1 Что называется естественным и поляризованным лучом?

2 Какие вещества являются оптически активными?

3 Чем обусловлена оптическая активность углеводов?

4 Что называется удельным вращением?

5 Какова схема простейшего поляриметра?

6 Что представляет собой полутеневой поляриметр?

7 Каково устройство сахариметра СУ-3?

8 Каков принцип метода Эверса?

9 Как производится определение крахмала по методу Эверса?

Лабораторная работа №4 Исследование кислотности и окислительно-восстановительного потенциала в различных продуктах бродильных производств Определение общей и активной кислотности

Кислотность среды принято оценивать двумя показателями – общей и активной кислотностью.

Общей кислотностью называют общее содержание кислоты. Определяют ее титрованием и поэтому называют также титруемой кислотностью. Активной кислотностью называют концентрацию водородных ионов. Концентрация водородных ионов в растворах, с которыми приходится встречаться в практике, обычно незначительна. Поэтому принято пользоваться не абсолютной величиной этого показателя, а отрицательным десятичным логарифмом его. Эту величину называют водородным показателем и обозначают рН.

Окислительно-восстановительным потенциалом называется электродвижущая сила (ЭДС), возникающая при переносе электронов в растворе, к которому приложено напряжение.

Цель работы. Определить общую и активную кислотность в различных продуктах бродильных производств: ячмене, солоде, сусле, пиве.

Определение общей кислотности

Сырье, полуфабрикаты и готовая продукция бродильных производств имеют кислую реакцию; только меласса обычно имеет слабощелочную реакцию. Кислотность принято выражать в кубических сантиметрах нормального раствора щелочи, идущей на нейтрализацию кислот в 100 см³ или 100 г продукта.

В спиртовом производстве кислотность выражают в градусах кислотности, т.е. числом кубических сантиметров нормального раствора щелочи, необходимым для нейтрализации 20 см³ раствора; при этом 1 см³ нормального раствора щелочи, израсходованный для нейтрализации 20 см³ раствора, соответствует 1 градусу кислотности. Кислотность пива выражают в кубических сантиметрах нормального раствора щелочи, идущих для нейтрализации 100 см³ пива. Общую кислотность определяют титрованием в присутствии индикатора. В технохимическом контроле бродильных производств в качестве индикаторов применяют метилоранж, метилкрасный, бромтимоловый синий, фенолфталеин, лакмус. Характеристика этих индикаторов приведена ниже.

Таблица 6 – Характеристика индикаторов

	Зона перехода окраски (рН)	Изменение цвета
Метилоранж	3,0 - 4,4	Красный – желтый
Метил красный	4,4 - 6,2	Красный – желтый
Лакмус	5 – 8	Красный – синий
Бромтимоловый синий	6,0 – 7,6	Желтый – синий
Фенолфталеин	8,2 – 10,0	Бесцветный - красный

При определении кислотности светлых и прозрачных продуктов берут определенное количество исследуемого раствора, прибавляют несколько капель индикатора и титруют нормальным или 0,1н раствором щелочи до изменения окраски. Для определения кислотности темных продуктов (осахаренная масса, зрелая бражка и другие) определенный объем исследуемого раствора титруют щелочью, в процессе титрования время от времени берут каплю исследуемого раствора на фарфоровую пластинку, добавляют индикатор, перемешивают стеклянной палочкой и наблюдают за окраской. По количеству пошедшей на титрование щелочи находят общую кислотность.

Аппаратура и реактивы. Лабораторная мельница; сито № 08; конические колбы на 100-150 см³; стеклянные пластинки размером 20х20; 0,1н раствор NаОН; 1% раствор фенолфталеина; красный фенолфталеин (к 20 см³ дистиллированной воды прибавляют 10 капель 1% фенолфталеина и 4 капли 0,1н NаОН, раствор готовится ежедневно).

