1 Что называется концентрацией сухих веществ?

2 Что такое истинные и видимые сухие вещества?

3 Что называется плотностью и относительной плотностью вещества?

4 Что представляет собой ареометр и каков принцип его действия?

5 Как осуществляется определение содержания сухих веществ сахаромером?

6 Что представляет собой пикнометр и как им определяется относительная

плотность?

7 Что называется показателем преломления?

8 Каково устройство и принцип работы лабораторного рефрактометра?

Лабораторная работа №3

Исследование содержания крахмала в различных зерновых культурах поляриметрическим методом Эверса

Свет представляет собой электромагнитные колебания, распространяющиеся от источника света во все стороны по прямым линиям (лучам). Различают лучи естественные и поляризованные. Луч, колебания которого происходит во всех плоскостях, перпендикулярных его направлению, называется естественным лучом. Поляризованным лучом называется такой луч, колебания которого происходят только в какой-либо плоскости. Плоскость, в которой происходит колебания луча, называется плоскостью колебаний поляризованного луча, а плоскость, перпендикулярная ей, – плоскостью поляризации.

Способность веществ и растворов изменять (вращать) плоскость поляризации света называется оптической активностью. Вещества, способные вращать плоскость поляризации света, являются оптически активными. В противоположность им вещества, не изменяющие плоскость поляризации света, оптически неактивны. Оптическая активность углеводов обусловлена наличием в их молекуле ассиметрических атомов углерода, т.е. таких, все четыре валентные связи которых соединены с различными атомами или группами атомов. Углеводы, как и другие органические вещества, содержащие ассиметрический углерод, проявляют оптическую активность в растворенном состоянии. На свойстве оптической активности углеводов основан поляриметрический метод их определения.

Различают вещества, изменяющие плоскость поляризации света по часовой стрелке – правовращающие – и изменяющие ее против часовой стрелки – левовращающие. К правовращающим веществам относятся глюкоза, сахароза, раффиноза, крахмал; к левовращающим относится фруктоза.

Если через раствор оптически активного вещества проходит поляризованный луч, то он вращает плоскость поляризации. Плоскость поляризации вышедшего луча оказывается повернутой на некоторый угол, называемый углом вращения плоскости поляризации. Величина этого угла зависит от природы вещества, толщины слоя раствора (длина пути луча), концентрации раствора, длины волны поляризуемого света и температуры. Для сравнения оптической активности различных оптически активных веществ и использование этого явления в аналитической практике введено понятие удельного вращения. Удельным вращением называется угол, на который поворачивается плоскость поляризации под действием раствора, содержащего 100 г вещества в 100 см³ раствора при толщине слоя этого раствора 1 дм (100 мм); условились удельное вращение измерять при температуре 20⁰С в желтом свете натриевого пламени и обозначать индексом  ²⁰_д. Каждое оптически активное вещество характеризуется определенной величиной удельного вращения при растворении его в определенном растворителе. Ниже приведены величины удельного вращения некоторых углеводов  ²⁰_д (в дуговых градусах).

Глюкоза +52,58 Крахмал +200  +205

Фруктоза -91,33 Декстрины +198  +160

Сахароза +66,5 Мальтоза +130,4

Раффиноза +105,2 Инвертный сахар  19,7

(ангидрид)

Знак (+) означает правое вращение, знак (-) – левое. Свежеприготовленные растворы некоторых сахаров не сразу проявляют свойственные им удельное вращение. Вращательная способность таких растворов изменяется на холоду медленно, а при известных условиях (нагревание, незначительное добавление щелочи) – быстро. Это явление постепенного изменения удельного вращения называется мутаротацией и объясняется наличием  и -форм молекул сахаров. Например,  - d – глюкоза имеет удельное вращение  ²⁰_д = +110⁰, а  - d – глюкоза +19⁰. Свежеприготовленный раствор одной из этих форм постепенно изменяет вращение, пока величина его не достигнет среднего значения, соответствующего удельному вращению +52,5⁰, при котором обе глюкозы находятся в равновесии.

Удельное вращение оптически активного вещества в растворе выражается формулой

 ²⁰_д = 100 · а / с · l, (10)

где а – наблюдаемый угол поворота плоскости поляризации;

с – концентрация оптически активного вещества, г/100 см³ раствора;

l – толщина слоя раствора, дм.

Пользуясь указанной формулой, можно по величине угла поворота плоскости поляризации «а» найти концентрацию оптически активного вещества «с».

Прибор, при помощи которого можно измерить угол поворота плоскости поляризации, производимого оптически активным веществом, называется поляриметром.

Главным узлом прибора является система, состоящая из двух призм Николя, изготовленных из исландского шпата (кальцита).

