Определение природы этанола методом хромато-масс-спектрометрии

Определение природы этанола методом хромато-масс-спектрометрии

А.М. Муратшин, В.С. Шмаков

ФГУ «ЦСМ Республики Башкортостан» (Уфа) Ю.А. ТЫрсин

Московский государственный университет технологий и управления

Один из самых перспективных дифференциальных методов анализа для идентификации происхождения спирта этилового, на наш взгляд, — это хромато-масс-спектрометрия. В настоящей статье представлено обобщение многолетней работы по идентификации примесей в спирте этиловом, приготовленном из различных видов продовольственного сырья и полученном методом гидратации этилена (синтетическом). Были проведены результаты определения состава примесей, идентифицированных в синтетическом этаноле и образцах спирта этилового различного происхождения (всего более 1000 проб).

В составе образцов спирта этилового всего идентифицировано 251 соединение, при этом 170 веществ обнаружено в этаноле из пищевого сырья и 99 — в синтетическом спирте. Большинство примесей синтетического этанола содержит четное число атомов углерода, что объясняется механизмом конденсации молекул этилена с водой: взаимодействие двух молекул этилена с водой дает соединение с четырьмя атомами углерода, трех — С6, четырех — С8 и т. д. Среди соединений, обнаруженных в этаноле из продовольственного сырья, 140 веществ идентифицировано в зерновом спирте (кукуруза, пшеница, рожь, тритикале) и 90 — в виноградном. Четыре соединения — нитропро-пан, пиридин, фенилсемикарбазид и циклобутанол — обнаружены только в спирте этиловом, приготовленном из свеклы, три — 1,2,4-бутантриол, диаце-тил, диметоксидиметилсилан — лишь в пробах гидролизных спиртов, произведенных промышленными предприятиями Архангельской и Свердловской областей из древесины.

Сегодня в Российской Федерации практически весь спирт этиловый из продовольственного сырья для приготовления алкогольной продукции вырабатывается из зерновых культур.

Ряд соединений идентифицировать не удалось. Это более 10 алифатических спиртов с числом углеродных атомов от пяти и выше в пищевом спирте этиловом, более 20 спиртов состава

СНОН, СД7ОН, СЛ,,ОН и более

6 13 8 17 Ю 21

30 диалкилкетонов состава С5Н12СО, С7Н16СО, С9Н20СО, С11Н24СО, в синтетическом этаноле. Идентификация этих соединений оказалась невозможной вследствие отсутствия масс-спектров структурных изомеров в библиотеке. Таким образом, можно утверждать, что в составе образцов спирта этилового из различных видов сырья присутствует более 310 индивидуальных соединений, и все их можно определять методом газовой хроматографии.

Обнаружение в этаноле ряда ненор-мируемых ГОСТами примесей заостряет проблему безопасности и качества всей алкогольной продукции, так как в сегодняшней нормативной документации для этих соединений отсутствуют показатели токсичности и ПДК. Ситуация осложняется еще и тем обстоятельством, что при совместном присутствии нескольких токсичных веществ действие этих примесей может складываться. Чтобы учесть эту возможность, обычно пользуются формулой п С.

2-—< 1,

•=1 ПДК

где С. — концентрация г-го компонента. При таком рассмотрении значение ПДК теряет свой первоначальный смысл. Этот пример показывает, как сложно определять безопасность и качество этанола, алкогольных напитков, да и вообще любого вида пищевой продукции.

Состав идентифицированных примесей весьма разнообразен. Поэтому они были разбиты на классы соединений в соответствии с нормативными требованиями ГОСТ 5964-93 («Альдегиды», «Кетоны», «Кислоты», «Спирты», «Эфи-ры», «Полуфункциональные соединения»). В разделы «Альдегиды», «Кето-ны», «Кислоты», «Спирты» перечислены монофункциональные соединения, а в составе эфиров — простые эфиры и эфиры карбоновых кислот. Особый интерес представляет раздел «Полифункциональные соединения». Здесь среди кислородсодержащих соединений многие содержат в различных комбинациях гидроксильную, кето-, карбоксиль-

ную, эфирную (сложноэфирную) группы, поэтому весьма затруднительно отнести их к тем или иным монофункциональным соединениям. Отсюда возникает вопрос о корректности и достоверности определения физико-химических показателей спирта этилового фото-электроколориметрическим методом (ГОСТ 5964-93), предназначенным для анализа монофункциональных кислородсодержащих соединений. Ранее было показано [1-3], что испытания спирта этилового согласно ГОСТ 5964-93 при определении токсичных микропримесей дают неадекватные действительности результаты. Следовательно, методы испытаний спирта этилового (ГОСТ 5964-93) и, как следствие, водок (ГОСТ 5363-93), предусматривающие использование фотоколориметрии, требуют безотлагательного уточнения нормируемых показателей, процедур их определения и совершенствования требований к метрологическогому обеспечению, так как 80 % [4] заводских лабораторий не имеют хроматографическо-го оборудования.

