На правах рукописи Специальность 02.00.02 – Аналитическая химия

На правах рукописи
Гузик Татьяна Владимировна
Электрохимическое определение общего содержания органических
кислот в винах, виноматериалах и соках
Специальность 02.00.02 – Аналитическая химия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата химических наук
Краснодар 2015
1
Работа выполнена на кафедре химии, метрологии и стандартизации ФГБОУ ВПО
«Кубанский государственный технологический университет»
Научный руководитель:
доктор химических наук, профессор
Стрижов
Николай
Константинович
(ФГБОУ
ВПО
«Кубанский
государственный
технологический
университет»)
Официальные оппоненты:
Алексеев Владимир Георгиевич – доктор
химических наук, доцент, профессор
кафедры неорганической и аналитической
химии
ФГБОУ
ВПО
«Тверской
государственный университет»
Якуба Юрий Федорович – кандидат
технических наук, доцент, заведующий
центром
коллективного
пользования
ФГБНУ «Северо-Кавказский зональный
НИИ садоводства и виноградарства»
Ведущая организация:
ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский)
федеральный университет»
Защита диссертации состоится «04» июня 2015 г. в 16 часов 00 минут
на заседании диссертационного совета Д 212.101.16 при ФГБОУ ВПО
«Кубанский государственный университет» по адресу: 350040, Краснодар,
ул. Ставропольская, д. 149, ауд. 3030Л.
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной
библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет» и в
сети Интернет на сайте ВАК Минобрнауки РФ http://vak.ed.gov.ru и ФГБОУ
ВПО «Кубанский государственный университет» http://www.kubsu.ru
Автореферат разослан «
» апреля 2015 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Киселева
Наталия Владимировна
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Наиболее важным, надёжным и достаточно быстро
определяемым показателем качества, как сырья, так и готовой продукции является ее
кислотность. В аналитической и технологической практике обычно контролируют
только титруемую кислотность методами прямого или обратного титрования
анализируемых образцов растворами щелочей вручную с применением цветных
индикаторов. Причём, при анализе окрашенных или мутных образцов требуется
проведение
достаточно
трудоёмкой
пробоподготовки
или
применение
потенциометрической индикации с титрованием до заданного значения pH или
снятием и анализом всей кривой титрования. Результаты такого титрования, во
многом, зависят от опыта исследователя, от точности дозирующего устройства,
качества титранта и других факторов. При этом следует отметить, что титрование
дает возможность определить только общее содержание органических кислот
в анализируемом объекте, а форма кривой титрования зависит как от
соотношения титруемых кислот в смеси, так и от содержания солей
щелочных металлов, аминокислот и, возможно, доли красящих компонентов.
В работах Стрижова Н.К. и его сотрудников предложены комплексные
подходы по кулонометрическому определению органических и минеральных
кислот, базирующиеся на автоматической регистрации и анализе получаемых
кривых титрования. Существенным преимуществом такого подхода является
тот факт, что при обработке кривых титрования учитываются основные
закономерности диссоциации органических кислот в растворах, что особенно
важно при разработке методик анализа реальных объектов (вин, соков и др.),
содержащих смеси различных кислот. Дальнейшее изучение физикохимических свойств водных растворов органических кислот, исследование
механизма межмолекулярного их взаимодействия в многокомпонентных
системах позволят разработать современные методики определения кислот в
пищевых продуктах.
3
Цель данной работы  создание подходов к идентификации вин,
виноматериалов и соков, основанных на особенностях кислотно-основных
равновесий водных растворов органических кислот и механизма их
межмолекулярного взаимодействия в многокомпонентных системах, для
разработки
методики
подтверждения
подлинности
продукта
по
специфическим критериям.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР Кубанского
государственного технологического университета по темам: «Электрохимические и
спектральные методы исследования в решении актуальных теоретических и
прикладных вопросов технохимического и эколого-аналитического контроля» (г.р.
№ 01980001096); «Развитие научных основ обеспечения качества деятельности
испытательных и научно-исследовательских лабораторий, создание и развитие
современного менеджмента в производственных организациях и учебных
заведениях» (г.р. № 01291152079).
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
 исследование кислотно-основных равновесий водных растворов
некоторых органических кислот (янтарной, уксусной, муравьиной, лимонной) с
учетом межмолекулярного их взаимодействия в многокомпонентных
системах;
 проведение
теоретических
и
экспериментальных
исследований
ионизации мономеров и димеров янтарной, уксусной, муравьиной, лимонной кислот
при их низких содержаниях для установления форм их нахождения в водных
растворах;
 установление и расчет специфических критериев для оценки подлинности
и качества готовой пищевой продукции;
 исследование возможности электрохимического определения титруемой
кислотности различных пищевых продуктов при концентрациях органических и
минеральных кислот в растворе < 1∙10–3 моль/дм3;
4
 разработка методики электрохимического определения общей и титруемой
части органических и минеральных кислот в различных пищевых продуктах и ее
метрологическая оценка;
 апробация разработанных методик.
