Капиллярный электрофорез - высокоэффективный аналитический метод исследования состава сложных биологических сред

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА

УДК 663.51; 542.8

Капиллярный электрофорез -

высокоэффективный аналитический метод исследования состава сложных биологических сред

Н. В. Шелехова,

канд. экон. наук; В.А. Поляков,

д-р техн. наук, профессор, академик РАН; Л. В. Римарева,

д-р техн. наук, профессор, академик РАН

ВНИИПБТ - филиал ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии»

В настоящее время метод капиллярного электрофореза широко применяют для определения широкого круга соединений в различных биологических средах. Метод отличается простым аппаратурным оформлением, доступными расходными реактивами и материалами, минимальным объемом вводимой пробы (1-2 нанолитра), экс-прессностью анализа и хорошей сочетаемостью с различными методами детектирования.

Капиллярный электрофорез — относительно молодой метод, получивший свое развитие в 80-х годах прошлого столетия. В основе капиллярного электрофореза лежат электрокинетические явления — электромиграция ионов и других заряженных частиц и электроосмос [1].

Важно отметить, что капиллярный электрофорез — перспективный и высокоинформативный метод анализа, который хорошо зарекомендовал себя как экспрессный и эффективный метод разделения многокомпонентных смесей веществ.

Немалое количество публикаций в научных журналах демонстрирует высокий интерес научного сообщества к методу капиллярного электрофореза [ 1 -7]. Высокую практическую значимость метода подтверждают как действующие, так и разрабатываемые стандарты для определения содержания катионов, анионов органических и неорганических кислот в воде, кормах, соках, винодельческой продукции и др. [8-12].

Следует отметить, что контроль технологических процессов производства этилового спирта из зерно-

Рис. 1. Электрофореграмма градуировочной смеси: 1 — хлориды; 2 — нитриты; 3 — нитраты; 4 — сульфаты; 5 — оксалаты; 6 — формиаты; 7 — фториды; 8 — фумараты; 9 — тартраты; 10 — малаты; 11 — цитраты; 12 — сукцинаты; 13 — гликоляты; 14 — ацетаты; 15 — лактаты; 16 — фосфаты; 17 — бензоаты; 18 — аммоний; 19 — калий; 20 — кальций; 21 — натрий; 22 — магний; 23 — марганец; 24 — стронций; 25 — этаноламин; 26 — пропиламин; 27 — литий; 28 — барий

34 ПИВО и НАПИТКИ 2 • 2017

вого сырья — важная и актуальная задача. Кроме того, регулирование технологических процессов производства входит в состав работ, выполняемых в рамках разработанной Комплексной системы контроля и регулирования технологических процессов производства спирта [13, 14].

Исследования проводили в лабораторных и производственных условиях с использованием аналитического оборудования: системы капиллярного электрофореза PrinCE 560 и Agilent 7100. Объектами исследований были технологическая вода, поступающая на производство спирта, замесы, сусло, бражка, барда, лю-терная вода, питательные среды для ведения дрожжей.

В целях обеспечения оперативного контроля и регулирования биотехнологических процессов, происходящих на стадии брожения, проведены исследования по разработке методики определения ионного состава замесов, сусла, бражки, лютерной воды, барды, воды на различных стадиях водоподготовки. Для решения поставленной задачи выбран метод капиллярного электрофореза, обладающий высокой эффективностью, экспрессностью, низкой себестоимостью анализа.

Впервые для одновременного определения массовой концентрации катионов, анионов неорганических и органических кислот разработан электролит, содержащий: гистидин, 2-морфолиноэтансульфоновую кислоту, краун-эфир, тритон Х-100 и деионизованную воду. Проведены исследования по подбору оптимальных режимных параметров системы капиллярного электрофореза. Новизна технических решений подтверждена двумя патентами РФ [15, 16].

Сущность методики основана на разделении катионов, анионов вследствие их различной электрофоре-тической подвижности в процессе миграции по кварцевому капилляру в электролите под воздействием электрического поля с последующей регистрацией кондуктометрическим детектором. На рис. 1 приведена электрофо-реграмма градуировочной смеси.

