Помощь студентам в учебе
ХИМИКО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТРИФЕНИЛМЕТАНОВЫХ И АЗОКРАСИТЕЛЕЙ ИММОБИЛИЗОВАННЫХ В ПОЛИМЕТАКРИЛАТНУЮ МАТРИЦУ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. Методы определения красителей в пищевых продуктах 8
12
1.1 Методы извлечения синтетических красителей из пищевой матрицы 12
1.2 Методы определения синтетических красителей 13
1.2.1 Хроматографические методы 14
1.2.2 Капиллярный электрофорез 16
1.2.3 Электрохимические методы 17
1.2.4 Спектрофотометрические методы 18
1.3 Полимерные материалы в качестве оптической среды 20
Глава 2. Аппаратура и методика эксперимента 23
2.1 Реагенты 23
2.2 Методика определения красителя в матрице 24
2.3 Аппаратура 28
2.4 Определения содержания основного красящего вещества в пищевых
красителях 29
2.5 Методика исследование влияния рН растворов пищевых красителей на их
экстракцию ПММ 32
2.6 Оценка эффективности экстракционного извлечения исследуемых
красителей ПММ 33
2.7 Исследование влияния условий определения красителя в ПММ 35
Глава 3. Исследование физико-химических закономерностей твердофазной экстракции 38
3.1 Влияние рН растворов красителей на их экстракцию и спектры поглощения
в ПММ 38
3.2 Влияние времени контакта на экстракцию красителей Е131 и Е133 50
3.3 Влияние скорости перемешивания на экстракцию исследуемых красителей
ПММ 53
Глава 4. Твердофазная экстракция азо красителей ПММ 54
4.1 Влияние рН растворов красителей на их экстракцию и спектры поглощения
в ПММ 54
4.2 Влияние времени контакта анализируемого раствора красителя с ПММ на
величину аналитического сигнала 71
Глава 5. Разработка алгоритмов количественного определения СК в пищевых продуктах 75
5.1 Алгоритм определения синтетических красителей Е133, Е110, Е124 и
Е102 в соках 75
5.2 Алгоритм твердофазно-спектрофотометрического определения исследуемых
красителей в напитках и контроль качества результатов анализа 77
5.3 Алгоритм определения синтетических красителей Е102, Е110, Е124, Е131 в
йогурте 81
5.4 Алгоритм твердофазно-спектрофотометрического определения
исследуемых красителей в кондитерских изделиях и контроль качества результатов анализа 85
5.5 Алгоритм определения исследуемых красителей в присутствии следов
тяжелых металлов 89
ВЫВОДЫ 95
Список сокращений и условных обозначений 96
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 97
Глава 1. Методы определения красителей в пищевых продуктах 8
12
1.1 Методы извлечения синтетических красителей из пищевой матрицы 12
1.2 Методы определения синтетических красителей 13
1.2.1 Хроматографические методы 14
1.2.2 Капиллярный электрофорез 16
1.2.3 Электрохимические методы 17
1.2.4 Спектрофотометрические методы 18
1.3 Полимерные материалы в качестве оптической среды 20
Глава 2. Аппаратура и методика эксперимента 23
2.1 Реагенты 23
2.2 Методика определения красителя в матрице 24
2.3 Аппаратура 28
2.4 Определения содержания основного красящего вещества в пищевых
красителях 29
2.5 Методика исследование влияния рН растворов пищевых красителей на их
экстракцию ПММ 32
2.6 Оценка эффективности экстракционного извлечения исследуемых
красителей ПММ 33
2.7 Исследование влияния условий определения красителя в ПММ 35
Глава 3. Исследование физико-химических закономерностей твердофазной экстракции 38
3.1 Влияние рН растворов красителей на их экстракцию и спектры поглощения
в ПММ 38
3.2 Влияние времени контакта на экстракцию красителей Е131 и Е133 50
3.3 Влияние скорости перемешивания на экстракцию исследуемых красителей
ПММ 53
Глава 4. Твердофазная экстракция азо красителей ПММ 54
4.1 Влияние рН растворов красителей на их экстракцию и спектры поглощения
в ПММ 54
4.2 Влияние времени контакта анализируемого раствора красителя с ПММ на
величину аналитического сигнала 71
Глава 5. Разработка алгоритмов количественного определения СК в пищевых продуктах 75
5.1 Алгоритм определения синтетических красителей Е133, Е110, Е124 и
Е102 в соках 75
5.2 Алгоритм твердофазно-спектрофотометрического определения исследуемых
красителей в напитках и контроль качества результатов анализа 77
