Петер Сладкий, Хана Цисаржова, кафедра химической физики и оптики, физико-математический факультет, Карлов Университет, Прага
1. Введение
Для быстрой оценки эффекта коллоидной стабилизации пива и взаимодействия белков и полифенольных веществ в производственной практике применяют так называемое испытание пива сульфатом аммония, проводимое в соответствии с работой [1]. Аналогичный способ проведения “сульфатного теста” пива описан в аналитическом обзоре [2], где в отличие от работы [1] применяли принципиально более верное название “сульфатного” теста: “порог осаждения (коллоидов пива) сульфатом аммония”.
С обычной физико-химической точки зрения испытание пива с помощью сульфата аммония представляет собой так называемое осадочное титрование, которое отличается сплошь скачковым изменением мутности раствора при превышении пороговой концентрации титранта в титрованной пробе. В нашем случае речь идет о пороговой концентрации насыщенного раствора сульфата аммония в пробе пива.
Тем не менее в аналитических обзорах по пивоварению [1] и [2] приводят и фотометрические методы определения порога осаждения коллоидов пива с помощью насыщенного раствора сульфата аммония, точность которых мала, как и при оценке развития мутности проб на глаз.
Целью предложенной работы является описание нового объективного и уточненного способа измерения порога осаждения коллоидов пива при комнатной температуре с помощью лабораторного пивоваренного мутномера [3], настроенного на измерение мутности проб объемом несколько миллилитров [4]. Нижеописанным способом можно проводить измерения и промышленных проб сусла и охмеленного сусла без их предварительной подготовки, например без грубой фильтрации [5]. Преимуществом предложенного процесса определения порога осаждения коллоидов пива, охмеленного сусла и сусла или же экстракта солода является и малый расход титрантов, что позволяет работать с относительно дорогими химическими реактивами биохимической чистоты.
2. Описание измеряемых величин и определение порога осаждения
При объективном, т.е. фотометрическом осадочном титровании обычно измеряют какую-нибудь величину, описывающую мутность пробы, такую, как, например, трансмиссионная мутность или нефелометрическая мутность, в зависимости от увеличения объемного количества титранта. В случае сульфатного теста речь идет об изучении динамики развития мутности в точно отмеренном объеме исследуемой пробы пива в зависимости от точно отмеренного количества добавляемого насыщенного раствора, сульфата аммония во времени.
Принимая во внимание тот факт, что величина измеренной мутности образующегося осадка или временно растворяющейся мутности обычно зависит от кинетики протекающих реакций и от последующего или же исходного строения частиц титрованного раствора необходимо, чтобы перемешивание пробы во время титрования проводилось единым и воспроизводимым способом. Обычно используемое перемешивание титрованных проб магнитными мешалками не всегда гарантирует хорошее перемешивание по причине различной скорости вращения мешалок, а также размеров используемых мешалок и емкостей. Значительно более выгодным с точки зрения кинетики реакций осаждения и процессов коагуляции является быстрое однократное перемешивание пробы с титрантом (например, поршневой мешалкой) сразу же после поступления порции титранта в пробирку. Такое перемешивание проводят после уже почти стационарной перикинетической коагуляции частиц в растворе пробы [6].
Собственно значение порога осаждения определяли преимущественно с помощью касательной к пороговой и надпороговой части функции Z = Z(C), как показано с помощью графиков на рис.1 и 2. Отметим, что допороговая зависимость Z = Z(C) не должна быть постоянной, т.е. параллельной оси концентраций; может наблюдаться и ее возрастание в результате параллельно протекающих процессов замутнения. Функция Z(C) до порога осаждения с увеличением концентрации сульфата аммония может даже уменьшаться под влиянием растворения мутнообразующих веществ, присутствующих в пробе.
Во всех приведенных случаях тангенциальное или “касательное” определение порога осаждения Сsa с физико-химической точки зрения является наиболее точным [7]. Если довольствоваться менее точным определением порогового значения, то можно использовать так называемое “ординатное” определение, т.е. обозначить порог осаждения с помощью выбранного порогового значения мутности Zo, к которому прибавить соответствующее значение концентрации титранта Cso : Zo = Z(Cso) (см. также рис.1 и 2). Однако потом необходимо постоянно проводить измерения в едином режиме, используя единый способ тарирования.
3. Устройство лабораторного пивоваренного мутномера для измерений в пробирках
Обычные пивоваренные лабораторные мутномеры предназначены для измерения мутности пива непосредственно в бутылках или в больших цилиндрических кюветах подобного диаметра. Для проведения сульфатного теста в обычных химических пробирках можно использовать только те лабораторные пивоваренные мутномеры, которые можно снабдить подходящей насадкой на пробирку, располагающейся в измерительной камере мутномера. К таким установкам относится и мутномер, описанный в работе [3] с поправкой [4], который вообще позволяет проводить автоматическую регистрацию измеренных значений во времени и их графическое изображение с помощью персонального компьютера.
