Исследование химического состава коптильного дыма и коптильных препаратов сводится к определению в них содержания фенолов, кислот и карбонильных соединений

Барышников А.В. инженер кафедры технологии пищевых производств МГТУ

Традиционно копчение считается способом консервирования. Однако производство копченых изделий постоянно совершенствуется, учитывая изменяющиеся потребительские требования к качеству продукции. Поэтому в настоящее время целью обработки полуфабриката коптильными компонентами является не консервирование, а скорее, придание изделию таких органолептических свойств, которые будут привлекательны для потребителя.

Коптильный дым и жидкие коптильные препараты, получаемые из него, по своему составу очень сложны. Оценка влияния тех или иных коптильных компонентов на качество копченых продуктов связана со значительными трудностями методического характера, так как всегда остается возможность недооценки влияния незначительных количеств веществ, способных изменить аромат копчения. Хотя влияние отдельных классов веществ на свойства продукта несомненно, однако их одновременное присутствие в дыме и коптильных препаратах делает необходимым определение их технологических свойств в комплексе.

Известно, что в придании копченому продукту специфических свойств заметная роль принадлежит фенолам, кислотам и карбонильным соединениям, содержащимся в дисперсной фазе коптильного дыма. Поэтому исследование химического состава коптильного дыма и коптильных препаратов сводится к определению в них содержания фенолов, кислот и карбонильных соединений. Из-за сложности выделения и определения индивидуальных веществ принято выражать общее содержание отдельных групп веществ в виде эквивалента. Так, при определении содержания фенольных веществ принято выражать их в пересчете на фенол или гваякол. Карбонильные соединения выражают в пересчете на фурфурол, органические кислоты - в пересчете на уксусную кислоту. Выбор эквивалента обоснован наибольшей его массовой долей в определяемой группе веществ и значительным влиянием его на качество копченой продукции.

Коптильные экстракты получают в результате термического разложения древесины или другого растительного сырья (например, иван-чая) в водной среде при высоких температурах (порядка 200°С) и давлении. Для этого используют специальные установки - экстракторы, во многом подобные аппарату для производства коптильного препарата «Амафил». Один из таких экстракторов в виде промышленно-лабораторной установки находится в научно-исследовательской лаборатории Мурманского государственного технического университета. Коптильные экстракты представляют собой жидкости темного цвета со специфическим ароматом и используются при производстве солено-сушеной продукции для придания особого цвета поверхности, вкуса и аромата. По своему химическому составу коптильные экстракты более сложны и менее изучены, чем коптильный дым и коптильные препараты.

Аналогично коптильным препаратам и коптильному дыму можно охарактеризовать химический состав коптильных экстрактов по тем же группам веществ: фенолы, карбонильные соединения, кислоты.

Следует заметить, что лабораторные методы, применяемые при анализе химического состава, являясь достаточно точными, требуют больших затрат времени и труда. Тем самым они мало применимы для экспресс-анализа в условиях производства для целей автоматизации и для получения продукции с необходимым химическим составом. Экспресс-анализ здесь подразумевает достаточно малый промежуток времени между вводом исследуемого образца объекта исследования в анализирующую систему и получением результатов по определению химического состава.

Актуальной является проблема определения содержания коптильных веществ в коптильных препаратах и экстрактах инструментальными методами, пригодными для экспресс-анализа. Предпочтительным является такой способ анализа, при котором не происходит изменения химического состава исходного объекта исследования. Другими словами, анализирующая система не должна вмешиваться в процесс производства, изменяя химические свойства готовой продукции. Это позволит, например, контролировать содержание коптильных компонентов в изготавливаемой жидкости для копчения в потоке, если процесс непрерывный, или возвращать пробу, взятую для анализа, обратно в производственный процесс, если процесс периодический.

Контролировать процесс изготовления коптильного препарата или экстракта можно путем измерения диэлектрической проницаемости с помощью радиоволновых методов.

Для измерения диэлектрических свойств коптильных препаратов и экстрактов было предложено использовать модернизированный концентратомер, разработанный учеными Мурманского государственного технического университета. Принцип работы прибора основан на частичном отражении электромагнитной волны сверхвысокой частоты (СВЧ) от объекта исследования. Мощность отраженной волны зависит от концентрации определяемого компонента. Концентратомер состоит из генератора СВЧ-волн, измерительного блока, детектора мощности отраженной волны и показывающего прибора. Детектор в виде диода преобразует отраженную мощность в электродвижущую силу (ЭДС), которая затем усиливается и измеряется с помощью вольтметра. Модернизация позволила уменьшить влияние внешних факторов, главным образом, температуры окружающей среды, и увеличить чувствительность прибора, когда при малом изменении концентрации определяемого компонента заметно изменяются показания прибора.

