Определение содержания углеводов и органических кислот в зерновом сусле и бражке с применением ВЭЖХ

УДК 663.5

Определение содержания углеводов и органических кислот

в зерновом сусле и бражке с применением ВЭЖХ

М. Э. Медриш, канд. техн. наук, И. М. Абрамова, д-р техн. наук,

В. А. Поляков, д-р техн. наук, профессор, академик РАН, Д. А. Гаврилова, С. В. Павленко

ВНИИПБТ - филиал ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии»

Массовая концентрация несбро-женных углеводов в бражке является важным показателем контроля спиртового производства [1]. В обычных условиях спиртового брожения из гексоз под действием ферментов наряду с этиловым спиртом образуются побочные продукты (глицерин, органические кислоты, спирты, альдегиды). Количество и скорость образования органических кислот зависят от состава сусла, рН, штамма дрожжей, режима брожения, присутствия посторонней микрофлоры. Все нарушения, происходящие во время технологического процесса брожения, негативно сказываются на качестве готового продукта. Так, образование уксусной кислоты возрастает при увеличении нормы введения дрожжей, повышении температуры. Молочная кислота образуется как продукт обмена дрожжей при брожении. Таким образом, данные о массовом соотношении углеводов и органических кислот могут быть использованы для выявления нарушений в технологии производства спирта [2]. В настоящее время известны различные методы определения содержания углеводов и органических кислот в зерновом сусле и бражке. К ним относятся: химические [3, 4], физико-химические методы [5], методы спектрофотомерии в видимой и УФ-областях спектра [6, 7], а также ИК-спектроскопия и ЯМР, методы газовой хроматографии [8, 9], методы капиллярного электрофореза [10-12], методы высокоэффективной жидкостной хроматографии [13, 14].

В России содержание сбраживаемых углеводов определяют в основном фотоэлектроколориметрическим методом с использованием антро-нового реагента [3]. Недостатками фотоэлектроколориметрического

метода являются: большое число операций и кипячение с концентрированной серной кислотой. Данный метод позволяет определять только суммарное количество углеводов в сусле и бражке.

Кислотность сусла и бражки определяют титриметрическим способом [15]. Его недостатками являются субъективность определения точки конца титрования, изменение во времени концентрации раствора щелочи, наличие димеров в растворах слабо-разбавленных органических кислот, большие затраты времени на проведение анализа. Данный метод может

применяться лишь для определения суммарного количества органических кислот. Существующий метод капиллярного электрофореза с кон-дуктометрическим детектированием по ГОСТ Р 55761-2013 [16] не позволяет определять анионы органических кислот в зерновом сусле и бражке, так как слабые органические кислоты, такие как уксусная, яблочная, молочная, слабо диссоциируют в водном растворе. Таким образом, основная часть кислот в водном растворе находится в недиссоциирован-ной форме и лишь небольшая часть - в виде солей органических кислот, которые и определяются данным методом.

Таким образом, возникает необходимость разработки новых высокочувствительных экспресс-методов определения содержания сбраживаемых углеводов и органических кислот в зерновом сусле и бражке.

Одним из наиболее совершенных и доступных методов определения углеводов и органических кислот является высокоэффективная жидкостная хроматография [17].

Целью данной работы являлась разработка методик определения углеводов (мальтозы, глюкозы, фруктозы) и органических кислот в зерновом сусле и бражке с применением метода высокоэффективной жидкостной хроматографии с рефрактометрическим и спектрофотоме-трическим детектированием.

9000С m 8000С 5, 70000 i 60000 ш 50000 % 40000 ^ 30000 i 20000 10000 0

12,5

15,0

17,5

20,0

22,5 Время, мин

Рис. 1. Хроматограмма анализа мальтозы, глюкозы, фруктозы, уксусной кислоты, молочной кислоты при условиях разделения: элюент - H2O, колонка - Rezex ROA-Organic Acid H+, 300x7,80, температура - 60 °С, скорость потока - 0,6см3/мин, рефрактометрический детектор RID-10A, спектрофотометрический детектор - SPD-20A

о

"а n о =1

t/i н

-а "О

О о

I -0" 1 о

M H

о о > 2

-6-

oí 2 о

X i

А О ф

Ь i- -

Ф П

ш

Q. =1 S

О Е

ш ф

n "О р —

"& Ï S J=

3 П) о g n "О =1 А О

О

^ 3

2 п — ф

о-а

"а

о % > ?