Кальцит обладает свойством двойного лучепреломления. Луч естественного света при входе в природный кристалл кальцита разделяется на два полностью поляризованных луча, имеющих взаимно перпендикулярные плоскости поляризации. Коэффициенты преломления этих лучей разные (n₁=1,654 и n₂=1,483), поэтому они выходят из кристалла под некоторым углом по отношению друг к другу и дают два изображения рассматриваемого предмета. Двупреломляющее свойство кристалла кальцита используют, чтобы освободиться от одного из лучей. Для этого кристалл распиливают пополам и обе половины склеивают канадским бальзамом по месту распила. Для того чтобы луч света попадал на слой бальзама под определенным углом, нижнюю и верхнюю грани кристалла спиливают под некоторым углом, боковые грани покрывают черной краской. Обработанный таким образом кристалл называется призмой Николя.

Ход лучей в призме Николя показан на рисунке 6. Неполяризованный луч света S входит в призму и разделяется на два луча. Луч S₂ с большим коэффициентом преломления претерпевает полное внутреннее отражение в слое бальзама, выходит к боковой грани и там гасится черной краской. Луч S₁ преломляется в слое бальзама и выходит из призмы. Сила выходящего из призмы поляризованного света составляет половину силы света, входящего в призму.

Рисунок 5 - Ход лучей в призме Николя

Призма Николя поляризует свет и пропускает колебания, лежащие в одной определенной плоскости, а колебания, лежащие в перпендикулярной плоскости, она гасит. Следовательно, если поляризованный свет из одной призмы Николя направить в другую призму Николя, то после нее свет появится лишь тогда, когда плоскости поляризации обеих призм будут параллельны друг другу. Если вторую призму повернуть на 90⁰ (поставить накрест), то поляризованный свет из первой призмы будет полностью погашен во второй призме. Вторую призму, позволяющую определить направление колебаний света, называют анализатором, первую, расположенную ближе к источнику света, – поляризатором.

Систему из двух призм Николя, поставленных накрест (на темноту), можно использовать для измерения угла поворота плоскости поляризации оптически активным веществом. Поместим между поляризатором Р и анализатором А оптически активное вещество R (рисунок 6). При прохождении поляризованного света через R плоскость поляризации света повернется на некоторый угол  и под этим углом войдет в анализатор. В анализаторе амплитуда колебаний поляризованного света  разлагается по правилу параллелограмма на две составляющие ₁ и ₂. Колебания с амплитудой ₂ находятся в плоскости поляризации анализатора и выходят из него в виде ослабленного света (катет ₂ всегда меньше гипотенузы ). Чтобы погасить этот свет, нужно повернуть анализатор на тот же угол , но в обратном направлении. Таким образом можно измерить угол поворота плоскости поляризации и определить его направление.

Поляриметр, состоящий из двух призм Николя, называют простейшим, или теневым. Точность измерения угла поворота на таком поляриметре невысокая.

В современных поляриметрах применяется так называемое полутеневое устройство, при котором поле зрения разделено на две равные части. В исходном положении (нулевая точка) обе половины поля зрения одинаково слабо затемнены (анализатор поставлен на полутень), а при повороте анализатора вправо или влево одна половина становится совершенно темной, другая – освещенной. Различие в интенсивности освещения двух рядом лежащих плоскостей легко улавливается глазом, поэтому установка на полутень производится с большей точностью.

Рисунок 6- Схема простейшего поляриметра

Для получения двойного поля зрения применяют особой конструкции поляризаторы, дающие два луча поляризованного света, выходящие из поляризатора под определенным углом. К ним относится призма Корню и поляризатор Липпиха.

Призма Корню изготавливается из призмы Николя. Для этого ее распиливают пополам по линии АВ (рисунок 7), у каждой половины сошлифовывают грани распила ав и св под углом 2,5⁰ и оставшиеся половины склеивают по этим граням. Лучи поляризованного света, выходящие из правой и левой половин призмы Корню, расходятся под углом 5⁰. Под таким же углом расходятся и плоскости поляризации этих лучей. Поэтому при любом положении анализатора полностью погасить свет в обеих половинах поля зрения нельзя.

Если анализатор поставить под углом 90⁰ к лучу, выходящему из левой половины призмы Корню, то левая половина поля зрения будет темной, а правая – освещенной (рисунок 8,а), и наоборот (рисунок 8,б). Чтобы освещенность обеих половин поля зрения была равномерной (полутень), нужно анализатор поставить под одинаковым углом к лучам, выходящим из обеих половин призмы Корню (рисунок 8,в).

Рисунок 7 – Призма Корню Рисунок 8 – Поля зрения полутеневого поляриметра

При использовании призмы Корню в поле зрения четко выделяется линия склеивания половинок, что затрудняет установку на полутень. Этот недостаток устранен в поляризаторе Липпиха.

