Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,653

STUDYING OF THE POSSIBILITY OF APPLICATION OF THE METHOD IK FOURIER OF THE SPECTROSCOPY FOR IDENTIFICATION OF FRUIT AND BERRY RAW MATERIALS IN MULTICOMPONENT FOOD SYSTEMS

Golubtsova Yu.V. 1
1 Kemerovo Institute of Food Science and Technology» (university)
Изучена возможность применения метода ИК-Фурье спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения для идентификации плодово-ягодного сырья, как отдельно, так и в сложной пищевой системе. Экспериментально установлено, что метод ИК-Фурье спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения позволяет идентифицировать плодово-ягодное сырье; полученные индивидуальные ИК-спектры и спектральные характеристики (интенсивность полосы поглощения и площадь под спектральной кривой поглощения) являются строго специфичными для каждого вида сырья и обусловлены, по-видимому, морфологическими особенностями строения и химического состава. Изучение возможности применения метода ИК-Фурье спектроскопии для идентификации плодово-ягодного сырья в сложных пищевых системах показало, что данный метод позволяет определить наличие в продукте плодово-ягодного сырья, но идентифицировать его видовую принадлежность не представляется возможным.
The possibility of application of a method of IK-Fourier of a spectroscopy of the broken total internal reflection for identification of fruit and berry raw materials as separately, and in the composite food system is studied. It is experimentally established that the method of IK-Fourier of a spectroscopy of the broken total internal reflection allows to identify fruit and berry raw materials; the received individual IR spectrums and spectral characteristics (intensity of an absorption band and the area under a spectral curve of absorption) are strictly specific to each type of raw materials and are caused, apparently, by morphological features of a structure and chemical composition. Studying of a possibility of application of a method of IK-Fourier of a spectroscopy for identification of fruit and berry raw materials in the composite food systems showed that this method allows to define existence in a product of fruit and berry raw materials, but it is not possible to identify its specific accessory.
fruit and berry raw materials
foodstuff
identification
IK-Fourier spectroscopy

На современном этапе в питании человека все большее внимание уделяется производству комбинированных продуктов питания, обогащенных растительным сырьем, богатым биологически активными веществами. Зачастую, по экономическим соображениям, пищевые предприятия могут фальсифицировать содержание в продуктах плодово-ягодных добавок различными красителями и ароматизаторами, которыеявляются более дешевыми ингредиентами. Решение проблемы обнаружения фальсификации растительного сырья в продуктах требует соответствующих методов идентификации и имеет первоочередное значение в списке мероприятий, направленных на достижение безопасности и качества реализуемой пищевой продукции. Важной задачей является разработка объективных методов идентификации видовой принадлежности растительных ингредиентов, входящих в состав готовых продуктов. В последние годы все большее распространение в исследовании качества и подлинности сырья находит метод ИК-Фурье спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО). Метод имеет ряд преимуществ по сравнению с техникой измерения на пропускание. Исследовать можно любые образцы, в любой форме и агрегатном состоянии – твердые и жидкие, порошки и пасты, гранулы, суспензии, волокна и т.д. Весь анализ занимает буквально минуту, включая размещение образца, сбор и обработку данных [2, 4, 6]. Идентифицируют значения характеристических частот ИК-спектра, соответствующих химическому составу образца, и определяют подлинность пищевого или лекарственного растительного сырья по табличным спектральным данным для эталонных образцов сырья.

Целью исследований являлось изучение возможности применения метода ИК-Фурье спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения для идентификации плодово-ягодного сырья, как отдельно, так и в сложной пищевой системе.

Материалы и методы исследований

Объектом исследований являлось плодово-ягодное сырье – плоды киви (Actinidia chinensis Planch.) и ягоды малины (Rubus idaeus L.).

Для изучения возможности идентификации вида плодово-ягодного сырья в сложной многокомпонентной системе готовили модельную пищевую систему на основе биопродукта творожного йогуртного – «Активия» следующего состава: творог обезжиренный, обезжиренное молоко, сливки, концентрат молочных белков, желатин, йогуртная закваска, бифидобактерии ActiRegularis (не менее 1•107 КОЕ/г), массовая доля жира 4,5 %, изготовитель: ООО «Данон Индустрия». Плодово-ягодное сырье измельчали в блендере и вносили в творожный йогуртный продукт в количестве 5 % от массы (в случае использования одного вида плодово-ягодного сырья, и их смеси).

ИК-спектры сырья и готового продукта снимали на ИК-спектрофотометре IRPrestige-21 (Shimadzu) с приставкой с НПВО Silver GateTM и программным пакетом IRsolution, включающим модули сбора и обработки данных, их количественного анализа, формирования собственных библиотек спектров, идентификации соединений по собственным и стандартным библиотекам спектров, преобразования форматов спектральных файлов, а также библиографию по ИК-спектроскопии. Спектры исследуемых образцов снимали в диапазоне 600–4000 см–1, ширина щели 4 см–1, усиление 1, количество сканов 40.

