На правах рукописи ЛИСОВАЯ Екатерина Валериевна РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА

На правах рукописи
ЛИСОВАЯ Екатерина Валериевна
РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА
И ИДЕНТИФИКАЦИИ ОЛИВКОВЫХ МАСЕЛ НА ОСНОВЕ
МЕТОДА ЯДЕРНО-МАГНИТНОЙ РЕЛАКСАЦИИ
Специальность 05.18.15 - Товароведение пищевых продуктов и
технология продуктов общественного
питания
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Краснодар - 2009
2
Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом
университете
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Корнена Елена Павловна
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Щербаков Владимир Григорьевич
кандидат технических наук
Багалий Татьяна Михайловна
Ведущая
организация:
Северо-Кавказский
филиал
Всероссийского
научно-исследовательского института жиров
Россельхозакадемии
Защита состоится 27 октября 2009 г. в 1600 часов на
заседании диссертационного совета Д 212.100.03 при Кубанском
государственном технологическом университете по адресу:
350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского
государственного технологического университета: 350072, г. Краснодар,
ул. Московская, 2
Автореферат разослан 25 сентября 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного
совета, кандидат технических наук,
доцент
М.В. Жарко
3
1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
1.1 Актуальность темы. Россия является частью мирового рынка в
области производства и торговли растительными маслами. Растительные
масла относятся к продуктам повседневного потребления. Из года в год
объемы их производства увеличиваются и расширяется ассортимент.
Независимо от уровня урожая масличных культур наша страна постоянно
пополняет внутренние ресурсы масложирового сырья за счет импортных
поставок. Поскольку Россия не производит некоторые виды растительных
масел, например оливковые, потребность в них удовлетворяется за счет
импорта.
Оливковые масла, относятся к группе пищевых продуктов здорового
питания, потребление которых в последние годы значительно возросло.
В
результате
повышенного
интереса
к
оливковому
маслу,
являющемуся импортным и дорогостоящим продуктом, увеличились
случаи его фальсификации.
В связи с этим, актуальной задачей является идентификация и
оценка качества оливковых масел.
Среди существующего многообразия физико-химических методов
идентификации и оценки качества наиболее эффективными и безопасными
являются методы на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР),
обеспечивающие необходимые критерии идентификации такие, как
объективность и независимость от субъективных данных исследователя.
Таким
образом,
разработка
способов
оценки
качества
и
идентификации оливковых масел, обеспечивающих достаточную точность,
максимальную сопоставимость и воспроизводимость результатов, является
актуальной.
1.2 Цель работы. Целью работы является разработка способов
оценки качества и идентификации оливковых масел на основе метода
ядерно-магнитной релаксации.
Автор выражает признательность за помощь и консультации при выполнении работы
д-ру техн. наук, профессору Прудникову С.М.
4
1.3 Основные задачи исследования:
- анализ и систематизация научно-технической литературы и патентной
информации по теме исследования;
- исследование химического состава и физико-химических показателей
оливковых масел;
- исследование ядерно-магнитных релаксационных (ЯМ-релаксационных)
характеристик протонов триацилглицеринов (ТАГ) оливковых масел;
- исследование
влияния температуры на изменение времен спин-
спиновой релаксации и амплитуд сигналов ЯМР протонов ТАГ оливкового
масла;
- исследование
ЯМ-релаксационных
характеристик
протонов
ТАГ
растительных масел в жидкой фазе;
- исследование амплитуд сигналов ЯМР протонов ТАГ оливковых масел
в твердой фазе;
- исследование
ЯМ-релаксационных
характеристик
протонов ТАГ
оливковых масел с различной массовой долей олеиновой кислоты;
- разработка способа определения массовой доли олеиновой кислоты в
оливковом масле;
- исследование влияния различных факторов на величину погрешности
определения массовой доли олеиновой кислоты в оливковом масле;
- разработка способа идентификации оливковых масел;
- оценка эффективности
разработанных способов оценки качества и
идентификации оливковых масел.
1.4
Научная
новизна.
Экспериментально
обоснована
эффективность применения метода ядерно-магнитной релаксации для
разработки способов оценки качества и идентификации оливковых масел.
Впервые установлено, что в диапазоне температур от 23 0С до
(-160С) область средних значений времен спин-спиновой релаксации (Т2ср)
протонов ТАГ в жидкой фазе, характерных для оливковых масел,
5
совпадает с областью средних значений времен спин-спиновой релаксации
(Т2ср) протонов ТАГ в жидкой фазе, характерных для высокоолеиновых
подсолнечных масел.
Впервые установлено, что скорость затухания амплитуды сигнала
свободной прецессии протонов ТАГ оливковых масел выше, чем скорость
затухания амплитуды сигнала свободной прецессии протонов ТАГ
высокоолеиновых подсолнечных масел, что позволило определить первый
критерий идентификации, а именно время спин-спиновой релаксации
протонов ТАГ оливковых масел в твердой фазе (Т2ТФ) в интервале
температур (-4 0С)÷ (-16 0С).
Впервые установлено, что с увеличением массовой доли олеиновой
кислоты в оливковом масле амплитуда сигналов ЯМР протонов ТАГ в
твердой фазе (АТФ) увеличивается в интервале температур (-4 0С)÷ (-160С).
