Физико-химические свойства и методы

Физико-химические свойства и методы

1. 1.Сущность эмиссионной  фотометрии пламени (пламенная  фотометрия)

Пламенная фотометрия является одним из вариантов эмиссионного спектрального анализа и основана на измерении интенсивности света, излучаемого возбужденными частицами (атомами или молекулами) при введении вещества в пламя горелки.

Принцип метода заключается  в том, что раствор анализируемого вещества распыляют с помощью  сжатого воздуха в пламени  горелки, где происходит ряд сложных  процессов, в результате которых  образуются возбужденные атомы или  молекулы. За счет энергии пламени, легко возбуждаемым атомом вещества (K, Na, Ca), сообщается избыточная энергия. Атомы этих металлов переходят в возбужденное состояние, характеризующееся переходом валентных (наружных) электронов на более высокие энергетические уровни. Через 10-8 секунды происходит их возврат на основные уровни, что сопровождается выделением порций энергии (квантов света). Совокупность квантов света приводит к образованию светового потока с длиной волны, характерной для атомов K, Na, Ca. Их излучение направляют в спектральный прибор, выделяющий излучение определяемого элемента светофильтрами или другими монохроматорами. Попадая на детектор (фотоэлемент), излучение вызывает фототок, который после усиления измеряют стрелочным гальванометром. Нахождение содержания определяемого вещества проводят с помощью градуировочного графика зависимости величины фототока от концентрации элемента, который строят по результатам анализа серии стандартных растворов. Отклонение от линейности градуировочного графика наблюдается в области больших (больше 100 мкг/мл у калия) и малых концентраций. В первом случае происходит самопоглощение света невозбужденными атомами, а во втором - уменьшается доля свободных атомов за счет смещения равновесия реакции ионизации атомов.

Наиболее распространенными  отечественными приборами для пламенной  фотометрии являются:

а) фильтровой пламенный фотометр типа ФПЛ-1 для определения Na, K, Ca из одного раствора прямым методом;

б) пламенный фотометрический  анализатор жидкости ПАЖ-1 для определения  микроколичеств Na, K, Ca и Li при их совместном присутствии в растворе;

в) пламенный фотометр FLAPHO-4 для определения Li, Na, K, Ca и Rb.

Поскольку спектры эмиссии  атомов значительно проще молекулярных, то именно методы, основанные на их получении, стали широко применяться для  массового многоэлементарного экспресс-анализа.

Пи АЭА анализируемая  проба вещества вводится в источник возбуждения спектрального прибора. В источнике возбуждения данная проба подвергается сложным процессам, заключающимся в плавлении, испарении, диссоциации молекул, ионизации  атомов, возбуждении атомов и ионов.

Возбуждённые атомы и  ионы через очень короткое время (~10-7-108с) самопроизвольно возвращаются из неустойчивого возбуждённого  состояния в нормальное или промежуточное  состояние. Это приводит к излучению  света с частотой  и появлению  спектральной линии.

Степень и интенсивность  протекания этих процессов зависит  от энергии источника возбуждения (ИВ).

Наиболее распространёнными  ИВ являются: газовое пламя, дуговые  и искровые разряды, индукционносвязанная плазма (ИСП). Их энергетической характеристикой можно считать температуру.

Методами АЭА можно  исследовать твёрдые и жидкие пробыРазличают качественный, полуколичественный и количественный АЭА.

Качественный анализ проводят путём идентификации спектральных линий в спектре пробы, т.е. установления их длины волны, интенсивности и  принадлежности тому или иному элементу.

Для расшифровки спектра  и определения длины волны  анализируемой линии пользуются спектрами сравнения, в которых  длины волн отдельных линий указаны. Чаще всего для этой цели используют хорошо изученный спектр железа, имеющий  характерные группы линий с известными l в разных областях длин волн.

С помощью спектропроектора идентификацию проводят, совмещая эталонный спектр железа, на котором приведены последние линии других элементов, с исследуемым спектром и отмечают совпадения линий сравниваемых спектров. Отсутствие последней линии определяемого элемента в спектре гарантирует отсутствие других линий этого элемента. Однако наличие линии, характерной для последней линии какого-либо элемента, ещё не означает, что данная линия принадлежит именно этому элементу. Это может быть и следствием наложения спектральных линий. Поэтому окончательную идентификацию проводят, проверяя последние линии всех «подозреваемых» элементов.

Качественным АЭА определяют более 80 элементов с пределом обнаружения  от 10-2% (Hg, Os и др.) до 10-5% (Na, B, Bi и др.). Низкий предел обнаружения может привести к переоткрытию элементов, попавших в пробу в результате случайных загрязнений.

