Základy analýzy potravin
Přednáška 10
MINERÁLNÍ LÁTKY Definice: složky potraviny, které zbývají po úplné oxidaci organické matrice vzorku (složky popela potraviny). Klasifikace podle množství:
příklady
podle významu:
příklady
• majoritní prvky (tisíce mg/kg)
K, P, Ca, Mg, • esenciální Cl
• minoritní (desítky-stovky mg/kg) • stopové (desítky mg/kg a méně)
Na, (Al, Fe, • toxické Mn) Fe, Zn, Cu, • neesenciální (Al, Sn) Mn, Ni, Co, I, Se, Mo, As
Na, K, Cl, P, Ca, Mg, Fe, Zn, Cu, Mn, Se, I... As, Cd, Pb, Hg
Důvody pro stanovení minerálních látek v potravinách • kontrola složení výrobku • přirozený obsah esenciálních prvků • fortifikace sloučeninami Ca, Fe... • hygienická jakost (obsah toxických prvků) • technologická jakost Stanovení popela obsah popela je hrubý ukazatel množství minerálních složek ve vzorku • vážkové stanovení popela: navážka vzorku v porcelánové misce (kelímku) se po vysušení zuhelní a zpopelní v elektrické peci (550-600°C, 1-4 h), popel se zváží • stanovení nerozpustného popela (písku): popel se vyluhuje 3M HCl, nerozpustné látky se odfiltrují, vysuší a zváží 1
Základy analýzy potravin
Přednáška 10
OBECNÉ SCHEMA ANALYTICKÉHO POSTUPU PŘI STANOVENÍ MINERÁLNĆH PRVKŮ PŘÍPRAVA VZORKU K ANALÝZE, PŘÍPRAVA SLEPÝCH VZORKŮ
(SEPARACE A ZAKONCENTROVÁNÍ ANALYTU)
MĚŘENÍ KONCENTRACE PRVKU VE VZORKU A SLEPÝCH VZORCÍCH
VÝPOČTY (výpočet meze detekce, výpočet obsahu prvku ve vzorku)
2
Základy analýzy potravin
Přednáška 10
PŘÍPRAVA VZORKU K ANALÝZE většinou spočívá v převedení vzorku do vodného roztoku minerální kyseliny. Typ vzorku kapalné vzorky (mléko, nápoje ...) kapalné (oleje, tuky) tuhé potraviny
Způsob úpravy zředění roztokem HNO3, surfaktantů... extrakce zředěnou HCl nebo HNO3 za horka rozklad
Anal. koncovka AAS, ICP-AES AAS, ICP-AES AAS, ICP-AES, spektrofotometrie, voltametrie...
ROZKLAD VZORKU zajišťuje částečnou nebo úplnou destrukci organické matice vzorku a převedení analytu (analytů) do roztoku. Většinou se jedná o oxidační rozklad nebo o kombinaci hydrolýzy a oxidace vzorku. Metody rozkladu • na suché cestě • klasický suchý rozklad (zpopelnění) • moderní verze suchého rozkladu • na mokré cestě • v otevřených nádobách – za atmosferického tlaku • v uzavřených nádobách – za zvýšeného tlaku • kombinované postupy
3
Základy analýzy potravin
Přednáška 10
KLASICKÝ SUCHÝ ROZKLAD (ZPOPELNĚNÍ) • probíhá v otevřených nádobách (Pt, křemenné kelímky, kádinky z křemenného nebo borosilikátového skla) za atmosferického tlaku a za přístupu vzduchu (oxidační agens je vzdušný kyslík) → popel → výluh popela v HNO3 nebo HCl • navážka 1-25 g sušiny • pomocná činidla HNO3, Mg(NO3)2, K2SO4, H2SO4 • použitelnost: nevhodné pro stanovení Hg, P, Sn, (Se); při stanovení As a/nebo Se nutný přídavek Mg(NO3)2 Fáze procesu Teplota a čas Zařízení 1.sušení topná deska <110°C nebo 1-2 h program. pec topná deska 2.zuhelnění < 350°C nebo program. 8-20 h pec 3.spalování 450-500°C běžná nebo (zpopelnění) 12-20 h program. pec topná deska 4.loužení 20 -100°C nebo ultrazvuk. popela 0,5-1 h lázeň
Pozn. možnost přídavku pom. činidla* pomalý nárůst teploty po ukončení možnost přídavku pom. činidla** výsledná konc. kyseliny: 0,1-1M HNO3 nebo HCl
* zpravidla roztok Mg (NO3)2 nebo roztok K2SO4 nebo H2SO4 **nejčastěji se po skončení spalování přidává HNO3, odpaří se do sucha a krátce (1-4 hod.) se žíhá v peci při 450-500°C
Výhody zpopelnění vysoká účinnost rozkladu velké navážky vzorků rozklad většího počtu vzorků nízké náklady malá spotřeba reagencií malá bezpečnostní rizika
Nevýhody zpopelnění ztráty analytů → není univerzální kontaminace vzorků časová náročnost
4
Základy analýzy potravin
Přednáška 10
