Определение органических кислот методом капиллярного электрофореза в сырье пивного напитка с тритикале

УдК 664.4; 543.2

определение органических кислот методом капиллярного электрофореза в сырье пивного напитка с тритикале

Д. В. Зипаев,

канд. техн. наук, доцент Самарский государственный технический университет

Н. В. Никитченко,

канд. хим. наук; И. А. Платонов,

д-р техн. наук, профессор Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

С каждым годом в мире ассортимент пива неуклонно растет; изменяются предпочтения потребителей пенного напитка. Однако, качество и ценные свойства пива по-прежнему играют главенствующую роль как для потребителя, так и для производства. Несмотря на уже ставшее традиционным использование несоложеного сырья (ячмень, рожь, овес и др.), в качестве сырья для пива производители используют солод, например, из пшеницы, гречихи, проса. Помимо традиционных компонентов зернового сырья, используемого производителями, в качестве новой и перспективной зерновой культуры, выведенной генетиками и селекционерами для перерабатывающей промышленности, может быть тритикале (гибрид пшеницы и ржи). Несмотря на полученную им известность, использование данного гибрида в бродильной отрасли, к сожалению, не получило должного внимания. Поэтому разработанная ранее нами технология получения пива с использованием солода из данной культуры позволит расширить возможности использования тритикале в агропромышленном комплексе, расширит ассортиментную политику производства пива, снизит трудоемкость и затраты энергии ряда технологических операций (подработка зерна, затирание и фильтрование пива). Тем не менее, все же остаются вопросы, связанные с преимуществом разработки светлого пива с использованием солода из тритикале по сравнению с существующими и зарекомендовавшими себя брендами пива на продовольственном рынке [1].

Для получения пива из тритикале, в качестве объекта исследования, влияющим на содержание органических кислот, выбрано зерновое сырье (ячменный солод, зерно тритикале и солод из него), поскольку именно оно служит одним из основных источников, формирующих химический состав готового напитка.

Органические кислоты оказывают благоприятное влияние на процесс пищеварения, снижают кислотность в желудочно-кишечном тракте, способствуя поддержанию нормальной микрофлоры желудка человека, активно участвуют в энергетическом обмене веществ (цикл Кребса), стимулируют сокоотделение в желудочно-кишечном тракте, активизируют перистальтику кишечника, способствуя снижению риска развития многих желудочно-кишечных и других заболеваний, связанных с пищеварительной системой человека, тормозят развитие патогенной микрофлоры в толстом кишечнике. Поскольку исследуемый нами напиток представлен в основном растительными компонентами, то определение органических кислот в используемом для производства сырье весьма актуально [2].

Объекты и методы исследований. Используемый для исследований метод капиллярного электрофореза выбран не случайно, поскольку сущность метода основана на разделении сложных смесей компонентов, находящихся в буферном электролите, заполняющем кварцевый капилляр, при приложении к нему разности потенциалов и детектировании в потоке жидкости. После подачи высокого напряжения (до 30 кВ) к концам

44 ПИВО и НАПИТКИ 2017

кварцевого капилляра компоненты анализируемой смеси мигрируют с разной скоростью, в зависимости от заряда и ионного радиуса аналитов. Аналиты разделяются в виде узких зон, в разное время достигая зоны детектирования. Качественной характеристикой аналита служит время миграции, а количественной — высота и площадь пика, пропорциональная концентрации определяемого соединения [3].

Отбор проб производили в соответствии с нормативно-технической документацией на зерно и зернопро-дукты [4].

После подготовки градуировоч-ных смесей приступали к получению контрольной смеси, суть которой сводиться к тому, что в сухую виалу вместимостью 10-12 см3 помещают 1,0 см3 градуировочной смеси и добавляют 1,0 см3 дистиллированной воды и тщательно перемешивают. Контрольная смесь используется для подтверждения стабильности гра-дуировочной характеристики. Для градуировки системы по стандартной схеме анализа проводили градуировку по каждой органической кислоте и регистрировали по три электрофоре-граммы для каждой смеси в стандартных условиях анализа (X = 190 нм, t = 20 °С, ввод пробы — 30 мбар в течение 30 с, и = -17 кВ, т = 5 мин). Для проведения контрольного анализа использовали буферный раствор. Его получали следующим образом: в сухую емкость вместимостью 1520 см3 помещаем 9,5 см3 0,1 М фосфатного буферного раствора, 0,1 см3 0.01 М раствора цетилтриметиламмо-ния бромида (ЦТАБ) и 0,5 см3 изопро-панола и тщательно перемешиваем. Сразу после смешения раствор фильтровали через мембранный фильтр в пластиковый сосуд с закрывающейся крышкой. Молярная концентрация фосфат-ионов в полученном буферном растворе 95 ммоль / дм3, ЦТАБ — 0,1 ммоль/дм3. Объемная доля изо-пропанола составляет 5%. Контроль стабильности градуировочной характеристики проводили ежедневно перед измерениями анализируемых образцов зерна и солода.