Поляризатор Липпиха состоит из двух обычных призм Николя – большой (главный поляризатор) и малой (вспомогательный поляризатор), установленной за большой призмой и закрывающей половину поля зрения. Границей раздела поля зрения служит ребро малой призмы, совершенно незаметное в полутени. Малую призму ставят так, чтобы плоскости поляризации света, выходящего из обеих

призм, были повернуты друг к другу под углом 5⁰. Этот угол можно легко изменить, поворачивая малую призму. Установка поляриметра на полутень и измерение угла поворота производятся также при помощи анализатора.

В поляриметрах общего назначения для измерения угла поворота применяется круговая шкала, градуированная в дуговых градусах. В пищевой промышленности применяются специальные поляриметры, шкала которых градуирована по раствору сахарозы. Такие поляриметры называются сахариметры. Оптическая схема отличается тем, что анализатор, поставленный на полутень по отношению к поляризатору, закреплен неподвижно, а измерение угла поворота производится при помощи клинового кварцевого компенсатора.

Сахариметр СУ-3 (рисунок 9) позволяет измерять вращение плоскости поляризации от –40 до +100 ⁰S.

Порядок работы на сахариметре следующий. После включения источника света нужно подогнать по своему глазу окуляр зрительной трубы и отсчетную лупу. Для этого, вращая оправы, их передвигают вдоль оси так, чтобы в окуляре зрительной трубы была отчетливо видна вертикальная линия, разделяющая поле зрения на две половины, а через лупу – штрихи и цифры шкалы и нониуса.

Рисунок 9 – Сахариметр СУ-3:

1 – траверса; 2 – поляризатор; 3 – регулировочный винт; 4 – осветительный узел;

5 – поворотная обойма со светофильтрами; 6 – камера; 7 – измерительная головка;

8 – винт для установки шкалы; 9 – лупа; 10 – винт для перемещения компенсатора

Затем прибор без поляриметрической трубки устанавливают в нулевое положение путем вращения рукоятки кремальерной передачи, связанной с подвижным кварцевым клином. Перемещая его вправо или влево, добиваются полной однородности в освещении обеих половин поля зрения. При этом нулевые деления шкалы и нониуса должны совпадать. В противном случае при помощи съемного ключа винта, находящегося на тыльной стороне измерительного узла, перемещают нониус до совмещения обоих нулевых делений.

Раствор, подготовленный к поляриметрированию, должен быть совершенно прозрачным. Им сначала 2-3 раза ополаскивают закрытую с одного конца трубку, а затем наполняют ее. Чтобы трубка не нагрелась от руки, ее ставят на стол и аккуратно по стенке наливают раствор до тех пор, пока жидкость не появится над краем трубки в виде выпуклого мениска. На этот мениск осторожно и быстро опускают покровное стекло или «срезают» мениск, надвигая стекло сбоку, при этом под стеклом не должно быть пузырьков воздуха. Если сразу не удается избежать попадания воздуха под стекло, его снимают, насухо вытирают, трубку доливают раствором до появления выпуклого мениска, снова закрывают стеклом и навинчивают гайку. У заполненной трубки протирают до блеска покровные стекла кусочками фильтровальной бумаги и трубку просматривают на свет, проверяя прозрачность и отсутствие пузырьков воздуха. После этого трубку помещают в камеру поляриметра и наблюдают через зрительную трубу поле зрения. Сахарный раствор поворачивает плоскость поляризации света, вследствие чего полутеневое положение нарушается и одна половина поля зрения становится темной. Вращая рукоятку кремальерной передачи, добиваются выравнивая освещенности и окраски обеих половинок поля зрения.

Если при измерении вращения бесцветных или слабоокрашенных растворов при установке на полутень оттенки обеих половин поля зрения получаются одинаковыми, то работают с матовым стеклом, ставя поворотную обойму в положение, обозначенное буквой «М». Если же при этом окраски половинок поля зрения несколько различаются (имеют слегка желтоватый или голубоватый оттенки), то в оптическую систему вводят желтый светофильтр, ставя поворотную обойму в положение, обозначенное буквой «С». При работе с темноокрашенными растворами обойму ставят в положение без обозначения, соответствующее максимальной интенсивности освещения поля зрения.

После установки поля зрения на полутень делают отсчет по шкале при помощи нониуса с точностью до 0,1 ⁰S, как это показано на рисунке 10, где нуль нониуса находится правее нуля шкалы между 24 и 25 делениями, а в правой части нониуса его пятое деление совпадает с одним из делений шкалы.

Следовательно, угол вращения анализируемого раствора равняется 24,5 ⁰S.

