Визуальные и цветометрические экспресс-способы суммарного определения дубильных веществ в растительном сырье

DOI:

Дубильные вещества (ДВ) – группа сложных по составу органических веществ ароматического ряда, в больших количествах содержатся в растительном сырье [1, 2].

Состав ДВ разнообразен, в основном они включают галловую кислоту (ГК) и танин (ТН) – представители конденсированной и гидролизуемой группы таннидов соответственно [3, 4].

К известным методам определения ДВ относятся, спектрофотометрический, потенциометрический и хроматографический методы анализа. Они трудозатратные, требуют дорогостоящего оборудования и высокой квалификации персонала [5]. На их смену приходят экспрессные и широкодоступные экспресс-методы, основанные на получении окрашенных продуктов реакции на поверхности сорбента, в качестве которого перспективен пенополиуретан (ППУ) [6, 7]. Модификация сорбента селективным по отношению к определяемым веществам аналитическим реагентом повышает избирательность анализа. Способы регистрации аналитического сигнала могут быть визуальные и инструментальные.

Тест-системы определения ДВ в анализируемых объектах позволят проводить анализ точечных проб, быструю выбраковку сырья с низким содержанием исследуемого компонента, а также устанавливать фальсификацию исследуемой продукции и делать вывод о её качественном составе «на месте».

Цель работы – разработка экспресс-способов определения дубильных веществ в растительном сырье с применением пенополиуретана. 1.1 Экспериментальная часть

Таблетки и полоски пенополиуретана вырезали из промышленного листа полимера, промывали попеременно 0,1 моль/дм³ раствором соляной кислоты (х. ч) и ацетона (о. с. ч), высушивали до воздушно-сухого состояния и модифицировали раствором Fe(III). Для этого применяли растворы FeCl 3 в ацетоне, приготовленные из препарата квалификации «х. ч.». Концентрация FeCl 3 в ацетоне – от 0,1 до 5 % масс. Раствор галловой кислоты (х. ч) концентрацией 1,00 мг/см³ готовили методом точной навески.

Объекты анализа – водные извлечения лекарственных трав (цветки ноготков, зверобоя трава, тысячелистник, крапива, эхинацея и ягоды боярышника).

• 1.2    Методика эксперимента

Импрегнирование пенополиуретана осуществляли в химическом стакане, в который помещали предварительно взвешенную таблетку или полоску ППУ, добавляли раствор FeCl3 и выдерживали 5 минут. ППУ извлекали из раствора, сушили между листами фильтровальной бумаги, помещали в эксикатор до установления постоянной массы.

Цветовые шкалы готовили в статических условиях по известной методике [8]. Для получения цветовой шкалы в динамических условиях применяли шприцы вместимостью 3 см3, которые заполняли полосками импрегнированного ППУ массой ~0, 17 г, помещали их в стандартные растворы галловой кислоты и втягивали жидкость до конца слоя сорбента. Полученные аналитические патроны раскладывали в цветовую шкалу.

Субъективность восприятия человеческого зрения исключали путём оцифровки изображений разработанных шкал и представления их в виде градуировочной зависимости параметра яркости цветового пятна от концентрации исследуемого стандартного раствора.

Для получения водного извлечения лекарственных трав навеску анализируемой пробы массой 2 г с точностью ±0,0001 г помещали в термостойкую колбу объёмом 250 см3, заливали 250 см3 дистиллированной воды доведённой до кипения. По истечении 20 минут раствор декантировали в колбу объёмом 100 см3.

Определение суммы ДВ в полученном извлечении проводили путём проведения тех же операций и в той же последовательности, что и при разработке цветовой шкалы в таблетках и аналитических патронах. Результаты определения ДВ, полученные цветометрически и тест-методами, сравнивали с результатами спектрофотометрии, потенциометрии и перманганатометрии по ГОСТ 24027.2–80.

• 1.3    Результаты и их обсуждение

В основе сорбционно-цветометрического определения находится сорбция ДВ пенополиуретаном, импрегнированным FeCl 3 , получение на его поверхности окрашенного в черно-зелёный цвет продуктов реакции и определение их в матрице сорбента. Для импрегнирования ППУ применяли 0,5 % мас. раствор FeCl 3 . При более высоких концентрациях таблетки ППУ интенсивно окрашены в оранжевый цвет, что недопустимо для носителей в цветометрических тест-методах анализа. Концентрации импрег-нанта < 0,5 % мас. недостаточно для образования цветных продуктов реакции с ДВ в объектах, где их содержание превышает 5 %.

Время импрегнирования сорбента раствором фотометрического реагента составило 5 минут, при этом степень загрузки полимера составляет 57 %.