ROZKLAD NA MOKRÉ CESTĚ ZA ATMOSFERICKÉHO TLAKU = rozklad kyselinami v otevřeném nebo polouzavřeném systému (varná nádoba + zpětný chladič) • obecně více univerzální, než suchý rozklad, je však nevhodný pro stanovení halogenidů (F-, Cl-, Br -, I-) • doba rozkladu - několik hodin až několik desítek hodin • navážka 0,5-3 g sušiny (výjimečně 5g sušiny), menší navážky (0,2-1 g sušiny) při použití HClO4 v mineralizační směsi a zvýšení navážky- riziko exploze ! • důležitý faktor - vhodně zvolený teplotní režim (výtěžnost, bezpečnost práce) • pro stanovení Hg je nutná polouzavřená skleněná aparatura se zpětným chladičem a pojistnou trubicí s HNO3 Používaná činidla zředěná HCl
teploty pozn. 60-120°C pouze hydrolýza - solubilizace vzorku HCl+HNO3 (3+1) 60-120°C pro rozklad půdy HNO3+H2SO4 60-180°C nejběžnější směs, ztráty Se, (As), nerozpustné sírany Ca, Sr, Ba, Pb, přijatelné ztráty Hg HNO3 (+H2O2) 60-120°C malá účinnost rozkladu, ztráty Hg HNO3 +H2SO4 +H2O2 60-180°C nižší ztráty Se, As HNO3+H2SO4+HClO4 60-210°C vysoká účinnost rozkladu, vhodné pro stanovení Se, As, ztráty Pb, malé ztráty Hg, riziko exploze HNO3+HClO4 60-200°C beze ztrát Pb, ztráty Hg, větší riziko exploze Při použití směsi HNO3 s H2SO4 a/nebo HClO4 se po ukončení rozkladu obvykle ze směsi odpaří HNO3.
5
Základy analýzy potravin
Přednáška 10
ROZKLAD NA MOKRÉ CESTĚ ZA ZVÝŠENÉHO TLAKU • uzavřené reakční nádoby : • z teflonu (PTFE...) - teplotní limity 240-260°C, • z křemenného skla - max. používaná teplota cca 320°C • navážky 0,2-1g sušiny (velká navážka → exploze!) • činidla: většinou HNO3 nebo HNO3+ H2O2 • ohřev a) celé nádoby konvekcí, b) mikrovlnný ohřev • teplota se zvyšuje postupně nad t.v. HNO3 (122°C), max. teplota (většinou 180-240°, někdy až 300°C) a prodleva při ní ovlivňují účinnost rozkladu • bezpečnost: oxidací vzorku se uvolňují oxidy dusíku, CO2 a H2O → tlak v nádobce roste na desítky MPa, proto jsou reakční nádobky umístěny v masivních pouzdrech; nutnost tlakových pojistek (vypnutí mikrovlnného ohřevu, řízená expanze) • doba celého procesu (rozklad + chlazení) – obvykle desítky minut Výhody tlakového rozkladu minimální ztráty analytu minimální kontaminace vyřazení HClO4 z použití →vyšší bezpečnost práce, vyřazení H2SO4 → eliminace interferencí menší spotřeba kyselin rychlý rozklad (zvláště mikrovlnná zařízení)možnost automatizace
Nevýhody tlakového rozkladu dražší zařízení menší navážky nižší účinnost rozkladu při teplotách cca 200°C
6
Základy analýzy potravin
Přednáška 10
STANOVENÍ MINERÁLNÍCH LÁTEK TITRAČNÍMI A VÁŽKOVÝMI METODAMI Základní omezení: pouze stanovení majoritních prvků Stanovení hořčíku a vápníku komplexometrickou titrací při analýze vzorků potravin je nezbytné použít zpětnou titraci (přítomnost fosforečnanů způsobuje chyby při přímé titraci) 1) stanovení sumy Mg+Ca: alikvotní podíl výluhu popela + amoniakální pufr + přebytek odměrného roztoku chelatonu 3 + ErioT: ionty Mg2+ a Ca2+ jsou kvantitativně převedeny na cheláty MgY2a CaY2-, následuje zpětná titrace nadbytku chelatonu odměrným roztokem hořečnaté soli: Y4- + Mg2+ → MgY2- (barevný přechod modrá → vínová) 2) stanovení Ca: alikvotní podíl výluhu popela + KOH → pH 12 (vysrážení Mg2+ jako Mg(OH)2) + přebytek chelatonu 3 + fluorexon: ionty Ca2+ jsou kvantitativně převedeny na chelát CaY2-, následuje zpětná titrace nadbytku chelatonu odměrným roztokem vápenaté soli známého titru: Y4- + Ca2+ → CaY2- (růžové zbarvení → zelená fluorescence) Vážkové stanovení vápníku z výluhu popela v HCl se po zalkalizování amoniakem vylučuje přídavkem šťavelanu amonného sraženina CaC2O4.H2O. Sraženina se odfiltruje a promyje, odpařením se zředěnou H2SO4 do sucha se šťavelan převede na síran, po vyžíhání se váží jako CaSO4.