Научная новизна. Изучены кислотно-основные равновесия водных
растворов некоторых органических кислот (янтарной, уксусной, муравьиной,
лимонной)
с
учетом
их
межмолекулярного
взаимодействия
в
многокомпонентных системах в присутствии сильных электролитов (солей
щелочных металлов).
Разработана методика электрохимического определения общей и
титруемой части органических кислот (при их концентрациях в растворе < 1∙10–3
моль/дм3) в различных пищевых продуктах.
Обоснованы и предложены специфические критерии для оценки
подлинности и качества готовой продукции.
Практическая значимость работы.
Создана
оригинальная
установка
по
потенциометрическому
титрованию вин, виноматериалов и соков с кулонометрической генерацией
основания для определения в них общей и титруемой части органических и
минеральных кислот.
Разработаны методики определения доли солевой и титруемой части
кислот, содержащихся в винах, соках, безалкогольных напитках.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований кислотноосновных равновесий сильно разбавленных водных растворов некоторых
органических кислот (янтарной, уксусной, муравьиной, лимонной).
2. Оптимальные условия титрования образцов вин, виноматериалов и соков
для раздельного определения титруемой и солевой части кислот, специфические
критерии для оценки качества и подлинности испытуемых образцов.
3. Приемы
идентификации
и
доказательства
подлинности
вин,
виноматериалов и соков по результатам потенциометрического титрования кислот.
5
4. Результаты метрологической оценки методики определения общей и
титруемой части органических и минеральных кислот в различных пищевых
продуктах и ее метрологическая оценка.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждены и
доложены на VIII Всероссийской конференции по электрохимическим методам
анализа (г. Уфа, 2012 г.), на международной научно-практической конференции
«Теория и практика современной науки» (г. Москва, 2012 г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано
в четырёх статьях, трёх тезисах докладов, получено одно свидетельство на базу
данных, патент на полезную модель.
Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, 3 глав, выводов, библиографического списка и приложения. Работа
изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков и 21
таблицу.
Личный вклад автора
состоял в постановке и выполнении
экспериментальных исследований, участии в интерпретации результатов,
написании статей, подготовке докладов и выступлениях на конференциях и
практической апробации полученных результатов.
Реактивы и оборудование
Все растворы, включая фоновые электролиты, готовили из реактивов не ниже
квалификации ч.д.а. на бидистиллированной воде. Растворы уксусной, муравьиной,
янтарной, лимонной кислот готовили непосредственно перед выполнением
эксперимента. Титрование растворов кислот, образцов вина (виноматериалов),
сокосодержащей продукции проводили методом кулонометрии с помощью
оригинальной экспериментальной установки, состоящей из трёхзвенной ячейки.
Процесс титрования фиксировали потенциометрическим методом с помощью
многоканального
иономера–pH–метра
«Эксперт
–
001»,
сопряженного
с
компьютером. Математическую обработку экспериментальных данных проводили с
использованием математического пакета Mathcad-2001i professional.
6
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность темы диссертации, дан краткий обзор
современного состояния проблемы по оценке качества вин и виноматериалов,
сформулированы цель и задачи работы, представлены защищаемые положения,
научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе представлен аналитический обзор, посвященный анализу
работ по идентификации, подлинности вин и продукции соковой промышленности,
также проанализированы работы, посвящённые изучению ионизации и строению
карбоновых кислот в растворах.
Во второй главе изложены основные приёмы экспериментального изучения
равновесий в водных растворах карбоновых кислот, представлены первичные
экспериментальные данные по изучению процесса ионизации и структуры
некоторых карбоновых кислот в сильно разбавленных водных системах, приведено
обоснование применения методики по идентификации подлинности продукции
винодельческой и соковой промышленности.
В третьей главе проведен анализ экспериментальных данных с помощью
математической модели процесса, описывающего ионизацию карбоновых кислот в
растворе. Рассмотрены некоторые особенности потенциометрического титрования
кулонометрически генерированным основанием.
Особенности потенциометрического титрования кулонометрически
генерированным основанием
Анализ литературных данных при изучении равновесий в разбавленных
растворах карбоновых кислот и интерпретация результатов сводились к одной из
двух концепций: либо изучаемые кислоты находятся в мономерной форме, либо в
димерной. Публикации, в которых анализировались бы возможные формы их
нахождения в растворах либо отсутствуют, либо весьма противоречивы.
В своих исследованиях нами проведен сравнительный анализ возможных
форм их нахождения в растворах с использованием математических моделей для
одних и тех же кислот, которые позволили утверждать, что органические кислоты
находятся в димерной форме, даже в очень разбавленных растворах, а двухосновные
7
кислоты могут находиться в циклической форме по карбоксильным группам.