Степень загрузки находили по формуле: to = m2/mi x 100, где m1 и m2 – масса ППУ до и после импрегни-рования соответственно.

Для экспресс-определения суммы ДВ в статических (таблетки ППУ) и динамических (аналитические патроны) условиях разработаны цветовые шкалы. Диапазон стандартных концентраций галловой кислоты для обеих шкал составляет от 0,05 до 1,00 мг/см3. При содержании ДВ в пересчёте на галловую кислоту ниже 0,05 мг/см3 окраска не определяется визуально. При концентрациях галловой кислоты более 1,00 мг/см3 ППУ приобретает насыщенный

Таблица 1

Визуальное определение суммы ДВ в водных извлечениях растительного сырья с использованием аналитических патронов в сравнении со стандартным методом (n =5, р = 0,90)

Table 1

Visual determination of the amount of ET in aqueous extracts vegetable raw material in comparison with the standard analytical method cartridges (n = 5, p = 0.90)

Анализируемый объект Analyzed object	Содержание ДВ, мг/см3 по ГОСТ 24027.2–80 Tannins content, mg/cm3	Визуальная цветометрия (аналитический патрон) Visual colorimetry (analytical cartridge), mg/cm3	S r	Погрешность визуального способа определения, % Accuracy visual method for determining, %
Травяной сбор «Цветки ноготков» Herbal “Marigold flowers”	0,25±0,03	0,25	0,03	10
Травяной сбор «Зверобоя трава» Herbal “St. John’s wort herb”	0,69±0,04	0,75	0,03	8,7
Травяной сбор «Тысячелистник» Herbal “Yarrow”	0,34±0,03	0,25	0,03	25,5
Травяной сбор «Крапива» Herbal “Nettle”	0,12±0,03	0,10	0,03	16,7
Травяной сбор «Эхинацея» Herbal “Echinacea”	0,34±0,04	0,25	0,03	25,5
Ягоды боярышника Hawthorn berries	0,26±0,03	0,25	0,03	3,8

Яркость

Для полуколичественного определения приемлемым является погрешность, достигающая 30 % [7]. Максимальная погрешность определения суммы ДВ предложенным способом не превышает 26 %.

Для исключения субъективности результаты визуального определения оцифровывали с применением денситометрической регистрации аналитического сигнала. Изображения полученных шкал обрабатывали с применением компьютерной программы «Sorbfil TLC». Она фиксирует изменение яркости цветового пятна, полученного путём сканирования или фотографирования таблетки ППУ.

В работе использовался метод фиксации интенсивности окраски ППУ фотокамерой мобильного устройства Samsung Galaxy Note 3 с разрешением камеры 13 мП и возможностью съёмки разрешением 1080p. Градуировочный график определения суммы ДВ в области низких концентраций представлен на рисунке 1.

чёрный цвет и визуально не различается. Из-за недостаточного цветового контраста поверхности сорбента такие тест-системы не применяются. В выбранных условиях устойчивость окраски ППУ составляет 3 месяца.

Содержание ДВ в пересчёте на галловую кислоту в водных извлечениях растительного сырья устанавливали сравнением окраски ППУ в таблетках или в аналитических патронах с цветовыми шкалами.

Результаты визуального определения сравнивали с фармакопейной перманганатометрической методикой, выполненной по ГОСТ 24027.2–80 (таблица 1).

Рисунок 1.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

С, мг/см3

Зависимость яркости цветового пятна для таблеток ППУ (1) и аналитических патронов (2)

от концентрации раствора галловой кислоты в области концентраций от 0,05 до 1,00 мг/см3

Figure 1. The dependence of the spot color brightness for foam tablets (1) and analytical cartridges (2) the concentration of gallic acid in the concentration range of – 0,05 to 1,00 mg/cm3

Для области высоких концентраций от 1,0 до 10,0 мг/см3 представлен в виде уравнения градуировочного графика: y = 22x + 4202 для таблеток ППУ и y = 21x + 3573 для аналитических патронов.

Результаты определения суммы ДВ в водных извлечения лекарственных трав, полученные цветометрически, сравнивали с результатами потенциометрического титрования (таблица 2).

