Food Industry subjects | Higher education » Abonyi-Juhász - Élelmiszerek szénhidráttartalmának meghatározása

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Biokémiai és Élelmiszertechnológiai Tanszék Élelmiszeranalitika labor (BMEVEBEU410) No 2 ÉLELMISZEREK SZÉNHIDRÁTTARTALMÁNAK MEGHATÁROZÁSA 2005./2006 I félév Abonyi Tibor / Juhász Réka Tel. 463-11-53 / 463-14-22 E-mail: tabonyi@mail.bmehu / juhasz@mailbmehu I. ELMÉLETI BEVEZETŐ A szénhidrátok, különösen a növényi eredetű élelmiszerekben, gyakran a szárazanyag legnagyobb hányadát teszik ki. Összmennyiségük közvetlen meghatározására ritkán van szükség. Leggyakoribb a mono- és oligoszacharidok együttes, csoportos meghatározása (redukáló cukrok) és a keményítőtartalom mérése. A fejlődés iránya a részletesebb összetétel meghatározása, és így egyre inkább szerephez jut a szénhidrátanalitikában az egyes szénhidrátkomponensek elválasztása, tisztítása, majd kromatográfiás meghatározása. I./1 Szénhidráttartalom meghatározás az egyes élelmiszeripari ágazatokban

Az élelmiszeriparban végzett vizsgálatokat három csoportba oszthatjuk: nyersanyag vizsgálatok, gyártásközi vizsgálatok és végtermék ellenőrzés. A vizsgálat célja lehet hasznos illetve szennyező komponensek meghatározása. Az élelmiszeripari ágazattól, és a szénhidrát típusától függően a szénhidrátok lehetnek hasznos illetve szennyező komponensek. A, ÉDESIPAR Az édesipari nyersanyagok vizsgálata során a cukortartalom a fő komponensek közé tartozik. A legfontosabb nyersanyagok: Cukorrépa: A cukorrépa 20-25% szárazanyagot és 15-18% szacharózt tartalmaz. A cukorrépa szacharóztartalmát répapépből határozzák meg, ólom-acetátos derítés után, polariméteres módszerrel. A szacharóz mellett a cukorrépa 0,04% mennyiségben raffinózt is tartalmaz. A raffinóz nem redukáló, nem édes vegyület Cukorgyártás során a melaszban dúsul fel. Sűrített tej és tejpor: szacharóz- és laktóztartalmat határoznak meg. (lsd tejipar)

Kakaó mag: a kakaó önmagában nem rendelkezik különösebben nagy cukortartalommal. Liszt: lsd sütőipar Az édesiparban szokásos még meghatározni a kristályosodást akadályozó cukorkomponenseket: keményítőszörp, fruktóz és izo-szörp, invert szörp, méz. A mono- és oligoszacharidok közül a glükózt, fruktózt és maltózt, valamint a raffinózt határozzák meg. B, SÜTŐIPAR A sütőipar legfontosabb nyersanyagai a gabonák, amelyek jelentős mennyiségű szénhidrátot tartalmaznak tartalék tápanyagként (keményítő) és sejtfalépítőként (cellulóz). A gabonák többféle célra használhatók fel: vetőmag, takarmányozás, malomipar, sütőipar, keményítőgyártás, söripar, szeszipar stb., ezért a gabonavizsgálatok is sokirányúak. A sütőipar szempontjából szénhidrátkomponensek közül a rosttartalom és a keményítőtartalom meghatározása bír a legnagyobb jelentőséggel. A takarmánygabonákban az összes szénhidráttartalom

mellett a redukáló cukrok mennyiségét is meghatározzák. A nem redukáló oligoszacharidok jelenléte a takarmányban káros, mivel az állatok nem tudják lebontani és ez puffadást okoz. A rosttartalom meghatározása Weendei-analízissel történik. A keményítőtartalom meghatározása: az egyéb komponensek eltávolítása után visszamaradt keményítőt savas hidrolízissel elbontják, és a felszabaduló glükózt polariméterrel mérik. C, TEJIPAR A tejből és tejtermékekből kétféle oligoszacharidot határoznak meg: laktózt és szacharózt. A laktóz (tejcukor) redukáló diszacharid, savas hidrolízissel nem bomlik el. A szacharóz nem redukáló diszacharid, savas hidrolízissel bontható. A laktózt klóraminos jodometriás titrálással, polarimetriás vagy közeli infravörös spektroszkópiai módszerrel lehet meghatározni. A tejtermékek szacharóztartalmát a savas hidrolízist követően forgatóképességválozásból, illetve redukálóképesség-