5.3 Алгоритм определения синтетических красителей Е102, Е110, Е124, Е131 в
йогурте 81
5.4 Алгоритм твердофазно-спектрофотометрического определения
исследуемых красителей в кондитерских изделиях и контроль качества результатов анализа 85
5.5 Алгоритм определения исследуемых красителей в присутствии следов
тяжелых металлов 89
ВЫВОДЫ 95
Список сокращений и условных обозначений 96
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 97
Актуальность темы. Синтетические органические красители используются в пищевой промышленности для окрашивания пищевых продуктов, напитков или сладостей. Замена натуральных красителей искусственными альтернативами становится все более актуальной задачей. Натуральные красители нестабильны и легко разлагаются при солнечном свете, неподходящей температуре или условиях хранения, поэтому использование синтетических органических красителей считается надежным и экономичным методом окрашивания пищевых продуктов.
Красители поглощают свет в видимой области спектра, и для их определения часто используют спектрофотометрию. Прямое измерение поглощения подходит для разделения красителей с шагом разделения одной аналитической единицы. Образцы пищевой продукции обладают разнообразным матричным эффектом, что снижает эффективность при спектрофотометрических измерениях. Проблема количественного определения синтетических пищевых красителей заключается в их извлечении из сложной матрицы. В спектрофотометрии вследствие перекрытия спектрального сигнала аналитов в большинстве случаев требуется стадия разделения. Количество пищевых красителей определяли после поглощения пенополиуретаном и оксидом алюминия. Широко используемые методы, такие как адсорбция в картридж C-18, сорбция красителей пенополиуретанами или оксидом алюминия не всегда являются прямыми и количественными, могут привести к деградации красителя.
Полиметакрилатная матрица (ПММ) использована в различных процедурах экстракции как органических, так и неорганических веществ. Представляется перспективным использование ПММ для экстракции синтетических пищевых красителей из пищевой матрицы и их визуального и спектрофотометрического определения. Разработка такого полиметакрилатного чувствительного элемента колориметрических датчиков является ключевой тенденцией в разработке новых систем химических сенсоров.
Цель исследования: выявление основных факторов, определяющих закономерности твердофазной экстракции синтетических пищевых красителей в объем полиметакрилатной матрицы для их визуального или спектрофотометрического определения, в том числе при их совместном присутствии.
Для достижения поставленной цели, необходимо выполнить следующие задачи:
1. Изучение твердофазной экстракции пищевых азо- и трифенилметановых синтетических красителей в прозрачную полиметакрилатную матрицу в качестве твердого экстрагента.
2. Определение аналитических свойств иммобилизованных красителей в полиметакрилатной матрице зависимости от рН раствора, времени экстракции, природы красителя.
3. Разработка алгоритмов твердофазно-спектрофотометрического определения синтетических красителей в пищевых продуктах и напитках, в том числе при их совместном присутствии.
Научная новизна. Впервые исследовано влияние иммобилизации в полиметакрилатной матрице (ПММ) на химико-аналитические свойства азо- и трифенилметановых синтетических красителей. Разработан новый аналитический подход на основе применения ПММ в качестве аналитической среды для твердофазной спектрофотометрии, которая позволяет сочетать в пробоподготовку и определение красителей в диапазоне 0.1 - 25.0 мг/ дм3 с пределом обнаружения до 0.01 мг/дм3. Использование ПММ в качестве колориметрического сенсора для определения синтетических красителей позволяет проводить колориметрическое полуколичественное определение красителей путем сравнения их окраски с цветометрической шкалой. Определению азо- и трифенилметановых синтетических красителей не мешают компоненты пищевой матрицы и наличие взвешенных частиц в объекте анализа.