Проведены исследования по выявлению наличия линейной зависимости аналитического сигнала от количества определяемого вещества в градуировочных растворах в пределах аналитической области методики. Значение коэффициента корреляции

Массовая концентрация ионов, мг/дм3 Спиртзавод (Алтайский край) Исходная вода Na-катионирование

Хлориды 1,25 0,82

Сульфаты — —

Фториды 0,25 0,23

Аммоний 0,12 0,11

Калий 1,39 0,38

Кальций 56,69 —

Натрий 14,42 43,97

Магний 19,74 0,27

Стронций 0,37 —

Жесткость, ° Ж 4,46 0,022

для градуировочной зависимости составляет не менее 0,997. По результатам теоретических и экспериментальных исследований методика аттестована в ФГУП ВНИИМС. Установлено, что методика измерений соответствует предъявляемым к ней метрологическим требованиям и обладает основными метрологическими характеристиками. Границы относительной погрешности методики измерений ±5., % (Р = 0,95) в диапазоне от 0,5 до 10 мг/дм3 составляют не более 28%, в диапазоне от 10 до 20 мг/дм3 не более 22%. Методика легла в основу ГОСТ Р 55761-2013 «Замесы, сусло, бражка из пищевого сырья. Определение массовой концентрации катионов, анионов неорганических и органических кислот методом капиллярного электрофореза» [17].

Разработанная методика широко применяется в фундаментальных научных исследованиях ВНИИПБТ [17-23].

С использованием разработанной методики в производственных условиях исследован ионный состав исходной воды и воды после водопод-готовки (натрий катионирование), используемой в спиртовом производстве. Определен качественный и количественный состав микроэлементов в технологической воде до и после водоподготовки, рассчитана жесткость (таблица).

Из данных таблицы следует, что в результате №-катионирования жесткость воды уменьшилась на 99,5%. Таким образом, методика позволяет контролировать и регулировать ионный состав воды, поступающей на спиртовое производство, рассчитывать ее жесткость.

Известно, что микроэлементный состав зерна варьирует даже в пределах одного вида злаков и зависит от сорта растения, условий его произрастания, вносимых удобрений и других факторов. На рис. 2 пред-

ставлены результаты исследований ионного состава образцов зерновых замесов кукурузы, тритикале, ржи, пшеницы с гидромодулем 1:1,8.

Показано, что применение разработанной методики позволяет контролировать и регулировать микроэлементный состав замеса, подбирать оптимальный по содержанию микроэлементов вид сырья для дальнейшего его использования при получении этилового спирта.

С применением разработанной методики исследован ионный состав зернового сусла и бражки. Получены новые экспериментальные данные по влиянию ферментных комплексов с различной субстратной специфичностью на ионный состав зернового сусла и эффективность конверсии его в процессе сбраживания. Кроме того, применение разработанной электрофоретической методики позволило установить оптимальный состав ферментов для биокаталитической подготовки концентрированных сред в ресурсосберегающей технологии спирта и установить различия в метаболизме промышленных рас спиртовых дрожжей с осмофиль-ными свойствами [21-23].

Известно, что в процессе выделения и очистки спирта образуются побочные продукты, такие как барда и лютерная вода — отходы спиртового производства, рациональная переработка которых — это важная задача. Исследован ионный состав барды (рис. 3) и лютерной воды (рис. 4).

Электрофореграмма лютерной воды приведена на рис. 5.

Полученные экспериментальные данные могут быть применены при повторном использования фугата барды и лютерной воды в спиртовом производстве в целях решения проблемы эффективного использования вторичных ресурсов при переработке зернового сырья в этанол.

2 • 2017 ПИВО и НАПИТКИ 35

В результате проведенных исследований, разработана быстрая, точная и чувствительная электрофоре-тическая методика одновременного определения массовой концентрации катионов, анионов неорганических и органических кислот в замесах, сусле, бражке, лютерной воде, барде, воде. Методика позволяет за один анализ определять 28 компонентов за 20-25 мин с минимальной пробопод-готовкой (фильтрация, разведение), что дает возможность значительно сократить время и расход реактивов для проведения исследования.

Методика представляет не только научный, но и практический интерес, так как позволяет контролировать ионный состав продуктов, полупродуктов

и отходов спиртового производства, образующихся на каждой стадии технологического процесса производства этилового спирта на заводах отрасли.

Разработанная методика открывает новые возможности для дальнейших исследований в области регулирования технологических процессов производства спирта.