Именно пренебрежение возможностью циклизации, по нашему мнению, могло
явиться одной из причин несогласованности величин констант диссоциации,
полученные разными авторами.
Данный момент можно проиллюстрировать на примере анализа кривых
титрования уксусной и янтарной кислот. Справочное значение константы ионизации
уксусной кислоты в бесконечно разбавленном растворе Ка = 1,75  10-5 моль/дм3.
Сравнение средних значений рН с рассчитанными величинами рН по данному
значению Ка для концентрации уксусной кислоты 1,199 моль/дм3 приведено на
рис. 1а. На рис. 1б показан расчёт константы ионизации уксусной кислоты с
применением наших данных по уравнению:

K
K
.


Н

K
C
;pH


lg
H
2 4

а
2
a

a
(1)
Графики свидетельствуют о том, что реальная и расчётная кривые титрования
совпадают только в интервале степени нейтрализации (отношение концентрации
добавленного основания к общей концентрации кислоты), равном 0,3  0,7.
Рассчитанная по уравнению (1) теоретическая кривая 2, приведенная на рис. 1а,
показывает, что при данной концентрации уксусная кислота должна диссоциировать
намного сильнее, чем это наблюдается в реальных условиях. Реальная константа
диссоциации (рис. 1б) фактически не является постоянной, а проходит через
максимум, приближаясь к общепринятому значению при степени нейтрализации 0,5.
Небольшое отличие можно объяснить тем, что титрование проводилось в среде
1,0 моль/дм3 раствора NaCl. Исходя из того, что по литературным данным уксусная и
муравьиная кислоты в твёрдом состоянии и парах практически находятся в димерной
форме, рядом исследователей высказано предположение о существовании этих
кислот в водных растворах в димерной форме, поэтому они могут диссоциировать и
титроваться как двухосновные по схеме:
 OH 
a1
a2
RCOO (2 H )OOCR 

H   ( RCOOHOOCR )  
 ( RCOO ( H 2 O)OOCR ) 2 . (2)
K
K
8
Рисунок 1  Расчёт константы ионизации
Анализируя результаты титрования и схему (2), Стрижов Н.К с сотрудниками
пришли к выводу, что Ка1 = 4Ка2, а процесс титрования и диссоциации описывается
следующим кинетическим уравнением:
 








c
2
H

Na

K
H
где Y
w

1,
YH
K
a
1 2



(3)
(4)
По наклону прямых определены константы диссоциации уксусной (С=1,199
10-3 моль/дм3) и муравьиной кислот (С=1,713 10-3 моль/дм3), которые составили (4,15,1) 10-5 и (2,4-3,2) 10-4 моль/дм3 при ионной силе раствора 1 моль/дм3.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что карбоксильные группы в
этих кислотах связаны в кольцо более прочными связями, чем обычные водородные,
и не разрушаются под влиянием растворителя с образованием цепочечных и других
ассоциатов. Основным аргументом, подтверждающим факт, что растворы имеют
ближний порядок, является размытая дифракционная картина при отражении
рентгеновского излучения, в отличие от дискретной дифракционной картины для
кристаллического состояния. Можно предположить, что, если направить поток
рентгеновских лучей в определённую точку раствора, получим конкретную
дифракционную картину, а если источник излучения направить в другую точку
раствора, дифракционная картина не изменится. Следовательно, в любой точке
9
жидкость структурирована, но эта структура способна изменяться под действием
более слабых возмущений, по сравнению с твёрдыми телами. Кроме того, жидкость
восстанавливает свою исходную структуру после прекращения воздействия
механических и электромагнитных сил. В твёрдых телах электронная плотность,
рассеивающая рентгеновское излучение, локализована в малых объёмах, а в
жидкости она более размыта. Молекула уксусной кислоты имеет подковообразную
форму с двумя разноименными полюсами, поэтому она будет реагировать с
одноименной молекулой с образованием димерной формы с двумя водородными
связями между противоположными полюсами. Очевидно, для разрыва такой связи и
диссоциации первого протона необходима удвоенная энергия активации. Если
протоны карбоксильных групп в таком кольце способны обмениваться энергией, то
энергия, необходимая для отрыва одного протона, будет отбираться у второго, что
приведет к затруднению диссоциации второго протона. Оценить величину
необходимой энергии для отрыва второго протона можно на основании следующего
расчёта: изменения свободной энергии Гиббса (ΔG0) для диссоциации по первой и
второй ступеням соответственно равны ΔG01 = – RTln(Ka1) и ΔG02 = – RTln(Ka2).