Образцы ячменного и тритикалево-го солода предварительно измельчали с помощью лабораторной мельницы. Затем навески подготовленных образцов солода массой 500 мг помещали в плоскодонную колбу вместимостью 50 см3, добавляли 30-40 см3 дистилли-

рованной воды температурой 70±2 °С и перемешивали в течение 10 мин с постоянным подогревом на магнитной мешалке Framo M21 / 1. После этого переносили смесь в мерную колбу вместимостью 50 см3, охлаждали и доводили до метки дистиллированной водой. Тщательно перемешивали и фильтровали сначала через бумажный фильтр, а затем через магнитный, отбрасывая первые порции фильтрата, с последующим центрифугированием при 5000 мин-1 в течение 5 мин на центрифуге IKA mini G.

Далее подготовленные пробы анализировали в день приготовления.

В сухие пробирки типа Эппендорф помещали 1,0 см3 подготовленных проб, центрифугировали в течение 5 мин при скорости вращения ротора центрифуги 5000 мин-1 и регистрировали по три электрофореграммы для каждой пробы солода и тритикалевого зерна с помощью системы капиллярного электрофореза марки «Капель 105 М» в следующих условиях проведения эксперимента: X = 190 нм, t = 20 °C, ввод пробы — 30 мбар в течение 15 с, U = -17 кВ, т = 9 мин. По окончании анализа проверялась правильность автоматической разметки пиков. Используя программное обеспечение «Эльфоран», проводили идентификацию органических кислот (щавелевой, фумаровой, яблочной) в исследуемой пробе по совпадению времени миграции компонентов в образце и контрольной смеси при ширине окна идентификации 5%. В заключение осуществляли расчет массовых концентраций органических кислот в растворе с использованием градуиро-вочной характеристики, установленной ранее [5].

Экспериментально было установлено, что при исследовании образцов тритикале и ячменя нами были обнаружены органические кислоты. По количественному содержанию и соотношению кислот судят о натуральности и качестве изготовленных напитков, контролируют ферментативные процессы.

По результатам анализа подготовленных проб зерна и солода методом капиллярного электрофореза установлено, что содержание кислот по качественному и количественному составу в исследуемых образцах значительно варьируется (рис. 1 а, б, в).

На рис. 2 представлена диаграмма по содержанию щавелевой кислоты в изучаемых объектах.

В результате гидролиза щавелево-уксусной кислоты в цикле Кребса образуется щавелевая и уксусная кислоты. Как видно из рис. 2, содержание щавелевой кислоты в тритикалевом солоде на 29,4% выше по сравнению с ее содержанием в зерне, что объясняется биохимическими процессами, происходящими в зерне при проращивании. Однако следует отметить, что концентрация щавелевой кислоты в ячменном солоде, относительно трити-калевого солода ниже на 25%, что объясняется особенностью химического состава исходной культуры (ячменя).

При оценке концентрации фума-ровой кислоты в исследуемом сырье (рис. 3) можно судить об обратном эффекте солодоращения по сравнению с образованием щавелевой кислоты, поскольку в тритикалевом зерне ее содержание значительно выше, чем в солоде, а следовое количество в ячменном солоде обусловлено химическими свойствами ячменя.

Кроме того, на концентрацию фу-маровой кислоты в солоде оказывают влияние химические превращения, происходящие в процессе сушки солода. Именно на этой стадии технологического процесса происходит ее окисление.

В цикле Кребса /-яблочная кислота образуется путем гидратации фу-маровой кислоты и далее окисляется коферментом НАД+ в щавелевоуксус-ную кислоту.

При изучении содержания яблочной кислоты в сырье для бродильных производств было установлено, что концентрация кислоты в процессе солодоращения лежит в области статистической погрешности и оказываемые физические воздействия, а также биохимические превращения не оказывают существенного влияния на содержание яблочной кислоты в солоде (рис. 4).