2 n n

ш < I О

H Q О А

О ь О

-е- 5

uj

го О

_ О го

? X

°¿ -J го

ф оо о

n ^ Ь

со го О ш

- "а

-7-, О

ъ

5

ф ф

X ь 2

J= о

00

S -e-

о

О 33 X

2 О

О Ь > о ^

< 6 ш H

о IQ о —1

00 Ш ~о

Z5 ш

^ О -а

Л > s _с

о О (Ь

Cl. о А

о I О

H ф +

=1 ф I сг О О Ь 7\ О ь 0 1

5 о ф "а А s

Е Ш то

^ £ (V> N

го СО (Т>

I X

Е ь

m I I

О

q

тз 2

7\ s Ь О Г) ГО О

О CD H О О н SD ГО CD О СП

Л го из о Ь

J= О SD "О го О К

ф ь I CD CD го S

л s S ы H Г) I

H "О ш 7ч S СП ^ Ь го О го CD Л Г) Ь О =1

J= О го H SD H SD "О —1 "О

s =1 ь л S SD

"О s CD о Л

(D ^ СП S ф

s In "О ^ SD "О _с "О

SD CD Ь SD ы "О "О О го "О S SD X CD Г) 7ч о =1

^ CD SD CD о 7ч S "О

о ы го Л S n СП ь о H л SD Т s •xj =1 СО "О X 7ч S ф ь ф ь

—1 ь s SD Г) Г) л го ГО X CD Ь Г) Г) Ь О ф л s

Ö л S H SD H

7ч О о о ГО го <

О ы ГО ГО го го о ь CD Ь CD Г) О -1 ь ф

— X CD Л

2 О

s -я1

I О)

сг 0J

fa

Ь s

сг ь

H сг

ТЗ н

~ "а

0J о

J с" ш

X

~о ~о _

ф О _

Ь 2 "О

ГО Ш О

О) H сг

"О о о-

ь тз 5 ш

St

NJ А

I S

oí g

~а 4

ь ~а

5 ?!

S Q

Ï i s

О ф s

ф

ш

=1 О тз 2 О <

oí ш

О I =1 ш о ь Ь s

-a от £ р

ш О =1

"о 2 < о

"а

-i ш Э о 3

а СГ\ сг сг

S Ь

о <

к го ф

о -____ го

ь о

о s ь

_с I о о "О —1 о го

SD <:

^—' л SD

X s _с ь го

SD ф H

"О s Г) Г) 7ч S X о ы го

H л ы ь

о SD Ф ф

X ы SD ~о ~о ь

SD << л го

"О X CD о го л о

S О Л о Г)

О ^ го -1 ч

о о S

=1 л SD Ö Г) n от

"О - 7ч Ь X

ф О SD о

Ь О ы ъ

n н SD ГО ь о _с SD -а ^ Ф СП "О и Си

Ь Ф I SD "О < А си X СП о

Л H 7ч н

SD 7ч S О ы S ГО

X О SD СП го

"О о ь О н S го ь Г) О

s го К s Г)

SD SD ч

H ь о SD

о го СП ГО

ш i z]

i ф ^ "а 0J ь п о

го ся -С А

ь s

i s

^ го

il» Q)

ф

-С О ф

n О A =1

о -а

3 ?

о

s ъ Ь о

V A ¡Z * ^ m

X "&

У J= о ^ н 5

го ^ п ^

-< ь

n ф Ь го ф о

s s

СП ш ш ^

X о А тз

Ь

о

О =1 =1 < "а n

ф А ш

ф ф , ь н

ь j=

О ф

Ш О Ь

ъ

ф ф

о Ф

1 тз

О

pi

hs s s ° 5 -& i ~a J=

о о o s<

о -

I О) ш 1

^ ÜJ ф П

ш Oll m H

оттого го о Е ш ь ^ n 2 I ф ш О ф I I X л н

о s s ^ о

П I X ti

о ь

_ о s I

J= g »

-I ° —1

» ы ь О

' О CD =1

I ^ "О

s fl)

; s en ь

Ы "О Ф

<• ш Ь

; ф X Î

' "а А ^

ф 1 i i s ; s s

! X

й ъ

ф о

о- О i ~а о 71

Ъ о

а 2

О си

Ш А

-& О

о

ы -1

s SD

s Л

Ь

=1 л

~о О

s го -1 о

о Ь аз Е о СП ^ ф

s X л SD

А

s

~а

ш s

UJ о

Ь л

ф ь ф л о

ш

5 7ч

о

< 7ч

Ф ь Ö

? < ~1

о n "а

ь < 2

0 о ^ л i

1 О)

О CD

_ О

Ть

« л

1$.