Таблица 2

Цветометрическое (с использованием таблеток ППУ) и потенциометрическое определение суммы ДВ в водных извлечениях лекарственных трав (n =5, р = 0,90)

Table 2

Chromaticity (using foam tablets) and potentiometric determination of the amount of water extracts in the Far East herbs (n = 5, p = 0,90)

Анализируемый объект analyzed object	Содержание ДВ в извлечении, установленное, мг/см3 The content of tannins in the extraction set, mg/cm3		S r	Погрешность цветометрического определения, % Accuracy CEE-photometric determination, %
	потенциометрически potentiometrically	цветометрически colormetrically
Травяной сбор «Цветки ноготков» Herbal “Marigold flowers”	0,25±0,03	0,28±0,04	0,03	8,0
Травяной сбор «Зверобоя трава» Herbal “St. John’s wort herb”	0,69±0,04	0,70±0,07	0,04	1,5
Травяной сбор «Тысячелистник» Herbal “Yarrow”	0,34±0,03	0,32±0,05	0,03	6,3
Травяной сбор «Крапива» Herbal “Nettle”	0,12±0,03	0,14±0,03	0,03	16,7
Травяной сбор «Эхинацея» Herbal “Echinacea”	0,34±0,04	0,36±0,06	0,03	5,9
Ягоды боярышника Hawthorn berries	0,26±0,03	0,29±0,03	0,03	11,5

Результаты цветометрического определения ДВ воспроизводимы (S r не превышают 0,04). С увеличением количества ДВ в водных извлечениях погрешность денситометрического способа определения уменьшается (возрастает яркость окраски таблеток ППУ при возрастании содержания ДВ в исследуемых объектах). При содержании ДВ от 0,14 до 0,29 мг/см³ и от 0,32 до 0,70 мг/см³ средняя погрешность цветометрического способа составляет соответственно 12 и 4 %. Результаты определения суммы ДВ, полученных сорбционно-цветометрическим способом с использованием аналитических патронов, сравнивали с определением спектрофотометрическим методом (таблица 3).

Результаты, полученные способом цветометрии, превышают значения спектрофотометрического исследования. Погрешность разработанного способа уменьшается с возрастанием содержания ДВ в исследуемых объектах (увеличивается интенсивность окраски импрег-нированного ППУ с возрастанием содержания ДВ в исследуемом объекте). Наибольшая погрешность (15 %) установлена при наименьшем содержании ДВ в травяном сборе «Крапива».

Метрологическую оценку визуального и цветометрического тест-способов определения ДВ проводили на примере анализа извлечений из травяного сбора «Цветки ноготков». Проверка правильности разработанного способа проводилась методом «введено–найдено» (таблица 4).

Погрешность визуального тест-определе-ния ДВ выше, чем денситометрического. Максимальная погрешность денситометриче-ского определения достигает 12 %, что в два раза ниже максимальной погрешности визуального детектирования.

Расчёт предела обнаружения (ПО) и предела количественного определения (ПКО) цветометрическим способом устанавливали с использованием уравнений градуировочных графиков для галловой кислоты. Для визуального способа ПО и ПКО являются первым и последним значением концентраций галловой кислоты в разработанной шкале.

Значения ПО и ПКО, рассчитанные для разработанных способов суммарного определения ДВ, представлены в таблице 5.

Таблица 3

Цветометрическое (с использованием аналитических патронов) и спектрофотометрическое суммарное определение ДВ в водных извлечениях лекарственных трав (n =5, р = 0,90)

Table 3

Colorimetric (using analytical cartridges) and spectrophotometric determination of the total DV in aqueous extracts of medicinal herbs (n = 5, p = 0.90)

Анализируемый объект analyzed object	Содержание ДВ в извлечениях (мг/см3), установленное The content of tannins in extracts (mg/cm3), set		S r	Погрешность денсито-метрического метода, Accuracy densitometric method, %
	спектрофото-метрически spectrophotometry	цвето-метрически color-metrically
Травяной сбор «Цветки ноготков» Herbal “Marigold flowers”	0,241±0,002	0,27±0,03	0,03	12,5
Травяной сбор «Зверобоя трава» Herbal “St. John’s wort herb”	0,673±0,006	0,71±0,06	0,03	5,9
Травяной сбор «Тысячелистник» Herbal “Yarrow”	0,313±0,003	0,35±0,04	0,03	12,9
Травяной сбор «Крапива» Herbal “Nettle”	0,112±0,002	0,13±0,02	0,03	15,2
Травяной сбор «Эхинацея» Herbal “Echinacea”	0,326±0,003	0,34±0,06	0,04	6,3
Ягоды боярышника Hawthorn berries	0,271±0,002	0,31±0,03	0,03	13,8

Таблица 4

Проверка правильности экспресс-способа суммарного определения ДВ (n=5, P=0.90)

Table 4

Verifying the rapid determination of the total DV method (n = 5, P = 0.90)