В составе примесей спирта этилового можно отметить присутствие азотсодержащих, кремнийсодержащих, серосодержащих, хлорсодержащих соединений, замещенных фенолов, тер-пеновых, ароматических и насыщенных углеводородов, фурана и его замещенных. Причем из хлорсодержащих соединений приведены лишь те, которые отсутствовали в составе воды, использованной для приготовления этанола.

Состав примесей спирта этилового, полученного из зерна, винограда и этилена, весьма характеристичен, и по присутствию тех или иных компонентов в анализируемой пробе нетрудно определить происхождение этанола. При этом идентификацию природы этилового спирта можно проводить по присутствию в хроматограмме неизвестной пробы соединений, входящих в любой из шести разделов. Если в качестве идентификаторов выбрать альдегиды, нетрудно заметить, что для синтетического спирта характерно присутствие ненасыщенных, а для пищевого этанола — насыщенных алифатических альдегидов. При выборе в качестве меток кетонов следует отметить, что синтетический этанол характеризуется наличием широкого набора диалкилкетонов с четным числом атомов углерода различного изомерного строения. Более 30 изомерных диал-килкетонов состава С Н СО, С Н СО,

5 12 ' 7 16 '

С9Н20СО,С11Н24СО идентифицировать не удалось из-за отсутствия их масс-спектров в библиотеке. В пищевом спирте отмечено присутствие лишь девяти кетонов, причем все они обна-

6•2005

40

1<ласс соединений Пищевой спирт Непищевой спирт

Зерно Виноград | Свекла Синтетический | Гидролизный

Альдегиды Насыщенные алифатические, бензальдегид Насыщенные алифатические, бензальдегид — Кротоновый, ненасыщенные алифатические Кротоновый альдегид

Кетоны Замещенные ацетофеноны _ _ Широкий набор диалкилкетонов с четным Диацетил

числом атомов углерода

Органические кислоты Гомологический ряд карбоновых кислот Гомологический ряд карбоновых кислот — _ _

Спирты Нормальные алифатические Нормальные алифатические, алкилфенолы, гераниол Циклобутанол Вторичные, третичные алифатические с четным числом атомов углерода Содержание метанола на 1-2 порядка выше , чем в пищевом

Эфиры Изобутиловые карбоновых кислот Изоамиловые карбоновых кислот, этиловые стеариновой, дикарбоновых и фенилкарбоновых кислот — Диэтиловый эфир, отсутствие эфиров карбоновых кислот Метилбензоат, диметиловый

Полифункциональные Алкилпиразины, алкоксиалкилфенолы, азот-и серосодержащие Замещенные ацетали, замещенные фурфуролы, пировиноградная кислота Нитропропан, пиридин, фенилсемикарбазид Ароматические углеводороды, замещенные фурана 1,2,4-Бутантриол

ружены в зерновом этаноле. В составе виноградного спирта кетоны не идентифицированы.

Если идентификацию этанола проводить по присутствию кислот, то следует подчеркнуть отсутствие карбоновых кислот(кроме муравьиной и уксусной) в составе синтетического спирта. Присутствие гомологического ряда карбоновых кислот характерно для состава этанола, полученного из пищевого сырья, причем их концентрация в виноградном спирте значительно выше, чем в зерновом.

Для состава примесей синтетического спирта характерно присутствие алифатических спиртов с четным числом углеродных атомов, содержащих гидроксильную группу, преимущественно у второго или третьего атома углерода (из них более 20 спиртов состава СкН,чОН, СйН,7ОН, С1ПН„ОН

6 13 81/ Ш2'

идентифицировать не удалось), практически полное отсутствие эфиров карбоновых кислот, а из полифункциональных соединений — широкое представительство углеводородов, в том числе ароматических, фурана и его замещенных.

В пищевом этаноле из алифатических спиртов отметим наибольшее представительство соединений нормального строения, а алкилфенолы и гераниол зарегистрированы только в виноградном спирте. Из эфиров карбоновых кислот наиболее представительный набор обнаружен в виноградном спирте, причем этиловые эфиры стеариновой, дикарбоновых и фенилкарбоновых кислот содержатся только в нем. Изоами-ловые эфиры содержатся преимущественно в виноградном спирте, а изобу-тиловые — в зерновом. Из полифункциональных соединений для виноградного этанола характерно присутствие в его составе замещенных ацеталей, пи-ровиноградной кислоты, замещенных фурфурола, а для зернового — алкил-пиразинов, других азотсодержащих и

серосодержащих соединений, алкокси-алкилфенолов.