Экспериментально обосновано, что в качестве аналитического
параметра при определении массовой доли олеиновой кислоты в
оливковом масле следует использовать значение амплитуды сигналов ЯМР
протонов ТАГ в твердой фазе (АТФ).
Впервые на основании экспериментальных данных получено
уравнение температурной зависимости аналитического параметра –
критерия идентификации (АТФ) для оливковых масел с различной массовой
долей олеиновой кислоты, что позволило разработать способ их
идентификации.
1.5 Практическая значимость. Проведена модернизация ЯМРанализатора
АМВ-1006М
с
целью
расширения
функциональных
возможностей определения амплитуды сигналов ЯМР протонов ТАГ масел
в твердой фазе, что позволило расширить температурный диапазон
исследования ЯМ-релаксационных характеристик от 30 0С до (-16 0С).
Разработан способ определения массовой доли олеиновой кислоты
в оливковом масле на основе метода ЯМ-релаксации, позволяющий
6
сократить время определения и исключить применение токсичных
химических реактивов.
Разработан способ идентификации оливковых масел в диапазоне
температур (-4
0
С)÷(-16
0
С) на основании выявленной зависимости
амплитуды сигналов ЯМР протонов ТАГ оливкового масла в твердой фазе
(АТФ) от массовой доли олеиновой кислоты, а также различия времен спинспиновой релаксации протонов ТАГ оливкового и высокоолеинового
подсолнечного
масел
в
твердой
фазе
(Т2ТФ),
который
позволяет
значительно сократить время идентификации, а также исключить
применение токсичных химических реактивов.
1.6 Реализация результатов исследования.
Разработанные
способы определения массовой доли олеиновой кислоты и идентификации
оливковых масел на основе метода ядерно-магнитной релаксации
внедрены
в
условиях
Учебно-научно-производственного
комплекса
факультета инженерии, экспертизы и компьютерного моделирования
высоких технологий КубГТУ, а также в условиях Испытательного центра
масложировой продукции «Аналитик».
Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанных
способов
определения
массовой
доли
олеиновой
кислоты
и
идентификации оливковых масел при осуществлении 1000 анализов в год
составит более 290 тыс. руб.
1.7
Апробация
работы.
Результаты
теоретических
и
экспериментальных исследований, полученные автором доложены и
обсуждены на: IV Международной научно-практической конференции
«Приоритеты
и
научное
обеспечение
реализации
государственной
политики здорового питания в России» 12-14 декабря 2006г. , г.Орел;
Международной
научно-практической
конференции
«Технологии
и
продукты здорового питания» 4-5 июня 2007г., г. Москва; I Всероссийской
научно-практической
конференции
молодых
ученых
«Научное
7
обеспечение агропромышленного комплекса» 14-16 ноября 2007г.,
г.Краснодар; V Международной конференции «Масложировой комплекс
России: новые аспекты развития» 2-4 июня 2008г., г. Москва; VI
Международной
научно-практической
конференции
«Аналитические
методы измерений и приборы в пищевой промышленности. Экспертиза,
оценка качества, подлинности и безопасности пищевых продуктов» 2-3
декабря 2008г., г. Москва.
Результаты
научных
разработок
были
удостоены
диплома
Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи
«НТТМ-2008» (г.Москва, ВВЦ, 25-28 июня, 2008г.).
1.8
Публикации.
По
материалам
диссертационной
работы
опубликовано 11 научных работ, в том числе 2 научных статьи в журнале,
рекомендуемом ВАК, 7 материалов конференций, получен 1 патент РФ на
изобретение, 1 решение о выдаче патента РФ на изобретение.
1.9 Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из
введения, аналитического обзора, методической части, экспериментальной
части, выводов, списка литературных источников и приложений. Работа
изложена на 115 страницах, содержит 18 рисунков и 21 таблицу. Список
литературы включает 92 наименования работ, в том числе 17 зарубежных
авторов.
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Методы исследования. Исследование основных физикохимических показателей и химического состава оливковых масел
осуществляли по методикам, рекомендуемым ВНИИЖиров.
Жирнокислотный состав оливковых масел определяли методом
газожидкостной хроматографии по ГОСТ 30418-96 и ГОСТ Р 51483-99.
Для исследования влияния сопутствующих ТАГ липидов на
величину погрешности определения массовой доли олеиновой кислоты в
8
оливковых
маслах
использовали
модельные
системы
с
разным
содержанием сопутствующих ТАГ липидов.
В
качестве
основы
для
приготовления
модельных
систем
использовали оливковое рафинированное масло.
Для приготовления модельных систем сопутствующие ТАГ липиды
(неомыляемые липиды, фосфолипиды, свободные жирные кислоты)
выделяли из нерафинированного оливкового масла по методикам,
рекомендуемым ВНИИЖем.
Исследование ЯМ-релаксационных характеристик протонов ТАГ
оливкового масла проводили с использованием импульсного метода
Карра-Парселла-Мейбума-Гилла на модернизированном ЯМР-анализаторе
АМВ-1006М,
технические
характеристики
которого
были
усовершенствованы. Это позволило сократить, так называемое, «мертвое»
время,
необходимое
усилителю
восстановления
характеристик
радиочастотного
импульса,
до
сигналов
после
10
ЯМР
анализатора
воздействия
микросекунд.