Теоретическая значимость заключается в том, что результаты дополняют научные знания о влияние условий проведения твердофазной экстракции в объем полиметакрилатной матрицы и способствуют развитию подходов к контролю форм красителей в растворах. Полученные результаты согласуются с современными представлениями о механизме твердофазной экстракции для ионных форм красителя на поверхность, содержащую карбонильные и карбоксильные группы. Кроме того, отмечено совершенствование пробоподготовки за счет устранения эффекта пищевой матрицы.
Практическое значение работы. Предложена новая полиметакрилатная матрица для быстрого колориметрического и спектрофотометрического определения пищевых красителей без предварительной обработки, пригодная для размещения в портативном приборе для анализа на месте. Предложен алгоритм определения синтетических пищевых красителей в пищевых продуктах и напитках.
Методология и методы диссертационного исследования. В ходе выполнения работ задействовано лабораторное оборудование для рН-метрии, спектрофотометрии, высокоэффективной жидкостной хроматографии, изучения кислотно-основных равновесий. Результаты экспериментов обработаны с применением стандартного математического аппарата.
Положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Результаты исследований твердофазной экстракции пищевых синтетических красителей тартразин Е102, желтый «солнечный закат» Е110, понсо 4R Е124 , кармуазин Е122, патентованный синий Е131 и синий блестящий E133 в прозрачную полиметакрилатную матрицу в качестве твердого экстрагента, обоснование механизма твердофазной экстракции
2. Закономерности влияния рН, времени контакта и природы красителя на твердофазную экстракцию ПММ.
3. Алгоритмы определения индивидуальных красителей и их смесей в продуктах и напитках для твердофазно-спектрофотометрического и колориметрического варианта. Минимизация влияния матрицы пищевых продуктов на результаты определения красителей.
Степень достоверности результатов обеспечивается воспроизводимостью синтезов с сохранением выявленных закономерностей для одинаковых объектов исследования, интерпретацией полученных результатов с помощью теоретических подходов и сравнение их с литературными данными, использованием современных методов исследования и оборудования с учетом ошибок методов, качественной оценкой экспертов и специалистов.
Апробация работы. Основные результаты получены и обсуждены на следующих конференциях: Высокие технологии в современной науке и технике ВТСНТ, г. Томск, 2018; VII Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, г. Томск, 2018; I Международная научная конференция Энерго-ресурсоэффективность в интересах устойчивого развития, г. Томск, 2018; Всероссийская научно-методическая конференция Современные технологии, экономика и образование. г. Томск, 2019; XXIII Международный симпозиум им. академика М. А. Усова студентов и молодых ученых, Томск, 2019; 5th International Conference on Food Chemistry and Technology, Los-Angeles, USA, 2019.
Личный вклад автора состоит в анализе и поиске литературных данных по теме, постановке целей и задач исследования, проведении и планировании экспериментов и анализе и статистической обработке полученных данных, подготовке публикаций по теме работы. Исследование поддержано Российским научным фондом 18-19-00203 и программой CE Томского политехнического университета.
Публикации. Результаты работы представлены в 8 научных публикациях, в том числе 3 статьи, входящих в базы данных Scopus и WoS.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора (Глава 1), экспериментальной части, описывающей методики исследования (Глава 2), результатов и их обсуждения (главы 3 - 5), выводов, списка литературы (128 наименований). Результаты выполнения диссертационной работы изложены на 113 страницах, включая 56 рисунков, 35 таблиц.
Красители поглощают свет в видимой области спектра, и для их определения часто используют спектрофотометрию. Прямое измерение поглощения подходит для разделения красителей с шагом разделения одной аналитической единицы. Образцы пищевой продукции обладают разнообразным матричным эффектом, что снижает эффективность при спектрофотометрических измерениях. Проблема количественного определения синтетических пищевых красителей заключается в их извлечении из сложной матрицы. В спектрофотометрии вследствие перекрытия спектрального сигнала аналитов в большинстве случаев требуется стадия разделения. Количество пищевых красителей определяли после поглощения пенополиуретаном и оксидом алюминия. Широко используемые методы, такие как адсорбция в картридж C-18, сорбция красителей пенополиуретанами или оксидом алюминия не всегда являются прямыми и количественными, могут привести к деградации красителя.
