1 Что называется общей и активной кислотностью?

2 Что называется окислительно-восстановительным потенциалом?

3 Какие известны методы определения общей кислотности?

4 Как определяется кислотность зерна по болтушке?

5 Как определяется кислотность сусла и пива?

6 Каково значение окислительно-восстановительных реакций в контроле бродильных производств?

7 Каким показателем характеризуется окислительная и восстановительная способность среды?

8 Как в численном значении изменяется показатель rН₂ и как можно по величине rН₂ охарактеризовать окислительно-восстановительную способность раствора?

9 Какие применяются методы для определения окислительно-восстановительной способности?

10 На чем основан модифицированный метод Штейнера?

11 Как методом Штейнера определить ПОК сусла или пива?

Лабораторная работа №5 Исследование содержания углеводов различными методами в сырье, полупродуктах и продуктах бродильных производств

Химические методы определения углеводов основаны на восстанавливающей способности моносахаридов и некоторых полисахаридов первого порядка, например, мальтозы. Такие сахара содержат свободные альдегидные или кетонные группы и называются редуцирующими сахарами. Для определения тех сахаров, которые непосредственно восстанавливающей способностью не обладают, их предварительно подвергают гидролизу. Так, например, при определении сахарозы химическим методом ее подвергают инверсии и определяют количество полученного инвертного сахара.

Наиболее часто применяемые в контроле бродильных производств химические методы определения содержания сахаров можно разделить на следующие группы:

1. методы, основанные на окислении сахаров щелочными растворами двухвалентной меди;

2. методы, основанные на окислении сахаров, содержащих свободную альдегидную группу (альдоз) – йодом в щелочной среде; сахара, содержащие свободные кетонные группы – кетозы, например, фруктоза, в этих условиях не окисляются;

3. методы, основанные на окислении сахаров в щелочной среде оксидом железа.

Цель работы. Исследовать содержание сахара по Бертрану в пивном сусле и пиве.

Определение содержания сахаров по методу Бертрана

Метод Бертрана основан на свойстве сахаров, имеющих карбонильную группу, окисляться раствором Фелинга – окись меди в щелочной среде. Реактив Фелинга состоит из двух растворов (сливаемых в момент, когда они требуются по ходу анализа): Фелинг I – 4% раствор СuSО₄, Фелинг II – щелочной раствор винно-кислого калия-натрия (сигнетова соль).

Определение протекает по следующей схеме. При смешивании I и II растворов Фелинга сначала образуется голубой осадок гидроксида меди:

СuSО₄ + 2NaOH = Cu(OH)₂ + Na₂SO₄ (I)

Осадок гидроксида меди сразу же растворяется, реагируя с сегнетовой солью с образованием комплексного соединения меди:

СООН СООК

СНОН СНО

Cu(OH)₂ + СНОН = СНО Сu + 2Н₂О (II)

СООNa СООNa

сегнетова соль комплексное соединение меди

При этом голубой осадок исчезает, а жидкость приобретает интенсивный синий цвет, обусловленный образованием хорошо растворимой в воде комплексной соли меди. При кипячении в присутствии сахара комплексная соль распадается и выделяется кислород, идущий на окисление карбонильной группы сахара, и пропорциональное ему количество гемиоксида Cu₂О в виде осадка красного цвета.

Окисление сахаров жидкостью Фелинга является сложным процессом, приводящим к получению разнообразных продуктов распада и зависящим от многих условий, в том числе и от природы анализируемого сахара; следовательно, реакция окисления сахаров жидкостью Фелинга не может быть выражена стехиометрическим уравнением. Количество выпадающего осадка закиси меди зависит от следующих факторов: природы редуцирующего сахара; состава жидкости Фелинга, ее щелочности и общего объема нагреваемой жидкости; температуры и длительности нагревания; величины и формы сосуда, в котором ведется нагрев (кипячение); способа фильтрации и промывки осадка и пр.

Поэтому для получения точных результатов нужно строго придерживаться всех условий метода. Тогда, пользуясь эмпирическими таблицами, по количеству выпавшего осадка закиси меди можно найти количество редуцирующего сахара.

Дальнейшее определение сахара сводится к установлению количества выпавшего осадка меди. С этой целью его отделяют от жидкости фильтрацией под разряжением и растворяют в растворе кислых железоаммиачных квасцов, причем трехвалентное железо восстанавливается до двухвалентного по уравнению

Cu₂О + Fe₂(NH₄)₂(SO₄)₄ + H₂SO₄ = 2CuSO₄ + 2Fe SO₄ + (NH₄)₂ SO₄ + H₂O (III).