Результаты исследования и их обсуждение

Анализ спектров плодово-ягодного сырья показывает, что их рисунок строго специфичен для каждого вида сырья (рис. 1, 2, табл. 1), однако имеются сходные области полос поглощения по положению, но различающиеся своей интенсивностью.

В области частот 3800–2600 см–1 ИК-спектров обычно проявляются частоты валентных колебаний ОН-групп, включенных в меж- и внутримолекулярные водородные связи, а также групп СН2 и СН3. В области частот 1800–1200 см–1 в основном проявляются характеристические частоты валентных колебаний групп –С=О и –С=С–, деформационных колебаний метильных и метиленовых групп, а также ОН-групп.

Максимальные пики поглощения у исследуемых видов сырья выявлены в диапазоне частот 1100–1000 см–1. Данные пики могут быть обусловлены колебаниями, связанными с группой С–О–Н некоторых фенольных соединений (например, первичных и вторичных спиртов), которые в большом количестве присутствуют в ягодах и плодах растений. Фенольные соединения являются одним из многочисленных классов вторичных соединений растений, обуславливающих их биологическую ценность.

С наличием фенольных соединений связаны также полосы поглощения, обусловленные валентными колебаниями свободных групп ОН (частоты 3670–3580 см–1), внутри- и межмолекулярных Н-связей в димерах и полимерах (частоты 3400–3200 см–1), колебаниями, связанными с группой С–О–Н: R–O–H (частоты 1450–1250 см–1, 750–650 см–1), первичных спиртов (частоты 1075–1000; 1350–1260 см–1), вторичных спиртов (частоты 1125–1030; 1350–1260 см–1), третичных спиртов (частоты 1170–1100; 1410–1310 см–1), фенолов (частоты 1270–1140; 1410–1310 см–1), колебаниями групп карбоновых кислот: валентными колебаниями групп СООН (частоты 1760; 1725–1700 см–1), свободными ОН-группами (частоты 3350–3500 см–1), связанными ОН-группами (частоты 3300–2500 см–1), любыми группами ОН (частоты 995–890 см–1), колебаниями С–О связей (частоты 1320–1210 см–1); колебаниями С–О–С в эфирах ароматических кислот (частоты 1300–1250 см–1). О присутствии углеводов свидетельствуют полосы поглощения, обусловленные валентными колебаниями СН2-групп при частоте ~ 2930 см–1.

Анализ спектров показывает, что у исследуемых видов плодово-ягодного сырья с различной степенью интенсивности присутствуют полосы поглощения в указанных диапазонах частот.

У плодов киви наиболее сильные полосы поглощения отмечены на частотах 1054,14 и 2913,60 см–1 (величины интегральных интенсивностей соответственно равны 455,84 и 99,90 усл. ед.), средние полосы поглощения отмечаются на частотах 1239,32; 1246,07; 1721,54; 3113,24 (значения интегральной интенсивности лежат в пределах 49,84…30,80 усл. ед.). Самая слабая полоса поглощения отмечается на частоте 3933,99 см–1 (интегральная интенсивность равна 10,04 усл. ед.) (рис. 1, таблица).

У ягод малины наиболее сильные полосы поглощения отмечены на частотах 1027,14; 1094,65; 1333,83; 1724,44; 1220; 1437,03; 2806,55; 3061,16 см–1 (величины интегральных интенсивностей лежат в пределах 3508,17…..473,69 усл. ед.), средние полосы поглощения отмечаются на частотах 1532,51; 1827,63; 1992,55; 3737,64; 3875,16 см–1 (величины интегральных интенсивностей лежат в пределах 392,6…303,27 усл. ед.). Самая слабая полоса поглощения отмечена на частоте 2263,56 см–1 (значение интегральной интенсивности равно 26,29 усл. ед.) (рис. 2, таблица).

Метод ИК-спектроскопии широко используется для оценки подлинности и качества лекарственного сырья, в частности в оценке загрязнения сырья элементами техногенной группы [3, 5, 8–10]; в исследованиях по идентификации компонентов растительного сырья, в частности триогликозидов [7].

Проведенные нами исследования показали, что с помощью метода ИК-Фурье спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения можно получить индивидуальные ИК-спектры плодово-ягодного сырья. Экспериментально установлено, что рисунок ИК-спектра, такие спектральные характеристики, как интенсивность полосы поглощения и площадь под спектральной кривой поглощения, являются строго специфичными для каждого вида сырья и позволяют идентифицировать видовую принадлежность при введении в библиотеку прибора стандартного спектра образца.

pic_66.wmf

Рис. 1. ИК-спектр киви (безводный)

pic_67.wmf

Рис. 2. ИК-спектр малины (безводный)

Некоторые характеристики ИК-спектров исследуемого плодово-ягодного сырья

Пик (частота, см–1)

Интенсивность в максимуме поглощения (усл. ед.)

Интегральная интенсивность (усл. ед)

Киви (Actinidia chinensis Planch.)