Некоторые исследователи считает, что формула не совсем правомерна, так как под
знаком логарифма стоит размерная величина, другие считают её безразмерной, так
как моль, отнесённый к объёму, можно считать отнесённым к n молям растворителя,
содержащимся в одном литре.
При проведении данных исследований ставилась задача по детальному
изучению процесса на всём протяжении кривой титрования с целью изучения
структуры и поведения димеров вышеуказанных кислот. В то же время, разность
ΔG0= ΔG01– ΔG02 = – RTln (Ka1Ka2) под знаком логарифма содержит безразмерную
величину и определяет энергию связи второго протона, и эта величина равна
3.435 кДж при температуре 298 К.
В работах Wertz David L., Cook Gary A., Строганова В.Ф.,
Сагадеева Е.В., Потаповой Л.И., Куколевой Д.А. приведены доказательства
существования в димерной форме фосфорной, уксусной, щавелевой и лимонной
кислот. С учетом этих положений нами проведен расчет структуры и возможных
10
форм существования янтарной кислоты в водных растворах в процессе ее
титрования. Показано, что данная кислота титруется в одну ступень, но она и её соли
существуют в виде димеров, представляющих собой объёмные бициклические
структуры, титруемые как четырёхосновные кислоты. На рис. 2 приведена кривая
титрования янтарной кислоты, где x – мольная доля основания, отнесённая к молю
титруемой кислоты с учётом разбавления раствора в процессе титрования. Как видно,
кривая титрования непрерывна на всём интервале её протяжённости и носит S –
образный характер, на ней отсутствуют скачки, отвечающие ступенчатой
диссоциации. В случае мономолекулярной модели кривая титрования янтарной
кислоты описывается зависимостью (рис. 3):
y = Ka1Ka2z + Ka1,
где y = H(H+Na – Kw/H)/(c–H–Na + Kw/H); z =(2c– H–Na+Kw)/H(c–H–Na + Kw/H).
Уравнение зависимости y = Ka1.Ka2z + Ka1 получено совместным решением
уравнений: с = H2A+HA+A = (H2/Ka1.Ka2+H/Ka2+1)A (материальный баланс по
частицам кислоты) и H+Na – Kw/H = HA + 2A = A(H/Ka2+2) (правило
электронейтральности). По наклону графика зависимости y = Ka1.Ka2z + Ka1 можно
найти произведение Ka1.Ka2 путём экстраполяции методом наименьших квадратов к
отрезку на оси y при x = 0. В этих условиях величина Ka1= 7,10·10–5 моль/дм3, Ka2 =
2,04·10–5 моль/дм3.
Несмотря на то, что кривая титрования, приведенная на рис. 3, близка к прямой
(коэффициент линейной регрессии R2 = 0,997), у неё есть некоторые особенности.
Координаты первых точек (от момента начала титрования) возрастают вначале
нелинейно (это хорошо видно на увеличенной области), затем увеличиваются по
прямой, достигают максимума в точке полунейтрализации.
11
Рисунок 2  Кривая титрования
янтарной кислоты.
Рисунок 3 – Проверка уравнения
y =Ka1Ka2z + Ka1
После достижения максимума эти точки смещаются в отрицательную область,
из которой снова начинают нарастать, стремясь к координатам первой точки, но не
достигают её. Следовательно, данная прямая фактически является кривой более
высокого порядка, что позволило нам перейти к анализу второй схемы. Отметим, что
подобная картина наблюдается и при описанной выше обработке и других (в том
числе и из данных других авторов) результатов по титрованию янтарной кислоты
более высокой концентрации.
Если исходная кислота находится в растворе в
димерной форме, она диссоциирует по схеме:
H4A2→H3A2→H2A2→HA2→A2,
которая описывается четырьмя константами равновесия:
Ka1=H3А2∙H/H4A2,; Ka2=H2A2∙H/H3A2,; Ka3=HA23∙H+/H2A2; Ka4= A 2∙H/HA2;
а также уравнениями материального баланса по водороду:
H+2∙с∙x–Kw/H=4A2+3∙HA2+2∙H2A2+H3A
и кислоте:
c/2=A2+H A2+H2A2+H3A2+H4A2.
Объединением функций получим решение в виде уравнения:
(Y–4)∙Ka3∙Ka4/[H+]2+(Y–3)∙Ka3/[H+]+(Y–1)∙[H+]/Ka2+Y∙[H+]2/Ka1∙Ka2= 2 – Y.
Здесь и ниже равновесные концентрации взяты в квадратные скобки, x – мольная
доля основания к концентрации исходной кислоты, Y= 2(H+2∙с∙x–Kw/H)/c.
12
Анализом вышеуказанного уравнения было доказано и экспериментально
проверено, что Ka1 = 3Ka2 и Ka3 = 3Ka4, поэтому уравнение можно привести к виду:
(Y–4)∙Ka32/[H+]2+3(Y–3)Ka3/[H+]+3(Y–1)[H+]/Ka2+Y[H+]2/Ka22 = 6–3Y.