для
интенсивного
В
результате
совершенствования появилась возможность регистрировать сигналы ЯМР
протонов ТАГ в твердой фазе, время спин-спиновой релаксации протонов
которых значительно меньше (10÷30 микросекунд), по сравнению с
аналогичными
сигналами
ЯМР
протонов
ТАГ
в
жидкой
фазе
(миллисекунды).
Погрешность измерения: амплитуд сигналов ЯМР не более 0,1%;
времен спин-спиновой релаксации протонов ТАГ масла в жидкой фазе
(Т2ЖФ) в диапазоне от 5 до 500 мс - не более 0,5%; времен спин-спиновой
релаксации протонов ТАГ масла в твердой фазе (Т2ТФ) в диапазоне от 10 до
50 мкс - не более ±2%.
Результаты
экспериментальных
исследований
обрабатывали
с
применением методов математического и физического моделирования;
статистической обработки, интерполяции и корреляции анализа из пакета
9
программ Mathcad.8 (Professional), Statistica 6.0 и Mathlab 5.1; программ
поиска неизвестных параметров нелинейных моделей, экспоненциального
анализа.
На рисунке 1 приведена структурная схема исследования.
2.2 Характеристика объектов исследования. В качестве объектов
исследования были взяты образцы нерафинированных и рафинированных
оливковых масел различных производителей. Следует отметить, что все
нерафинированные масла были категории Extra virgin olive oil, получаемые
в результате первого холодного отжима оливок (таблица 1).
Таблица 1 – Физико-химические показатели и химический состав
исследуемых оливковых масел
Наименование показателя
Кислотное число, мг КОН/г
Перекисное число, ммоль активного кислорода/кг
Массовая доля фосфолипидов, %
Массовая доля неомыляемых липидов, %, в том числе:
стеролов, %
токоферолов, мг/%
восков и воскоподобных веществ, %
хлорофиллов, мг/100%
каротиноидов, (%·10-4)
Массовая доля жирных кислот в ТАГ, % к общей
сумме:
олеиновая
линолевая
сумма насыщенных
Значение
показателя
0,30 – 2,20
0,50 – 9,26
0,01 – 0,30
0,50 – 1,20
0,30 – 0,60
15,00 – 30,00
0,06 – 0,14
0,10 – 4,00
6,0 – 96,0
61,3 - 81,5
6,7 - 15,6
14,1 – 17,7
Из приведенных в таблице 1 данных видно, что в исследуемых
образцах
наблюдается
значительный
показателей, как массовая
диапазон
доля олеиновой и
колебаний
линолевой
таких
кислот,
содержание первой из которых является критерием идентификации
оливковых масел.
10
Анализ и систематизация научно-технической литературы и
патентной информации по теме исследования
Исследование химического состава и физико-химических показателей
оливковых масел
оливковых масел
Исследование ЯМ-релаксационных характеристик
протонов триацилглицеринов оливковых масел
протонов триацилглицеринов оливковых масел
Исследование влияния температуры на изменение времен спинспиновой релаксации и амплитуд сигналов ЯМР протонов
триацилглицеринов оливкового масла
Исследование ЯМ-релаксационных характеристик протонов
триацилглицеринов растительных масел в жидкой фазе
Исследование амплитуд сигналов ЯМР протонов триацилглицеринов
оливковых масел в твердой фазе
Исследование ЯМ-релаксационных характеристик
триацилглицеринов оливковых масел с различной массовой долей
олеиновой кислоты
Разработка способа определения массовой доли олеиновой кислоты в
оливковом масле
Исследование влияния различных факторов на величину
погрешности определения массовой доли олеиновой кислоты в
оливковом масле
Разработка способа идентификации оливковых масел
Оценка эффективности разработанных способов оценки качества и
идентификации оливковых масел
Рисунок 1 – Структурная схема исследования
11
2.3 Исследование ЯМ- релаксационных характеристик протонов
ТАГ оливковых масел. Ранее в работах Прудникова С.М. (2003г.),
Прасолова Д.В. (2003г.), Наумова Н.Н. (2007г.) было выявлено, что
процесс
релаксации
протонов
ТАГ
растительных
масел
является
многофазным, а огибающая сигналов спинового эха – суперпозицией
нескольких экспонент.
Многокомпонентный характер огибающей сигналов спинового эха
протонов ТАГ растительных масел объясняется тем, что молекулы
триацилглицеринов в растительных маслах находятся в нескольких
структурных состояниях: в виде индивидуальных молекул, которым
соответствуют протоны ТАГ первой компоненты масла; в виде ассоциатов
низких
порядков,
которым
соответствуют
протоны
ТАГ
второй
компоненты масла, а также в виде более сложных ассоциатов высоких
порядков, которым соответствуют протоны ТАГ третьей компоненты
масла.
Для исследования ЯМ-релаксационных характеристик протонов ТАГ
оливковых масел были отобраны образцы оливковых масел объемом
(5,00±0,02)
см3, которые
термостатировали в течение 1
часа и
анализировали в диапазоне температур от (-16 ºС) до 30 ºС. Точность
поддержания температуры в термостате соответствовала ±0,2 ºС.