637,50

25,616102

15,797947

798,56

22,578802

12,241779

838,11

21,252347

10,658566

855,47

20,315285

11,182283

887,29

17,217013

22,560465

1054,14

0,020951

455,837433

1239,32

9,096275

46,238106

1246,07

9,021328

49,845238

1324,19

11,160270

22,457950

1345,41

10,172098

20,614504

1369,52

9,513237

12,707699

1393,63

8,731766

24,104778

1540,23

20,149664

15,329927

1653,07

23,842419

19,762447

1721,54

17,073755

32,933268

2437,16

23,913096

12,339752

2572,19

22,966567

20,160195

2744,82

21,206715

13,488541

2913,60

7,635589

99,901455

2920,35

7,625386

29,565103

3113,24

33,442463

30,802164

3470,09

38,423903

15,264697

3625,37

32,331937

10,801190

3879,98

26,013082

11,437760

3933,99

27,845552

10,042186

Малина (Rubus idaeus L.)

636,54

0,001755

176,037953

718,51

0,003838

256,783837

821,71

0,000930

466,624305

1027,14

0,000000

3508,173291

1094,65

0,000000

1757,549117

1220,03

0,000000

753,885052

1333,83

0,000000

1107,387941

1437,03

0,000021

514,248622

1532,51

0,003166

392,630767

1724,44

0,000000

889,157835

1827,63

0,153933

328,418372

1992,55

0,097929

384,713817

2116,00

0,455442

182,490144

2234,63

0,798557

28,243824

2263,56

0,795464

26,293172

2343,61

0,029493

339,467260

2437,16

0,169092

219,214011

2547,11

0,054508

226,780974

2806,55

0,015035

506,966364

2930,00

1,006452

130,539651

3061,16

0,087926

473,698345

3564,60

0,146191

280,551487

3604,15

0,213834

155,429608

3737,24

0,009848

316,490875

3824,04

0,058539

228,177955

3875,16

0,120019

303,275353

Остается открытым вопрос о возможностях данного метода в идентификации растительного сырья в многокомпонентных пищевых системах.

В работе предпринята попытка идентификации вида плодово-ягодного сырья в многокомпонентной пищевой системе. Для этих целей были сняты спектры плодово-ягодного сырья (малины, киви, крыжовника, шиповника, банана, земляники, вишни, черешни) и введены в библиотеку ИК-спектрометра и в дальнейшем были использованы для изучения возможности идентификации вида плодово-ягодного сырья в молочном продукте с фруктовым наполнителем, как из одного вида сырья, так и с фруктовой смесью.

Результаты исследований показывают, что из большого набора органических веществ в библиотеке ИК-спектрометра данный метод позволяет идентифицировать, с большей вероятностью, наличие в пищевой системе плодово-ягодного сырья, однако видовую принадлежность плодово-ягодного сырья данный метод определить не позволяет (рис. 3, 4).

pic_68.tif

Рис. 3. ИК-спектры йогурта с 5 % киви

pic_69.tif

Рис. 4. ИК-спектры йогурта с 5 % фруктовой смесью (спектр сравнения – ИК-спектр малины)

Как показывают данные рис. 3, программный пакет IRsolution ИК-спектрометра из собственных библиотек спектров идентифицировал в составе йогурта наличие плодово-ягодного сырья с вероятностью 724–765 % из 1000 (позиции 1–8 в подписи к рис. 3), однако выбрал в качестве основного вид плоды шиповника вместо киви (выделенная позиция № 1в списке ИК-спектров библиотеки).

При анализе йогурта с фруктовой смесью не удалось идентифицировать вид плодово-ягодного сырья (малину) по базе библиотек спектров ИК-спектрометра (рис. 4).

Программный пакет спектрометра также приоритетно идентифицировал в составе йогурта плодово-ягодное сырье с вероятностью 785–702 % из 1000 (позиции 1–8 в подписи рис. 4), однако с наибольшей вероятностью вместо малины был идентифицирован крыжовник (выделенная позиция № 1 в списке ИК-спектров библиотеки).

В литературных источниках практически нет сведений о возможности использования ИК-спектроскопии в оценке подлинности растительного сырья в составе многокомпонентных пищевых систем. Имеется работа И.А. Авиловой и Д.В. Хлыстова [1] по возможности использования метода ИК-спектроскопии для определения качества растительных масел, подтверждения подлинности состава, а также для идентификации производителя растительных масел и контроля технологического процесса.

Заключение

Таким образом, метод ИК-Фурье спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения позволяет идентифицировать плодово-ягодное сырье; полученные индивидуальные ИК-спектры и спектральные характеристики (интенсивность полосы поглощения и площадь под спектральной кривой поглощения) являются строго специфичными для каждого вида сырья и обусловлены, по-видимому, морфологическими особенностями строения и химического состава.

Изучение возможности применения метода ИК-Фурье спектроскопии для идентификации плодово-ягодного сырья в сложных пищевых системах показало, что данный метод позволяет определить наличие в продукте плодово-ягодного сырья, но идентифицировать его видовую принадлежность не позволяет.