Графически данное уравнение решается путем построения зависимости рН от Y (рис.
4), нахождения pH и соответствующей ей концентрации ионов водорода в трёх
точках Y = 1, 2 и 3. Величины констант определяются по формулам:
Ka2 = [H+]1/ 3 – [H+]22/[H+]1 и Ka4 = ( 3 –1)[H+]3/3.
Рисунок 4  Определение значений pH при Y = 1, 2 и 3 (+)
Надёжность полученных констант устанавливали по расхождению текущих
значений A2, которые рассчитывали по формулам:
[A24–] = {[H+]+2∙с∙x–Kw/[H+]}/{4 + 9∙[H+]/Ka3+6∙[H+]2/Ka32+3[H+]3/Ka2∙Ka32};
(5)
[A24–] = c/{2+6[H+]/Ka3+ 6[H+]2/Ka32+ 6[H+]3/Ka2Ka32 +18[H+]4/Ka22Ka32}.
(6)
Для янтарной кислоты получены следующие величины константы
диссоциации: pKa1 == 3.381; pKa2 = 3.983; рKa3=4.611; рKa4=5.213. Сравнение
значений [A24–] приведено на рис. 5, а на рис. 6 дан анализ ошибок.
Изменение энергии Гиббса (ΔG0) при переходе от равновесия по первой
ступени к равновесию по второй RTln(Ka1/Ka2) = 2.722 кДж, от второй к третьей
RTln(Ka2/Ka3) = 3.583 кДж, от третьей к четвёртой RTln(Ka3/Ka4) = 2.722 кДж.
Величины этих энергий сопоставимы с аналогичной величиной для уксусной
кислоты.
13
Рисунок 5  Сравнение значений [A24–], Рисунок 6  Распределение относительных
рассчитанных по уравнениям: (1) – х и ошибок текущих значений [A24–] (х, □), и
(2) – □. Сплошная линия – среднее.
доверительный интервал: 2– среднее
значение, 1– верхний предел, 3– нижний
предел.
Важным доказательством существования янтарной кислоты в циклической
димерной форме является сравнение величин констант диссоциации янтарной с
данными по этилендиаминодиянтарной и иминодиянтарной кислотам, взятыми из
литературных источников (рис. 7 построен по нашим данным и по данным
Толкачевой Л.Н.).
Рисунок 7 – Кривые титрования кислот: 1 – янтарной (расчёт на димерную форму);
2 – этилендиаминодиянтарной; 3 – иминодиянтарной. (ионная сила I = 1 (KNO3))
14
Как видно из рис. 7, кривые титрования димерных форм янтарной,
этилендиаминодиянтарной и иминодиянтарной кислот значительно отличаются друг
от друга. Янтарная кислота титруется монотонно, вплоть до конца титрования. В
интервале 0<x<2 значения pH лежат значительно выше, чем у остальных кислот, а в
интервале 2<x<4 значительно ниже. Этилендиаминодиянтарная кислота титруется в
три ступени, причём на 1-й стадии расходуется два эквивалента основания, на 2-ой и
3-ей – по одному. Последний скачок не выражен, так как титрование происходит в
сильнощелочной среде. Иминодиянтарная кислота титруется непрерывно в
интервале 0<x<3, затем наблюдается скачок pH при x > 3, далее кривая переходит в
щелочную область и плавно повышается. При x > 4 скачка не обнаружено, так как, по
нашим наблюдениям, если предшествующая ступень диссоциации лежит в
сильнощелочной области, то скачок на следующей ступени отсутствует.
Некоторые аспекты одновременного потенциометрического определения
суммы кислот электрохимически генерированным основанием в трёхзвенной
ячейке
С целью установления подлинности виноградных вин и продукции соковой
промышленности было применено одновременное использование трёх ячеек при
кулонометрическом титровании. Ячейки были соединены последовательно и
подключены к источнику стабилизатора тока. В первую ячейку помещался
серебряный анод, а в третью  платиновый (графитовый) катод. Среднюю ячейку
соединяли с первой и третьей с помощью двух П-образных электродов (динодов) из
серебра. Диноды играют двоякую роль: сторона, обращенная к основному катоду,
играет роль анода, а противоположная часть – роль катода. В ячейках для измерения
pH находятся стеклянные и хлоридсеребряные электроды. Стеклянные электроды
подключали к соответствующему каналу анализатора жидкости «Эксперт  001», а
хлоридсеребряные подсоединяли через специальный коммутатор к гнезду для
электрода сравнения (при использовании комбинированных электродов нет
необходимости в коммутаторе). Анализатор «Эксперт  001» подключали к
компьютеру. В ячейки помещали 50 см3 1,0 моль/дм3 хлорида щелочного металла и
15
аликвотную часть анализируемого раствора (1–2 см3). Для титрования растворов с
низкими содержаниями кислот (уксусной, муравьиной кислотой) в ячейки для
титрования помещали 50 см3 анализируемой пробы, добавляли навеску сухой соли
хлорида щелочного металла до достижения его концентрации в ячейке в 1 моль/дм3,
затем перемешивали раствор магнитной мешалкой или воздухом, свободным от CO2,
до полного растворения соли. При постоянном перемешивании включали
регистрацию pH и источник тока. Так как при использовании трёх каналов
регистрации наблюдалась задержка сигнала от каждого последующего сигнала, то
регистрацию pH среды проводили с интервалом в три секунды. Отсюда следовала
неопределенность в точности измерения количества электричества, примерно равная
t∙100/tk, %, где t – время задержки сигнала, с; tk – время, затраченное на титрование
до точки эквивалентности, с. При t = 3 с и tk = 1000 с ошибка составляла 0,3 %.
