Журнал аналитической химии, 2023, T. 78, № 1, стр. 48-54

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Реагенты. Исследовали следующие объекты: конфеты “Love is” (TAYAS GIDA SAN.VE TIC. A.S, Турция, срок годности до 12.10.2022) со вкусом банана, свежие бананы (поставщик ООО “Фаворит”, страна происхождения Эквадор), ароматизатор “Банан” (Baker Flavors, Россия, срок годности до 01.01.2023). Для разбавления ароматизатора использовали силигакель (Silasorb 600 для ЖХ, 10 мкм, Чехия). Для пассивной сорбции соединений из исследуемых объектов использовали композит на основе карбида кремния и БНК. Он представляет собой серый стержень в форме прямоугольного параллелепипеда (4.5 см × × 2 мм × 2 мм). Подробная схема его получения описана в патенте [11].

Оборудование. Термическую очистку сорбента перед анализом осуществляли в муфельной печи СНОЛ-6/10 (ВНИИЭТО, Россия). Точные навески взвешивали на весах Explorer Pro (Ohaus Corporation, США) с точностью до 0.0001 мг. Для проведения пассивной сорбции в закрытых сосудах для фиксации сорбента на определенной высоте использовали нитку из лавсана (НИТ-КА, Россия). Для качественного анализа проб использовали хроматографическую систему 8890 GC System (Agilent, США), снабженную термостатом колонок, одноквадрупольным масс-селективным детектором 5977B (Agilent, США), турбомолекулярным насосом и термодесорбером Thermal Desorption Unit TDU 2 (Gerstel, Германия). Для разделения соединений использовали колонку HP-5MS (30 м × 0.25 мм × 0.25 мкм). Сбор данных и обработку хроматограмм проводили с помощью программного обеспечения MassHunter Software на английском языке (Agilent, США). Для получения снимка поверхности сорбционного материала использовали полевой эмиссионный растровый электронный микроскоп JSM-6700F (JEOL, Япония).

Пробоподготовка монолитов. Перед анализом объектов монолиты подвергали термической обработке в течение 4 ч для удаления примесей с поверхности. Температуру для отжига устанавливали методом термогравиметрии: данный композитный материал можно без разложения и изменения свойств нагревать до 300°С. Пассивная сорбция осуществлялась путем подвешивания композита на нитке из лавсана над исследуемыми объектами на 48 ч. Пробоподготовка образцов проходила следующим образом: банан (m = 27 г) измельчали до состояния пюре, конфеты (m = 29 г) разрезали продольно на несколько частей, ароматизатор (1 капля) смешивали с силикагелем (m = 0.5 г) и гомогенизировали полученную смесь путем механического перемешивания. Схема эксперимента представлена на рис. 1. По истечении двух дней пассивной сорбции монолиты извлекали из закрытых сосудов и анализировали методом ТД-ГХ-МС. Условия хроматографического анализа идентичны для каждого образца: подвижная фаза – гелий, скорость потока подвижной фазы – 1 мл/мин, объем вводимой пробы – 1 мкл, задержка растворителя – 4 мин, деление потока 1 : 100, сорбент в лайнере – стекловата (d = 2 мм). Температурный профиль термодесорбера: начальная температура 50°С, нагрев со скоростью 120°С/мин до 250°С. Температурный профиль инжектора (охлаждаемой системы ввода): начальная температура 50°С, нагрев со скоростью 12°С/с до 250°С. Температурный профиль термостата хроматографической колонки: начальная температура 50°С, нагрев со скоростью 15°С/мин до 310°С.

Рис. 1.

СЭМ-изображение поверхности сорбента.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

С помощью сканирующего электронного микроскопа получили изображение высокого разрешения поверхности SiC-монолита (рис. 2). Она состоит из частиц неправильной формы и не содержит пор. Площадь поверхности материала составляет 2 м²/г.

Рис. 2.

Схема эксперимента: 1 – нитка из лавсана, 2 – монолит, 3 – объект анализа.