változás alapján határozzák meg. D, SZESZES ITALOK Borászat: A must cukortartalmát túlnyomórészt glükóz és fruktóz képezi. Egyes szőlőfajtákban szacharóz is megtalálható. Kis mennyiségben pentózok, illetve pektin is jelen van. A must minősítését főleg cukortartalma alapján végzik, ezért számos módszert dolgoztak ki a cukortartalom mérésére. Ezek közül a fizikai módszerek (sűrűségmérés, fénytörésmutató mérése) egyszerűbbek, de kevésbé pontosak. A pontos vizsgálatokat kémiai módszerekkel végzik 2/9 A borban a szacharóz nem természetes komponens. Magyarországon a bortörvény a cukornak mustba, vagy borba történő adagolását élelmiszerhamisításnak minősíti. A borban a szacharóz kimutatása és meghatározása Bertrand-módszerrel történik. (lsd módszerek) Likőr és pálnika: A késztermék cukortartalmát az alkohol ledesztillálása után Schoorl szerint határozzák meg. E, HÚSIPAR A húsban a szénhidrátok

közül kis mennyiségben glikogén illetve glükóz fordul elő. Mennyiségi meghatározása nem bír nagy gyakorlati jelentőséggel F, TARTÓSÍTÓIPAR A konzervekben általában kis mennyiségben vannak jelen szénhidrátok, ezért meghatározásuk kémiai módszerrel történik. A késztermékből készült vizes szuszpenziót derítik, majd invertálás után meghatározzák az összes cukortartalmat. I./2 Szénhidráttartalom meghatározásának módszerei: A szénhidrátok mennyiségi meghatározását általában mono- vagy oligoszacharid formában végzik el. A poliszacharidokat általában savas hidrolízissel bontják el. A keményítő meghatározásra közvetlen módszereket is kidolgoztak A, SZÁMÍTÁSOS MÓDSZER A szénhidrátok mennyiségét úgy számítják ki, hogy a minta tömegéből (100%) kivonják a beltartalmi paraméterek (fehérje, zsír, rost, hamu) mennyiségét. B, FIZIKAI MÓDSZEREK 1. Sűrűségmérés Monoton összefüggés van a cukoroldatok

sűrűsége és szénhidráttartalma között, ezért pl. piknométeres sűrűségméréssel a minta cukortartalma meghatározható. (pl must cukortartalma) 2. Törésmutató mérése (refraktometria) Monoton összefüggés van a cukoroldatok törésmutatója és szénhidráttartalma között. Amennyiben a cukortartalmat refraktométerrel határozzuk meg, az eredményt Brix-fokban kapjuk meg. Brix-fok: g szacharóz/ 100 g oldat. 3. Optikai forgatóképesség mérése (polarimetria) Egykomponensű cukoroldatok koncentrációja forgatóképességük alapján is meghatározható. A polarimetria a szacharóztartalom meghatározás legelterjedtebb módszere. (részletes ismertetését lásd a gyakorlati részben) 3/9 4. Közeli infravörös spektroszkópia (NIR) A mono- és oligoszacharidok, illetve különböző poliszacharidok meghatározott hullámhosszokon kölcsönhatásba lépnek az infravörös fénnyel. Az abszorpciós hely alapján az anyagi minőségük, míg az abszorbancia