Титрование одинаковых по объёму (50 см3 раствора кислоты + 2,9–3,0 г сухого NaCl)
проб уксусной и муравьиной кислот проводили в равных условиях, в трёхзвенной
ячейке. Было показано, что все кривые титрования одинаковых проб модельных
растворов уксусной и муравьиной кислот на всём интервале кривых титрования
практически совпадают. Отклонение одной кривой титрования от средней не
превышает 0,05 единицы pH на всём протяжении эксперимента. Коэффициент
линейной регрессии R между средневзвешенной кривой (0) и между крайними
значениями для уксусной кислоты равен: R(1,0) = 0,9999; R(2,0) = 0,9999; R(0,3) =
=0,9998 и R(1,3) = 0,9994, для муравьиной кислоты R = 0,9999 на любом канале.
Диапазон расхождения значений определяемых концентраций уксусной
кислоты составлял (1,196 – 1,202) ·10-3, а для муравьиной кислоты  (1,710 – 1,716)·103
моль/дм3). С учетом значений коэффициентов линейной регрессии R между
средневзвешенной кривой (0) и крайними значениями для кислот при проведении
одновременного титрования в многозвенной ячейке с применением многоканального
анализатора можно утверждать, что данная методика обладает удовлетворительной
сходимостью и достаточной прецизионностью.
Экспериментальная установка работает стабильно при значениях тока от 0,1 до
50 мА и позволяет анализировать растворы кислот с концентрацией 10-5  5·10-3 моль
16
 экв./дм3. В данном диапазоне концентраций определяемых кислот серебряный анод
выдерживает без регенерации более 50 титрований. Методика позволяет практически
исключить влияние диоксида углерода, в то время, как при обычном титровании
кислот точность измерения осложняется трудностью получения раствора основания,
не содержащего карбонатов, образующихся при поглощении углекислого газа из
воздуха. Важным преимуществом предлагаемого способа является исключение
разбавления раствора титрантом. Кроме того, результатом титрования является
возможность регистрации экстремальных участков кривой титрования, что позволяет
интерпретировать механизм изучаемого процесса.
Методика определения подлинности виноградных вин (виноматериалов)
и соковой (безалкогольной) продукции на основе результатов
потенциометрического титрования
В три чистых, высушенных стаканчика для титрования помещают по 50 см3
1 моль/дм3 раствора NaCl, погружают измерительные и генерирующие электроды.
Включают измерение pH и перемешивают раствор воздухом, очищенным от
углекислого газа, до полного его удаления из раствора (pH становится постоянным).
В ячейку вносят по 1,00 см3 анализируемого продукта, достигают стабилизации
значения pH и включают источник стабилизированного тока. Титрование проводят
до полной нейтрализации кислот. Результаты титрования (pH – t) обрабатывают с
помощью специальных программ, например, Mathcad 2001i Professional. По
установленным формулам и полученным кривым титрования (рис. 8, 9) находят
сумму титруемых кислот и другие качественные и количественные показатели
(таблица).
При титровании яблочного сока, пепси-колы, фанты и спрайта найдены
содержания сумм титруемых кислот, которые составили: яблочный сок –
(0,0635±0,0003), пепси-кола – (0,0310±0,0003), фанта – (0,0745±0,0005) и спрайт –
(0,0099±0,0005) моль-экв/дм3. Для соковой (безалкогольной) продукции по
найденной величине кислотности и значениям рН0 можно устанавливать ее качество
(рН0 показывает какая кислота определяет основную кислотность). Анализируя
формы кривых титрования можно отметить, что состав титруемых кислот не
17
однороден по силе, и путем их статистического анализа возможна идентификация и
оценка
подлинности
анализируемой
продукции.