О n л

2 ?

л s

]=15 >-

с.

П П >< А А

ш О ш го

2 Ï

Ь "а

Ol

о

о i

СП Q) а- »

О О

^ о н

]=1 О

о Ъ

I I

M g lu

mV (x10) Detector A

13,0

Время, мин

Рис. 7. Образец сусла (пшеница). Массовые концентрации: мальтозы - 8,64 г/100 см3, глюкозы - 7,53 г/100 см3, фруктозы - 1,26 г/100 см3 при условиях разделения: элюент - H2O, колонка - Rezex ROA-Organic Acid H+, 300x7,80, температура - 60°С, скорость потока - 0,6 см3/мин

mV

Detector A

22,5 Время, мин

Рис. 8. Образец бражки (пшеница, 66 ч брожения). Массовые концентрации: мальтозы - 0,58 г/100 см3, глюкозы - 0,74 г/100 см3, фруктозы - 0,11 г/100 см3, уксуснаой кислоты - 0,03 г/100 см3, молочной кислоты 0,6 г/100 см3 при условиях разделения: элюент H2O, колонка Rezex ROA-Organic Acid H+, 300x7,80, температура 60 °С, скорость потока 0,6 см3/мин

в зерновом сусле и бражке с применением метода ВЭЖХ. Достоинствами данных методик являются: покомпонентное определение углеводов и органических кислот в составе сусла и бражки, а также экспрессность.

С применением данных методик появилась возможность проведения мониторинга изменения углеводного состава и органических кислот в зерновом сусле в течение всего технологического процесса производства спирта.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абрамова, И. М. Научное обоснование методологии комплексного контроля спиртового и ликероводочного производства с целью повышения качества и безопасности алкогольной продукции: автореф. дисс. ... докт. техн. наук/И. М. Абрамова. - М., 2014. -51 с.

2. Абрамова, И. М. Инновации в сфере контроля качества алкогольных напитков/ И. М. Абрамова, М. Э. Медриш, С. В. Павленко // Спиртные напитки. -2013. - № 5. - С. 52.

3. ГОСТ 31683-2012 Зерновое крах-

малсодержащее сырье для производства этилового спирта. Методы определения массовой доли сбраживаемых углеводов. - Введ. 2013-07-01. - М.: Стандартинформ: ФГУП «Стандартин-форм», 2013. - III. - 24 с.

4. Deriy E., Refinement of the physical and chemical methods for the determination of sugars/ E. Deriy, S. Livynchuk, A. Metelev, V. Nosenko // Ukrainian Journal of Food Science. -2013. - Vol. 1. - P. 54-58.

5. Алферов, В. А. Определение содержания углеводов и спиртов в полупродуктах спиртовых производств с использованием биосенсоров/ В. А. Алферов, В. А. Арляпов, С. С. Каманин // Известия Тульского государственного университета. - 2010. - Вып. 2. - С. 247255.

6. Goeij S. Quantitative analysis methods for sugars. - University of Amsterdam. - 2013. - P. 43.

7. Golden K. D. Amino Acid, fatty acid and carbohydrate content in artocarpus altilis (breadfruit)/ K. D. Golden, O. J. Williams // J. of Chromatographic Science. - 2001. - Vol. 39. - P. 243250.

8. Escudero, R. R. Optimization of carbohydrate silylation for gas chromatography // J. of

Chromatography A. - 2004. - V. 1027. -P. 117-120.

9. Fuzfai, Z. Simultaneous Identification and Quantification of the Sugar, Sugar Alcohol and Carboxylic Acid Contents of Sour Cherry, apple and Beer fruits as their Trimethylsilyl Derivates, by Gas-Chromatography-Mass Spectrometry/ Z. Fuzfai, Z. F. Katona, E. Kovacs, I. Molnar-Perl // J. Agric Food Chem. - 2004. - Vol. 52. - Vol. 74447452.