Испытания прибора показали хорошие результаты при определении содержания веществ в простых системах в виде смеси двух чистых диэлектриков. Исследованию подвергали водные растворы уксусной кислоты, этилового спирта, спиртовой раствор фурфурола. Погрешность определения составила около 6%. Следовательно, прибор пригоден для измерения чистых веществ-диэлектриков в растворах.

С помощью прибора исследовали также трехкомпонентную систему вода-этиловый спирт-уксусная кислота. Результаты исследования показали, что аналитический сигнал, получаемый с помощью прибора СВЧ-концентратомера, зависит одновременно от содержания уксусной кислоты и спирта. В данном случае, зная отклик прибора при анализе смеси с произвольным соотношением воды, спирта и кислоты, нельзя определить их количественное содержание в смеси, то есть показания прибора могут быть одинаковыми для смесей с разным соотношением компонентов. Это же верно и для коптильных препаратов и экстрактов как многокомпонентной смеси веществ, обладающих диэлектрическими свойствами.

Если бы соотношение коптильных компонентов: кислот, фенолов и карбонильных соединений в процессе производства коптильного препарата или экстракта оставалось постоянным, то, определив, например, содержание кислот, можно было бы с легкостью рассчитать содержание карбонильных соединений и фенолов. Многокомпонентная система тогда сводится к простой двухкомпонентной, и СВЧ-концентратомер можно успешно использовать для анализа химического состава коптильных препаратов и экстрактов. Однако нет никакой гарантии, что соотношение между кислотами, фенолами и карбонильными соединениями будет оставаться постоянным. В действительности оно зависит от множества факторов, в первую очередь - от химических свойств исходного сырья, а также от условий и способов производства. В этом состоит трудность определения химического состава коптильных препаратов и экстрактов экспресс-методом.

Непосредственный метод определения химического состава сложных многокомпонентных систем, таких как коптильные препараты и экстракты, только на одном СВЧ-концентратомере не годится.

Вариантом решения данной проблемы является использование помимо диапазона СВЧ также радиоволн высоких частот (ВЧ). В данном случае увеличивается количество аналитических сигналов, что дает возможность охарактеризовать свойства многокомпонентных систем. Аналогично прибору СВЧ, ВЧ-концентратомер построен по двухканальному принципу и состоит из двух идентичных измерительных каналов: рабочего и опорного. Каждый из этих каналов содержит датчик, автогенератор, делитель частоты. С выхода делителя частоты каждого из каналов сигналы поступают на вычитающее устройство. Датчик включается в частотозадающую цепь автогенератора и определяет его частоту генерации. Сигнал от вычитающего устройства (резонансная частота) поступает на вход измерительного устройства - частотомера. С помощью дополнительного устройства резонансную частоту, измеряемую в герцах, преобразуют в ЭДС и измеряют уже в вольтах с помощью вольтметра.

Одновременное измерение отклика на высоких и сверхвысоких частотах дает возможность охарактеризовать свойства многокомпонентных систем. В этом случае для каждого канала (ВЧ и СВЧ) статистически выявляются зависимости аналитических сигналов от содержания групп веществ в объектах исследования. Если аналитических канала два (измерения на определенной СВЧ частоте и на канале ВЧ), то каждому можно поставить в соответствие статистически определенную функциональную зависимость от двух компонентов (например, содержание кислот и карбонильных соединений). Тогда для определения химического состава нужно провести измерения на каждом канале и путем решения системы уравнений определить содержание двух компонентов в объекте исследования. При этом необходимо делить коптильные препараты на группы с примерно сходным соотношением коптильных компонентов для уменьшения погрешности анализа.

Был проведен эксперимент с группами коптильных препаратов и экстрактов (жидкие коптильные препараты «Сквама» и «Жидкий дым», коптильный экстракт из листьев иван-чая «ВАКЭ»), в котором было определено химическим путем содержание коптильных компонентов. Одновременно пробы анализировали на радиоволновых приборах. Для исследуемых коптильных препаратов и экстракта были определены уравнения зависимости показаний СВЧ и ВЧ приборов от содержания кислот и карбонильных соединений.

Для определения количества фенолов в коптильных препаратах и экстрактах необходимо использовать понятие обобщенного показателя, который является суммой значений относительных концентраций коптильных компонентов, умноженных на коэффициенты значимости.

Поскольку обобщенный показатель является комплексной характеристикой, так же как и значение, полученное с помощью радиоволновых приборов, то их можно сопоставить. Концентрацию фенолов тогда можно определить, выразив ее из уравнения зависимости обобщенного показателя от показаний СВЧ и ВЧ приборов. Тогда, определив концентрацию карбонильных соединений и кислот, с помощью уравнений, исходя из значений, показываемых СВЧ и ВЧ-концентратомерами, можно определить и концентрацию фенолов.

Такая комбинация радиоволновых методов с применением обобщенного показателя позволяет количественно определять содержание коптильных компонентов. Погрешность определения при этом составляет всего 7%.

Журнал "СЕВЕР промышленный" № 3 2006 г.