Введено, мг/см3 Permission mg/cm3	Найдено, мг/см3 Found mg/cm3		Погрешность, % Accuracy, %
	визуально visually (I)	цветометрически colorimetric (II)	I	II
0,05	0,05	0,046±0,001	10	20
0,10	0,10	0,112±0,002	10	12
0,30	0,25	0,287±0,003	20	1,6
0,50	0,50	0,487±0,004	10	2,6
0,80	1,0	0,794±0,005	25	0,7
1,0	1,0	0,976±0,006	10	2,4

*I – сорбция таблеткой ППУ; II – сорбция в аналитическом патроне

*I – sorption tablet PPU; II – sorption in the analytical cartridge

Таблица 5

ПО и ПКО, мг/см3 для денситометрического и визуального способа определения суммы ДВ в пересчёте на галловую кислоту

Table 5

Limit of detection and limit of quantification, mg/cm3 for densitometric and visual way to determine the amount of the Far East in terms of gallic acid

Визуальный / Visual				Денситометрический / Densitometric
ID		LQ		ID		LQ
I	II	I	II	I	II	I	II
0,05	0,05	0,05	0,05	0,012	0,010	0,034	0,030

*I – сорбция таблеткой ППУ; II – сорбция в аналитическом патроне * I – sorption tablet PPU; II – sorption in the analytical cartridge

Минимальное содержание суммы ДВ которое можно обнаружить цветометрически в пересчёте на галловую кислоту составляет 0,012 мг/см3 (сорбция таблетками) и 0,010 мг/см3 (сорбция в аналитическом патроне). Наименьшая концентрация вещества, которую можно определить цветометрически в 1,5 раза ниже, чем для способа визуальной оценки.

Время денситометрического экспресс-анализа ДВ с учётом пробоподготовки 25–30 минут, предел обнаружения 0,01 мг/см3, предел количественного определения 0,03 мг/см3, погрешность определения не превышает 30 %.

Заключение

Разработанные тест-способы количественной оценки содержания ДВ позволяют исключить применение сложного аналитического оборудования, проводить анализ во внелабора-торных условиях, не требуют высокой квалификации персонала, рекомендуются при выполнении лабораторного практикума.

Работа выполнена в рамках НИОКР по ГК № 4.2186.2014/К по теме «Разработка и конструирование мобильного комплекса для экологического мониторинга состояния водных объектов с возможностью концентрирования органических и неорганических загрязнителей на месте» от 17.07.2014 г.

• 2    Blazhey A., Shutyi L. Fenol’nye soedineniya rastitel’nogo proiskhozhdeniya [Phenolic compounds plant origin] Moscow, 1997. 236 p. (in Russian).

• 3    Vasil’eva A. P Study of the dynamics of the content of tannins in the decoction of oak bark during storage. Molodezhnyi innovatsionnyi vest-nik [Youth Innovation Gazette] 2012, vol. 1, no. 1, pp. 199–200. (in Russian)

• 4    Joutei K. A., Glories Y., Mercier M. Localisation des tanins dans la pellicule de baie de raisin. VITIS-Journal of Grapevine Research, 2015, vol. 33, no. 3, pp. 133.

• 5    Vivas N., De Gaulejac N. S. C., Glories Y. Influence de SO 2 et de l'acide ascorbique sur l'activité antiradicalaire des tanins, mesurée sur l'anion superox-yde. Application aux vins rouges. VITIS-Journal of Grapevine Research, 2015, vol. 36, no. 2, pp. 91.

• 6    Zolotov Yu A., Ivanov V.M., Amelin V.G. Khimicheskie test-metody analiza [The chemical test methods of analysis] Moscow, Editorial URSS, 2002. 304 p. (in Russian).

• 7    Dmitrienko S. G., Apyari V.V. Penopoli-uretany v khimicheskom analize: sorbtsiya razlich-nykh veshchestv i ee analiticheskoe primenenie v khimicheskom analize [Polyurethane foams: Sorption properties and applications in chemical analysis] Moscow, Krasand, 2010. 264 p. (in Russian)

• 8    Dimitrenko S. G, Zolotov Yu.A. Polyurethane foams in chemical analysis: sorption of substances and its analytical application. Uspekhi khimii [Success chemistry] 2002, vol. 71, no. 2, pp. 180 – 197. (in Russian)

• 9    RMG 61-2010 GSI Pokazateli tochnosti, pravil’nosti, pretsizionnosti metodik kolichestven-nogo khimicheskogo analiza [Indicators of accuracy, correctness, the precision of the quantitative chemical analysis techniques. Assessment methods] Moscow, Standartinform, 2013. 53 p. (in Russian)

INFORMATION ABOUT AUTHORS

Вестник ВГУИТ/Proceedings of VSUET, № 2,