ЛИТЕРАТУРА

1. Комарова, Н. В., Каменцев Я. С. Практическое руководство по использованию систем капиллярного электрофореза «КАПЕЛЬ» — СПб.: ООО «Веда», 2006. — 212 с.

2. Каменцев, Я. С. Возможности метода капиллярного электрофореза для контроля качества питьевых, поверхностных, сточных и технологических вод/Я. С. Камен-

цев, Н. В. Комарова, А. А. Корашенников // ЭКВАТЭК-2002: тезисы докл. 5-го Международного конгресса. — Москва, 2002. — С. 608-610.

3. Полякова, Е. В. Определение неорганических анионов методом капиллярного электрофореза с необращенным электроосмотическим потоком // Е. В. Полякова, О. В. Шуваева //Аналитика и контроль. 2009. — Т. 13. — № 3. — С. 147-152.

4. Рождественский, Е. А. Определение ионного состава пластовых вод методом капиллярного электрофореза/Е. А. Рождественский, В. А Кувшинов В. А., Д. А. Филатов// Приволжский научный вестник. — 2012. — № 5 (9). — С. 3-7.

5. Захарова, М. В. Методика определения массовой концентрации винной, яблочной, янтарной, лимонной кислот с приме-

1 1 1

П „ „ П п 1 _ _ _ и и ———о.

1500-

ш 1000 -

500-

<Г

и о

е

Ц Кукуруза Тритикале Рожь Пшеница

Рис. 2. Ионный состав зерновых замесов из кукурузы, тритикале, ржи, пшеницы

2500-

п  П „ „ -п 1 П

° 1000-

<Г

и о

е

Кукуруза (Сев. Осетия) Кукуруза (Сев. Осетия) Пшеница (Воронежская обл.) Зерносмесь пшеница/рожь

Рис. 3. Ионный состав барды

0

0

36 ПИВО и НАПИТКИ

2 • 2017

160-

140-

120-

100-

I 80-

¥

з: о 60-

40-

20-

I

П .................................................................1,

п _ _ . 1.1  . _

Спирзавод

0

Рис. 4. Ионный состав лютерной воды

Рис. 5. Электрофореграмма лютерной воды

нением капиллярного электрофореза/Захарова М. В., Ильина И. А., Лифарь Г. В., Якуба Ю. Ф. // Методическое и аналитическое обеспечение исследований по садоводству. — Краснодар, 2010. — С. 283-289.

6. Маркосов, В. А. Применение капиллярного электрофореза для анализа винодельческой продукции/В. А. Маркосов, Т. И. Гугучкина, Н. М. Агеева, Ю. Ф. Якуба // Виноградарство и виноделие. — 2007. — № 2. — С. 23-25.

7. Ябловская, П. Е. Анализ водных объектов окружающей среды методом капиллярного электрофореза/П. Е. Ябловская//тег-national journal of applied and fundamental research. — 2013. — № 8. — С. 200-203.

8. ГОСТ Р 52841-2007 Продукция винодельческая. Определение органических кислот методом капиллярного электрофореза. — Введ. 2009-01-01. — М.: Стандартинформ, 2008. — 8 с.

9. ГОСТ31765—2012 Вина и виноматериалы. Определение синтетических красителей методом капиллярного электрофореза. — Введ. 2013-01-07. — М.: Стандартинформ, 2013. — 12 с.

10. ГОСТ Р 56373—2015 Корма и кормовые добавки. Определение массовой доли органических кислот методом капиллярного электрофореза. — Введ. 2016-01-07. — М.: Стандартинформ, 2015. — 19 с.

11. ГОСТ Р 56374-2015 Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Определение массовой доли катионов аммония, калия, натрия, магния и кальция методом капиллярного электрофореза. — Введ. 2016-01-07. — М.: Стандартинформ, 2015. — 20 с.

12. ГОСТ Р 56375-2015 Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Определение массовой доли хлорид-, сульфат-, нитрат- и фосфат-ионов методом капиллярного

электрофореза. — Введ. 2016-01-07. — М.: Стацдартинформ, 2015. — 20 с.

13. Шелехова, Н. В. Комплексная система контроля производства этилового спирта и спиртных напитков/Н. В. Шелехова, В. А. Поляков, Л. В. Римарева//Хранение и переработка сельхозсырья. — 2015. — № 12. — С. 53-56.

