Коллоидный журнал, 2021, T. 83, № 6, стр. 723-726

ВВЕДЕНИЕ

Как природные, так и синтетические добавки находят широкое применение в современной пищевой промышленности. К таким добавкам, в частности, относится шеллак (Е904), который является природной смолой, продуктом жизнедеятельности насекомых, обитающих на территории Юго-Восточной Азии и Индии. Он влаго- и светоустойчив, плавится при температуре 80°С. В состав шеллака входят алеуретиновая кислота, шелловая кислота, дигидроксификоцеролловая кислота, вода, краситель и шеллачный воск. Шеллак хорошо растворяется в низших алифатических спиртах, щелочах, но практически нерастворим в жирах, бензине, ацетоне, воде, эфире и маслах. Все это обуславливает активное применение эмульсий шеллака в пищевой промышленности для поверхностной обработки свежих цитрусовых, яблок, груш, дынь, персиков, ананасов и в качестве глазирователя при изготовлении конфет, драже, шоколада, мучных изделий, сухих завтраков, кофе в зернах и жевательной резинки [1].

Газовая хроматография (ГХ) является наиболее распространенным методом анализа летучих компонентов в пищевых продуктах. Однако эмульсии шеллака представляют собой сложные для ГХ-анализа системы. Основные проблемы при их определении связаны со сложностью состава полимерной основы и присутствием множества добавок различной природы, а также с высокой стабильностью эмульсий, что зачастую не позволяет провести качественное разделение и определение компонентов смеси. Основными методиками подготовки эмульсий для ГХ-анализа являются твердофазная экстракция (ТФЭ) и жидкость-жидкостная экстракция (ЖЖЭ) [2]. Парофазный анализ широко применяется в качестве простого и быстрого метода подготовки проб к дальнейшему ГХ-анализу, однако его применение для количественного анализа эмульсий невозможно, так как законы Рауля не выполняются в эмульсиях по причине существенных различий в физических и химических свойствах основных компонентов [3]. ТФЭ – это быстрый, удобный метод экстракции, который используется для извлечения аналитов из жидких и твердых матриц с применением подходящих сорбентов и растворителей [4]. ТФЭ применяется для анализа летучих компонентов в различных продуктах питания, включая масла [5] и эмульсии [6]. Однако этот метод весьма чувствителен даже к небольшим изменениям экспериментальных условий, таких как температура нагрева, время экстракции, объем, концентрация и однородность образца [7], что не всегда просто проконтролировать в ходе проведения анализа. Кроме того, этот метод пробоподготовки является достаточно дорогим вследствие того, что приспособления, используемые в процессе ТФЭ, чаще всего одноразовые [8]. ЖЖЭ, также известная как экстракция растворителем, представляет собой метод разделения смесей на основе их различной растворимости в двух несмешивающихся жидкостях [9]. Преимуществами этого метода являются его простота, точность, высокая степень извлечения и экономическая целесообразность [10]. Также ЖЖЭ используют для извлечения целевых компонентов с наименьшим количеством соэкстрактивных веществ из тканей или клеток. Используемый в ЖЖЭ экстрагент может выполнять также и функцию деэмульгатора, разрушая эмульсию и осаждая высококипящие природные соединения.

Таким образом, метод ЖЖЭ был выбран в качестве оптимального для пробоподготовки и разрушения пищевых эмульсий перед дальнейшим количественным ГХ-анализом. Целью данного исследования было подобрать растворитель для эффективного извлечения и осаждения полимерной фракции из спиртовой эмульсии шеллака и последующий ГХ–МС-анализ образца для определения этанола и примесных спиртов. Ожидается, что перерастворение определяемых веществ в новом растворителе, в котором полимерная фракция имеет низкую растворимость, позволит провести анализ, не рискуя при этом повредить аналитическое оборудование.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В качестве исследуемой смеси был выбран пищевой лак, представляющий собой смесь спиртовой дисперсии шеллака (пищевой добавки Е904) с растительным маслом. Для анализа исследуемый образец подготавливали следующим образом: 50 мкл эмульсии пищевого лака добавляли к 1000 мкл растворителя для осаждения полимерной фракции. Растворителями служили вода (Milli-Q), ацетон (о. с. ч., PanReac) и диэтиловый эфир (о. с. ч., PanReac). Далее образец центрифугировали для разрушения эмульсии и полного отделения полимерного осадка, супернатант отбирали, разбавляли растворителем в 80 раз, перемешивали, 1 мкл отбирали и анализировали на газовом хромато-масс-спектрометре SHIMADZU GCMS-TQ8040. Для хроматографического разделения использовали полярную капиллярную колонку SH-StabilWax (30 м × 0.25 мм × 0.1 мкм). ГХ–МС-анализ проводили в следующих условиях: начальная температура колонки – 40°C, температура ввода образца – 250°C, режим ввода – с делением потока в отношении 1 : 20, газ-носитель – гелий (скорость потока – 1.01 мл/мин); температурный режим: с 0 по 1 мин выдержка при 40°C, далее нагрев до 150°C со скоростью 10 град/мин и выдержка 1 мин при этой температуре; температура ионного источника – 150°C, регистрация хроматограммы по полному ионному току проводилась в диапазоне значений m/z от 40 до 600 со скоростью сканирования 0.2 скан/с. Для идентификации примесных спиртов (метанола, пропанола) хроматограмма регистрировалась по выбранным ионам с m/z = 32, m/z = 60, являющимся характеристичными для этих соединений. Время одного цикла составляло 0.03 с. В качестве стандартного образца для количественного анализа использовали этанол (о. с. ч.). Количественный анализ проводился методом добавок. Каждое добавление было выполнено в 3 параллелях. Количество компонента было определено с помощью калибровочного графика (R ² = = 0.9998). Относительное стандартное отклонение составляло не более 5%.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Подбор растворителя для наиболее эффективного разрушения пищевой эмульсии и осаждения полимерной фракции шеллака