Полиметакрилатная матрица (ПММ) использована в различных процедурах экстракции как органических, так и неорганических веществ. Представляется перспективным использование ПММ для экстракции синтетических пищевых красителей из пищевой матрицы и их визуального и спектрофотометрического определения. Разработка такого полиметакрилатного чувствительного элемента колориметрических датчиков является ключевой тенденцией в разработке новых систем химических сенсоров.
Цель исследования: выявление основных факторов, определяющих закономерности твердофазной экстракции синтетических пищевых красителей в объем полиметакрилатной матрицы для их визуального или спектрофотометрического определения, в том числе при их совместном присутствии.
Для достижения поставленной цели, необходимо выполнить следующие задачи:
1. Изучение твердофазной экстракции пищевых азо- и трифенилметановых синтетических красителей в прозрачную полиметакрилатную матрицу в качестве твердого экстрагента.
2. Определение аналитических свойств иммобилизованных красителей в полиметакрилатной матрице зависимости от рН раствора, времени экстракции, природы красителя.
3. Разработка алгоритмов твердофазно-спектрофотометрического определения синтетических красителей в пищевых продуктах и напитках, в том числе при их совместном присутствии.
Научная новизна. Впервые исследовано влияние иммобилизации в полиметакрилатной матрице (ПММ) на химико-аналитические свойства азо- и трифенилметановых синтетических красителей. Разработан новый аналитический подход на основе применения ПММ в качестве аналитической среды для твердофазной спектрофотометрии, которая позволяет сочетать в пробоподготовку и определение красителей в диапазоне 0.1 - 25.0 мг/ дм3 с пределом обнаружения до 0.01 мг/дм3. Использование ПММ в качестве колориметрического сенсора для определения синтетических красителей позволяет проводить колориметрическое полуколичественное определение красителей путем сравнения их окраски с цветометрической шкалой. Определению азо- и трифенилметановых синтетических красителей не мешают компоненты пищевой матрицы и наличие взвешенных частиц в объекте анализа.
Теоретическая значимость заключается в том, что результаты дополняют научные знания о влияние условий проведения твердофазной экстракции в объем полиметакрилатной матрицы и способствуют развитию подходов к контролю форм красителей в растворах. Полученные результаты согласуются с современными представлениями о механизме твердофазной экстракции для ионных форм красителя на поверхность, содержащую карбонильные и карбоксильные группы. Кроме того, отмечено совершенствование пробоподготовки за счет устранения эффекта пищевой матрицы.
Практическое значение работы. Предложена новая полиметакрилатная матрица для быстрого колориметрического и спектрофотометрического определения пищевых красителей без предварительной обработки, пригодная для размещения в портативном приборе для анализа на месте. Предложен алгоритм определения синтетических пищевых красителей в пищевых продуктах и напитках.
Методология и методы диссертационного исследования. В ходе выполнения работ задействовано лабораторное оборудование для рН-метрии, спектрофотометрии, высокоэффективной жидкостной хроматографии, изучения кислотно-основных равновесий. Результаты экспериментов обработаны с применением стандартного математического аппарата.
Положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Результаты исследований твердофазной экстракции пищевых синтетических красителей тартразин Е102, желтый «солнечный закат» Е110, понсо 4R Е124 , кармуазин Е122, патентованный синий Е131 и синий блестящий E133 в прозрачную полиметакрилатную матрицу в качестве твердого экстрагента, обоснование механизма твердофазной экстракции
2. Закономерности влияния рН, времени контакта и природы красителя на твердофазную экстракцию ПММ.
3. Алгоритмы определения индивидуальных красителей и их смесей в продуктах и напитках для твердофазно-спектрофотометрического и колориметрического варианта. Минимизация влияния матрицы пищевых продуктов на результаты определения красителей.
Степень достоверности результатов обеспечивается воспроизводимостью синтезов с сохранением выявленных закономерностей для одинаковых объектов исследования, интерпретацией полученных результатов с помощью теоретических подходов и сравнение их с литературными данными, использованием современных методов исследования и оборудования с учетом ошибок методов, качественной оценкой экспертов и специалистов.