Сняв первый отсчет показаний сахариметра, небольшим поворотом рукоятки кремальерной передачи нарушают полутеневое положение, а затем снова восстанавливают его и делают второй отсчет показания. Окончательный результат выводят как среднеарифметическое из пяти измерений.

Рисунок 10 – Отсчет показаний по шкале сахариметра

Точность установки на полутень, а следовательно, и точность измерения зависит от опытности и субъективных особенностей светового восприятия наблюдателя. Поэтому при анализе одного и того же раствора двумя исполнителями могут получаться разные результаты.

Содержание крахмала в зерне определяют по методу Эверса. Этот метод является основным при арбитражных анализах (ГОСТ 10845) /7/. Его принцип состоит в растворении крахмала при нагревании со слабой соляной кислотой и определении угла вращения плоскости поляризации света в полученном растворе.

Цель работы. Определить содержание крахмала в зерновых культурах методом Эверса и дать их сравнительную оценку.

Аппаратура и реактивы. Сахариметр СУ-3; мерные колбы Кольрауша на 100 см³; пипетки на 25 и 5 см³; водяная баня; конические колбы на 150 см³; 1,124%-й раствор соляной кислоты (24,9 см³ соляной кислоты отн. плотн. 1,19 разбавляют дистиллированной водой до 1 дм³); 10%-й раствор молибдата аммония.

Ход определения. Навеску размолотого зерна 5  0,01г количественно переносят через воронку с отрезанным концом) в сухую мерную колбу на 100 см³ и приливают 25 см³ 1,124%-й соляной кислоты, ополоснув ею стаканчик, в котором взвешивали. Следующими 25 см³ кислоты смывают частицы зерна со стенок колбы. Смесь перемешивают и колбу помещают на 15 минут в кипящую баню, причем в течение первых 3 минут содержимое колбы размешивают плавными круговыми движениями. Необходимо наблюдать, чтобы вода в бане покрывала всю колбу, а кипение было энергичным и не прекращалось при погружении колбы.

По истечении 15 минут колбу вынимают, вливают в нее 25-30 см³ холодной дистиллированной воды, взбалтывают и быстро охлаждают до температуры 20⁰С. Для осветления раствора и осаждения белков прибавляют 5 см³ 10%-го раствора молибденовокислого аммония, доливают до метки водой, взбалтывают и фильтруют через сухой фильтр в чистую сухую колбу. Во избежание испарения воронку покрывают стеклом. Первые 20 см³ фильтрата возвращают на фильтр, а последующие немедленно поляризуют в стеклянной трубке длиной 200 мм, так как при стоянии раствор мутнеет. Перед работой проверяют нулевую точку сахариметра. Отсчет по шкале делают не менее 3 раз, расхождение между отсчетами должно быть не более 0,1⁰. Для расчета берут среднее арифметическое значение показаний шкалы.

Содержание крахмала (в процентах к массе воздушно-сухой муки):

Х = , (11)

где  - показание сахариметра;

0,3462 – коэффициент для перевода показаний сахариметра в градусы круговой шкалы;

–удельный угол вращения;

l – длина поляризационной трубки, дм;

н – навеска муки, г.

В указанной формуле все величины, кроме показания поляриметра, постоянные. Поэтому можно написать Х = К, где К – постоянный коэффициент.

Коэффициенты К для разных видов крахмала несколько различны, так как различны значения удельного вращения крахмала отдельных зерновых культур. Коэффициенты К были перечислены Эверсом и называются коэффициентами Эверса. Эти коэффициенты вычислены для навески 5 г при применении мерной колбы на 100 см³ и поляриметрической трубки длинной 200 мм.

Таблица 4 – Значения удельного вращения и коэффициента Эверса для различных видов крахмала

Крахмал	 ^20д	Коэффициент Эверса
Кукурузы	184,6	1,849
Ячменя	181,5	1,912
Овса	181,3	1,914
Ржи	184,0	1,885
Картофеля	194,5	1,775
Проса	-	1,818

Процентное содержание крахмала (х) получают умножением показаний шкалы поляриметра на соответствующий коэффициент Эверса.

Содержание крахмала в зерне (х₁) в процентах на сухое вещество определяют по формуле

, (12)

где W – влажность муки, %.

Определение крахмала ведут в двух параллельных пробах, расхождение между которыми допускается при длине трубки 2 дм – не более 0,5%, а при длине 1 дм – не более 1%.

Таблица 5 – Содержание крахмала в различных зерновых культурах

Вид зерновой культуры	Среднее теоретическое содержание крахмала, %	Содержание крахмала по Эверсу, %
Пшеница	48-57
Рожь	46-58
Ячмень	43-55
Овес	34-40
Просо	42-60
Кукуруза	58-71

Вопросы для самопроверки