Изучение красителей находящихся в газированной воде

Уменьшение поверхностного натяжения и, следовательно, поверхностной  энергии происходит в результате адсорбции ПАВ на поверхности  раздела жидкость – пар, т.е. того, что концентрация поверхностно-активного  вещества в поверхностном слое раствора оказывается больше, чем в глубине раствора.

Количественной мерой  адсорбции на границе раствор-пар  является поверхностный избыток Г (гамма), равный числу молей растворенного вещества в поверхностном слое. Количественное соотношение между адсорбцией (поверхностным избытком) растворенного вещества и изменением поверхностного натяжения раствора с ростом концентрации раствора определяет изотерма адсорбции Гиббса:

                        (2.2.1)

График изотермы адсорбции  ПАВ представлен на рис. 2.2.1 Из уравнения (2.2.1) следует, что направление процесса – концентрирование вещества в поверхностном слое или, наоборот, нахождение его в объеме жидкой фазы – определяется знаком производной dσ/dС. Отрицательная величина данной производной соответствует накоплению вещества в поверхностном слое (Г > 0), положительная – меньшей концентрации вещества в поверхностном слое по сравнению с его концентрацией в объеме раствора.

Величину g = –dσ/dС называют также поверхностной активностью растворенного вещества. Поверхностную активность ПАВ при некоторой концентрации С₁ определяют графически, проводя касательную к изотерме поверхностного натяжения в точке С = С₁; при этом поверхностная активность численно равна тангенсу угла наклона касательной к оси концентраций:

                      (2.2.2)

Нетрудно заметить, что  с ростом концентрации поверхностная  активность ПАВ уменьшается. Поэтому  поверхностную активность вещества обычно определяют при бесконечно малой  концентрации раствора; в этом случае её величина, обозначаемая  g_о, зависит только от природы ПАВ и растворителя. Исследуя поверхностное натяжение водных растворов органических веществ, Траубе и Дюкло установили для гомологических рядов поверхностно-активных веществ следующее эмпирическое правило:

В любом гомологическом ряду при малых концентрациях удлинение углеродной цепи на одну группу СН₂ увеличивает поверхностную активность в 3 – 3.5 раза.

Для водных растворов  жирных кислот зависимость поверхностного натяжения от концентрации описывается  эмпирическим уравнением Шишковского:

                           (2.2.3)

Здесь b и K – эмпирические постоянные, причём значение b одинаково для  всего гомологического ряда, а  величина К увеличивается для  каждого последующего члена ряда в 3 – 3,5 раза.                   

    

Рис. 2.2.3  Предельная  ориентация молекул ПАВ в поверхностном слое 
 

Молекулы большинства  ПАВ обладают дифильным строением, т.е. содержат как полярную группу, так  и неполярный углеводородный радикал. Расположение таких молекул в  поверхностном слое энергетически  наиболее выгодно при условии ориентации молекул полярной группой к полярной фазе (полярной жидкости), а неполярной – к неполярной фазе (газу или неполярной жидкости). При малой концентрации раствора тепловое движение нарушает ориентацию молекул ПАВ; при повышении концентрации происходит насыщение адсорбционного слоя и на поверхности раздела фаз образуется слой "вертикально" ориентированных молекул ПАВ (рис. 2.2.3). Образование такого мономолекулярного слоя соответствует минимальной величине поверхностного натяжения раствора ПАВ и максимальному значению адсорбции Г (рис. 2.2.1-2.2.2); при дальнейшем увеличении концентрации ПАВ в растворе поверхностное натяжение и адсорбция не изменяются.

 

2. 3.  Адсорбция  на границе твердое тело –  газ

 

При адсорбции газов  на твердых телах описание взаимодействия молекул адсорбата и адсорбента представляет собой весьма сложную задачу, поскольку характер их взаимодействия, определяющий характер адсорбции, может быть различным. Поэтому обычно задачу упрощают, рассматривая два крайних случая, когда адсорбция вызывается физическими или химическими силами – соответственно физическую и химическую адсорбцию.

Физическая адсорбция возникает за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Она характеризуется обратимостью и уменьшением адсорбции при повышении температуры, т.е. экзотермичностью, причем тепловой эффект физической адсорбции обычно близок к теплоте сжижения адсорбата (10 – 80 кДж/моль). Таковой является, например, адсорбция инертных газов на угле.

Химическая адсорбция (хемосорбция) осуществляется путем химического взаимодействия молекул адсорбента и адсорбата. Хемосорбция обычно необратима; химическая адсорбция, в отличие от физической, является локализованной, т.е. молекулы адсорбата не могут перемещаться по поверхности адсорбента. Так как хемосорбция является химическим процессом, требующим энергии активации порядка 40 – 120 кДж/моль, повышение температуры способствует её протеканию. Примером химической адсорбции является адсорбция кислорода на вольфраме или серебре при высоких температурах.