14. Шелехова, Н. В. Научное обеспечение контроля биотехнологических процессов производства этилового спирта/Н. В. Шеле-хова, Л. В. Римарева, В. А. Поляков//Пиво и напитки. — 2016. — № 1. — С. 16-20.

15. Поляков В. А., Мицен В. Е., Шелехова Т. М, Веселовская О. В., Скворцова Л. И., Овчинников О.А., Космынин А В., Шелехова Н. В. Рабочий электролит для определения капиллярным электрофорезом ионного состава жидких сред. // Патент РФ № 2315299. Заявка № 2006133558. Приоритет от

20.09.2006. Регистрация в Госреестре изобретений РФ 20.01.2008. — Бюл. № 2. — 4 с.

16. Поляков В. А., Мицен В. Е., Шелехова Т. М, Веселовская О. В., Скворцова Л. И., Овчинников О. А., Космынин А. В., Шелехова Н. В. Способ определения ионного состава жидких сред. // Патент РФ № 2313781. Заявка № 2006133559. Приоритет от 20.09.2006. Регистрация в Госреестре изобретений РФ

27.12.2007. — Бюл. № 36. — 5 с.

17. ГОСТ Р 55761-2013 Замесы, сусло, бражка из пищевого сырья. Определение массовой концентрации катионов, анионов неорганических и органических кислот методом капиллярного электрофореза. — Введ. 2015-01-07. — М.: Стандартинформ, 2014. — 18 с.

18. Серба, Е. М. Исследование метаболитов, сопутствующих синтезу этанола при сбраживании концентрированного зернового сусла осмофильным штаммом дрож-

2 • 2017 ПИВО и НАПИТКИ 37

жей Saccharomyces cerevisiae/Е. М. Серба, М. Б. Оверченко, Л. В. Римарева, Н. И. Игнатова, О. В. Веселовская, Н. В. Шелехова //Производство спирта и спиртных напитков. — 2013. — № 2. — С. 16-19.

19. Серба, Е. М. Научно-практические аспекты получения бад на основе конверсии вторичных биоресурсов / Е. М. Серба, М. Б. Оверченко, В. Е. Давыдкина, Н. В. Шелехова, Л. В. Римарева, В. А. По-ляков//Хранение и переработка сельхоз-сырья. — 2015. — № 2. — С. 44-50.

20. Шелехова, Н. В. Исследование ионного состава полупродуктов и отходов спиртового производства с применением метода

капиллярного электрофореза/Н. В. Ше-лехова, Л. В. Римарева//Хранение и переработка сельхозсырья. — 2015. — № 8. — С. 12-15.

21. Римарева, Л. В. Исследование ионного состава питательной среды в процессе генерации спиртовых дрожжей Saccharomyces сеге^Ыае с осмофильными свойствам/Л. В. Римарева, М. Б. Овер-ченко, Н. И. Игнатова, Н. В. Шелехова, Е. М. Серба, Н. Н. Мартыненко//Хра-нение и переработка сельхозсырья. — 2016. — № 3. — С. 41-45.

22. Римарева, Л. В. Накопление метаболитов дрожжами Saccharomyces cerevisiae

1039 при культивировании на зерновом сусле/Л. В. Римарева, М. Б. Оверченко, Н. И. Игнатова, Н. В. Шелехова, Е. М. Серба, А. Ю. Кривова, Н. Н. Мартыненко// Хранение и переработка сельхозсырья. — 2016. — № 5. — С. 23-27.

23. Римарева Л. В. Влияние ферментных комплексов на метаболизм спиртовых дрожжей и накопление ионов неорганической природы в концентрированном зерновом сусле/Л. В. Римарева, М. Б. Оверченко, Н. И. Игнатова, Н. В. Шелехова, Е. М. Серба, Н. Н. Мартыненко, А. Ю. Кривова // Вестник Российской сельскохозяйственной науки. — 2016. — № 3. — С. 28-31.

Капиллярный электрофорез — высокоэффективный аналитический метод исследования состава сложных биологических сред

Ключевые слова

анионы органических и неорганических кислот; барда; бражка; замесы; капиллярный электрофорез; катионы; кондуктометрический детектор; лютерная вода; определение жесткости; сусло; электролит.