2. Структурно -механические свойства как показатель качества товара

Структурно-механические свойства характеризуют сопротивляемость товаров воздействию механической энергии. Эти свойства дают представление о структуре товаров, заметно изменяются при ее разрушении и потому играют важную роль в объективной оценке сырья и его переработке. Например, механическими свойствами обусловлены условия превращения мяса в фарш, а затем в колбасные изделия, зерна — в муку и печеный хлеб. При этом структурно-механические (реологические) показатели пригодны для ускоренного контроля качества продуктов массового назначения. Структурно-механические свойства необходимы для характеристики качества пищевых продуктов, условий их перевозки и хранения. 
Среди показателей структурно-механических свойств выделяют прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость, липкость. 
Прочность - свойство противостоять упругой и пластической деформации, а также разрушению. Деформацией называется всякое изменение формы и размера тела. Деформация, исчезающая после приложения внешних сил, называется упругой, или обратимой. Однако первоначальная форма тела может восстанавливаться полностью не всегда. Деформация, оставшаяся после прекращения действия внешних сил, называется пластической, или остаточной. В каждом теле проявляются упругая и пластическая деформации. В отдельные промежутки времени может происходить деформация только одного вида. Если пищевые продукты не способны к остаточным деформациям, то они хрупки, например сахар-рафинад, сухари, сушки. 
Прочность учитывается, например, при дроблении зерна для получения муки, солода (проросшего зерна) - для получения пива, винограда - при изготовлении вина, а также при измельчении сахарной свеклы для получения сахара, картофеля - при выработке спирта. Прочность пищевого сырья зависит от его структуры, влажности и температуры. Повышение температуры и влажности увеличивает долю пластической деформации, что подчас затрудняет переработку сырья.

Прочность является показателем  качества готовых изделий. Так, для каждого вида макарон установлена нагрузка, которую должно выдерживать макаронное изделие, положенное на опоры с расстоянием 15 см до излома. Для некоторых видов макарон нагрузка составляет 0,8 кг. Сахар-рафинад должен оказывать временное сопротивление раздробляющему давлению - от 15 до 40 кгс/см- в зависимости от вида (прессованный, литой). 
Твердость - это местная прочность на вдавливание, которая определялась П. А. Ребиндером как работа, затраченная на образование новой поверхности. Она характеризует свойство пищевых продуктов препятствовать внедрению в него какого-либо тела, не получающего остаточных деформаций. Твердость определяется вдавливанием шарика или конуса, в результате чего образуется лунка; чем тверже продукт, тем меньше размер лунки. Кроме того, твердость определяют по глубине вхождения в испытуемый объект иглы, нагруженной в течение определенного времени грузом известной массы.

Для таких продуктов, как  плоды, твердость является одним  из показателей, по которому судят об их зрелости.

Упругость - способность твердых пищевых продуктов сопротивляться изменению их объема и формы под воздействием внешнего напряжения. При снятии приложенной силы с деформируемого продукта восстанавливаются его прежний объем и форма. Обратимая деформация может быть упругой и эластичной. При упругой деформации происходит моментальное восстановление объема и формы. При эластичной деформации объем и форма восстанавливаются в течение некоторого времени, а само свойство называется эластичностью.

Упругость и эластичность продуктов учитываются при изготовлении тары, при установлении условий перевозки  и складирования, например, хлеба, кондитерских, мясных, рыбных и других изделий.

Свойство упругости и  эластичности применяют для характеристики качества продуктов. Так, эластичная, нормально  растяжимая клейковина пшеничной муки обусловливает ее высокие хлебопекарные  и макаронные свойства. Одним из показателей качества хлеба является эластичный мякиш, который при надавливании восстанавливает свою прежнюю форму. Упругость характеризует также качество некоторых кондитерских изделий, например мармелада. Эластичность — один из признаков свежести рыбы и мяса. 
Пластичность - это свойство твердых тел сохранять остаточную деформацию, которая получена под действием внешней силы, а также после прекращения ее действия.

Особенность сырья и полуфабрикатов изменять размер и форму при обработке  и сохранять их в дальнейшем используется при производстве некоторых продуктов, например, при формовке карамели, печенья, макаронных изделий. Пластичностью  должны обладать пищевые смеси, из которых  получают концентраты первых и вторых блюд, плодово-ягодных киселей, чайный полуфабрикат для прессованных чаев. 
В результате длительного внешнего напряжения упругая деформация может переходить в пластическую. Этот переход связан с релаксацией — падением напряжения внутри материала при постоянной начальной деформации. Изготовление некоторых пищевых продуктов основано на релаксации, например, из мйса, обладающего упругой деформацией, при измельчании получают фарш, а из него колбасу, которая имеует свойства пластического материала.

Релаксация наблюдается  при неправильной перевозке и  хранении хлеба, плодов, овощей, сыров  и других продуктов.

Пластическая деформация часто возрастает с увеличением температуры продукта. Свойство постепенного нарастания пластической деформации, особенно нагретого продукта, без увеличения нагрузки именуется ползучестью. Явление ползучести характерно для сыров, мороженого, коровьего масла, некоторых кондитерских изделий (желейного мармелада, повидла и др.). 
Упругие и пластические свойства определяют на разных приборах. На фаринографе, альвеографе, амило- графе испытывают упругие и пластические свойства теста из пшеничной муки для выявления ее хлебопекарных свойств.