На первом этапе исследовали влияние температуры на изменение
значений времен спин-спиновой релаксации и амплитуд сигналов ЯМР
протонов ТАГ оливковых масел в жидкой фазе (рисунки 2 и 3).
Установлено, что снижение температуры от 30 ºС до (-2 ºС) приводит
к снижению времен спин-спиновой релаксации протонов ТАГ первой и
второй компонент, а в интервале температур от 23 ºС до (-16 ºС) времена
спин-спиновой релаксации протонов третьей компоненты изменяются
незначительно, что свидетельствует о высокой степени связанности
протонов ТАГ третьей компоненты в указанном интервале температур.
12
Рисунок 2 – Влияние
температуры
на
изменение времен спинспиновой
релаксации
протонов
ТАГ
оливкового
масла
с
массовой
долей
олеиновой кислоты 73%:
- первая компонента;
- вторая компонента;
- третья компонента
Рисунок 3 – Влияние
температуры
на
изменение амплитуды
сигналов
ЯМР
протонов
ТАГ
оливкового масла с
массовой
долей
олеиновой
кислоты
73%:
- первая компонента;
- вторая компонента;
- третья компонента
Из данных, приведенных на рисунке 3, видно, что в диапазоне
температур от (-4 ºС) до (-8°С) наблюдаются сигналы ЯМР протонов ТАГ
только второй и третьей компонент, соответствующих ассоциатам молекул
ТАГ низких и высоких порядков, а сигналы ЯМР протонов ТАГ первой
компоненты, характеризующие индивидуальные молекулы, отсутствуют.
Установлено, что при температуре (-16°С) наблюдаются сигналы ЯМР
протонов ТАГ только третьей компоненты.
13
Следует отметить, что при температуре 30ºС в сигналах ЯМР
протонов ТАГ третья компонента отсутствует, так как при данной
температуре отсутствуют ассоциаты молекул высоких порядков.
Известно, что амплитуда сигналов ЯМР является количественной
характеристикой компонентного состава ТАГ масла.
Учитывая это, в таблице 2 приведены данные, характеризующие
количественные изменения компонентного состава ТАГ в зависимости от
температуры.
Таблица 2 - Изменение значений амплитуд сигналов ЯМР протонов
ТАГ оливкового масла (с массовой долей олеиновой
кислоты 73%) в зависимости от температуры
Температур- Значения амплитуд сигналов
ный режим,
ЯМР компонент
0
С
А1,%
А2,%
А3,%
30
55
45
0
23
40
55
5
10
30
64
6
0
25
67
8
-2
19
70
11
-4
0
35
25
-8
0
10
40
-16
0
0
25
Сумма амплитуд сигналов
ЯМР компонент
∑Аi, %
100
100
100
100
100
60
50
25
Из приведенных данных видно, что при снижении температуры от
30ºС до (-2 ºС) значения амплитуд сигналов ЯМР протонов ТАГ первой
компоненты снижаются, а значения амплитуд сигналов ЯМР протонов
ТАГ второй и третьей компоненты увеличиваются, при этом суммарная
амплитуда сигналов ЯМР протонов ТАГ (∑Аi) соответствует 100 %, что
свидетельствует о количественном перераспределение компонентного
14
состава ТАГ оливкового масла в жидкой фазе в данном интервале
температур.
Кроме того, в интервале температур от (-40С) до (-160С) происходит
устойчивое образование молекулами ТАГ кристаллической структуры, о
чем свидетельствует снижение суммарной амплитуды сигналов ЯМР
протонов ТАГ (∑Аi), находящихся в жидкой фазе, и появление сигналов
ЯМР протонов ТАГ, находящихся в твердой фазе.
Таким образом, подтверждено, что молекулы ТАГ оливкового масла
находятся в нескольких структурных состояниях: в виде индивидуальных
молекул, в виде ассоциатов низких порядков и в виде ассоциатов высоких
порядков.
Для выявления идентификационных особенностей оливковых масел
по сравнению с другими видами растительных масел, и прежде всего,
высокоолеиновых подсолнечных, близких по жирнокислотному составу к
оливковым маслам, на следующем этапе исследовали ЯМ-релаксационные
характеристики протонов ТАГ растительных масел в жидкой фазе.
2.4 Исследование ЯМ-релаксационных характеристик протонов
ТАГ растительных масел в жидкой фазе. Для описания ЯМрелаксационных характеристик протонов сложных гетерогенных систем
используют среднее значение времен спин-спиновой релаксации Т2ср,
являющееся
интегральной
характеристикой
многофазной
спиновой
системы, которое определяется по уравнению (Зверев Л.В.,2002):
Т 2ср 
А
А1
А
 Т 21  2  Т 22  3  Т 23 ,
100
100
100
(1)
где А1, А2, А3 – начальные амплитуды сигналов ЯМР протонов ТАГ
различных компонент в процентах от суммарной амплитуды сигнала ЯМР
протонов ТАГ в жидкой фазе;
Т21, Т22, Т23 – времена спин-спиновой релаксации протонов ТАГ
различных компонент.