Апробация работы. Основные результаты получены и обсуждены на следующих конференциях: Высокие технологии в современной науке и технике ВТСНТ, г. Томск, 2018; VII Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, г. Томск, 2018; I Международная научная конференция Энерго-ресурсоэффективность в интересах устойчивого развития, г. Томск, 2018; Всероссийская научно-методическая конференция Современные технологии, экономика и образование. г. Томск, 2019; XXIII Международный симпозиум им. академика М. А. Усова студентов и молодых ученых, Томск, 2019; 5th International Conference on Food Chemistry and Technology, Los-Angeles, USA, 2019.
Личный вклад автора состоит в анализе и поиске литературных данных по теме, постановке целей и задач исследования, проведении и планировании экспериментов и анализе и статистической обработке полученных данных, подготовке публикаций по теме работы. Исследование поддержано Российским научным фондом 18-19-00203 и программой CE Томского политехнического университета.
Публикации. Результаты работы представлены в 8 научных публикациях, в том числе 3 статьи, входящих в базы данных Scopus и WoS.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора (Глава 1), экспериментальной части, описывающей методики исследования (Глава 2), результатов и их обсуждения (главы 3 - 5), выводов, списка литературы (128 наименований). Результаты выполнения диссертационной работы изложены на 113 страницах, включая 56 рисунков, 35 таблиц.
1. Исследована твердофазная экстракция азо- и трифенилметановых красителей в ПММ из водного раствора по механизму электростатических взаимодействий анионной формы красителя с положительно заряженными протонированными карбоксильными группами и кислородом сложноэфирных звеньев полимера. В спектре поглощения полиметакрилатной матрицы после экстракции присутствуют полосы поглощения, характерные для растворов красителей желтый «солнечный закат» Е110, понсо 4R Е124, кармуазин Е122, патентованный синий Е131 и синий блестящий E133.
2. Показана возможность прямого спектрофотометрического определения азо - и трифенилметановых красителей непосредственно в объеме ПММ после твердофазной экстракции. Установлено, что присутствует общая для красителей область рН 3-4, в которой синтетические красители экстрагируются при их совместном присутствии в течение 15 минут. Определению не мешают компоненты пищевой матрицы и наличие взвешенных частиц в объекте анализа.
3. Показана возможность определения нескольких синтетических красителей в присутствии катионов тяжелых металлов при рН 3-4 в случае использовании ПММ, модифицированной 1-(2-пиридилазо) -2-нафтолом.
4. Разработаны и апробированы способы твердофазно
спектрофотометрического и колориметрического определения синтетических красителей желтый «солнечный закат» Е110, понсо 4R Е124, кармуазин Е122, патентованный синий Е131 и синий блестящий E133 в пищевых продуктах и напитках, в том числе при их совместном присутствии. Для спектрофотометрического определения перечисленных красителей, диапазон линейности градуировочной зависимости 0.1-25 мг/дм3 с пределом обнаружения 0.01 мг/ дм3.
2. Показана возможность прямого спектрофотометрического определения азо - и трифенилметановых красителей непосредственно в объеме ПММ после твердофазной экстракции. Установлено, что присутствует общая для красителей область рН 3-4, в которой синтетические красители экстрагируются при их совместном присутствии в течение 15 минут. Определению не мешают компоненты пищевой матрицы и наличие взвешенных частиц в объекте анализа.
3. Показана возможность определения нескольких синтетических красителей в присутствии катионов тяжелых металлов при рН 3-4 в случае использовании ПММ, модифицированной 1-(2-пиридилазо) -2-нафтолом.
4. Разработаны и апробированы способы твердофазно
спектрофотометрического и колориметрического определения синтетических красителей желтый «солнечный закат» Е110, понсо 4R Е124, кармуазин Е122, патентованный синий Е131 и синий блестящий E133 в пищевых продуктах и напитках, в том числе при их совместном присутствии. Для спектрофотометрического определения перечисленных красителей, диапазон линейности градуировочной зависимости 0.1-25 мг/дм3 с пределом обнаружения 0.01 мг/ дм3.
