NOWOCZESNE METODY ANALIZY ŻYWNOŚCI
Ćwiczenie:
Data 07-08.12.2013
Metody wykrywania zafałszowań produktów spożywczych z wykorzystaniem techniki różnicowej
kalorymetrii skaningowej DSC. Wyznaczanie właściwości cieplnych żywności (ciepło właściwe,
temperatura topnienia, temperatura krzepnięcia, itp).
Prowadzący ćwiczenia : mgr inż. Katarzyna Żontała, dr inż. Andrzej Półtorak
ANALIZA TERMICZNA ŻYWNOŚCI
Analiza termiczna obejmuje grupę technik analitycznych, za pomocą których właściwości
fizyczne badanych substancji mierzone są w funkcji temperatury, podczas gdy badana próbka
substancji (np. żywność) poddawana jest działaniu kontrolowanej, zaprogramowanej temperatury.
Szeroki zakres pomiarowy umożliwia przeprowadzanie badań, od badania stabilności żywności w
niskich temperaturach, przez zachowanie podczas obróbki niskotemperaturowej (np. podczas
chłodzenia, zamrażania) do obróbki w wysokich temperaturach (np. podczas ekstruzji, suszenia
rozpyłowego, smażenia).
Obróbka termiczna żywności polegająca na doprowadzeniu energii cieplnej do produktów
spożywczych wpływa na poprawę ich właściwości sensorycznych, natomiast odbieranie energii
cieplnej przedłuża jej trwałość. Pod wpływem zmiany energii wewnętrznej (dostarczanie i odbieranie
ciepła) zachodzą reakcje chemiczne, takie jak:
oraz zmiany fizyczne, takie jak:
Zmiany właściwości fizycznych i chemicznych wywierają znaczący wpływ na ogólne
właściwości produktu finalnego, np. na smak, zapach, wygląd, teksturę czy trwałość.
Wraz z postępem technicznym pojawiły się metody zajmujące się badaniem wpływu wymiany
ciepła na właściwości fizykochemiczne substancji. Są one nazywane metodami analizy termicznej.
Dzięki nim można dokładnie zbadać zachowanie produktów w czasie podwyższania i obniżania
temperatury oraz wyznaczyć temperatury, w których zachodzą przemiany decydujące o
właściwościach końcowych produktu.
W tabeli 1 przedstawiono najczęściej stosowane techniki analizy termicznej stosowane w
badaniu żywności i poszczególnych składników żywności.
Tab. 1. Główne techniki wykorzystywane w badaniu właściwości termicznych żywności.
Przedmiot badania
Stosowane techniki
Skrobia
DSC, DMA, TGA, DTG
Sacharydy
DSC, DVS
Tłuszcze i utlenianie lipidów
DSC
Białka
DSC, DMA, DSM
Hydrokoloidy
DSC
Wzrost mikroorganizmów
DSM
Termodynamika i szybkość reakcji
DSC, DSM, DSN, ITC
DSC – różnicowa kalorymetria skaningowa, DMA – dynamiczna analiza mechaniczna, TGA – analiza
termograwimetryczna, DTG – różnicowa analiza termograwimetryczna, DVS – dynamiczna sorpcja
pary, DSM – różnicowa mikrokalorymetria skaningowa, DSN – różnicowa nanokalorymetria
skaningowa, ITC – izotermiczna kalorymetria miareczkowa
ANALIZA TERMOGRAWIMETRYCZNA
Analiza termograwimetryczna (ang. thermogravimetric analysis, TGA) jest techniką
badawczą, w której zmiany masy próbki mierzone są w funkcji czasu lub temperatury próbki.
Metoda ta umożliwia analizę zmian masy próbki w różnych warunkach temperaturowych, tj.
polegających na:
dynamiczny),
.
Przyczyną większości ubytków masy próbki jest parowanie wody lub rozkład próbki, natomiast
przyrosty masy obserwowane są we wczesnych stadiach utleniania.
TGA umożliwia uzyskanie informacji na temat składu (liczby składników) materiału
badawczego, jego stabilności termicznej lub oksydacyjnej (rozkład w atmosferze gazu
obojętnego i gazu utleniającego).
Aparatura stosowana w analizie termograwimetrycznej wyposażona jest w specjalnie
zaprojektowany i niezwykle czuły układ wagowy, który mierzy zmiany masy próbki podczas
podgrzewania jej. Termopara zlokalizowana jest w pobliżu próbki w celu ciągłego rejestrowania
temperatury w trakcie zmian masy zachodzących podczas analizy. Do komory, w której znajduje się
badana próbka, jest zwykle podłączone źródło gazu: obojętnego (np. azot, argon, hel) lub gazu
reagującego z próbką (np. powietrze lub tlen - w celu analizy stabilności oksydacyjnej materiału
badanego).
Rezultat analizy termograwimetrycznej przedstawiany jest w formie krzywej, w której masa
lub procent masy próbki wykreślony jest w zależności od temperatury i/lub czasu. Alternatywną i
uzupełniającą formą prezentacji danych może być także wykres pierwszej pochodnej krzywej TGA w
stosunku do temperatury lub czasu procesu. Pochodna krzywej TGA demonstruje szybkość zmian
masy próbki i znana jest jako krzywa różnicowa termograwimetryczna, (krzywa DTG). Przykładowe
krzywe TGA i DTG dla mieszanki olejów jadalnych przedstawiono na rys. 1.