Этот
подход
наглядно
проиллюстрирован на примере титрования четырёх образцов вин (рис.8). Из рис. 8
видно, что кривые титрования белых (кривые 2, 3) и розового (кривая 4) вин
отличаются от аналогичной кривой для красного вина (кривая 1). Они начинаются
при более низком начальном значении pH0, то есть имеют более кислый вкус, и
заканчиваются при более высоком конечном значении pH2. Значение pH2 в винах
всегда меньше, чем в модельных растворах винной и яблочной кислот. Чем эта
величина меньше, тем больше свободных аминокислот содержится в вине,
следовательно, красные вина содержат больше аминокислот. Параллельно
проводился сопоставительный электрофоретический анализ этих образцов вин,
который показал удовлетворительную сходимость с нашими данными. Величина рH1
характеризует соотношение между винной и яблочной кислотами, чем ниже pH1, тем
больше доля винной кислоты, что следует из анализа кривых титрования
индивидуальных кислот. Важным критерием является разность между t2 и t1, чем она
больше, тем больше разнообразие присутствующих кислот в вине. Анализ более 60
образцов виноградных вин показал, что эта разность лежит (табл.) в интервале 200260 с для красных вин и 150-200 с для белых, что значительно больше, чем на кривых
титрования моделей. Следует отметить, что при искусственном моделировании вина
и модельных смесей кислот эта разность значительно меньше, что позволяет выявить
долю подлинного вина, добавляемого в винные напитки.
18
Рисунок 8 – Кривые титрования образцов вин (1 - вино виноградное
географического наименования сухое красное «Люсьен Риги», ур. 2009г. (Франция),
2 - вино виноградное географического наименования полусладкое белое «Люсьен
Риги», ур. 2010 г. (Франция), 3 - вино виноградное сухое белое «Люсьен Риги
Шардоне», ур. 2009 г. (Франция), 4 - вино виноградное столовое сухое розовое «Пино
нуар», ур. 2010 г. (Россия, Краснодарский край))
В таблицу сведены данные по соотношению с/собщ,, которые получены на
основе анализа кривых из рис. 8. Данное соотношение для вина № 1 находится
графически экстраполяцией зависимости h–х к величине h = 0.5 (рис. 9), где h –
соотношение молей ионов гидроксония к числу моль – эквивалентов суммы
титруемых кислот в ячейке (c), а x = 2t/ (t2+t1); t – текущее время; а (t2+t1)/2 – время,
пошедшее на титрование до точки эквивалентности.
Таблица – Специфические критерии, полученные по кривым титрования вин
№
pH0
pH1
pH2
pH2–pH1
t1,c
t2,c
(t2– t1),c
1
2
3
4
3,634
3,449
3,449
3,338
4,924
5,071
5,072
5,150
9,064
9,420
9,420
9,418
4,140
4,349
4,348
4,268
498
553
564
764
753
720
716
970
255
167
152
206
19
с·103,
моль/дм3
1,551
1,327
1,327
1,971
с/собщ,
%
71,43
81,56
82,25
81,25
Рисунок 9 – Кривая титрования вина № 4 в координатах h – x
По трём точкам (h0, h0,25, h0,5) находили параметры a и b характеристического
уравнения h(x) = h0 + ax + bx2, по которому аппроксимировали экспериментальную
кривую рис. 9 до значения h(x) = 0,5 (данная часть кривой показана тонкой линией с
точками). Это значение принимает винная и яблочная кислоты при концентрациях,
соизмеримых с содержанием титруемых кислот в вине. На оси x находили величину
отрезка a, который пропорционален содержанию солевой части кислот в вине, а б
пропорционален содержанию титруемой части. Поэтому с/собщ= б 100 / (а+б), %. Как
видно из таблицы, соотношение с/собщ для розового и белых вин больше, чем для
красного, это связано с тем, что красные вина получают брожением на мезге, в
которой более высокое содержание катионов.
В результате проведенных исследований натуральной продукции виноделия
были установлены количественные диапазоны специфических критериев, которые
могут быть использованы для оценки подлинности и качества готовой
продукции. Для подтверждения подлинности виноградных вин (виноматериалов)
следует получить кривые титрования, найти специфические критерии и сравнить их
значения со значениями для натуральных вин. Если все критерии попадают в
установленные диапазоны, то продукцию можно считать подлинной.
20
Выводы
1. На основе анализа литературных данных и сравнения построенных
математических моделей с экспериментальными данными изучен механизм
ионизации некоторых органических кислот (янтарной, уксусной, муравьиной,
лимонной) при их низких содержаниях (< 1∙10–3 моль/дм3) для установления форм
их нахождения в водных растворах. Показано, что даже в сильно разбавленных
водных растворах эти кислоты находятся в виде димеров.
2.