На наш взгляд, молекулы алкилпи-разинов — весьма перспективные вещества для того, чтобы служить маркерами при идентификации сырья, из которого приготовлен этиловый спирт, по двум причинам. Во-первых, общеизвестно, что молекулы алкилпиразинов обладают гербицидной и антибиотической активностью, являются одним из слагаемых аромата пищи при ее приготовлении, они обнаружены в жареном мясе, какао, картофеле, целом ряде сыров. Структура пиразинового цикла характерна для строения некоторых фе-ромонов,антибиотиков (аспергилловая кислота), антибактериальных, антивирусных, противоопухолевых (эхиноми-цин) лекарственных препаратов. Во-вторых, молекулы алкилпиразинов имеют достаточно характеристичные масс-спектры электронного удара с ограниченным числом диагностических ионов: M+ (m/z 94,108,122,136...), m/z 42 (H4 C2N) + , m/z 39 (C3H3) +. При использовании этих ионов в качестве характеристических определение присутствия алкилпиразинов в неизвестных пробах методом хромато-масс-спектро-метрии в режиме селективного ионного детектирования особых сложностей не представляет.

С 1 июля 2002 г. в России введен в действие ГОСТ Р 51786-2001 «Водка и спирт этиловый из пищевого сырья. Газохроматический метод определения подлинности», а с 1 марта 2005 г. — изменение №1 к данному ГОСТу. Согласно первой редакции п.4.8. ГОСТ Р 51786-2001 «присутствие на хроматог-рамме анализа спирта таких веществ, как этиловый эфир, ацетон, 2-бутанол, 2-бутанон, кротональдегид, 1-пентанол, 1-гексанол, бензиловый спирт, бензаль-дегид, 2-фенилэтанол. или одного из них дает основание идентифицировать этот спирт как непищевой и непригодный для производства ликероводочной

продукции. Наличие вышеуказанных веществ на хроматограмме анализа водки дает основание считать, что данная водка приготовлена из спирта, непригодного для производства. При наличии диэтилфталата спирт является денатурированным и непригодным для производства водок». Изменение № 1 ГОСТ Р 51786-2001 добавило в этот список веществ еще два соединения — изобу-тилацетат и этилбутират.

Только диэтиловый эфир и кротоно-вый альдегид могут служить маркерами природы непищевого спирта, так как были обнаружены ранее только в синтетическом этаноле. Из остальных десяти соединений ацетон и 2-бутанон идентифицированы в зерновом и синтетическом, бензальдегид — зерновом и виноградном, 1-пентанол— зерновом,

1-гексанол — зерновом и виноградном,

2-бутанол — зерновом, виноградном и синтетическом, бензиловый спирт — виноградном, 2-фенилэтанол — зерновом и виноградном, этилбутират — зерновом и виноградном, изобутилаце-тат — зерновом спирте. Таким образом, из списка 12 веществ для идентификации подлинности спирта и водки согласно ГОСТ Р 51786-2001 10 соединений не имеют к этому никакого отношения, а присутствие в хроматограмме большинства из них можно использовать в качестве маркеров природы пищевого этанола.

Следовательно, технический (синтетический и гидролизный) спирт от пищевого и зерновой от виноградного можно отличить по целому ряду признаков. Список характеристических примесей для спирта из различных видов сырья приведен в таблице.

Главный вопрос заключается в достижении требуемой чувствительности определения, так как микропримеси — идентификаторы в спирте этиловом высокой степени очистки могут содержаться в столь малых количествах, что их регистрация методом газовой хрома-

6•2005

41

Рис. 1. Хромато-масс-спектрограмма по полному ионному току водки «Русская»

Adundance

Рис. 2. Хромато-масс-спектрограмма в режиме селективного ионного детектирования по характеристическим ионам алифатических кетонов (m/z 57,58,71,72,85,86...) водки «Русская»

тографии напрямую невозможна. В этом случае при применении хроматографа с пламенно-ионизационным детектором необходимо провести предварительную пробоподготовку образца, а идентификацию происхождения этанола осуществлять по выбранным меткам-идентификаторам с помощью подкалывания или способом Retention Time Locking [5-6].