alapján mennyiségük határozható meg a spektrum segítségével. C, KÉMIAI MÓDSZEREK a, Redukáló cukor meghatározása lúgos közegben A redukáló cukrok meghatározása során az oxidálhatóságot mérjük, azaz oxidálószer fogyását vagy redukált reagens mennyiségét. Teljes cukortartalom meghatározásakor a nem redukáló cukrokat savas hidrolízissel elbontjuk, ezután mérjük a redukáló cukrok mennyiségét. A redukáló cukrok meghatározásának módszereit az oxidálószerek szerint csoportosíthatjuk. Valamennyi reakció lúgos közegben megy végbe. 1. Réz (II) a, Redukáló cukor + Cu2+ Schoorl módszer Cu+ (Cu2O csapadék) + oxidált cukor fotometria gravimetria Bertrand módszer csapadék oldása + titrálás b, Cu (II)-oldat titrálása cukoroldattal Bertrand módszer:: A redukáló cukor réz(II) oldattal való titrálásakor keletkező réz(I)-oxid csapadék mennyiségét határozzuk meg. A csapadékot kénsavas vas(III)-szulfát oldattal

oldjuk fel, eközben a réz(I)-oxiddal ekvivalens mennyiségben vas(II)-szulfát keletkezik, amelyet permanganometriásan határozunk meg.1 cm3 0,02 mol/dm3-es kálium-permanganát-oldat 6,357 mg réznek felel meg. A réznek megfelelő cukormennyiséget táblázatból olvassuk le. Schoorl módszer: A redukáló cukor oldatát lúgos réz(II)-oldattal titráljuk, és a reagens feleslegét határozzuk meg jodometriásan: Cu2+ + KI CuI + I2 A keletkező jódot tioszulfáttal titráljuk. 2. Vas (III) redukáló cukor + Fe (III) Fe (II) + oxidált cukor kálium-ferricianid kálium-ferrocianid A kálium-ferricianid fogyása egyszerűen nyomonkövethető: sárga színe 430 nm-en fotometriásan mérhető. Ezen módszer a folyadékáramoltatásos analitikai technika (FIA-módszer) segítségével nagyszámú minta gyors feldolgozására alkalmas. 4/9 3. Hipojodid A hipojodid az aldehideket (pl. glükóz) savvá oxidálja, miközben jóddá redukálódik. A hipojodid feleslegét savval

jóddá alakítjuk, majd a jódot tioszulfáttal titráljuk. 4. Dinitroszalicilsav redukáló cukor + 3,5 dinitroszalicilsav dinitroszalicil + oxidált cukor A dinitroszalicil vörös színe 540 nm-en fotometriásan mérhető. b, Savas közegű fotometriás módszerek A monoszacharidok savas közegben is meghatározhatók. Sav hatására (sósav vagy kénsav) furfurol vagy hidroxi-metilfurfurol keletkezik, amely bizonyos reagensekkel (pl. α-naftol, rezorcin, fenol, antron) színes terméket képez A termék színintenzitása fotometriásan mérhető. Monoszacharid + sav közti termék reagens színes termék D, ENZIMES MÓDSZEREK 1.glükóz-oxidáz A glükóz-oxidáz enzim hatására a következő reakció zajlik le: glükóz + O2 glükonsav + H2O2 A glükóz szenzor a keletkező hidrogén-peroxidot mutatja ki redukált színezék segítségével, a glükóz elektród pedig az oxigénfogyást. 2.glükóz-6-foszfát-dehidrogenáz Glükóz + ATP Glükóz-6-foszfát

glükonsav-6-foszfát + NADPH+H+ (hexokináz) (glü-6-P-dehidrogenáz) NADPH + H+ mennyisége fotometriásan 340 nm-en mérhető. E, KROMATOGRÁFIÁS MÓDSZEREK 1. Vékonyréteg kromatográfia (VRK) A szénhidrátok elválasztása cellulózrétegen lehetséges, az egyes szénhidrátokat szelektív előhívószerrel lehet kimutatni. Vékonyréteg kromatográfiás módszerrel mono- és poliszacharidok egyaránt meghatározhatók. 2. Nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia (HPLC) 2.1Kötött aminfázisú módszer Állófázis: Kötött aminfázis Mechanizmus: amincsoport és pentózok/hexózok hidroxil-csoportjai között H-híd Eluens: acetonitril-víz elegy Detektor: refraktométer 5/9 2.2 Ioncserés kromatográfia a, Állófázis: ioncserélő gyanta Mechanizmus: ioncsere Minta: hexózok (Oligo- majd monoszacharidok eluálódnak) Eluens: ioncserélő só + víz 70-80°C Detektor: refraktométer vagy kémiai b, Állófázis: ioncserélő gyanta Mechanizmus:borát komplexet