15
Для исследования ЯМ-релаксационных характеристик протонов ТАГ
оливковых, подсолнечных, высокоолеиновых подсолнечных, рапсовых и
соевых масел измеряли амплитуду сигналов ЯМР и времена спинспиновой релаксации протонов трех компонент ТАГ, находящихся в
жидкой фазе, при температурах 23 ºС, (-4 ºС), (-8 ºС) и (-16 ºС) (рисунок 4).
а)
в)
б)
г)
Рисунок 4 – Зависимость средних значений времен спин-спиновой
релаксации (Т2ср ) протонов ТАГ в жидкой фазе от вида масла при
температуре: а) 23 ºС; б) (-4 ºС); в)(-8 0С); г) (-16 ºС):
1 – оливковое масло; 2 – высокоолеиновое подсолнечное масло;
3 – подсолнечное масло; 4 – рапсовое масло; 5 – соевое масло;
- область значений Т2ср, характерных для конкретного вида масла
16
Из приведенных данных видно, что при снижении температуры от
23 ºС до (-16 ºС) происходит снижение средних значений времен спинспиновой релаксации (Т2ср) протонов ТАГ исследуемых масел. Это связано
с тем, что при понижении температуры снижается подвижность молекул
ТАГ
различных
компонент
и
происходит
перераспределение
компонентного состава масел.
Установлено, что при температурах 23 ºС и (-4 ºС) средние значения
времен спин-спиновой релаксации Т2ср протонов ТАГ подсолнечного,
рапсового и соевого масел в жидкой фазе отличаются почти в 2,5 раза, а
значения Т2ср протонов ТАГ оливковых и высокоолеиновых подсолнечных
масел в жидкой фазе при температуре (-4 ºС)
снижаются в 6 раз по
сравнению со значениями Т2ср этих масел при температуре 23 ºС (рисунок
4 а, б), так как молекулы ТАГ оливкового и высокоолеинового
подсолнечного масел при температуре (-4 ºС) образуют твердую фазу.
Из приведенных диаграмм можно сделать вывод, что в диапазоне
температур от (-40С) до (-16 0С) область средних значений времен спинспиновой релаксации протонов ТАГ подсолнечного, рапсового и соевого
масел может служить идентификационной характеристикой для указанных
масел, так как диапазоны средних значений времен спин-спиновой
релаксации протонов ТАГ этих масел отличаются.
Следует отметить, что в диапазоне температур от 23 ºС до (-16 ºС)
область средних значений времен спин-спиновой релаксации (Т2ср)
протонов ТАГ в жидкой фазе, характерных для оливковых масел,
совпадает с областью средних значений времен спин-спиновой релаксации
(Т2ср) протонов ТАГ в жидкой фазе, характерных для высокоолеиновых
подсолнечных масел.
Учитывая это, средние значения времен спин-спиновой релаксации
молекул ТАГ, находящихся в жидкой фазе, не могут быть выбраны в
качестве критерия идентификации оливковых масел.
17
На
следующем
этапе
исследовали
ЯМ-релаксационные
характеристики протонов ТАГ оливковых масел в твердой фазе с целью
выявления критерия идентификации.
2.5 Исследование ЯМ-релаксационных характеристик протонов
ТАГ оливковых масел в твердой фазе. Ранее нами показано, что при
температурах ниже (-4 0С) молекулы ТАГ оливкового и высокоолеинового
подсолнечного масел образуют устойчивую твердую фазу, количество
которой характеризуется величиной амплитуды сигнала ЯМР протонов
ТАГ в твердой фазе (АТФ). Регистрировать величину амплитуды сигнала
ЯМР протонов ТАГ в твердой фазе (АТФ) возможно, благодаря
модернизации ЯМР-анализатора АМВ-1006М.
Известно, что начальная амплитуда сигнала свободной прецессии
(АСИС) содержит информацию о суммарном количестве протонов ТАГ
масла в твердой и в жидкой фазах.
Величину амплитуды сигнала ЯМР протонов ТАГ масла в твердой
фазе (АТФ) определяют по уравнению:
АТФ= АСИС - АЖФ.
(2)
Известно, что протоны ТАГ жидкой фазы обладают более высокой
подвижностью, чем протоны ТАГ твердой фазы, поэтому сигналы ЯМР
протонов ТАГ твердой фазы имеют более быстрый спад сигнала
свободной прецессии.
В качестве примера на рисунке 5 показан спад сигнала свободной
прецессии протонов ТАГ оливкового и высокоолеинового подсолнечного
масел при температуре (-4
0
С) после воздействия 900 импульса
резонансного радиочастотного поля.
Экспериментально
установлено,
что
при
времени
(τ),
соответствующем 90 микросекунд сигналы ЯМР протонов твердой фазы
(АТФ) полностью затухают, и далее наблюдается только сигналы ЯМР
протонов жидкой фазы (АЖФ).