7
Základy analýzy potravin
Přednáška 10
Stanovení vápníku manganometrickou titrací Ca2+ + C2O42- → CaC2O4 CaC2O4 + 2 H2SO4 → H2C2O4 + Ca2+ + 2 HSO45 H2C2O4 +2 MnO4- + 6 H+ → 10 CO2 + 2 Mn2+ + 8 H2O Vážkové stanovení hořčíku z kyselého výluhu popela se po úpravě pH amoniakem vyloučí přídavkem fosforečnanu sodného nebo amonného sraženina NH4MgPO4.6H2O. Po odfiltrování a promytí se převede žíháním na Mg2P2O7, který se váží. Vážkové stanovení fosforu po mineralizaci vzorku na mokré cestě roztok obsahuje jako jedinou sloučeninu fosforu kyselinu trihydrogenfosforečnou. Fosforečnanové ionty se pak ze slabě amoniakálního prostředí srážejí hořečnatou solucí (roztok MgCl2+NH4Cl) jako NH4MgPO4.6H2O. Žíháním se sraženina převede na formu k vážení – difosforečnan hořečnatý Mg2P2O7. Argentometrické stanovení chloridů Příprava vzorku: zpopelnění, výluh popela v horké vodě • Mohrova metoda: přímá titrace Cl- odměrným roztokem AgNO3 na indikátor K2CrO4 : Cl- + Ag+ → AgCl (bílá sraženina ve žlutém roztoku → hnědočervená sraženina Ag2CrO4) • Volhardova metoda: přídavek přebytku AgNO3, zpětná titrace odměrným roztokem NH4SCN nebo KSCN na indikátor Fe2(SO4)3 (bílá suspenze → červené zbarvení) 8
Základy analýzy potravin
Přednáška 10
STANOVENÍ PRVKŮ ATOMOVOU ABSORPČNÍ SPEKTROMETRIÍ AAS umožňuje stanovit téměř všechny kovy, stanovení některých nekovů (B, Si) je možné jen s obtížemi Plamenová AAS (F AAS) slouží v analýze potravin hlavně ke stanovení esenciálních prvků s vyšším obsahem (Na, K, Mg, Ca, Fe, Mn, Zn, Cu) Plameny • C2H2 – vzduch: Na, K, Mg, (Ca), Fe, Zn, Mn, Cu... (Mg, Ca), Al, Sn, (Si, Mo, Cr, V...) • C2H2 – N2O: Vlastnosti F AAS • citlivost: vyjadřuje se nepřímo jako charakteristická koncentrace (c [mg/l] → A= 0,0044) • mez detekce: obvykle o něco menší, než charakter. konc. • koncentrační rozsah: stanovení prvků v koncentracích desetin až stovek mg/l – možno měnit výběrem z několika spektrálních čar prvku (nižší nebo vyšší citlivost), otočením hořáku kolmo vůči paprsku (podstatné snížení citlivosti, tj. posunutí pracovního rozsahu do vyšších koncentrací) • kalibrace: obecně nelineární, používá se 3-10 stand. roztoků • rychlost analýzy: velmi vysoká (cca 4-5 roztoků za minutu) • shodnost (opakovatelnost) měření: v optimálním konc. rozsahu velmi příznivá (RSD < 0,5%) • správnost: při použití adekvátních podmínek atomizace (druh plamene, složení palivové směsi, eventuálně přídavek uvolňovacích a deionizačních činidel) velmi dobrá • nároky na přípravu vzorku: kapalné vzorky lze analyzovat po zředění přímo, u tuhých postačuje částečný rozklad (solubilizace vzorku)
9
Základy analýzy potravin
Přednáška 10
Podmínky stanovení některých prvků plamenovou AAS Prvek
Al As Ba Ca Cd Co Cr Cu Fe Hg K Mg Mn Na Ni Pb Sb Se Sn Sr V Zn
λ [nm] 309,3 193,7 553,6 442,7 239,9 228,8 240,7 357,9 324,7 248,3 253,7 766,5 404,4 285,2 202,5 279,5 589,0 330,2 232,0 217,0 283,3 217,6 196,0 235,4 460,7 318,5 213,9