10. Ram i frez, S.C. Indirect determination of carbohydrates in wort samples and dietetic products by capillary electrophoresis/ S. C., Carretero A. S., Blanco и C. C., Bermur dez de Castro M. H., A. F. Gutierrrez // Journal of the Science of Food and Agriculture. - 2005. - Vol. 85. - P. 517-521.

11. Klampfl, C. W. Determination of carbohydrates by capillary electrophoresis with electro spray mass spectrometric detection/ C. W. Klampfl, W. Buchber-ger // Electrophoresis. - 2001. - Vol. 22. -P. 2737-2742.

12. Часовщиков, А. Р. Состав органических кислот напитков на зерновом сырье/А. Р. Часовщиков, В. А. Помозова, А. А. Ходжамкулова, С. И. Хорунжина, И. Л. Федюшкина // Техника и технология пищевых производств. - 2011. -№ 4. - С. 1-5.

13. Jurkova, M. Determination of Total Carbohydrate Content in Beer Using Its Pre-column Enzymatic Cleavage and HPLC-RI/M. Jurkova, P. Cejka, K. Sterba // Food Anal. Methods. - 2014. - Vol. 7. - P. 1677-1686.

14. Абрамова, И.М. Инструкция по технохимическому и микробиологическому контролю спиртового производства/И. М. Абрамова. - М: Дели принт, 2007. - 480 с.

15. Stemmelen A. Determining the sugar content in grape juice by HPLC-RID // Master Analysis and Control. -2012. - P. 39.

16. ГОСТ 55761-2013 Замесы, сусло, бражка из пищевого сырья. Опреде-ление массовой концентрации катионов, анионов органических и неорганических кислот методом капиллярного электрофореза. - Введ 2013-11-08. - М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 2014. -13 с.

17. Абрамова, И. М. Методика определения углеводов и глицерина в алкогольной продукции с применением высокоэффективной жидкостной хроматографии/ И. М. Абрамова, М. Э. Медриш, Г. В. Полыгалина, Л. А. Шевченко // Сборник научных трудов ГНУ ВНИИПБТ «Теоретические и практические аспекты развития спиртовой и уксусной отраслей промышленности». - М.: ВНИИПБТ, 2006. -С. 143.

INNOVATIVE TECHNOLOGIES

Определение содержания углеводов и органических кислот в зерновом сусле и бражке с применением ВЭЖХ

Ключевые слова

бражка; высокоэффективная жидкостная хроматография; глюкоза; мальтоза; молочная кислота; органические кислоты; сусло; уксусная кислота; фруктоза

Реферат

Содержание углеводов и органических кислот является важным параметром технологического процесса производства спирта. Дифференциальная оценка их содержания на различных стадиях технологического процесса позволяет оптимизировать процесс брожения, следить за качеством исходного сырья и применяемых ферментов. Работа выполнена сотрудниками ВНИИПБТ. Цель работы - разработка методик определения углеводов и органических кислот в зерновом сусле и бражке с применением метода высокоэффективной жидкостной хроматографии. Так, в обычных условиях спиртового брожения из гексоз под действием ферментов наряду с этиловым спиртом образуются побочные продукты (глицерин, органические кислоты, спирты, альдегиды). Количество и скорость образования органических кислот зависят от многих факторов. Все нарушения, происходящие во время технологического процесса брожения, негативно сказываются на качестве готового продукта. Так, образование уксусной кислоты возрастает при увеличении нормы введения дрожжей, повышении температуры. Молочная кислота образуется как продукт обмена дрожжей при брожении. Реализация мер по повышению качества испытаний алкогольной продукции и сырья для ее производства включает применение и внедрение современных инструментальных методов. Применение метода высокоэффективной жидкостной хроматографии позволяет проводить мониторинг изменения состава углеводов и органических кислот зернового сусла, своевременно выявлять и устранять причины, приводящие к снижению качества готовой продукции. Разработанные новые методики определения массовой концентрации углеводов (мальтозы, глюкозы, фруктозы) и органических кислот (уксусной, молочной) основаны на процессах лигандного обмена и ионной экс-клюзии. Они отличаются простотой, надежностью, экспрессностью и не требуют дорогих и токсичных реагентов. Диапазон измерений массовой концентрации мальтозы, глюкозы, фруктозы - 0,01-4,0 г / 100 см3; уксусной, молочной кислот - 0,01-5,0 г/100 см3.