Следует отметить, что содержание яблочной кислоты в тритикале и солоде из него сопоставимы, в то время как в ячменном солоде указанная выше кислота обнаружена в незначительном количестве. Кроме того, установлено, что в ячменном солоде содержатся муравьиная и бензойная кислоты, отсутствующие в зерне тритикале и солоде из него.

По результатам проведенных исследований содержания органических кислот в ячменном и тритика-левом солоде методом капиллярного электрофореза составлена сводная

10 9 8 7 6

1 5 4 3 2 1

11 10 9 8 7

=э 6

1 5

4 3 2 1 0 -1

б

11 10 9 8

=э 7 1 6 5 4 3 2

6

мин

Рис. 1. Электрофореграммы исследуемых образцов сырья бродильных производств: а — зерно тритикале; б — тритикалевый солод; в — ячменный солод

таблица концентраций органических кислот в исследуемом сырье (см. таблицу).

Из таблицы следует, что содержание органических кислот в исследуемых образцах солода значительно

варьируется. Кроме того, наличие тех или иных кислот в солоде из ячменя и тритикале различно, поэтому целесообразно использовать эти виды солода вместе при разработке рецептур пивобезалкогольной продукции.

Проведенные исследования по определению органических кислот в зерновом сырье для производства тритикалевого пива методом капиллярного электрофореза свидетельствуют о том, что в различных образцах солода содержатся разные органические кислоты (в ячменном солоде — щавелевая, лимонная, бензойная и муравьиная, в солоде из тритикале — щавелевая, фума-ровая и яблочная кислоты), поэтому использование тритикалевого солода в рецептуре новых видов пивных напитков представляется целесообразным. В тритикалевом солоде содержание щавелевой кислоты в 1,3 раза выше, чем в традиционном ячменным солоде. Кроме того, в отличие от ячменного, в тритикалевом солоде присутствуют фумаровая и яблочная кислоты, играющие важную роль в процессе обмена веществ организма человека. В целом, по результатам исследований можно заключить, что использование в одном технологическом процессе как ячменного, так и тритикалево-го солода позволит обогатить разрабатываемые напитки различными органическими кислотами, что благоприятно отразится на регуляции организма при употреблении напитков, полученных с использованием в рецептуре смеси ячменного и три-тикалевого солодов.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки

Зерно тритикале

Тритикалевый солод

Ячменный солод

0,7

" 0,4 . 0,3

0,7

0,01

Зерно тритикале

Тритикалевый солод

Ячменный солод

70- —

40- —

30-

1,5

Зерно тритикале

Тритикалевый солод

Ячменный солод

Рис. 2. Концентрация

щавелевой кислоты в сырье для производства светлого пива

Рис. 3. Концентрация

фумаровой кислоты в сырье для производства светлого пива

Рис. 4. Концентрация

яблочной кислоты в сырье для производства светлого пива

3

4

5

7

8

9

а

3

4

5

6

7

8

9

в

60

80-г

73

51

е 60- —

Е 50- —

20-

10-

0

0

0

46 ПИВО и НАПИТКИ

2017

Наименование кислоты Ячменный солод, мг/дм3 Тритикалевый солод, мг/дм3

Щавелевая кислота 51,0 38,0

Фумаровая кислота — 0,5

Яблочная кислота — 73,0

Лимонная кислота 20,0 —

Бензойная кислота 1,5 —

Муравьиная кислота 22,5 —

РФ в рамках государственного задания на выполнение работ, проект № 608 2016 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зипаев Д. В. Использование тритикале

в качестве сырья для производства пи-ва/Д. В. Зипаев, А. Г. Кашаев, К. А. Рыбакова // Известия вузов. Пищевая технология. — 2015. — № 4. — С. 70-72.

2. Дроздова Т. М. Физиология питания / Т. М. Дроздова, П. Е. Влощинский,

В. М. Поздняковский. — Новисибирск: 2007. — 325 с.

3. Каменцев Я. С. Капиллярный электрофорез. Аппаратурное оформление и области применения/Я. С. Каменцев, Н. В. Комарова // Партнеры и конкуренты. — 2002. — № 1. — С. 12-15.

4. ГОСТ 13586.3-2015 Зерно. Правила приемки и методы отбора проб. М.: Стандар-тинформ, 2015. — 27 с.