Анализ свежего банана. Результат хроматографического анализа представлен на рис. 3. С помощью библиотеки масс-спектров NIST удалось установить наиболее вероятную структуру соединений, соответствующих пикам на хроматограмме: 1 – гексиловый эфир уксусной кислоты (73.9%), 2 – гексиловый эфир масляной кислоты (61.1%), 3 – фталевая кислота (51.1%). Аромат банана, прежде всего, ассоциируется с содержанием 3-метилбутилового, бутилового, 2-пентилового, гексилового и 2-гептилового эфиров уксусной и масляной кислот, причем преобладающим является 3-метилбутиловый (изоамиловый) эфир [12, 13]. Считается, что содержание карбоновых кислот, таких как фталевая, вносит куда меньший вклад в ароматический профиль банана. Таким образом, каждое из идентифицированных соединений является характерным для исследуемого продукта, но не основным в формировании запаха. В таком случае либо используемый в работе сорбент селективно сорбирует фталевую кислоту и гексиловые эфиры уксусной и масляной кислот из сложной смеси, формирующей аромат, либо пики на хроматограмме соответствуют не индивидуальному веществу, а смесям. Второй вариант является более вероятным, поскольку структура соединений схожа.

Рис. 3.

Хроматограмма банана натурального.

Анализ ароматизатора “Банан”. На рис. 4 представлена хроматограмма (вариант полного ионного тока) исследуемого ароматизатора. По сравнению с хроматограммой свежего банана она содержит больше пиков, интенсивность которых также выше. Результат качественной обработки хроматограммы с использованием библиотеки масс-спектров представлен в табл. 1. Соединения 1–4 и 7 вносят существенный вклад в аромат свежего банана [12, 13], т.е. большинство веществ (пять из восьми) из полученного профиля ароматизатора характерны для натурального фрукта. В частности, наиболее интенсивный пик соответствует соединению, вносящему наибольший вклад в аромат банана.

Рис. 4.

Хроматограмма ароматизатора “Банан”.

Исследуемый ароматизатор идентичен натуральному, т.е. часть соединений в его составе являются натуральными компонентами. Гексиловые эфиры уксусной и масляной кислот − общие соединения как для хроматограммы натурального банана, так и для ароматизатора “Банан”. Пропионаты (пик 6) часто добавляют в различную выпечку и ароматизаторы для предотвращения появления плесени. Они считаются безопасными, поскольку пропионовую кислоту выделяют наши собственные желудочно-кишечные бактерии, расщепляя растительную клетчатку. Камфорсультам (пик 5) – производное камфора-10-сульфокислоты. Применяется в органическом синтезе как хиральный вспомогательный реагент в ряде реакций. Является синтетическим веществом. Диазабициклогептен (пик 8) – летучее органическое соединение (ЛОС), загрязняющее воздух городских поселений. На полученной хроматограмме этот пик имеет наименьшую интенсивность и, вероятнее всего, попал на сорбент не из ароматизатора. Из пробирки, использованной для пассивной сорбции, воздух дополнительно не откачивали, поэтому данное соединение можно не учитывать в полученном профиле.

Анализ конфет “Love is”. Согласно информации с упаковки изделия, в состав сливочных конфет входят сахар, сироп глюкозы, пальмовое масло, сухое молоко, сливки, ароматизаторы с запахом молока, банана и йогурта, соль, говяжий желатин, порошок из банана и добавки E420, E322, E471, E160a. Из всего перечисленного при комнатной температуре запахом обладают ароматизаторы, сливки, сухое молоко, банановый порошок и добавка Е322 (подсолнечный лецитин). Остальные компоненты являются труднолетучими веществами и смесями, их температура кипения превышает 200°С, т.е. для появления на хроматограмме соответствующих им пиков необходимо высокое сродство к сорбенту.

Результат пассивной сорбции соединений из сливочных жевательных конфет с помощью композита из SiC и БНК и последующего анализа монолита методом ТД-ГХ-МС представлен на рис. 5. Идентифицированные на хроматограмме соединения перечислены в табл. 2. Их можно разделить на четыре основные группы:

Рис. 5.

Кривая полного ионного тока конфет “Love is”.

1. Вещества, вносящие существенный вклад в ароматический профиль свежего банана (1, 8 и 18);

2. Соединения, которые используют в качестве вкусоароматических добавок (2–5, 7, 13, 14, 19 и 20);

3. ЛОС, не обладающие запахом (9, 12 и 17);

4. Вещества-примеси, источником которых не является объект анализа (6, 10, 11, 15, 16 и 21).