Авторы

Медриш Марина Эдуардовна, канд. техн. наук,

Абрамова Ирина Михайловна, д-р техн. наук,

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

РАН, Гаврилова Дарья Алексеевна,

Павленко Светлана Владимировна,

ВНИИПБТ - филиал ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии», 111033, г. Москва, ул. Самокатная, д. 4-б, 4953624495@mail.ru

Determination of Carbohydrates and Organic Acids in the Grain and Wort and Mash with Use of HPLC

Key words

brew; high performance liquid chromatography; glucose; maltose; lactic acid; organic acids; mash; acetic acid; fructose

Abstracts

The content of carbohydrates and organic acids is an important parameter of the alcohol production process. The differential evaluation of its content on the various stages of the process allows optimizing the fermentation process, to monitoring the quality of raw materials and enzymes. The work staff of the Research Institute of Nutrition and Biotechnology. The purpose of work - development of techniques for determining carbohydrates and organic acids in the grain wort and mash with the use of high performance liquid chromatography method. Under ordinary conditions of alcoholic fermentation of hexoses by enzymes together with ethanol formed by-products (glycerol, organic acids, alcohols, aldehydes). The number and rate of formation of organic acids depend on many factors. All violations that occur during the process of fermentation, have a negative impact on the quality of the finished product. Since the formation of acetic acid increases with increasing rate of introduction of yeast, the temperature rises. Lactic acid is formed as a product of metabolism of yeast during fermentation. Implementation of measures to improve the quality of alcoholic products testing and raw materials for its production involves the use and application of modern instrumental methods. Application of HPLC allows to monitoring changes in the composition of carbohydrates and organic acids in grain mash, to identify and eliminate the causes that lead to a decrease of the quality of the finished product. The developed new methods for determination of mass concentration of carbohydrate (maltose, glucose, fructose) and organic acids (acetic, lactic) based on ligand exchange and ion exclusionprocesses. They are characterized by simplicity, reliability, rapidity, and do not require expensive and toxic reagents. The measuring range of the mass concentration of maltose, glucose, fructose - 0.01-4.0 g/100 cm3; acetic acid, lactic acid - 0.015.0 g / 100 cm3.

Authors

Medrish Marina Eduardovna, Candidate of Technical Science, Abramova Irina Mikhaylovna, Doctor of Technical Science, Polyakov Viktor Antonovich, Doctor of Technical Science, Professor, Academician of RAS, Gavrilova Darya Alexeevna, Pavlenko Svetlana Vladimirovna,

Research Institute of Nutrition and Biotechnology - Branch of Research Center of Nutrition and Biotechnology, 4b, Samokatnaya St., Moscow, 111033, 4953624495@mail.ru

4 ♦

♦

Ф ♦

Мировой экономический

Мировой рынок хлебобулочных изделий не будет замедляться в ближайшее время, отмечается в исследовании аналитической группы ТесИг^ю, которая прогнозирует, что в период с 2016 по 2020 гг. относительный годовой прирост глобального рынка хлебобулочных изделий составит около 6 %.

Три из самых крупных драйверов такого роста - это растущее потребление здоровой хлебной продукции и макаронных изделий, повышение популярности функциональных ингредиентов выпечки, а также увели-

кризис не мешает развитию хлебного рынка

чение собственного хлебобулочного бизнеса супермаркетов.

Многочисленные преимущества для здоровья со стороны не содержащих глютен хлебобулочных изделий увеличили их популярность в Европе и Америке. Продавцы целенаправленно фокусируют свои интересы на здоровых хлебных и макаронных продуктах, значительно увеличивая их производство и поставки в страны Западной Европы и Северной Америки, а также постепенно налаживая производство в странах Южной Америки.

В то время как количество потребителей, ориентированных на здоровые продукты питания, неуклонно растет, многие потребители не делают из этого культа и продолжают употреблять традиционные хлебные продукты, что заставляет крупных производителей ориентироваться стразу на две разные тенденции рынка. Например, по данным Techгavio, объем продаж шоколадных тортов в мире увеличился с 2007 по 2012 гг. на 17 %, несмотря на экономические трудности целых стран и даже регионов.

♦ ♦

ж