Согласно литературным данным, предварительная пробоподготовка анализируемого образца позволяет повысить чувствительность метода газовой хроматографии на один-два порядка. Однако следует признать, что, несмотря на принципиальную возможность, установление происхождения этанола методом газовой хроматографии с пламенно-ионизационным детектированием — достаточно сложная и нетривиальная задача.

Нетрудно заметить, что интенсивность хроматографических пиков на рис. 1 измеряется сотнями тысяч единиц, а на рис. 2 — несколькими тысячами. Ряд малоинтенсивных хромато-графических пиков на рис. 2 соответствует содержанию в образце водки «Русская» целого набора диалкилкетонов с концентрацией в несколько мкг/дм3 (пики с временем удерживания 13,81 и 14,80 мин соответствуют содержанию кетонов порядка 5 мкг/дм3).

Поскольку, как было указано ранее, наличие набора диалкилкетонов харак-

терно для синтетического этанола, при идентификации водки «Русская» был сделан вывод, что она приготовлена из синтетического спирта высокой степени очистки, хотя это не допускается действующими государственными стандартами.

Другое дело — метод хромато-масс-спектрометрии. Известно, что его использование в режиме селективного ионного детектирования позволяет увеличить чувствительность определения не менее чем на два порядка по сравнению с регистрацией по полному ионному току, а последняя для ряда классов соединений имеет чувствительность на порядок больше, чем при пламенно-ионизационном детектировании [5-7]. В качестве примера на рис. 1 приведена хроматограмма водки «Русская» (г. Слуцк, Белоруссия) по полному ионному току, а на рис. 2 — хромато-масс-спектрограмма этой же водки в режиме селективного ионного детектирования по диагностическим ионам диалкилкетонов (m/z 57,58,71,72,85,86 ...).

Без предварительной пробоподго-товки метод хромато-масс-спектромет-рии в режиме селективного ионного детектирования для представителей некоторых классов органических соединений позволяет добиться чувствительности определения порядка 1 мкг/дм3, а с помощью пробоподго-товки ее можно повысить еще на один-два порядка. Такая величина чувстви-

тельности гарантирует установление природы происхождения спирта этилового из различных видов сырья независимо от современных способов очистки этанола.

Таким образом, метод хромато-масс-спектрометрии позволяет однозначно установить происхождение спирта этилового и идентифицировать сырье, из которого произведен этанол [8].

ЛИТЕРАТУРА

1. Муратшин А.М., Белобрагин В.Я., Карповская С.А Идентификация примесей этанола//Баш. химич. журнал. 1998. Т. 5. № 2. С. 56-58.

2. Муратшин А.М., Белобрагин В.Я., Карповская СА., Шмаков В.С., Галкин Е.Г. Идентификация примесей в техническом этаноле//Баш. химич. журнал. 1998. Т. 5. № 4. С. 51-53.

3. Муратшин А.М., Белобрагин В.Я., Карповская СА, Шмаков В.С. Безопасность и качество алкогольных напитков//Стандарты и качество. 1998. № 7. С. 80.

4. Помазанов В.В., ПетровА.П. Перспективы использования метода газовой хроматогра-фии//Партнеры и конкуренты. 2000. № 8. С. 25.

5. Мiddleditch B.S., Desiderio D.M. Comparison of selective ion monitoring and repetitive scanning during gas chromatography-mass spectrometry //Anal.Chem. 1973. V. 45. N. 4. Р. 806-808.

6. Хмельницкий Р.А., Бродский Е.С. Хромато-масс-спектрометрия. — М.: Химия, 1984. С. 54.

7. Rosen I.D., Pareles S.R. Mass spectrometry and NMR spectroscopy in pesticide chemistry. — New York.: Plenum Press, 1974.

8. Муратшин А.М. Система обеспечения качества и безопасности алкогольсодержащей продукции. — М.: Изд. «Десногорск», 2005. /уЦЛ"

Всероссийский научно-исследовательский институт консервной и овощесушильной промышленности

проводит повышение квалификации специалистов консервной промышленности по образовательным программам:

23-28 января: 27 февраля - 4 марта:

20-25 марта:

«Новые технологии современного консервного производства»; «Производственная санитария, организация и методы микробиологического и химического контроля на предприятиях, вырабатывающих плодоовощные консервы»;

«Техническое оснащение (оборудование) консервных предприятий и жестяно-баночного производства».

Заявки на участие в обучении направлять факсом или письмом по адресу института: 142703, г. Видное Московской области, ул. Школьная, 78.

Контактный телефон (495) 548-51-22. Тел./факс: (495) 541-08-92, 541-08-10.

ПИВО " НАПИТКИ

6•2005

42