Вязкость - свойство жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной ее части относительно другой под действием внешней силы. Она обусловлена межмолекулярным взаимодействием, которое ограничивает подвижность молекул. Вязкость - один из важных показателей состояния таких пищевых продуктов, как сиропы, мед, майонез, растительное масло, соки, спиртные напитки. Состояние некоторых коллоидных растворов, отнесенных к пластическим телам, и суспензий также характеризуется вязкостью. Густая сметана и сливки, незатвердевшее мороженое обладают высокой вязкостью и не текут, но меняют свою форму. 
Вязкость не только свидетельствует о качестве готового продукта, но и играет большую роль как технический показатель, от которого зависит успешное проведение многих технологических процессов — фильтрации, осаждения, перемешивания, перекачивания и др. Вязкость тесно связана со структурой вещества и быстро отражает те изменения, которые происходят во время процесса переработки сырья, а потому этот показатель часто применяют для определения готовности и качества продукта. 
Для определения вязкости используют вискозиметры, пластомеры. 
Вязкость уменьшается с увеличением температуры и возрастает с увеличением концентрации растворов, содержания фазы в коллоидных растворах и других факторов.

Для характеристики механических свойств пищевых продуктов применяют термин «консистенция», не имеющий строгого физического смысла, размерности и числового выражения. В понятие «консистенция» входят вязкость, липкость, эластичность и другие свойства, которые обнаруживаются при осязании и разжевывании пищевого продукта. 
Липкость, или адгезия, характеризует поверхностные свойства продукта и тесно связана с пластичностью, вязкостью и другими структурно-механическими свойствами. Липкостью обладает, например, мясной фарш, тесто, сливочное масло, сыр, некоторые кондитерские изделия. 
Липкость обусловлена молекулярными связями продукта с твердой поверхностью. Определяют липкость с помощью приборов постепенного и мгновенного отрыва пластин из какого-либо металла или фторопласта от исследуемого образца продукта; она зависит от длительности предварительного контакта слоя продукта, скорости отрыва, материала пластин и т. д. 
Излишняя липкость может усложнить технологический процесс. Так, излишняя липкость нежелательна при разрезании и разжевывании. Это свойство продуктов принимается в расчет при выборе упаковочного материала и условий хранения.

Для исследования структурно-механических свойств, кроме указанных приборов, применяют консистометры и пенетрометры, с помощью которых определяют степень мягкости полужидких тел.

В настоящее время для  исследования структурно-механических свойств используют универсальные приборы, позволяющие определить сразу несколько показателей.

3.Ионообменная хроматография , практическое применение в пищевой промышленности

В основе ионообменной хроматографии лежит обратимый стехиометрический обмен ионов, содержащихся в хроматографируемом растворе, на ионы веществ, называемых ионитами или ионобменниками. Иониты могут быть органические и неорганические, природные и синтетические. По знаку обменивающихся ионов различают катиониты (для обмена катионов) и аниониты (для обмена анионов).

К природным ионитам относятся  алюмосиликаты, некоторые сорта  каменных углей, мягкие и твердые  угли даже без предварительной обработки.

В аналитической практике широко используют синтетические иониты. Синтетические ионообменники представляют собой высокомолекулярные соединения, нерастворимые в воде, кислотах, щелочах и во многих органических растворителях, имеющие в своем  составе различные функциональные (ионогенные) группы, которые и определяют наиболее характерные свойства ионитов.

Органические катиониты  содержат кислотные функциональные группы: - SO3– , - PO3– , - COO– , - OH – . Органические аниониты содержат группы основного  характера: - NH2+ , = NH+, N+, - N(CH3)3+. Катиониты  представляют собой полиэлектролиты, диссоциирующие с образованием высокомолекулярного аниона (например, RSO3) и подвижного катиона (например, Н+- иона), легко обменивающегося на другие катионы. Аниониты диссоциируют на высокомолекулярный катион (например, RNH+) и подвижный анион (например, ОН– ), способный обмениваться на другие анионы (R - высокомолеку-лярный углеводородный радикал ионообменной смолы).

Реакции ионного обмена можно  представить схематично сле-дующим образом:

RSO3H + NaCl RSO3Na + HCl

( катионный обмен )

RN(CH3)3OH + NaCl RN(CH3)3Cl + NaOH

( анионный обмен ).

Реакции ионного обмена обратимы и в первом приближении подчиняются закону действующих масс.

Важной характеристикой  ионита является его обменная емкость.

Обменная емкость - количественная мера способности ионита поглощать  противоионы. Численно обменную емкость выражают количеством поглощенных миллимоль эквивалентов ионов на 1г сухой смолы в Н+-форме для катионита и Сl - - форме для анионита.