Определение кислотности по болтушке (ГОСТ 10844) /8/

Метод основан на титровании суспензии размолотого зерна 0,1н раствором щелочи в присутствии фенолфталеина. При титровании щелочь связывается не только перешедшими в раствор кислыми веществами, но и веществами частиц муки, вследствие чего кислотность по болтушке получается несколько завышенной. Результаты в большой степени зависят от тонкости помола, поэтому его обязательно проверяют.

Ход определения. Из среднего образца зерна отбирают 50 г ячменя, очищают от сорной примеси (испорченные зерна оставляют) и размалывают на мельнице так, чтобы все размолотое зерно проходило при просеивании через металлотканое сито № 08. Муку помещают на стеклянную пластинку, перемешивают, распределяют ровным слоем так, чтобы после придавливания другой пластинкой слой муки получился не толще 3-4 мм. Удалив верхнее стекло, отбирают не менее чем из 10 мест 5 г муки и взвешивают с точностью до 0,01 г. Навеску переносят в сухую коническую колбу на 100-150 см³, добавляют 50 см³ дистиллированной воды (сначала небольшими порциями до полного смачивания), хорошо перемешивают до исчезновения комочков, после чего смывают со стенок частицы муки водой. В болтушку добавляют 5 капель 1% раствора фенолфталеина и титруют при взбалтывании 0,1 н раствором щелочи до появления отчетливого розового окрашивания, не исчезающего при стоянии в течение 1 минуты.

Если болтушка имеет интенсивную окраску, то готовят еще одну болтушку из этой пробы ячменя и при титровании сравнивают изменение цвета с начальным цветом болтушки.

Кислотность (вградусах) рассчитывают по формуле

ﾵ ﾧ, (13)

где а – объем 0,1н. раствора щелочи, пошедший на титрование, см3;

К – поправочный коэффициент к титру 0,1н раствора щелочи;

н – навеска муки, г;

100 – коэффициент пересчета на 100 г ячменя;

10 – коэффициент пересчета 0,1н раствора щелочи в 1 н раствор.

За фактическую кислотность принимают среднее арифметическое из двух параллельных определений, расхождение между которыми не должно превышать (0,20.

Определение титруемой кислотности в сусле и пиве

Пиво перед определением освобождают от диоксида углерода, взбалтыванием или нагреванием в течение 30 минут при 400С, затем охлаждают до температуры 200С.

Ход определения. В коническую колбу на 150-200 мл пипеткой отмеривают 50 мл сусла или пива и титруют 0,1н раствором щелочи до тех пор, пока 4 капли сусла (пива), помещенные на фарфоровую пластинку, при смешивании с 2 каплями красного фенолфталеина не перестанут его обесцвечивать.

Кислотность х ( в мл 1 н раствора щелочи на 100 мл жидкости) рассчитывают по формуле

ﾵ ﾧ, (14)

где а – объем 0,1н раствора щелочи, пошедший на титрование, см3;

б – объем сусла (пива), взятый на титрование, мл;

10 – коэффициент пересчета 0,1н. раствора щелочи в 1 н раствор.

Пример. На титрование 50 мл сусла израсходовано 10,2 мл 0,1 н раствора щелочи. Кислотность сусла х = (10,2 ( 100) : (50 ( 10) = 2,04 мл 1 н раствора щелочи на 100 мл сусла.

Электрометрическое титрование

Электрометрическое или потенциометрическое титрование основано на резком изменении потенциала индикаторного электрода вблизи точки эквивалентности (точки конца титрования ( ТКТ) при прибавлении к раствору небольшого количества титрующего реагента. При реакциях нейтрализации индикаторными могут служить различные электроды (сурьмяный, стеклянный и др.), потенциалы которых зависят от рН. В качестве электродов сравнения наиболее часто используют каломельный и хлорсеребряный электроды. Потенциометрическое титрование выполняют, используя специальные приборы (рН-метры, титраторы, потенциометры и др.). ТКТ можно определять, титруя раствор или до заданного значения рН, или до момента, когда стрелка гальванометра перестает отклоняться либо изменяет направление отклонения. Обычно применяют первый способ, используя рН-метры.