Количество образовавшегося двухвалентного железа определяют титрованием раствором перманганата калия:

2 KMnO₄ + 10Fe SO₄ + 8H₂SO₄=K₂SO₄ +2 MnSO₄+5 Fe (SO₄)₃ + 8H₂O (IV)

Из уравнения реакции (III) следует, что 2 атома меди валентны 2 атомам железа, а из уравнения реакции (IV) видно, что 2 молекулы перманганата калия эквивалентны 10 атомам железа, и, следовательно, 10 атомам меди, т.е. 2KMnO₄=10 Cu, или в граммах – 2 · 158,05 – 10 · 63,55.

Грамм-эквивалент KMnO₄ по меди составляет 158,05 : 5 = 31,6 г или 1 см³ 0,1н раствора содержит 0,00316 перманганата калия.

Из пропорции 2 · 158,05 – 10 · 63,55

0,00316 – х

находят титр перманганата калия по меди: х = 0,00316 ∙ 10 · 63,55 : (2∙158,05) = =0,00316 г, или 1 см³ 0,1н раствора перманганата калия соответствует 6,36 мг меди. Умножив на 6,36 количество перманганата калия, пошедшего на титрование раствора сульфата железа, определяют количество меди, восстановленной при окислении сахара. По этому количеству меди (приложение Б) находят количество анализируемого сахара.

Определение мальтозы в пивном сусле

В сусле содержится не только мальтоза, но и более сложные сахариды, а также глюкоза и другие редуцирующие вещества. Поэтому, чтобы определить действительное содержание мальтозы, нужно предварительно провести гидролиз сложных сахаридов до глюкозы и после определения ее количества результат умножить на 0,95 (коэффициент пересчета глюкозы на мальтозу, выведенный из отношения молекулярных масс, = 342,30 : (2 · 180,16)). Однако в повседневном контроле для ускорения анализа этого не делают, а результаты прямого определения редуцирующей способности сусла обозначают термином «сырая» мальтоза.

Аппаратура и реактивы. Установка для фильтрации; песочные часы на 3 минуты; пипетки на 20, 10 и 5 см³; мерные цилиндры на 20 см³; мерная колба на 250 см³; конические колбы на 150 см³; колбы Бунзена на 250 см³; раствора Фелинга I (40 г перекристаллизованного CuSO₄ ∙ 5Н₂О в 1 дм³ воды) и II (200 г сегнетовой соли и 150 г КОН в 1 дм³ воды); кислый раствор сульфата железа (III) (50 г Fe ₂ (SO₄)₃ или 100 г железоаммонийных квасцов растворяют в воде, добавляют 200 см³ серной кислоты плотностью 1,84 и объем доводят водой до 1 дм³; титрованный раствор перманганата калия.

Ход определения. При содержании сухих веществ в сусле 12-16% его разводят водой в 25 раз. Для этого пипеткой отмеривают 10 см³ сусла в мерную колбу на 250 см³, объем доводят до метки дистиллированной водой и раствор тщательно перемешивают. В коническую колбу пипеткой отмеривают 20 см³ полученного раствора и мерными цилиндрами по 20 см³ растворов Фелинга I и II (для каждого раствора должен быть свой цилиндр и их нельзя путать при повторном использовании). Смесь перемешивают, за 3-4 минуты нагревают до кипения и кипятят точно 3 минуты на открытом пламени газовой горелки, подставив под колбу асбестовую сетку с круглым вырезом посередине, диаметр которого меньше диаметра дна колбы. За момент закипания принимают появление пузырьков на всей поверхности жидкости. С начала кипения пламя под колбой уменьшают, добиваясь равномерного спокойного кипения. Через 3 минуты колбу снимают с огня, дают отстояться осадку (1-2 минуты) и приступают к фильтрации.

При фильтрации возможны механические потери осадка и потери за счет его окисления кислородом воздуха, поэтому жидкость нужно сливать на фильтр осторожно, по палочке, стараясь не переносить осадок на фильтр, так как на фильтре он труднее растворяется. Чтобы избежать окисления меди, осадок в колбе и на фильтре всегда держат под слоем жидкости.

Полностью слив синюю жидкость из колбы на фильтр, в колбу тотчас наливают 30-60 см³ горячей дистиллированной воды, осадку дают немного отстояться, затем промывную воду также декантацией переводят на фильтр. К этому моменту на фильтре не должно быть синей жидкости. Промывку осадка горячей водой повторяют 2-3 раза, а затем осадок в колбе растворяют 15-20 см³ раствора сульфата железа (III) или железоаммонийных квасцов, тщательно обмывают им стенки колбы, чтобы растворить прилипшие к ним крупицы осадка. Раствор в колбе приобретает ярко-зеленый цвет.