Следует подчеркнуть, что явления физической и химической адсорбции чётко различаются в очень редких случаях. Обычно осуществляются промежуточные варианты, когда основная масса адсорбированного вещества связывается сравнительно слабо и лишь небольшая часть – прочно. Например, кислород на металлах или водород на никеле при низких температурах адсорбируются по законам физической адсорбции, но при повышении температуры начинает протекать химическая адсорбция. При повышении температуры увеличение химической адсорбции с некоторой температуры начинает перекрывать падение физической адсорбции, поэтому температурная зависимость адсорбции в этом случае имеет четко выраженный минимум (рис. 2.3.1). 
 

  

Рис. 2.3.1  Зависимость объема адсорбированного никелем водорода от температуры. 
 

При постоянной температуре  количество адсорбированного вещества зависит только от равновесных давления либо концентрации адсорбата; уравнение, связывающее эти величины, называется изотермой адсорбции.

 

2. 4.  Адсорбция на границе твердое тело – раствор

2. 4. 1. Молекулярная адсорбция  из растворов

Изотермы адсорбции растворенных веществ из раствора по своему виду аналогичны изотермам адсорбции  для газов; для разбавленных растворов  эти изотермы хорошо описываются  уравнениями Фрейндлиха или Ленгмюра, если в них подставить равновесную концентрацию растворенного вещества в растворе. Однако адсорбция из растворов является значительно более сложным явлением по сравнению с газовой, поскольку одновременно с адсорбцией растворенного вещества часто происходит и адсорбция растворителя.  

  

Рис. 2.4.1  Ориентация молекул ПАВ на поверхности адсорбента 
 

Зависимость адсорбции от строения молекул адсорбата очень сложна, и вывести какие-либо закономерности довольно трудно. Молекулы многих органических веществ состоят из полярной (гидрофильной) и неполярной (гидрофобной) группировок, т.е. являются поверхностно-активными веществами. Молекулы ПАВ при адсорбции на твердом адсорбенте ориентируются на его поверхности таким образом, чтобы полярная часть молекулы была обращена к полярной фазе, а неполярная – к неполярной. Так, при адсорбции алифатических карбоновых кислот из водных растворов на неполярном адсорбенте – активированном угле – молекулы ориентируются углеводородными радикалами к адсорбенту; при адсорбции из бензола (неполярный растворитель) на полярном адсорбенте – силикагеле –  ориентация молекул кислоты будет обратной (рис. 2.4.1).

2. 4. 2. Адсорбция из  растворов электролитов

Адсорбция из водных растворов  электролитов происходит, как правило, таким образом, что на твердом адсорбента из раствора адсорбируются преимущественно ионы одного вида. Преимущественная адсорбция из раствора или аниона, или катиона определяется природой адсорбента и ионов. Механизм адсорбции ионов из растворов электролитов может быть различным; выделяют обменную и специфическую адсорбцию ионов. 

Обменная адсорбция представляет собой процесс обмена ионов между раствором и твердой фазой, при котором твердая фаза поглощает из раствора ионы какого-либо знака (катионы либо анионы) и вместо них выделяет в раствор эквивалентное число других ионов того же знака. Обменная адсорбция всегда специфична, т.е. для данного адсорбента к обмену способны только определенные ионы; обменная адсорбция обычно необратима.

При специфической адсорбции адсорбция на поверхности твердой фазы ионов какого-либо вида не сопровождается выделением в раствор эквивалентного числа других ионов того же знака; твердая фаза при этом приобретает электрический заряд. Это приводит к тому, что вблизи поверхности под действием сил электростатического притяжения группируется эквивалентное число ионов с противоположным зарядом, т.е. образуется двойной электрический слой. Взаимодействие концентрирующихся на поверхности зарядов приводит к понижению поверхностной энергии системы. Для случая специфической адсорбции электролита Песковым и Фаянсом было сформулировано следующее эмпирическое правило (правило Пескова – Фаянса):

На поверхности кристаллического твердого тела из раствора электролита  специфически адсорбируется ион, который  способен достраивать его кристаллическую решетку или может образовывать с одним из ионов, входящим в состав кристалла, малорастворимое соединение.

 

II.Пищевые красители

Пищевой краситель (food colour) — это пищевая добавка, предназначенная для придания, усиления или восстановления окраски пищевых продуктов.

Красители подразделяют на натуральные и синтетические. Натуральные красители выделяют физическими способами из растительных и животных источников. Иногда их подвергают химической модификации для улучшения  технологических и потребительских свойств. Ряд красителей получают не только их выделением из природного сырья, но и синтетически. Например, β-каротин, выделенный из моркови, по своему химическому строению соответствует β-каротину, полученному микробиологическим или химическим путём. При этом натуральный β-каротин существенно дороже и поэтому редко используется в пищевой промышленности как краситель.