Rys. 1. Krzywe TGA i DTG dla różnych mieszanek olejów jadalnych w atmosferze syntetycznego
powietrza.
Metoda termograwimetryczna jest przydatna m.in. w badaniu uwalniania wody hydratacyjnej
poprzez wskazywanie zjawiska endotermicznego, któremu towarzyszy utrata masy oraz w badaniu
stabilności oksydacyjnej tłuszczów w warunkach podwyższonej temperatury.
RÓŻNICOWA KALORYMETRIA SKANINGOWA
Różnicowa kalorymetria skaningowa (ang. differential scanning calorimetry, DSC) jest to
metoda polegająca na pomiarze zmian różnic szybkości przepływu ciepła między materiałem
badanym i próbą referencyjną, poddawanych takim samym zmianom temperatury. Zasada metody
polega na pomiarze ilości energii pochłoniętej lub wyemitowanej podczas ogrzewania próbki,
chłodzenia lub utrzymywania jej w stałej, zaprogramowanej temperaturze.
Technika DSC jest szeroko wykorzystywana w farmacji, inżynierii materiałowej oraz badaniu
jakości i czystości materiałów. Za pomocą DSC można badać metale, woski, mydła, tłuszcze i smary.
Różnicowa kalorymetria skaningowa pozwala na badanie, między innymi, wytrzymałości powyższych
materiałów na trudne warunki środowiska oraz na określanie ich tolerancji na ekstrema
temperaturowe. Metoda DSC jest także bardzo często stosowana do badania właściwości fizycznych
żywności, które wynikają z właściwości termicznych. Różnicową kalorymetrię skaningową w badaniu
żywności najczęściej stosuje się do:
- badania kleikowania i retrogradacji skrobi,
- analizy denaturacji białek mięsa,
- badania rozpadu tłuszczów jadalnych pod wpływem reakcji utleniania,
- badania wpływu zamrażania i suszenia produktów na ich właściwości,
- wyznaczania wskaźnika fazy stałej tłuszczu,
- wykrywania zafałszowań żywności.
DSC jest metodą szybszą niż klasyczne metody identyfikacji zafałszowań żywności, ponadto
nie wymaga specjalnego przygotowania próbki lub wykorzystania rozpuszczalników. DSC jest
techniką, za pomocą której można badać zarówno próbki w formie płynnej, jak i substancje stałe, co
szczególnie przemawia za wykorzystaniem jej w analizie żywności.
Ogólny schemat aparatu do różnicowej kalorymetrii skaningowej przedstawiono na rysunku 2.
Podstawowym składnikiem aparatu jest piec, którego temperatura jest kontrolowana przez sterownik
temperatury. W piecu ogrzewane bądź oziębiane są próbka badana i wzorzec. W skład aparatury
wchodzą także przetwornik, wzmacniacz sygnału i system komputerowy służący do programowania
analiz, przechowywania i analizy danych. Aparat dobrej jakości powinien zapewniać najwyższą
czułość (zdolność do wykrywania słabych sygnałów przemian), rozdzielczość (zdolność do
rozróżniania przemian termicznych zachodzących w zbliżonych temperaturach), dokładność i precyzję
pomiarów.
Rys. 2. Ogólny schemat aparatu do różnicowej kalorymetrii skaningowej (Źródło: Boye, 2004).
Analiza i interpretacja danych pozyskanych w wyniku analizy DSC
W wyniku przeprowadzonej analizy za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej uzyskuje
się wykres zwany termogramem. Termogram jest to wykres zależności przepływu ciepła od czasu lub
temperatury. Z termogramu
możliwy jest odczyt kilku parametrów przydatnych do
scharakteryzowania zachowania termicznego badanej próbki. Parametry widoczne na termogramie to
temperatura rozpoczęcia się przemiany (ang. onset temperature, Ton), maksymalna temperatura
przemiany (Tm, Tp, Tmax lub Td), entalpia przemiany (ΔH), szerokość piku w połowie wysokości
piku (Tw lub T1/2) oraz pojemność cieplna (Cp). Na rysunku 4 przedstawiono schemat typowego
termogramu uzyskanego za pomocą analizy DSC wraz z oznaczonymi parametrami. Na podstawie
tych danych możliwe jest wyznaczenie temperatury denaturacji, temperatury przemiany szklistej,
temperatury galaretowacenia, podatności na rozkład, procentowej denaturacji i czystości materiału (w
procentach)
Czynnikiem, od którego w głównej mierze zależy czytelność uzyskanych krzywych jest
przebieg linii bazowej (ang. baseline lub zeroline). W warunkach idealnych linia bazowa jest prosta.