d [nm] 0,2 1,0 0,2 0,2 0,1 0,2 0,1 0,2 0,2 0,2 0,5 1,0 0,1 0,2 1,0 0,2 0,5 0,5 0,2 1,0 0,5 0,2 1,0 0,5 0,5 0,5 0,5
Plamen
C2H2-N2O C2H2-N2O C2H2-N2O C2H2-N2O C2H2-N2O C2H2-vzduch C2H2-vzduch C2H2-vzduch C2H2-vzduch C2H2-vzduch C2H2-vzduch C2H2-vzduch C2H2-vzduch C2H2-vzduch C2H2-vzduch C2H2-vzduch C2H2-vzduch C2H2-vzduch C2H2-vzduch C2H2-vzduch C2H2-vzduch C2H2-vzduch H2-vzduch C2H2-N2O C2H2-N2O C2H2-N2O C2H2-vzduch
10
Charakter. koncentrace [µg/ml] 0,75 1,2 0,20 0,013 2,6 0,011 0,053 0,055 0,04 0,045 2,2 0,009 3,3 0,003 0,09 0,021 0,003 1,5 0,05 0,11 0,23 0,29 0,47 1,1 0,041 0,75 0,009
Optimální koncentrační rozsah [µg/ml] 35-140 55-220 10-40 0,5-2,5 120-470 0,5-2,0 2,5-10 2,5-10 2-8 2-8 100-400 0,4-1,6 150-600 0,1-0,6 5-20 1-4 0,15-0,6 70-270 2-10 5-20 10-40 10-50 20-90 50-200 2-10 35-130 0,4-1,6
Základy analýzy potravin
Přednáška 10
Atomová absorpční spektrometrie s elektrotermickou atomizací (ET AAS, GF AAS) používá se ke stanovení stopových a ultrastopových koncentrací prvků, v potravinářské analýze nejčastěji při stanovení kontaminujících toxických prvků Pb, Cd (As). Možné je samozřejmě i stanovení dalších prvků (Al, V, Cr, Mo, Ni, Co, Cu, Sn, Se...). Hlavní rozdíly ve srovnání s F AAS • atomizátor je elektricky vyhřívaná (a chlazená) grafitová trubice umístěná v optické ose přístroje • vzorek se dávkuje do atomizátoru jednorázově (5-50 µl), následuje pracovní cyklus: • sušení (odpaření rozpouštědla) • termický rozklad • atomizace (pouze v tomto kroku se měří absorbance) • čištění atomizátoru • chlazení atomizátoru • citlivost GF AAS je o 2-3 řády vyšší: vyjadřuje se jako tzv. charakteristická hmotnost (m0 [pg] → A = 0,0044) • pracovní rozsah: obvykle setiny až desítky µg/l případně desetiny až stovky µg/l • měření je mnohem pomalejší: 1 cyklus trvá cca 1-3 min • shodnost: v oblasti nízkých koncentrací (desetiny až jednotky µg/l) je RSD opakovatelnosti cca 10 % • správnost výsledků může být dotčena řadou rušivých vlivů (ztráty analytu během termického rozkladu, nespecifická absorpce...) ⇒ vysoké nároky na kvalifikaci analytika • nároky na přípravu vzorku: vyšší než v plamenové AAS, většinou je nejvhodnější tlakový rozklad kyselinou dusičnou
11
Základy analýzy potravin
Přednáška 10
SPEKTROFOTOMETRICKÉ METODY STANOVENÍ PRVKŮ jsou nejčastěji založeny na vzniku barevných komplexních sloučenin kovů s organickými ligandy nebo na oxidačně – redukčních reakcích. Koncentrace prvku se určuje měřením absorbance příslušného barevného roztoku. Spektrofotometrické stanovení fosforu H3PO4 obsažená v mineralizátu tvoří s přebytkem molybdenanu amonného nebo sodného slabě žlutě zbarvenou kyselinu molybdátofosforečnou H3[P(Mo3O10)4], která silně absorbuje v UV (λmax = 310 nm). Redukcí molybdátofosforečné kyseliny (např. hydrazinem, askorbovou kyselinou, železnatou solí...) vzniká