18
Рисунок 5– Спад сигнала свободной прецессии протонов ТАГ масел при
температуре (-4 0С): 1 – оливкового; 2 – высокоолеинового
подсолнечного; - 900 импульс резонансного радиочастотного
поля; - «мертвое» время
Амплитуда сигнала свободной прецессии, измеренная в момент
времени (τ), затухает с постоянной времени, зависящей от значений времен
спин-спиновой релаксации (Т2) протонов ТАГ, находящихся в различных
фазах (твердой и жидкой) (Прудников С.М., 2003 г.):
 
A(t )  A  exp  
 T2



  AЖФ  exp  

 T2 ЖФ

 ,

(3)
где АТФ –амплитуда сигналов ЯМР протонов ТАГ масла в твердой
фазе, характеризующаяся значением Т2ТФ;
АЖФ –амплитуда сигналов ЯМР протонов ТАГ масла в жидкой
фазе, характеризующаяся значением Т2ЖФ.
Из графика, представленного на рисунке 5 видно, что скорость
затухания амплитуды сигнала свободной прецессии протонов
ТАГ
оливкового масла выше, чем скорость затухания амплитуды сигнала
свободной прецессии протонов ТАГ высокоолеинового подсолнечного.
Используя
уравнение 3, нами были определены значения времен
спин-спиновой релаксации
протонов
ТАГ в твердой фазе (Т 2ТФ) для
19
масел: оливковых - 12±2 мкс и
высокоолеиновых подсолнечных -
22±2 мкс при температуре (-4 0С). Аналогичные значения времен спинспиновой релаксации протонов ТАГ в твердой фазе (Т2ТФ) для данных
масел были получены и при температурах (-8 0С) и (-16 0С).
2.6 Разработка способа определения массовой доли олеиновой
кислоты в оливковом масле. Для разработки способа определения
массовой доли олеиновой кислоты в оливковом масле исследовали
влияние массовой доли олеиновой кислоты, а также других факторов на
изменение ЯМ-релаксационных характеристик протонов ТАГ оливковых
масел в твердой фазе.
На рисунке 6 приведена зависимость амплитуды сигналов ЯМР
протонов ТАГ оливкового масла в твердой фазе (АТФ) от массовой доли
олеиновой кислоты в диапазоне температур от (-4) до (-16) 0С.
Рисунок 6 – Зависимость
амплитуды
сигналов
ЯМР протонов ТАГ
оливкового масла в
твердой фазе (АТФ) от
массовой
доли
олеиновый кислоты при
температуре:
1 - (-4 0С);
2 – (-8 0С);
3 – (-16 0С)
Из приведенных данных видно, что между амплитудой сигналов ЯМР
протонов ТАГ в твердой фазе (АТФ) и массовой долей олеиновой кислоты в
оливковом масле наблюдается пропорциональная зависимость, имеющая
линейный характер в широком диапазоне изменения массовой доли
олеиновой кислоты.
20
Учитывая это, в качестве аналитического параметра при определении
массовой доли олеиновой кислоты в оливковом масле целесообразно
использовать
значение
амплитуды
сигналов
ЯМР
протонов
ТАГ
оливкового масла в твердой фазе (АТФ).
Следует отметить, что зависимость амплитуды сигналов ЯМР
протонов ТАГ оливкового масла в твердой фазе (АТФ) от массовой доли
олеиновой кислоты имеет высокие значения коэффициентов корреляции
при линейной аппроксимации во всем исследуемом диапазоне температур.
Таким образом, определение массовой доли олеиновой кислоты в
оливковом масле в зависимости от амплитуды сигналов ЯМР протонов
ТАГ в твердой фазе (АТФ) с применением импульсного метода ЯМрелаксации возможно в диапазоне температур от (-40С) до (-16 0С).
На рисунке 7 приведены зависимости массовой доли олеиновой
кислоты в оливковом масле от амплитуды сигналов ЯМР протонов ТАГ в
твердой фазе (АТФ) при температурах (-4ºС), (-8ºС) и (-16ºС), являющиеся
градуировочными графиками для определения массовой доли олеиновой
кислоты в оливковом масле.
Рисунок 7 – Зависимость
массовой
доли
олеиновой кислоты в
оливковом масле от
амплитуды
сигналов
ЯМР протонов ТАГ в
твердой фазе (АТФ) при
температуре:
1 – (-4 0С);
2 - (-8 0С);
3 – (-16 0С)
21
С помощью математической обработки экспериментальных данных
нами получены линейные уравнения, по которым рассчитывается массовая
доля олеиновой кислоты в оливковом масле, в процентах:
при температуре (-4 0С):
М.д.ол.= 0,98АТФ + 34,6;
(4)
(коэффициент корреляции 0,985);
при температуре (-8 0С):
М.д.ол.= 0,896АТФ + 28,7;
(5)
(коэффициент корреляции 0,991;);
при температуре (-16 0С):
М.д.ол.= 0,67АТФ + 22,9;
(6)
(коэффициент корреляции 0,980;),
где АТФ = АСИС-АЖФ.
Установлено, что погрешность определения массовой доли олеиновой
кислоты при изменении объема пробы в диапазоне 1,0 см3 составляет
0,3% абс.
Влияние температуры на погрешность определения массовой доли
олеиновой кислоты в оливковом масле в интервале температур от (-4 0С)
до (-16 0С) статистически незначимо.
Установлено, что влияние сопутствующих ТАГ веществ таких, как
свободные жирные кислоты, фосфолипиды и неомыляемые вещества на
погрешность
определения
массовой
доли
олеиновой
кислоты
статистически незначимо.