Значение рН, принимаемого за ТКТ, выбирают в зависимости от рН перехода окраски индикатора, используемого при обычном титровании. Если при обычном титровании применяется фенолфталеин, то титрование заканчивают при рН 8,5, бромтимоловый синий – при рН 7,3, лакмус – при 7,0, метиловый красный – при рН 6,3 и т.д.

При электрометрическом титровании с одинаковой точностью можно определять кислотность как бесцветных, так и темноокрашенных растворов.

Ход определения. В химический стаканчик отмеривают пипеткой 25 мл пива или сусла, после чего его титруют при непрерывно работающей мешалке 0,1 н раствором щелочи, наблюдая за перемещением стрелки гальванометра. В начале титрования раствор щелочи прибавляют небольшими порциями, а по мере приближения к значению рН 8,5 – по каплям. По окончании титрования снимают отсчет по шкале бюретки. Кислотность рассчитывают по предыдущей формуле.

Определение активной кислотности (рН) в сусле и пиве

Электрометрический метод определения рН

Метод основан на том, что при погружении электрода в раствор происходит обмен ионов между электродом и раствором, вследствие чего на электроде возникает потенциал, величина которого зависит от концентрации водородных ионов в растворе. Его можно измерить, если составить гальванический элемент из электрода, потенциал которого хотят измерить (индикаторный электрод), и вспомогательного электрода с известным потенциалом (электрод сравнения).

В настоящее время в качестве индикаторного применяют стеклянный и сурьмяный электроды, а в качестве электродов сравнения – хлорсеребряный и каломельный.

Определение рН при помощи рН-метра ЛПУ-0,1

Принцип работы прибора основан на измерении ЭДС гальванического элемента, составленного из стеклянного (индикаторного) и хлорсеребряного (вспомогательного) электродов. Шкала прибора градуирована в единицах рН и милливольтах. Пределы измерения рН от 2 до 14. Для повышения точности измерения прибор имеет четыре диапазона с узкими интервалами значений рН. В этих интервалах погрешность прибора не превышает (1%; в интервале рН 2-14 – не выше (2,5% от диапазона измерений.

Прибор (рисунок 11) состоит из гальванического элемента (датчика) и измерителя. Все части датчика собраны на штативе. На верхнем конце штатива укреплен проточный вспомогательный электрод, помещенный в полиэтиленовый сосуд. В нижней части штатива имеется подвижный столик для установки стакана с исследуемым раствором и электродами. Электрический контакт между двумя электродами осуществляется через столбик насыщенного раствора хлорида калия, вытекающего из полиэтиленового сосуда по резиновой трубке и стеклянному наконечнику в исследуемый раствор. Раствор хлорида калия медленно (20 мл в сутки) вытекает через пористую перегородку наконечника, предотвращая таким образом проникновение посторонних ионов из исследуемого раствора в сосуд с вспомогательным электродом. Необходимо следить, чтобы в трубке электрода не было пузырьков воздуха, нарушающих контакт. Стеклянный электрод и наконечник крепятся к кронштейну зажимами. В комплекте датчика имеется электролитический контакт для измерений рН в растворах объемом до 1 мл.

На панели измерителя (рисунок 12) находится шкала, показывающая 5 значений рН: от 2 до4, от 2 до 6, от 6 до 10, от 10 до 14 и от 2 до 14, а также шкала для измерения ЭДС. На панель выведены также все ручки управления прибором.

Рисунок 11 – Схема РН-метра ЛПУ-01

1-стеклянный электрод;

2-панель измерительного прибора;

3-проточный вспомогательный электрод;

4-наконечник с пористой перегородкой

Рисунок 12 – Панель рН-метра ЛПУ-01 1-рукоятка переключения «Виды работ»; 2-гнездо подключения датчика; 3-переключатель пределов измерений; 4-ручка настройки по буферному раствору; 5 - контрольная лампочка; 6-шкала; 7 - тумблер включения; 8-рукоятка компенсатора температуры

После прогрева прибора приступают к его настройке по стандартным буферным растворам с известным значением рН.