Реферат

В современных условиях метод капиллярного электрофореза широко применяют для определения широкого круга соединений в различных биологических средах. Капиллярный электрофорез — высокоинформативный метод анализа, который зарекомендовал себя как экспрессный и эффективный метод разделения многокомпонентных смесей веществ. Большое количество публикаций показывает высокий интерес научного сообщества к методу капиллярного электрофореза. Высокую практическую значимость метода подтверждают как действующие, так и разрабатываемые ГОСТ для определения содержания катионов, анионов органических и неорганических кислот в воде, кормах, соках, винодельческой продукции и др. На основании вышеизложенного, можно заключить, что капиллярный электрофорез — перспективный метод анализа. Важно отметить, что регулирование технологических процессов производства этилового спирта из зернового сырья является важной и актуальной задачей, подразумевающей практическое применение современного аналитического оборудования и методов анализа. Для решения этой задачи ВНИИПБТ разработана электрофоретическая методика одновременного определения массовой концентрации катионов, анионов органических и неорганических кислот для анализа воды на различных стадиях водо-подготовки, замесов, сусла, бражки, лютерной воды, барды, питательных сред. Кроме того, разработанная методика может быть применена для определения жесткости воды, используемой в спиртовом производстве. Диапазон измеряемых концентраций катионов, анионов неорганических и органических кислот в полупродуктах спиртового производства и воде от 0,5 до 20,0 мг/дм3. Границы относительной погрешности составляют от 22% до 28%. Разработанная методика представляет научный и практический интерес. Применение разработанной методики будет способствовать осуществлению оперативного контроля и регулирования технологических процессов производства спирта.

Авторы

Шелехова Наталия Викторовна, канд. экон. наук;

Поляков Виктор Антонович, д-р техн. наук, профессор, академик РАН;

Римарева Любовь Вячеславовна, д-р техн. наук, профессор, академик РАН

ВНИИПБТ — филиал ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии»,

111033, Москва, ул. Самокатная, д. 4 Б,

satella@mail.ru, 4953624495@mail.ru, lrimareva@mail.ru

Capillary Electrophoreis

as Effective Analytical Method of Research

the Composition of Complex Biological Media

Key words

anions of organic and inorganic acids; brew from food raw material; batches; capillary electrophoresis; cations; conductometric detector; determination of hardness; sugar mash; electrolyte.

Abstract

In modern conditions the method of capillary electrophoresis is widely used to determine a wide range of compounds in various biological media. Capillary electrophoresis is a highly informative method of analysis that has proven itself as a rapid and efficient method for the separation of multicomponent mixtures of substances. A large number of publications show the high interest of the scientific community to the method of capillary electrophoresis. High practical value of the method as confirm existing, and develop a standard for the determination of cations, anions, organic and inorganic acids in water, feed, juice, wine production. Based on the foregoing, it can be concluded that capillary electrophoresis is a promising method of analysis. It is important to note that the regulation of technological processes of production of ethyl alcohol from grain raw materials is an important and urgent task that involves the practical application of modern analytical equipment and methods analysis. To solve this problem VNIIPBT developed electrophoretic method for the simultaneous determination of the mass concentration of cations, anions, organic and inorganic acids for water analysis at different stages of water treatment, batches, sugar mash, brew from food raw material. In addition, the developed method can be applied to determine the hardness of the water used in alcohol production. The range of measured mass concentrations of cations, inorganic anions and organic acids in production of semiproducts alcohol and water from 0.5 to 20.0 mg/dm3. Limits of the relative error of the method ranges from 22% to 28%. The developed method is of scientific and practical interest. Application of the developed method will facilitate the implementation of operational control and regulation of technological processes in alcohol production.

Authors

Shelehova Natalia Victorovna, Candidate of Economical Science; Polyakov Victor Antonovich,

Doctor of Technical Science, Professor, Academic of RSA;

Rimareva Lyubov Vyacheslavovna,

Doctor of Technical Science, Professor, Academic of RSA

VNIIPBT — branch of FGBUN «FRC of nutrition and biotechnology»

4b Samokatnaya St., Moscow, 111033, Russia,

satella@mail.ru, 4953624495@mail.ru, lrimareva@mail.ru

38 ПИВО и НАПИТКИ 2 • 2017