5. М04-47—2012 Методика измерений массовой концентрации органических кислот и их солей методом капиллярного электрофореза. М.: Люмэкс, 2012. — 43 с. &

Определение органических кислот методом капиллярного электрофореза в сырье пивного напитка с тритикале

Ключевые слова

капиллярный электрофорез; органические кислоты; пиво; солод; тритикале.

Реферат

Изучено содержание органических кислот (щавелевой, фумаровой и яблочной) в зерновом сырье, используемом для получения новых сортов пива. В процессе выполнения работы подготовлены градуировоч-ные смеси, контрольные смеси с целью дальнейшего определения содержания органических кислот в ячменном солоде, зерне тритикале и солоде из него. Установлено, что образование органических кислот во многом зависит от биохимических процессов, происходящих в зерне в процессе солодоращения, а также от химического состава зерна, используемого для проращивания. Эксперимент проводили с помощью системы капиллярного электрофореза марки «Капель 105 М» при следующих параметрах: X = 190 нм, t = 20 °С, ввод пробы — 30 мбар в течение 15 с, U = -17 кВ, т = 9 мин. Идентификацию органических кислот в пробе осуществляли с помощью программного обеспечения «Эльфоран» по совпадению времен миграции компонентов в пробе и контрольной смеси при ширине окна идентификации 5%. Показано, что в исследуемых образцах ячменного солода, зерна тритикале и солода из него содержание органических кислот значительно различается. Так, в трити-калевом солоде содержание щавелевой кислоты больше в 1,3 раза по сравнению с традиционным ячменным солодом. Кроме того, в отличие от ячменного солода, в тритикалевом присутствуют фумаровая и яблочная кислоты, играющие важную роль в процессе обмена веществ организма человека. В целом, по полученным результатам исследований, можно заключить, что использование в одном технологическом процессе как ячменного, так и тритикалевого солода позволит обогатить разрабатываемые напитки органическими кислотами, что благоприятно отразится на качестве готового напитка.

Determination of Organic Acids

by Capillary Electrophoresis

in the Feed Beer Beverage with Triticale

Key words

capillary electrophoresis; organic acid; beer; malt; triticale.

Abstract

The content of organic acids (oxalic, fumaric and malic) in grain raw material used to produce new varieties of beer. In the course of performance prepared calibration mixture, and then further determine the content of organic acids in the barley malt, corn and triticale malt from it. The formation of organic acids depends on the biochemical processes occurring in the process of malting grain, and the chemical composition of the grain used for sprouting. The experiment was performed using capillary electrophoresis system marks «Dripping 105 M» with the following parameters: X = 190 nm, t = 20 °C, sample injection — 30 mbar within 15 seconds, U = -17 kV, t = 9 min. Identification of organic acids in the sample were performed using the software «Elforan» coincidentally migration times of components in a sample and control mixtures in the identification of window width is 5%. It is shown that in the samples of malt barley, triticale grain and malt from it organic acid content varies considerably. Thus, in malt of triticale content of oxalic acid is 1.3 times greater in comparison with the traditional barley malt. Furthermore, unlike the barley malt in triticale present fumaric and malic acid, which play an important role in the metabolism of the human body substances. In general, according to the results of research, we can conclude that the use of the same process as the barley and triticale malt allow develop to enrich beverages with organic acids, which favorably affect the quality of the finished beverage.

Авторы

Зипаев Дмитрий Владимирович, канд. техн. наук, доцент Самарский государственный технический университет 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская д. 244, главный корпус, dvz7@mail.ru

Никитченко Наталья Викторовна, канд. хим. наук; Платонов Игорь Артемьевич, д-р техн. наук, профессор Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева 443086 Россия, г. Самара, Московское шоссе д. 34, navinita@mail.ru, pia@ssau.ru

Authors

Zipaev Dmitry Vladimirovich, Candidate of Technical Science, Associated Professor

Samara State Technical University

244 Molodogvardeyskaya St., Samara, 443100, Russia,

dvz7@mail.ru

Nikitchenko Natalya Victorovna, Candidate of Chemical Science; PlatonovIgor Artemyevich, Doctor of Technical Science, Professor Samara National Research University named after academician S.P. Korolev 34 Moskovskoye Highway, Samara, 443086, Russia, navinita@mail.ru, pia@ssau.ru