Буферные растворы готовят из специальных фиксоналов. Для настройки берут буферный раствор, рН которого близок к предполагаемому рН исследуемого раствора. Буферный раствор наливают в стакан на 200 мл, столик на штативе отводят влево, стакан подставляют под электроды, поворачивают столик и опускают на него стакан. Столик устанавливают на такой высоте, чтобы электроды были погружены в раствор на глубину 2-4 см, переключатель пределов измерений ставят против нужного диапазона измерений и через 0,5-1 минуту ручкой настройки по буферному раствору стрелку на шкале подводят к делению, соответствующему значению рН буферного раствора.

Измерение рН исследуемого раствора проводится в последовательности, принятой при настройке прибора. Если рН раствора совершенно неизвестен, то сначала производят ориентировочное определение, ставя переключатель пределов измерений в положение «2-14» и снимая отсчет по шкале, градуированной в единицах рН от 2 до 14. Затем, не меняя раствора, переключатель устанавливают на отметку найденного диапазона рН и отсчет снимают по соответствующей шкале.

В перерывах работы электроды держат в дистиллированной воде, так как при высыхании изменяется их характеристика. При появлении пленок на электродах их промывают органическими растворителями, растворами кислот и щелочей, а затем дистиллированной водой.

Погрешность прибора по стандартным буферным раствора не выше 0,02 рН, а чувствительность не ниже 0,01 рН.

Проверку нового прибора или нового стеклянного электрода проводят по буферным растворам в первые несколько дней ежедневно, а в последующем – раз в неделю.

В производственном контроле приборы используют для определения не только рН, но и титруемой кислотности методом электрометрического титрования.

Перед началом работы электроды тщательно промывают дистиллированной водой и высушивают фильтровальной бумагой. К гнезду 2 при помощи штекера подключают датчик, прибор включают в сеть, тумблер 7 ставят в положение «Включено» (при этом загорается контрольная лампочка) и прибор прогревают 30 минут. Рукоятку переключения «Виды работ» устанавливают в положение «рН», а рукоятку компенсатора температуры – на нужное значение температуры. Измерения проводят при температуре 20-30⁰С, так как при этой температуре отклонения в значениях рН лежат в пределах погрешности прибора.

Активная кислотность в солоде оказывает большое влияние на ферментативные процессы при затирании и рН в заторе обычно составляет 5,5-5,6.

рН сусла так же, как и затора, обуславливается ионами водорода, переходящего из сырья, а также химическим взаимодействием катионов и анионов воды и сусла.

В охмеленном сусле активная кислотность находится в пределах 5,3-5,5.

Определение окислительно-восстановительного потенциала

Окислительно-восстановительные реакции занимают ведущее место в бродильных производствах: они лежат в основе брожения. От степени окисленности среды зависит характер метаболизма дрожжей: при высокой окисленности среды происходит аэробное дыхание и сахар потребляется дрожжами на рост и размножение, при низкой – анаэробное дыхание с образованием спирта. Эти реакции протекают и на стадии выдержки пива, обусловливая его вкус и аромат.

Окислительно-восстановительные реакции являются электрохимическими реакциями и связаны с переносом электронов, поэтому их интенсивность можно измерить, определив при помощи гальванического элемента возникающую ЭДС, пропорциональную интенсивности химической реакции.

Потенциал, возникающий на индикаторном электроде гальванического элемента, называется окислительно-восстановительным потенциалом (ОВ-потенциалом). Он обозначается символом Еh и выражается в вольтах. Величина Еh прежде всего зависит от содержания в растворе газообразного водорода и кислорода, а также от содержания веществ с окислительными или восстановительными свойствами. Чистая вода диссоциирует не только на ионы Н⁺ и ОН^-, но и на молекулы по уравнению 2Н₂О = 2Н₂ + О₂. Эти величины связаны константой диссоциации К = Н₂ О₂ и при увеличении, например, Н₂ соответственно уменьшается О₂. При наличии в растворе восстановителя концентрация водорода по сравнению с содержанием его в чистой воде повышается, а кислорода соответственно уменьшается и наоборот. Следовательно, восстановительную и окислительную способность раствора можно характеризовать одной величиной Н₂ аналогично тому, как кислотность и щелочность растворов характеризуют концентрацией водородных ионов Н⁺. При этом также пользуются не абсолютным значением концентрации, а ее десятичным логарифмом с обратным знаком и обозначают его символом rН₂ = = - lgН₂.