Wykrywanie subtelnych przemian termicznych, które bardzo często zachodzą w żywności, jest o wiele
Wzmacniacz
sygnału
Komputer/drukarka:
- kontrola temperatury
- analiza i przechowywanie
danych
Przetwornik
Jednostka
chłodząca
Piec
Dane wyjściowe
Próbka badana
i wzorzec
trudniejsze, gdy znajdują się na zakrzywionej linii bazowej. Zakrzywienia powstają na skutek
parowania próbki, różnic w powierzchni styku, które zachodzą podczas procesów termicznych (np.
wrzenie, kurczenie się próbki za skutek zamarzania czy wysuszania) między próbką i tyglami DSC.
a) Temperatura początku przemiany (ang. onset temperature, Ton)
Temperatura początku przemiany termicznej jest obliczana jako temperatura, w której styczna
do nachylenia linii bazowej wykresu termogramu (na rysunku 3 oznaczona jako nachylenie a) przecina
styczną do krzywej prowadzącej do środka piku przemiany (b na rysunku 3). Temperatura ta opisuje
początek przemiany stanu skupienia materiału badanego.
b) Temperatura w maksimum piku (Tm, Tp, Tmax lub Td)
Temperatura przemiany wskazywana przez maksimum piku (Tm, Tp, Tmax lub Td) stanowi
maksymalną wartość temperatury danej przemiany. Teoretycznie, temperatura ta wyznacza koniec
przemiany. Posługując się tym parametrem możliwe jest oszacowanie ilościowej zawartości danego
składnika w mieszance lub roztworze badanym, składającym się z dwóch i więcej substancji.
Rys. 3. Schemat typowego termogramu DSC (Źródło: Boye, 2004).
c) Entalpia przemiany (ΔH)
Zmiana entalpii przemiany termicznej definiowana jest jako całkowita ilość energii niezbędna do
zajścia przemiany termicznej i obliczana jest na podstawie równania Van’t Hoffa:
ΔH = 4 RTD2 (ΔCp / Qd)
gdzie R to stała gazowa, TD to środkowa wartość temperatury przemiany, ΔCp to pojemność cieplna a
Qd to entalpia całkowita.
Wartość entalpii wyrażana jest w kaloriach lub dżulach na gram próbki (w układzie SI),
można ją także obliczyć jako pole powierzchni pod krzywą przepływu ciepła DSC.
d) Szerokość piku w połowie jego wysokości (Tw lub T1/2)
Wartość szerokości piku DSC w połowie jego wysokości stosowana jest do szacowania
podatności materiału na przemianę cieplną. Niska wartość Tw wskazuje na materiał o bardzo wysokiej
podatności na przemianę. Szerokość piku może być także stosowana do wyznaczania czystości próbki.
Wyższa wartość Tw w stosunku do wartości Tw materiału czystego wskazuje na jej zanieczyszczenie
(Boye, 2004).
Zastosowanie różnicowej kalorymetrii skaningowej w badaniu właściwości fizycznych żywności
Różnicowa kalorymetria skaningowa jest jedną z technik analizy termicznej, która znalazła
wiele użytecznych zastosowań w analizie żywności. Z pomocą tej metody bada się właściwości
fizyczne i chemiczne głównie tłuszczów, węglowodanów i białek. Technika ta zapewnia efektywne
narzędzie monitorowania zarówno termodynamicznych, jak i kinetycznych właściwości tych
składników żywności wbudowanych w zróżnicowane macierze produktów. Różnicowa kalorymetria
skaningowa może być także stosowana do wykrywania zafałszowań żywności.
Większość produktów i półproduktów żywnościowych poddawanych jest zabiegom
termicznym podczas zbiorów, obróbki i przygotowywania do spożycia (np. obróbka parą, pieczenie,
pasteryzacja, sterylizacja, chłodzenie i mrożenie). Te procesy często prowadzą do zmian w
funkcjonalnych i fizykochemicznych właściwościach żywności, które mogą mieć znaczący wpływ na
jakość końcowego produktu. Różnicowa kalorymetria skaningowa, dzięki elastyczności w
wykonywaniu i planowaniu pomiarów, może być wykorzystywana do symulowania wielu warunków
obróbki cieplnej wpisanych w produkcję i przygotowywanie żywności. Dane uzyskiwane z tego
rodzaju badań mogą dostarczyć przydatnych informacji na temat łącznego wpływu różnych warunków
obróbki na specyficzne zmiany wynikające z danych procesów. Analiza DSC może być stosowana
zarówno do próbek stałych, jak i płynnych, co czyni ją praktyczną w zastosowaniu w badaniu
żywności.
Przemiany cieplne zachodzące w układach żywnościowych, które mogą być mierzone za
pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej, dotyczą głównie topnienia, denaturacji,
galaretowacenia, parowania (zjawiska endotermiczne – pochłaniające ciepło) oraz zamarzania,
krystalizacji i utleniania (zjawiska egzotermiczne – emitujące ciepło). Pomiary za pomocą aparatury
DSC mogą być zarówno jakościowe (np. identyfikacja i charakterystyka substancji na podstawie jej
termicznego „odcisku palca”, ang. thermal fingerprint), jak i ilościowe (np. ciepło przemiany, stopień
ogólnej reakcji, parametry termokinetyczne).