tzv. molybdenová modř – směs heteropolykyselin molybdenu v oxidačních stupních V a VI. λmax je 660-820 nm v závislosti na podmínkách redukce (analogicky jako fosfor reagují také As, Si a Ge) Spektrofotometrické stanovení železa • Fe3+ poskytuje s rhodanidem v prostředí HCl červený komplex: Fe3+ + n SCN- →[Fe(SCN)n]3-n • Fe2+ dává s 2,2′-bipyridylem nebo 1,10-fenanthrolinem při pH 3-6 červený resp. červeno-oranžový komplex; Fe3+ se předem redukuje hydroxylaminem na Fe2+ Fe2+ + 3 bipy →[Fe(bipy)3]2+, λ = 522 nm, ε = 8700 l.mol-1.cm-1 Fe2+ + 3 fen →[Fe(fen)3]2+, λ = 512 nm, ε = 11000 l.mol-1.cm-1
N
N
bipyridyl
N
N
fenanthrolin 12
Základy analýzy potravin
Přednáška 10
Spektrofotometrické stanovení mědi reakcí Cu2+ v roztoku vzorku (pH 4-11) s kupralem (diethyldithiokarbamát sodný) vzniká žlutý komplex nerozpustný ve vodě: Cu
2+
+
C2H5
S N
2
C
C2H5
SNa
C2H5 N C2H5
S
S C
Cu S
C2H5 C
N C2H5
S
+
2 Na+
komplex lze vytřepat do CHCl3, CCl4, iAMOH, amylacetátu..., λ = 436 nm, ε = 14000 l.mol-1.cm-1 (CCl4). Měří se absorbance extraktu komplexu v organickém rozpouštědle.
13
Základy analýzy potravin
Přednáška 10
ELEKTROCHEMICKÉ METODY STANOVENÍ PRVKŮ Potenciometrie s iontově selektivními elektrodami • stanovení halogenidů (Cl-, F-), stanovení NO3- a NO2Polarografie a voltametrie se používá hlavně pro stanovení kovů, které tvoří se rtutí amalgám (Zn, Cd, Pb, Sn, Cu...) a stanovení Ni, Co, As, Se. Stanovení mědi a zinku se obvykle provádí diferenční pulsní polarografií (DPP) nebo voltametrií (DPV). Polarogafické (voltametrické) křivky mají tvar píků, jejichž výška je úměrná koncentraci prvku. Koncentrace prvků se určují metodou standardního přídavku. Stanovení mědi lze uskutečnit v kyselém výluhu popela (v 0,1-1M HNO3) nebo ve zředěném mineralizátu, který obsahuje zbytkovou H2SO4. Potenciál píku mědi je cca + 0,05 V. Před stanovením zinku je třeba upravit pH roztoku na > 2 přídavkem octanu sodného. Potenciál píku zinku v kyselém roztoku pufrovaném octanem je cca – 0,9 V.
DPV Ep = -700 mV (1): 5 ml vzorku v 0,2 M HNO3 + 1,5 ml 1M CH3COONa (2): (1) + 5 µg Zn, V = 6,75 ml (3): (1) + 10 µg Zn, V = 7,0 ml
14
Základy analýzy potravin
Přednáška 10
Ke stanovení kadmia a olova (někdy i mědi) se obvykle používá vysoce citlivá metoda diferenční pulsní anodické rozpouštěcí voltametrie (DPASV). Kovy se nejprve z kyselého roztoku vzorku (např. z výluhu popela v 0,1-0,5M HNO3 nebo HCl) nahromadí na pracovní elektrodu (např. visící rtuťovou kapku) elektrolýzou při negativním potenciálu (např. – 0,8 V) a pak se elektrochemicky z elektrody rozpustí zpět do roztoku. Rozpouštění je dosaženo řízenou změnou potenciálu pracovní elektrody směrem k pozitivnějším hodnotám (2-20 mV/s). Během rozpouštění se měří hodnota proudu. Na křivce i=f(E) se objeví píky (pík Cd cca – 0,55 V, pík Pb cca – 0,35V), jejichž výšky jsou přímo úměrné koncentracím kovů.
15