В водном растворе, насыщенном водородом, rН₂=0, а при насыщении кислородом rН₂=41. Внутри этого интервала окислительно-восстановительная способность раствора характеризуется следующими величинами rН₂: от 0 до 8,5 – сильновосстанавливающая; от 8,5 до 17 – слабовосстанавливающая; от 18 до 25,5 – индифферентная; от 25,5 до 34 – слабоокисляющая; от 34 до 41 – сильноокисляющая.

Если в окислительно-восстановительной реакции принимает участие ион водорода, то потенциал электрода зависит также от величины рН. Взаимосвязь rН₂, рН и Еh выражается уравнением rН₂ = Еh: 0,029 + 2 рН.

Для определения окислительно-восстановительной способности применяют два метода – электрометрический и колориметрический.

Электрометрический метод

Определение Еh электрометрическим методом основано на измерении потенциала инертного платинового или золотого электрода. Электроды такого рода не принимают участия в реакции, а служат лишь передатчиком электронов между компонентами окислительно-восстановительной системы, поэтому только последние обусловливают величину потенциала электрода.

Колориметрический метод

Метод основан на использовании специальных окислительно-восстановительных индикаторов, которые изменяют свою окраску при определенном ОВ-потенциале. В качестве индикатора обычно применяют 2,6-дихлорфенолиндофенолят натрия (реактив Тильмана), окисленная форма которого в щелочной среде имеет синюю окраску, а в кислой – красно-фиолетовую, восстановленная же форма окраски не имеет. Скорость обесцвечивания индикатора зависит от природы восстанавливающих веществ.

Некоторые из меланоидинов восстанавливают индикатор в течение нескольких секунд; основная часть меланоидинов обесцвечивает индикатор за 5 минут; медленнее всех восстанавливают индикатор полифеноловые соединения, переходящие в сусло из оболочек зерен и из хмеля. Таким образом, по скорости обесцвечивания индикатора можно судить не только о содержании восстанавливающих, но отчасти и от природы этих соединений.

Величина окислительного потенциала, при котором наблюдается переход одной формы индикатора в другую, зависит от рН среды, поэтому при измерении восстанавливающей способности необходимо учитывать влияние рН анализируемой жидкости на цвет индикатора. 2,6-дихлорфенолиндофенолят натрия обладает сравнительно высоким ОВ-потенциалом, вследствие чего наличие в анализируемой жидкости растворенного молекулярного кислорода не оказывает заметного влияния на результаты определения.

Для определения ОВ-потенциала при помощи реактива Тильмана разработаны различные методы. Все они являются косвенными, так как определяют не величину потенциала, а восстановительную способность исследуемого раствора, зависящую от содержания редуцирующих веществ: чем больше таких веществ, тем быстрее происходит обесцвечивание индикатора. Наиболее известен метод Грея и Стоуна, в котором восстанавливающая способность оценивается по времени (в секундах), в течение которого определенный объем анализируемой жидкости обесцвечивает индикатор до заданной интенсивности окраски, и показатель обесцвечивания обозначают символом ITT (Indicator-Time-Test). В этом методе сравнение окрасок исследуемого и контрольного растворов производится визуально, что снижает его точность.

Модифицированный метод Штейнера позволяет получать более надежные результаты. Метод основан на измерении степени понижения оптической плотности раствора индикатора под действием редуцирующих веществ сусла или пива в течение 60 секунд. Степень обесцвечивания индикатора выражается в процентах от первоначальной величины его оптической плотности. Процент обесцвечивания красителя (ПОК) рассчитывается по формуле

, (15)

где Д₀ – первоначальная величина оптической плотности индикатора;

Д_х – величина оптической плотности индикатора через 60 с после прибавления сусла или пива.