В таблице 3 приведена сравнительная характеристика известного и
разработанного способов определения массовой доли олеиновой кислоты в
оливковом масле.
22
Таблица 3- Сравнительная характеристика способов определения массовой
доли олеиновой кислоты в оливковом масле
Значение характеристики
ГЖХ
ЯМР
Наименование характеристики
(известный) (разработанный)
Диапазон измерения массовой доли
олеиновой кислоты, %
0÷100
60÷80
Диапазон содержания свободных жирных
не
кислот в оливковом масле, %
нормируется 0,10÷1,10
Диапазон содержания фосфолипидов в
не
оливковом масле, %
нормируется 0,01÷0,30
Диапазон содержания неомыляемых веществ в
не
оливковом масле, %
нормируется 0,50÷1,20
3
Объем анализируемой пробы, см
5,0±1,0
Время проведения анализа, часов
3
1
Систематическая составляющая погрешности
измерения, %, не более
±1,0
Среднеквадратическое отклонение случайной
составляющей погрешности измерения, %,
не более
0,5
Допускаемое относительное расхождение
между
результатами
последовательных
определений, % к среднему значению
показателя, не более
7,0
5,0
2.7 Разработка способа идентификации оливковых масел. На
основании экспериментальных данных, полученных при исследовании
ЯМ-релаксационных характеристик протонов ТАГ оливковых масел в
диапазоне температур
от (-4 0С) до (-160С), можно выделить область
значений амплитуды сигналов ЯМР протонов ТАГ в
твердой фазе в
процентах, которая характерна для оливковых масел.
На рисунке 8 приведена зависимость амплитуды сигналов ЯМР
протонов ТАГ в твердой фазе (АТФ) от температуры для идентификации
оливковых масел с различной массовой долей олеиновой кислоты.
Так как для оливковых масел характерно содержание олеиновой
кислоты более 60 %, то на основании зависимости, приведенной на
23
рисунке 8, были сформулированы условия для идентификации оливковых
масел:
АТФ>(АТФ)60%=-0,08t2- 4t+19,1,
(7)
где (АТФ)60% - амплитуда сигналов ЯМР протонов ТАГ в твердой фазе
оливковых масел с массовой долей олеиновой кислоты 60%;
t – температура анализируемой пробы масла, 0С.
Рисунок 8 –Зависимость
амплитуды
сигналов
ЯМР протонов ТАГ в
твердой
фазе
от
температуры
для
идентификации
оливковых масел в
интервале температур
(-4) 0С÷(-16) 0С:
область
идентификации
оливковых масел
В таблице 4 приведена сравнительная оценка затрат для реализации
известного и разработанного способов идентификации оливковых масел.
Таблица 4 - Сравнительная оценка затрат для реализации
известного
и
разработанного
способов
идентификации оливковых масел
Способ идентификации
Наименование материальных и
временных затрат
ГЖХ
ЯМР
(известный) (разработанный)
Стоимость прибора, тыс.руб:
ГЖХ
1600
ЯМР-анализатор АМВ1006М
800
Затраты на проведение 1 анализа, тыс.р.,
3,91
0,10
в том числе:
химические реактивы
0,01
химическая посуда
3,90
0,10
Продолжительность 1 анализа, час
3
1
24
Из приведенных данных видно, что разработанный способ позволяет
сократить время и затраты на проведение идентификации масел. Кроме
того, стоимость ЯМР-анализатора в 2 раза ниже стоимости газового
хроматографа.
ВЫВОДЫ
1.
Установлено, что при температурах ниже (-4 0С) происходит
устойчивое образование кристаллической структуры молекул ТАГ
оливковых масел, о чем свидетельствует снижение суммарной амплитуды
сигналов ЯМР протонов ТАГ, находящихся в жидкой фазе, и появление
сигналов ЯМР протонов ТАГ, находящихся в твердой фазе.
2.
Выявлено, что при температурах ниже (-4 0С) образование
устойчивой твердой фазы происходит не только
молекулами ТАГ
оливковых масел, но и молекулами ТАГ высокоолеиновых подсолнечных
масел.
3.
Установлено
различие
времен
спин-спиновой
релаксации
протонов ТАГ оливковых и высокоолеиновых подсолнечных масел в
твердой фазе (Т2ТФ), что обусловлено особенностями структуры ТАГ этих
масел в твердой фазе.
4.
Установлено, что влияние массовой доли олеиновой кислоты в
оливковом масле наиболее значимо для амплитуды сигналов ЯМР
протонов ТАГ в твердой фазе (АТФ) в диапазоне температур от (-4 0С)
до (-16 0С).
5.
Экспериментально обоснован выбор амплитуды сигналов ЯМР
протонов ТАГ оливкового масла в твердой фазе (АТФ) в качестве
аналитического параметра для разработки способа определения массовой
доли олеиновой кислоты.
6.
Разработан способ определения массовой доли олеиновой
кислоты в оливковом масле, позволяющий значительно сократить время
25
осуществления анализа, а также исключить применение токсичных
реактивов.
7.
На основе выявленной зависимости амплитуды сигналов ЯМР
протонов ТАГ в твердой фазе (АТФ) от температуры для оливковых масел
с различной массовой долей олеиновой кислоты, а также с учетом
значения времени спин-спиновой релаксации (Т2ТФ) протонов ТАГ
оливковых масел в твердой фазе разработан способ их идентификации.