Группа № 1. Одни из самых интенсивных пиков на хроматограмме соответствуют изоамилацетату и изоамилбутаноату, которые являются наиболее характерными ЛОС ароматического профиля банана [13]. Данный факт согласуется с тем, что в составе конфет указан ароматизатор с запахом банана и фруктовый порошок “банан”. Пик 18, соответствующий эвгенолу, хоть и менее интенсивный, также характерен для бананового аромата. На полученной хроматограмме не обнаружены гексиловые эфиры уксусной и масляной кислот, найденные ранее в натуральном банане.

Группа № 2. Среди вкусоароматических добавок на хроматограмме исследуемой пробы не обнаружен пик, соответствующий подсолнечному лецитину, однако присутствует большое количество синтетических вкусовых добавок и ароматизаторов, наличие которых напрямую не указано производителем в составе. 2,5-Диметилпиразин используется в пищевой промышленности в качестве ароматизатора в сухих завтраках или картофельных чипсах, а также при производстве электронных сигарет. Диацетат пропиленгликоля имеет фруктовый аромат и горький вкус, используется в пищевой промышленности в качестве вкусовой добавки. β-Пинен – монотерпен, органическое соединение, встречающееся в растениях. Обладает древесным сосновым ароматом. 2,3-Триметилпиразин − один из наиболее широко используемых ароматизаторов в пищевой промышленности. Его получают из запеченной пищи и чаще всего используют в качестве вкусовой добавки к кофе, какао, шоколаду, хлопьям и орехам. Транс-3-карен-2-ол – один из основных компонентов эфирного масла корицы. Карвон – органическое вещество из класса терпеноидов, имеет горький вкус, аромат базилика и мяты, содержится в некоторых эфирных маслах. γ-Ноналактон и этиловый эфир каприновой кислоты – синтетические ароматизаторы, обладающие запахом кокоса и грушево-виноградным ароматом соответственно. Цитраль – монотерпеновый ациклический альдегид. Обладает лимонным ароматом. Встречается в эфирных маслах.

Группа № 3. 4-Этенил-1,2-диметилбензол – воспламеняющаяся жидкость, вызывает раздражение глаз, кожи и респираторной системы, опасна для употребления. Является летучим компонентом эфирных масел, а также выступает в качестве метаболита в некоторых растениях. 1,3-Диацетин – пищевая добавка Е1517, не обладающая запахом, которая используется в пищевой промышленности для увеличения объема готового изделия. Пик этого соединения − второй по интенсивности на хроматограмме. Метиловый эфир 3-гидроксипальмитиновой кислоты – ауторегулятор вирулентности бактерии Ralstonia solanacearum (степени способности данного агента вызывать заболевание или гибель организма), которая является возбудителем бурой гнили картофеля.

Группа № 4. 3-Метил-2-гексеновая кислота – органическая жирная кислота, вызывающая ожоги кожи, опасная для употребления. В литературе упоминается как соединение, обнаруженное в поту у пациентов, больных шизофренией [14]. Декаметилциклопентасилоксан – летучая прозрачная жидкость, без цвета и запаха, используется в косметических средствах, таких как лосьоны, тоники, препараты для волос, солнцезащитные средства. Вероятно, данное соединение попало на сорбент не из исследуемого образца, а привнесено оператором, выполнявшим пробоподготовку. 2-Метил-5-(1-метилэтил)фенол – молекулярный маркер инфекции почек. При его концентрации выше 0.11 ммоль/л у пациента диагностируют специфическую патологию. 2,6,10-Триметилтетрадекан – алкан, который нередко присутствует в нефтяных образцах, а 5-гексилдигидро-2(3Н)-фуранон используется в нефтехимическом синтезе [15]. Поскольку в лаборатории, где проводилась подготовка сорбента к анализу, исследуют также и нефтепродукты, соединения могут являться внесенными загрязнителями.

* * *

Таким образом, показано, что отечественный монолитный композитный материал на основе карбида кремния и бутадиен-нитрильного каучука может быть использован для пассивной сорбции и определения ароматичных (составляющих аромат) летучих веществ в натуральных и синтетических пищевых продуктах. Полученные хроматографические профили в комбинации с результатами органолептических исследований позволят получить более полную информацию о качестве изделий. Однако необходимо учитывать и оценивать влияние гниения на результаты анализа, а также возможные вносимые при пробоподготовке загрязнения.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-33-90073. Исследование проводилось с использованием оборудования ЦКП МГУ “Технологии получения новых наноструктурированных материалов и их комплексное исследование”, приобретенного МГУ по программе обновления приборной базы в рамках национального проекта “Наука” и в рамках Программы развития МГУ.