После отфильтровывания последней порции промывной воды приемную колбу под фильтром меняют на чистую и раствор сульфата железа из конической колбы осторожно, по палочке, переносят на фильтр.

Чтобы ускорить растворение осадка на фильтре, верхний слой фильтрующей массы слегка размешивают палочкой. При полном растворении осадка черные крупинки меди исчезают с поверхности фильтра. Затем коническую колбу и фильтр 5-6 раз промывают холодной дистиллированной водой, для чего каждый раз в колбу наливают по 20-25 см³ воды, ополаскивают стенки колбы и ополоски выливают на фильтр. После того, как вся вода пройдет через фильтр, операцию повторяют. Закончив промывание, фильтрат сразу же титруют раствором перманганата калия до изменения зеленоватой окраски на розовую. Переход цвета совершается четко при добавлении одной избыточной капли раствора перманганата калия. Расхождение между двумя параллельными титрованиями при расходе 6-7 см³ перманганата калия не должно превышать 0,05 см³ (если идет 10-12 см³, то допускается расхождение на 0,1 см³).

Параллельно с основным анализом проводят определение поправки на реактивы. Определение ведут так же, как и основной анализ, но вместо сахарного раствора берут 20 см³ дистиллированной воды. Поправку выражают в см³ раствора перманганата калия и вычитают ее из количества перманганата калия, пошедшего на титрование основного опыта. Разность между этими числами умножают на титр перманганата калия и получают количество меди (в мг), восстановленной сахаром. По приложению 2 в столбце «мальтоза» находят цифру, равную найденному количеству меди, а в столбце «сахар» – соответствующее ему количество сахара. Если в таблице нет такой цифры, то производят интерполяцию по двум близким значениям.

По принятым разведениям содержание мальтозы Х в неразведенном сусле (в граммах на 100 см³) рассчитывают по уравнению

Х = а · 250 · 100 : (20 · 10 · 1000), (16)

где а - количество мальтозы в 20 см³ раствора сусла, мг;

250 – общий объем раствора сусла, см³;

100 – пересчет на 100 см³ исходного сусла;

20 – объем раствора сусла, взятого на анализ, см³;

10 – объем исходного сусла, взятого на анализ, см³;

1000 – перевод миллиграммов в граммы.

Пример. На анализ взято 10 см³ исходного сусла в колбу на 250 см³, а на определение мальтозы – 20 см³ полученного раствора сусла. На титрование израсходовано 13,86 см³ перманганата калия, титр которого по меди равен 6,36 мг. Поправка на реактивы 0,1 см³. Количество меди, восстановленной сахарами – (13,86 – 0 ,1) · ·6,36 = 87,5 мг. По приложению Б 88,3 мг меди соответствует 81 мг мальтозы, 87,2 мг меди – 80 мг мальтозы. После интерполяции находим, что 87,5 мг меди соответствует 80,3 мг мальтозы. Содержание мальтозы в 100 см³ исходного сусла рассчитывают по уравнению (14):

Х = 80,3 · 250 · 100 : (20 · 10 · 1000) = 10,04 г.

Методу Бертрана присущи следующие недостатки: нагревание на открытом огне не позволяет точно выдерживать температуру, следовательно, и продолжительность подогрева жидкости до кипения, что является одним из главных источников ошибок анализа; на отделение и растворение осадка оксида меди (I) затрачивается много времени; опасность механических и химических потерь оксида меди (I) обязывает к особой тщательности и требует определенных навыков в работе.

Достоинством метода является высокая точность результатов определения, при квалифицированном проведении анализа расхождение между двумя параллельными определениями не превышает 0,3% относительных. Метод разработан для большинства сахаров (как гексоз, так и пентоз), что свидетельствует о его широком применении.

Метод, основанный на окислении альдоз йодом

Метод разработан Вильштеттером и Шудлем. В основу метода положена реакция окисления альдегидной группы сахаров в соответствующую одноосновную кислоту. Например, глюкоза окисляется в глюконовую кислоту по уравнению:

СН₂ОН (СНОН)₄СОН + J₂ +2NaОН = СН₂ОН (СНОН)₄СОН +NaJ + Н₂О.

По приведенному уравнению процесс окисления сахаров протекает лишь в слабощелочной среде и при комнатной температуре. Щелочь добавляют в количестве, достаточном для нейтрализации образующейся кислоты, при этом щелочность среды не должна превышать рН 9. Кетозы в этих условиях не окисляются, что позволяет определять глюкозу в присутствии фруктозы.

В сильнощелочной среде и при повышенной температуре альдозы окисляются в двухосновные кислоты, происходит также окисление кетоз, и результаты анализа значительно завышаются.