8.
внедрены
Разработанные способы оценки качества и идентификации
в
условиях
Учебно-научно-производственного
комплекса
факультета инженерии, экспертизы и компьютерного моделирования
высоких технологий КубГТУ, а также в условиях Испытательного центра
масложировой продукции «Аналитик».
Экономический эффект от внедрения разработанных способов
составит более 290 тыс. руб. в год.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы
в следующих работах:
1. Кабалина Е.В. (Лисовая Е.В.) Оценка экономической
эффективности экспресс-способа идентификации растительных масел на
основе метода ядерно - магнитной релаксации/Кабалина Е.В. (Лисовая Е.В.),
Прудников С.М., Блягоз А.И., Наумов Н.Н., Лобанов А.В., Сакун Г.В. //
Известия вузов. Пищевая технология. – Краснодар: 2006. - №6. - С. 81-83.
2. Кабалина Е.В. (Лисовая Е.В.) Влияние температуры на ЯМрелаксационные характеристики растительных масел / Кабалина Е.В.
(Лисовая Е.В.), Наумов Н.Н., Блягоз А.И., Прудников С.М., Илларионова В.В.
// Известия вузов. Пищевая технология. – Краснодар: 2007. - №1. - С. 104-105.
3. Кабалина Е.В. (Лисовая Е.В.) Способ идентификации оливкового
масла / Патент РФ №2315982 по заявке № 2006127727. Опубл. 27.01.2008
Бюл. №3 // Кабалина Е.В. (Лисовая Е.В.), Корнена Е.П., Прудников С.М. и др.
4. Кабалина Е.В. (Лисовая Е.В.) Способ определения содержания
олеиновой кислоты в оливковом масле / Решение о выдаче патента по заявке
№2008118631/13 от 6.05.2009 // Кабалина Е.В. (Лисовая Е.В.), Корнена Е.П.,
Прудников С.М. и др.
5. Кабалина
Е.В.
(Лисовая
Е.В.)
Сравнительная
оценка
эффективности экспресс-способа идентификации растительных масел на
основе метода ядерно – магнитной релаксации/Кабалина Е.В. (Лисовая Е.В.),
26
Прудников С.М., Блягоз А.И., Наумов Н.Н., Лобанов А.В., Украинцева И.И. //
Материалы IV международной научно-практической конференции
«Приоритеты и научное обеспечение реализации государственной политики
здорового питания в России», г. Орел, 12-14.12.2006 г., С. 67-68.
6. Кабалина
Е.В.
(Лисовая
Е.В.)
Разработка
способов
идентификации и оценка качества растительных масел на основе метода
ядерно-магнитной
релаксации / Кабалина Е.В.
(Лисовая Е.В.),
Прудников С.М.,
Корнена Е.П., Мхитарьянц И.Г. // Материалы
всероссийской конференции с международным участием «пищевые
технологии» на базе факультета Пищевой инженерии Казанского
государственного технологического ун-та, г. Казань, 9-10.04.2007г., С.78-79.
7. Кабалина Е.В. (Лисовая Е.В.) Оценка качества растительных масел
с применением ядерно-магнитной релаксации / Кабалина Е.В. (Лисовая Е.В.),
Прудников С.М., Корнена Е.П., Украинцева И.И. // Материалы
международной научно-практической конференции «Технологии и продукты
здорового питания», г. Москва, МГУПП, 4-5.06.2007г., С. 98-101.
8. Кабалина Е.В. (Лисовая Е.В.) Разработка способа идентификации
растительных масел на основе метода ядерно-магнитной релаксации //
Материалы I всероссийской научно-практической конференции молодых
ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса», г.Краснодар,
КубГАУ, 14-16.11.2007 г., С. 172-174.
9. Кабалина Е.В. (Лисовая Е.В.) Исследование ЯМ-релаксационных
характеристик протонов триацилглицеринов оливкового масла/ Кабалина Е.В.
(Лисовая Е.В.), Прудников С.М., Корнена Е.П. // Материалы 5
международной конференции «Масложировой комплекс России: новые
аспекты развития», г. Москва, Международная промышленная академия, 24.06.2008 г., С.132-135.
10. Кабалина Е.В. (Лисовая Е.В.) Разработка способа идентификации
оливковых масел на основе метода ЯМР / Кабалина Е.В. (Лисовая Е.В.),
Прудников С.М., Вергун Д.В. // Материалы международной научнотехнической конференции «Инновационные технологии переработки
сельскохозяйственного сырья в обеспечении качества жизни: наука,
образование и производство», г. Воронеж, 1-4.10.2008 г., С.69-73.
11. Лисовая Е.В. (Кабалина Е.В.) Эффективные экспресс-методы
идентификации масличного сырья и растительных масел / Лисовая Е.В.
(Кабалина Е.В.), Прудников С.М., Шаззо А.А. // Материалы третьей
всероссийской заочной научно-практической конференции специалистов,
ученых вузов «Региональный рынок потребительских товаров: особенности и
перспективы развития, качество и безопасность товаров и услуг», г. Тюмень,
16.04.2009г., С. 56-59.