатка». По значению площади «визуального отпечатка» можно судить об общем содержании органических легколетучих соединений, являющихся продуктами окислительной деструкции жиров.

По результатам исследований получили статистически надежные «визуальные отпечатки» максимальных сигналов пьезосенсоров для 1 и 4 контрольных точек проб масла грецкого ореха, качественный и количественный состав РГФ различен (рисунок 3).

Установлено, что в процессе окисления изменяется геометрия «визуального отпечатка», возрастает площадь фигуры. Относительная разность площадей для 1 и 4 контрольных точек проб масла составляет 152 ± 1 %, абсолютная разность площадей – 12 ± 0,5 %, что говорит об изменении состава РГФ над пробой масла в процессе окисления, образовании и накоплении пероксидов, низших жирных кислот, альдегидов, кетонов и продуктов их полимеризации.

Δ F max , Гц                       Δ F max , Гц

PEGseb                                                 PEGseb

а                                   б

Рисунок 3. «Визуальные отпечатки» максимальных откликов пьезосенсоров газоанализатора «МАГ-8» над пробами масла грецкого ореха в 1 (а) и 4 (б) контрольных точках и их сравнения (в)

Δ F_max , Гц

PEGseb

в

Динамика изменения SВО в процессе окисления пробы носит полиномиальный характер (рисунок 4 а). О том, что площадь «визуального отпечатка» отражает степень окис-ленности масла свидетельствует высокая до- стоверность результатов аппроксимации (R2=0,99) SBО с перекисным числом (рисунок 4 б), по которому судят о степени окис-ленности масел [1, 2, 3, 4], и аналогичный характер изменения.

• а)                                                                    б)

Рисунок 4. Динамика изменения площади BО в процессе хранения пробы (а) и ее корреляция с перекисным числом (б)

Таким образом, за одно измерение по площади «визуального отпечатка» можно оценить степень окисленности растительного масла, на основании динамики изменения S BО прогнозировать динамику изменения качества пробы. А по значениям площадей под хроночастотограммами сенсоров с покрытиями ПЭГ себацинат и