képez cukorral, Minta: hexózok (Oligo- majd monoszacharidok eluálódnak) Eluens: ioncserélő só + víz + borát 70-80°C gradiens elúció Detektor: refraktométer vagy kémiai 2.3 Származékképzés - p-nitrobenzoil - benzoil - oxocsoport - redukálószer (NaBH4) 3. Gázkromatográfia (GC) 3.1 Származékképzés - szilil-észter - metil-észter - acetil-észter - redukálószer (NaBH4) 4. Gélkromatográfia A gélkromatográfiás módszer poliszacharidok molekulatömeg szerinti elválasztására alkalmas. F, KEMÉNYÍTŐ MEGHATÁROZÁSÁNAK MÓDSZEREI 1. A keményítő jóddal kék színű komplexet képez, amelynek színe fotometriásan mérhető. (Szín alapján az amilóz és az amilopektin megkülönböztethetők egymástól: az amilóz kék, az amilopektin ibolyaszínű komplexet képez.) 2. A keményítő meghatározásának szabványos módszere a forgatóképesség alapján történő mérés. 3. Enzimes módszer A módszer lényege, hogy keményítőt glükamiláz

enzim segítségével glükóz egységekre bontva határozzuk meg 6/9 II. A GYAKORLATON ELVÉGZENDŐ FELADATOK A gyakorlat során két analitikai szénhidráttartalmának meghatározására: módszert alkalmazunk élelmiszerek A. Nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia B. Forgatóképesség mérése (Polarimetria) A. KROMATOGRÁFIA A szacharóz, a glükóz, a fruktóz és a raffinóz meghatározása nagynyomású (intenzív) folyadékkromatográfiával (HPLC) A nagy hatékonyságú folyadék kromatográfia (HPLC) amin csoportot tartalmazó állófázissal acetonitril-víz eluens alkalmazásával lehetőséget nyújt a fontosabb technológiai és analitikai jelentőségű cukrok elválasztására és meghatározására. Előkészítés: A vizsgálandó cukortartalmú termékből 100-1000 mg szárazanyag/100 cm3 koncentrációjú oldatot készítünk. Ha a szárazanyag-tartalomban a mono- és oligoszacharidok aránya kicsi, akkor nagyobb bemérés szükséges. A cukoroldat

színes komponenseit oktadecil-szilán állófázist tartalmazó előkészítő oszloppal (pl. Waters gyártmányú C18 Sep-Pack oszlop), a kolloid zavarosságot Carrez I. és Carrez II oldatotokkal távolítjuk el A 100-1000 mg mintát kb. 50 cm3 desztillált vízben oldjuk, vagy ilyen térfogatra hígítjuk és 2 cm3 Carrez I. és Carrez II oldatot adunk hozzá, majd 100 cm3-re töltjük fel és redős szűrőn megszűrjük. A Sep-Pack C18 oszlopot (10x10 mm) kb. 2 cm3 metanollal mossuk át és 5 cm3 desztillált vízzel a metanolt kimossuk, majd a vizet a fecskendő segítségével levegővel kinyomjuk. Ezután az oszlopon 2 cm3 vizsgálandó oldatot nyomunk keresztül kb. 1 csepp/s sebességgel és az első 0,5 cm3-t elöntjük és a maradékot egyben fogjuk fel. Kromatográfiás vizsgálat: A derített és reverz fázison színtelenített oldatból 20 µl-t fecskendezünk be az izokratikus működésű kromatográfiás berendezésbe és az eluciós kromatogramot regisztráljuk.

Detektálásra refraktometriás detektor használható A kromatográfiás vizsgálat körülményei: - elválasztó oszlop: Nukleosil 10 NH2/250 mm vagy azonos más típus, 7/9 - eluens: 80 % (v/v) acetonitril desztillált vízben, az eluens sebessége: 1 cm3/min, az eluens nyomása: 67 bar, a refraktometriás detektor érzékenysége: 8x, mintatérfogat: 20 µl. A készülék kalibrálásához a mintában előforduló cukrok pontos bemérésével etalonoldatot készítünk, melynek koncentrációját a mintaoldatok koncentrációjának megfelelően választjuk meg és a különböző koncentrációjú oldatokból lehetőleg azonos mennyiséget viszünk be. A bevitt mennyiség függvényében ábrázoljuk a kapott kromatográfiás csúcsok magasságát vagy integrátor alkalmazása esetén a csúcs alatti területet és erről olvassuk le az ismeretlen mintában lévő cukrok mennyiségét. A módszer alkalmazható híg- és sűrűlé, melasz és egyéb technológia minták