Количество окислившегося сахара определяют по разности между объемом раствора йода, взятого на окисление сахара, и объемом его избытка. Избыток йода определяют титрованием тиосульфата натрия в кислой среде в присутствии крахмала.

Кислоту перед титрованием добавляют в строго определенном количестве, так как в сильно кислой среде образовавшиеся при окислении сахаров йодит и йодат натрия, вступая в реакцию с кислотой, выделяют свободный йод:

NaJО₃ +5 NaJ +3Н₂SO₄ = 3J₂ + 3Na₂ SO₄ + 3 Н₂О.

Этот йод также оттитровывается тиосульфатом натрия, и результаты анализа сильно занижаются.

Крахмал добавляют в конце титрования, чтобы уменьшить адсорбцию на нем йода.

Содержание сахара в анализируемой пробе рассчитывают по уравнению реакции окисления, из которой видно, что на окисление одной молекулы сахара идет 2 атома йода. Для глюкозы эквивалент по йоду равен 180 : 2 = 90 г, а для мальтозы 342 : 2 = 171 г, где 180 и 342 – массы молекул сахаров. Следовательно, 1 см³ 0,1н раствора йода эквивалентен 0,009 г глюкозы и 0,0171 г мальтозы.

Для анализа готовят растворы, содержащие не больше 0,5% сахара.

Метод широко используется для определения редуцирующих сахаров в сусле, активности амилолитических ферментов солода и грибных культур, при химическом определении крахмала в зерне и других анализах. Ниже приводится методика определения мальтозы в пивном сусле.

Аппаратура и реактивы. Конические колбы на 200 см³; мерная колба на 250 см³; пипетки на 10, 15 и 50 см³; мерные цилиндры на 100 см³; 0,1н раствор йода; 0,1н раствор тиосульфата натрия; 1 н раствор гидроксида натрия; 1 н раствор серной кислоты; 1% раствор крахмала.

Ход определения. В мерную колбу на 250 см³ пипеткой отмеривают 10 см³ сусла, объем колбы доводят до метки водой и перемешивают. Затем 50 см³ раствора пипеткой вносят в коническую колбу, сюда же пипеткой (или из бюретки) добавляют 25 см³ 0,1 н раствора йода, из цилиндра 3 см³ 1 н раствора щелочи. Колбу закрывают пробкой, содержимое колбы перемешивают и ставят в темное место, чтобы избежать обратных фотохимических процессов. Через 15-20 минут к смеси добавляют 4,5 см³ 1 н раствора серной кислоты и титруют 0,1н раствором тиосульфата натрия до светло-желтой окраски. Затем прибавляют несколько капель раствора крахмала и медленно, при энергичном взбалтывании, по каплям приливают раствор тиосульфата натрия до исчезновения синей окраски крахмала.

Содержание мальтозы х (в граммах на 100 см³ ) вычисляют по формуле:

(17)

где а – объем 0,1 н раствора йода, взятый на реакцию окисления, см³;

б – объем 0,1 н раствора тиосульфата, пошедшего на титрование избытка

йода, см³;

n – коэффициент разведения сусла;

в – объем раствора сусла, взятый на реакцию окисления, см³.

Определение ведут в двух параллельных пробах, расхождение между которыми не должно превышать 0,1-0,2 см³ раствора йода.

По точности получаемых результатов методы, основанные на йодометрическом определении закисной или окисной меди после окисления сахаров, равноценны перманганатным методам. Параллельные определения дают расхождения, не превышающие 0,3%. Но эти методы имеют преимущество в смысле быстроты анализа, поскольку отпадает довольно трудоемкий процесс фильтрования и растворения закиси меди (метод Бертрана).

Йодометрический метод Вильштеттера, основанный на прямом окислении сахара йодом, имеет еще выгодное отличие от методов, основанных на применении фелинговой жидкости, так как реакция идет в строго стехиометрических отношениях. Это обеспечивает высокую точность метода при меньшем искажающем влиянии условий анализа на результаты определения.

Таким образом, химические методы определения углеводов, основанные на редуцирующих свойствах сахаров, являются сами по себе точными методами. При непосредственном определении сахаров, имеющих свободную альдегидную группу, они довольно быстры и оперативны.

Таблица 6 – Содержание мальтозы в образцах пивного сусла в зависимости от суток брожения

Сутки сбраживания сусла	Содержание мальтозы, в г на 100 см^3 сусла по методу
	Бертрана	Вильштеттера и Шудля
Охмеленное сусло
Вторые сутки брожения
Четвертые сутки брожения
Седьмые сутки брожения (молодое пиво)

Вопросы для самопроверки