Предложена
оригинальная
экспериментальная
установка
с
трехзвенной электролитической ячейкой для одновременного исследования
трех
проб
методом
непрерывного
потенциометрического
титрования
кулонометрически генерированным основанием, обеспечившая повышение
информативности результатов титрования и экспрессность анализа (скорость
получения информации и ее достоверность увеличены в три раза).
3.
Реализован
алгоритм
и
разработана
методика
определения
кислотности вин, соков и безалкогольных напитков одновременно в трёх
пробах, разработан приём определения общего количества кислот при их
концентрации в исходном растворе < 1∙10–3 моль/дм3, дана оценка
показателям прецизионности методики.
4.
По
сравнительному
анализу
кривых
непрерывного
потенциометрического титрования образцов вин и индивидуальных кислот,
присутствующих в вине, показана возможность определения как общего
содержания кислот, так и их титруемой части.
5. Для натуральной продукции виноделия определен алгоритм анализа и
установлены количественные диапазоны специфических критериев, которые могут
быть использованы для оценки подлинности и качества готовой продукции,
проведена их апробация на реальных объектах.
21
Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:
1. Стрижов, Н.К. Оптимизация потенциометрического титрования
кислот электрохимически генерированным основанием /Н.К. Стрижов,
О.Н. Шелудько, Т.В. Гузик // Известия вузов. Северо-Кавказский регион.
Естественные науки.  2012.  №1.  С. 6468.
2. Шелудько,
О.Н. Совершенствование метода одновременного
определения суммы органических и минеральных кислот в пищевых
продуктах / О.Н. Шелудько, Т.В. Гузик, Н.К. Стрижов // Известия вузов.
Пищевая технология.  2012.  № 56.  С. 2932.
3. Шелудько, О.Н. Протолитические равновесия в водных растворах
при образовании объёмных бициклов янтарной кислоты / О.Н. Шелудько,
Т.В. Гузик, Н.К. Стрижов, В.Ю. Холявко // Известия вузов. Пищевая
технология.  2013.  №23.  С. 4144.
4. Шелудько, О.Н. Совершенствование электрохимического метода
определения титруемых кислот в винах, соках и безалкогольных напитках /
О.Н. Шелудько, Н.К. Стрижов, Т.В. Гузик // Аналитика и контроль.  2014.
 Т. 18, № 1.  С. 5865.
5. Свидетельство о государственной регистрации базы данных №
2013620359,
Российская
Федерация.
Физико-химические
методы
идентификации подлинности вина (сока) /Шелудько О.Н., Стрижов Н.К.,
Гузик Т.В.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский
государственный технологический университет». – № 2013620013; заявл.
09.01.2013; зарегистрировано в реестре баз данных 20.06.2013.
6. Патент на полезную модель № 131192, Российская Федерация, МПК
G 01 N 33/14. Установка для идентификации подлинности вина и сока /
Шелудько О.Н., Стрижов Н.К., Гузик Т.В.; заявитель и патентообладатель
ФГБОУ
ВПО
«Кубанский
государственный
технологический
университет». – № 2013107631/15; заявл. 20.02.2013; опубл. 10.08.2013,
Бюл. № 22. – 2 с.: ил.
22
7. Шелудько, О.Н. Модель ионизации димеров монокарбоновых
кислот в водных растворах / О.Н. Шелудько, Т.В. Гузик, Н.К. Стрижов //
Материалы
VIII
Всероссийской конференции
по
электрохимическим
методам анализа "ЭМА-2012", Уфа-Абзаково, 3-9 июня 2012 г. С. 130.
8. Стрижов, Н.К. Одновременное потенциометрическое титрование
суммы
кислот
электрохимически
генерированным
основанием
в
трёхзвенной ячейке / Н.К. Стрижов, О.Н. Шелудько, Т.В. Гузик //
Материалы VIII Международной научно-практической конференции «Теория
и практика современной науки», г. Москва, 26-27 декабря 2012 г. – М: Изд-во
«Спецкнига», 2012. – т. I. – С. 157–160.
9. Стрижов, Н.К. Ионизация и строение димеров янтарной кислоты
в водных растворах / Н.К. Стрижов, О.Н. Шелудько, Т.В. Гузик //
Материалы VIII Международной научно-практической конференции «Теория
и практика современной науки» г. Москва, 26-27 декабря 2012 г.– М: Изд-во
«Спецкнига», 2012. – т. I. – С. 161–167.
23
Гузик Татьяна Владимировна
Электрохимическое определение общего содержания органических кислот в
винах, виноматериалах и соках
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата химических наук
______________________________________________
Подписано в печать «___» ________ 2015 г.
Печать цифровая. Формат 60×84 1 /16.
Бумага тип. №1. Гарнитура «Times New Roman». Уч.-изд. л. 1,5.
Тираж ____ экз. Заказ № _______ Издательско-полиграфический центр КубГУ
350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149.
24