elemzésére is. B. POLARIMETRIA Az optikai forgatóképesség egyes anyagoknak az a sajátossága, hogy a síkban poláros fény polarizációs síkját elforgatják. Az optikai aktivitás mértéke, a fajlagos forgatóképesség az a szög, amellyel a síkban poláros fény polarizációs síkja elfordul, ha a kérdéses anyag T °C hőmérsékletű, 1 g/cm3 koncentrációjú, 1 dm vastag rétegén áthalad. A szacharóz mint királis molekula a poláros fény síkját elforgatja. Forgatóképessége [ α ] = 66,45°. A belőle hidrolízissel képződő glükóz forgatóképessége [ α ] 20D = 52,61° , míg a 20 fruktózé [ α ] D = -91,27°. Adott koncentrációjú cukoroldat forgatását a következő összefüggés 20° D ° ° írja le: α= [α ]D ∗ l ∗ c t ahol α - a mért forgatás fokban [α ]tD - a fajlagos forgatóképesség a Na D vonalára (546,1 nm), t hőmérsékleten l - a küvetta hossza dm-ben c - az oldat koncentrációja g/cm3-ben A

forgatóképességet polariméterekkel határozzuk meg. Ezek lényegében három részből állnak: a síkban poláros fényt előállító polarizátorból, az aktív oldatot befogadó polározó csőből és az analizátorból. Polarizátornak és analizátornak Nicol-féle prizmát (nikolt) használnak. 8/9 A (polarizátorként használt) nikolból kilépő fény a másik nikolon csak akkor halad át gyengítetlenül, ha utóbbinak főmetszete párhuzamos az elsőével. Ha viszont a két nikol főmetszete szöget zár be egymással, akkor a második nikol (az analizátor) a ráeső fényintenzitásának csak cos2α-val arányos részét bocsátja át. Ha tehát a főmetszetek merőlegesek egymásra, akkor a második nikol teljesen elnyeli a ráeső fényt. Ez történik az általunk használt polariméterben is, így a második nikol után elhelyezett detektorra nem jut fény. Ha azonban a két nikol közé egy optikailag aktív anyagot (pl. cukoroldatot) helyezünk, akkor ez

elforgatja a fény síkját és így a fény egy része átjut a második nikolon és jelet ad a detektoron. A készülék addig forgatja a 2. nikolt, míg a detektor jele meg nem szűnik Ez az elfordulás az oldat forgatóképességével arányos és egy skálán leolvasható. A polarimétereken a körfokos beosztás mellett gyakran találunk szachariméterfokos beosztást is. A szachariméterskála önkényes, többféle szachariméterfokkal találkozhatunk. Nemzetközi szachariméterfok: 100°= 10,0 cm3-re oldott 26,000 g szacharóz forgatása 200 mm rétegvastagság esetén. A gyakorlat során elvégzendő feladatok: I. Glükóz fajlagos forgatóképességének meghatározása kísérleti úton (csoportos feladat) II. Ismeretlen minta glükóz tartalmának meghatározása (egyéni munka) 1. Hígítási sor glükóz oldatból a gyakorlaton megadott koncentrációkkal 2. A hígítási sor valamennyi tagja forgatóképességének meghatározása 3. A fajlagos forgatóképesség

kiszámítása 4. A minta forgatóképességének mérése 5. A glükóz oldat koncentrációját a csoport által kimért, és az irodalmi fajlagos forgatóképesség alapján is kiszámoljuk. A glükóz forgatóképessége [ α ] 20D = 52,61° a nátrium D vonalára (546,1 nm), 20°C hőmérsékleten. ° Irodalom: 1. Dr Lásztity Radomir – Dr Törley Dezső: Élelmiszer-analitika II 127-128 oldal 2. Dr Lásztity Radomir – Dr Törley Dezső: Élelmiszer-analitika I 218-229 oldal 9/9