Сырьём для натуральных  пищевых красителей могут быть ягоды, цветы, листья, корнеплоды и т.п., в  том числе в виде отходов переработки растительного сырья на консервных и винодельческих заводах. Содержание красящих веществ в растительном сырье зависит от климатических условий произрастания и времени сбора, но в любом случае оно относительно невелико (обычно несколько процентов или доли процента). Количество других химических соединений – сахаристых, пектиновых, белковых веществ, органических кислот, минеральных солей и т.д. – может превышать содержание красящих в несколько раз.

Синтетические пищевые  красители – это органические соединения, не встречающиеся в природе, то есть искусственные. С химической точки зрения их можно разделить на азокрасители, триарилметановые, ксантановые, хинолиновые, индигоидные. Все они применяются обычно в форме натриевых солей. Прекрасная растворимость в воде позволяет вносить их в продукт в виде водных растворов или растворов в жидких компонентах продукта. Если необходим нерастворимый краситель, например, для окрашивания драже, используют пигменты или алюминиевые лаки, которые получают взаимодействием натриевых солей соответствующих красителей с гидроксидом алюминия. Синтетические пищевые красители обычно дешевле натуральных, менее чувствительны к условиям технологической переработки и хранения, дают более яркие и легче воспроизводимые цвета.

Красители, разрешённые к применению при производстве пищевых продуктов в РФ.

Натуральные:

Е100 куркумин, E101(i) рибофлавин, E101(ii) натриевая соль, Е120 кармины, Е140 хлорофилл, E141(i) хлорофилла комплекс медный, E141(ii) медного комплекса хлорофиллина натриевая и калиевая соли, Е150а сахарный колер I простой, E150b сахарный колер II, полученный по "щелочно-сульфитной" технологии, Е150с сахарный колер III, полученный по "аммиачной" технологии, E150d сахарный колер IV, полученный по "аммиачно-сульфитной" технологии, Е152 уголь, Е153 растительный уголь, Е160а каротины, Е160Ь экстракты аннато, Е160с масло-смолы паприки, E160d ликопин, Е160е бета-апокаротиновый альдегид, E160f метиловый или этиловый эфиры, Е161а флавоксантин, E161b лютеин, Е161с криптоксантин, Е161 d рубиксантин, Е161 е виолоксантин, Е1 б 1 f родоксантин, E161g кантаксантин, Е162 красный свекольный, Е163 антоцианы, красный рисовый, Е182 орсейл, орсин.

Синтетические:

Е102 тартразин, Е104 желтый хинолиновый, Е107 жёлтый 2G, Е110 желтый "солнечный  закат", Е122 азорубин, кармуазин, Е124 понсо 4R, пунцовый 4 R, Е128 красный 2G, Е129 красный очаровательный AC, Е131 синий патентованный V, Е132 индигокармин, Е133 синий блестящий FCF, Е142 зеленый S, Е143 зелёный прочный FCF, Е151 черный блестящий BN, Е155 коричневый НТ, красный для карамели № 1, красный для карамели № 2, красный для карамели № 3, ультрамарин.

Пигменты:

Е170 углекислые соли кальция, Е171 диоксид титана, Е172 окиси железа, Е174 серебро, Е175 золото.

Красители, не имеющие разрешения к применению при производстве пищевых продуктов в РФ.

Е127 эритрозин, Е154 коричневый FK, Е173 алюминий, картамус, кроцин, кроцетин, зеаксантин, санталин, цитранаксантин.

Красители, запрещённые  к применению при производстве пищевых  продуктов в РФ.

Е123 амарант, Е121 цитрусовый красный 2.

 

 

 

III.Практическая часть

Методика

1. Извлечение синтетических красителей методом твердофазной экстракции

В стакане вместимостью 50 см взвешивают на лабораторных весах с пределом допускаемой абсолютной погрешности однократного взвешивания ±100 мг 25 г анализируемой продукции с погрешностью не более 0,1 г. Затем пипеткой в стакан добавляют 1 см³ ледяной уксусной кислоты .Стакан помещают на водяную баню, предварительно нагретую до температуры 80 °С - 90 °С, и выдерживают в течение 5-6 мин.

2. Подготовка колонки для твердофазной экстракции

Медицинским шприцем  набирают 10-20 см³ дистиллированной воды, соединяют шприц с колонкой для твердофазной экстракции, заполненным сорбентом (оксидом алюминия). Патрон промывают со скоростью от 10 до 20 капель дистиллированной воды в минуту. Объем пропускаемой через колонку дистиллированной воды должен быть не менее 30 см³. После этого колонку промывают один раз 25 см³ раствора ледяной уксусной кислоты массовой концентрацией 10 г/дм³. Затем колонку отсоединяют от шприца.