Ожидается, что перерастворение определяемых спиртов в новом растворителе, в котором растворение труднолетучих полимерных компонентов снижено, приведет к эффективному извлечению и осаждению полимеров, в то время как сами анализируемые соединения перейдут в раствор. В качестве растворителя для перерастворения спиртов и осаждения полимерной основы эмульсии шеллака были опробованы три вещества (вода, ацетон, диэтиловый эфир), в которых шеллак имеет низкую растворимость [11]. При выборе наиболее подходящего растворителя ориентировались на такие параметры, как скорость и полнота осаждения полимерной фракции, а также скорость отстаивания осадка.

На рис. 1 приведены фотографии смесей исследуемой спиртовой эмульсии шеллака с тремя потенциальными осадителями – водой (а), ацетоном (б) и диэтиловым эфиром (в) в соотношении 1 : 10. На рис. 1б видно, что ацетон оказался неподходящим осадителем для полимерной фракции, т.к. выпадения осадка не наблюдалось. Это может быть связано с достаточно высокой растворимостью шеллака в ацетоне или с недостаточной полнотой извлечения полимерной фракции ацетоном. Рисунки 1а и 1в демонстрируют, что как вода, так и диэтиловый эфир осаждали полимерную составляющую спиртовой эмульсии шеллака, однако в случае диэтилового эфира (рис. 1в) образующаяся взвесь очень быстро отстаивалась и полимерный осадок выпадал на дно пробирки. При использовании воды (рис. 1а) взвесь была устойчивой и осадок формировался значительно труднее и медленнее. В результате проделанного предварительного эксперимента диэтиловый эфир был признан наиболее подходящим осадителем для полимерной фракции спиртовой эмульсии шеллака, т.к. при его применении осаждение происходило наиболее быстро и полно. В последующих экспериментах по качественному и количественному анализу спиртов в пробе для осаждения полимерной фракции применялся именно диэтиловый эфир.

Рис. 1.

Смеси исследуемой спиртовой эмульсии шеллака с тремя потенциальными осадителями в соотношении 1 : 10: водой (а), ацетоном (б) и диэтиловым эфиром (в).

Качественный анализ этанола в спиртовой эмульсии шеллака

Перед проведением анализа на содержание этанола необходимо было выполнить его качественную идентификацию и определить время хроматографического удерживания. Для этого провели ГХ–МС-анализ по полному ионному току стандартного образца этанола, растворенного в диэтиловом эфире. На рис. 2 представлена полученная хроматограмма по полному ионному току стандартного образца этанола, а на рис. 3 полученный масс-спектр сопоставлен с масс-спектром из библиотеки NIST 2015.

Рис. 2.

Хроматограмма по полному ионному току стандартного образца этанола.

Рис. 3.

Сравнение масс-спектра стандартного образца этанола (а) с библиотечным масс-спектром (б).

Далее спиртовую эмульсию шеллака подвергали необходимой пробоподготовке и анализировали, как описано в разделе “Материалы и методы”. На рис. 4 приведена хроматограмма по выделенному иону этанола (m/z = 45) для эфирного экстракта анализируемой пробы. Время удерживания определяемого вещества этанола совпадало с временем удерживания стандартного образца этанола.

Рис. 4.

Хроматограмма по выделенному иону этанола (m/z = 45) эфирного экстракта пробы эмульсии пищевого лака.

Для анализа примесных спиртов проводили детектирование в режиме регистрации выбранных ионов (SIM-мониторинг выбранных ионов с m/z = 32 для метанола и m/z = 60 для пропанола). Метанол был обнаружен в пробе в следовом количестве, пропанол обнаружен не был.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведения исследования показано, что подход к пробоподготовке спиртовой эмульсии шеллака с применением ЖЖЭ является оптимальным. Важным этапом при разработке методики ЖЖЭ был выбор подходящего растворителя, который должен отвечать следующим требованиям: растворять анализируемые спирты и при этом эффективно, быстро и полно осаждать труднолетучие полимерные компоненты эмульсии. Эти требования были достигнуты при применении диэтилового эфира в качестве экстрагента. Последующий ГХ-анализ позволил идентифицировать и количественно определить анализируемые спирты без риска повредить дорогостоящее аналитическое оборудование. Такой подход может быть использован при анализе биологических объектов, склонных к образованию эмульсий при пробоподготовке, в частности, при экстракции целевых компонентов или лекарственных препаратов из клеток.