Следовательно, чем больше редуцирующих веществ содержит исследуемая жидкость, тем выше процент обесцвечивания красителя.

Метод Штейнера не учитывает влияния рН среды на ОВ-потенциал индикатора. Для уточнения метода предложено определять первоначальную оптическую плотность индикатора не в водном, а в буферном растворе, рН которого соответствует рН исследуемой жидкости. Для серийных анализов рекомендуется пользоваться калибровочным графиком, построенным на серии фосфатных буферных растворов с рН 3,5-6,5. Определив значение рН сусла (пива), на графике находят соответствующую ему величину Д₀. Построение графика – трудоемкая работа, и для сокращения ее объема с достаточной точностью можно определить Д₀, пользуясь двумя буферными растворами: для сусла с рН 5,4, для пива – с рН 4,6.

Аппаратура и реактивы. Фотоэлектроколориметр; пипетки на 10 см³ и микропипетки на 1 см³ с делениями; 0,005 М раствор 2,6-дихлорфенолиндофенолят натрия (230,2 мг реактива растворяют в 70 см³ горячей дистиллированной воды, после полного растворения объем доводят до 100 см³). На 10 см³ этого раствора при йодометрическом титровании должно пойти 60 см³ 0,01 н раствора тиосульфата натрия; буферные растворы: раствор а (21,014 г кристаллической лимонной кислоты растворяют в 1 дм³ воды); раствор б (35,61 г Nа₂НPО₄ Н₂О растворяют в 1 дм³ воды). Смешивают 4,43 см³ раствора а с 5,57 см³ раствора б, получают буферный раствор с рН 5,4; смешивают 5,33 см³ раствора а с 4,76 см³ раствора б получают буферный раствор с рН 4,6.

Ход определения. К 10 см³ буферного раствора с соответствующим значением рН добавляют 0,25 см³ 0,005 М раствора индикатора, смесью заполняют кювету толщиной 10 мм. В качестве раствора сравнения берут дистиллированную воду. Оптическую плотность раствора индикатора (Д₀) измеряют при длине волны 520 нм (зеленый светофильтр). Для определения редуцирующей способности сусла или пива к 10 см³ исследуемой пробы прибавляют 0,25 см³ 0,005 М раствора индикатора и через 60 с измеряют оптическую плотность смеси (Д_х) при том же светофильтре. Раствором сравнения служит анализируемая проба сусла или пива. Затем рассчитывают процентное обесцвечивание красителя (ПОК) по приведенному выше уравнению.

Следует заметить, что величина ПОК для разных образцов пива колеблется в широких пределах. Так, по данным авторов, ПОК Украинского пива составлял 44, Московского – 49, Дипломат (Чехия)  97%. Несомненно, что с повышением значения ПОК увеличивается стойкость пива к помутнению. Следовательно, определение величины ПОК позволяет не только характеризовать стойкость готового продукта, но и осуществлять действенный контроль технологического процесса, направленный на повышение стойкости пива.

Пример. При анализе Жигулевского пива получено Д₀ = 0,522; а Д_х = 0,287. Редуцирующая способность пива ПОК = (0,522 – 0,287) : 0,522 = 45%.

Таблица 7 – Кислотность и окислительно-восстановительный потенциал различных продуктов бродильных производств

Наименование показателей	Зерно		Сусло Жигулевское охмеленное		Пиво Жигулевское
	по нормам	факти-чески в образцах	по нормам не более	фактически в образцах	по нормам	факти-чески в образцах
Общая кислотность в см^3 1н р-ра щелочи на 100см^3 сусла или пива	1,5-2,5		2,3		1,6-2,8
Активная кислотность (рН)	5,5-6,5		5,3-5,5		4,5-4,8
ПОК, %	-	-			44-45

Вопросы для самопроверки