Для измерения мутности проб в пробирках выбранного диаметра с помощью подготовленного адаптера необходимо провести соответствующий пересчет единиц ЕВС тарированием системы с помощью стандартной суспензии формазина.
Результаты измерений мутности проб титрованного пива в пробирке в зависимости от добавки титранта в виде насыщенного раствора сульфата аммония можно, разумеется, записывать вручную в расграфленную таблицу. Однако наиболее выгодным является автоматическая запись измеренных значений с помощью подсоединенного персонального компьютера и подходящего табличного или графического программного продукта.
4. Дозирование и перемешивание раствора
Для достижения лучшей воспроизводимости результатов измерений необходимо проводить как можно более точное дозирование как титрованных проб, так и титранта.
Титрант необходимо добавлять в пробу равномерно равными дозами со скоростью, позволяющей добиться равновесия реакции. При шаговом (т.е. прерывистом) добавлении насыщенного раствора сульфата аммония в титрованную пробу пива после каждой порции реакционную смесь необходимо перемешивать, например проводить однократное поршневое перемешивание. Необходимо следить за тем, чтобы в течение дозирования и перемешивания отмеренная порция титранта была добавлена в пробу, а не осталась на стенках пробирки или мешалки.
Для дискретного и непрерывного добавления титранта в пробу с большим успехом применяются различные типы микробюреток, некоторыми из которых можно программно управлять с помощью встроенного или внешнего компьютера. Простой и недорогой микродозатор титранта можно изготовить самостоятельно, взяв за основу одноразовый шприц, снабженный змеевидной насадкой на иглу, заканчивающейся поршневой мешалкой с винтовым перемещением дозирующего поршня.
Для достижения как можно большей точности и воспроизводимости результатов определения порога осаждения коллоидов пива с помощью насыщенного раствора сульфата аммония важно также выбрать оптимальный объем пробы в пробирке, определяемый в зависимости от диаметра пробирки, высоты уровня пробы над измерительным пучком света. Оптимальная исходная высоты уровня пробы – несколько миллиметров над измерительным световым пучком, ограниченным зазорами держателя пробирки в измерительной камере.
5. Результаты измерений
Субъективное, т.е. визуальное, наблюдение за процессом замутнения в течение осаждения коллоидов пива насыщенным раствором сульфата аммония в пробирках согласно работам [1] или же [2] можно легко проводить, постепенно измеряя образующуюся мутность непосредственно в пробирках, где проходит реакция, с помощью преобразованного лабораторного пивоваренного мутномера, устройство которого описано выше (см. гл. 3 и работу [4]). Для того чтобы показать аналитические преимущества способа, предложенного в настоящей работе, в данной главе сравним его со способами [1] или же [2] , включая их фотометрический вариант.

5.1. Сравнение субъективных и объективных измерений в ряду пробирок согласно [1] и [2]
Согласно данным [1] (см. также [2]), в десять пробирок, пронумерованных от 0 до 9, диаметром 19 мм с точностью 1% отмерили 10 мл взболтанного пива. Проба пива была получена при закупке в торговой сети. Насыщенный раствор сульфата аммония (р.а. “Лахема”, Брно) готовили в соответствии в данными [1]. Измерения проводили при комнатной температуре (23 ± 1°С).
Насыщенный раствор сульфата аммония через микробюретку подавали в ряд пробирок, закрепленных на штативе, согласно схеме, приведенной в табл.1. После заполнения каждой пробирки в соответствии с [1] было проведено основательное взбалтывание смеси. Через 15 мин. отстаивания образовавшуюся мутность оценили как визуально, так и измерением в мутномере. Результаты измерения были записаны и оценены с помощью табл.1, которую предварительно можно распечатать перед каждым испытанием, или же с помощью графика на рис. 3.

5.2 Объективное измерение порога осаждения новым способом в одной пробирке
Для определения значения порога осаждения коллоидов пива новым способом в соответствии с нашим предложением достаточно объективно измерить развитие мутности пробы в зависимости от порции титранта в одной пробирке, расположенной с помощью соответствующей приставки в измерительной камере мутномера. При этом результаты измерений можно выразить в относительных единицах мутности без их перевода в единицы ЕВС тарированием с помощью формазинового стандарта. Относительно высокой продуктивности измерений можно достичь уже с помощью ручной записи полученных значений мутности при скоростях дозирования приблизительно 100 мл в минуту с однократным межоперационным перемешиванием поршневой мешалкой после каждого шага и внесения значения мутности в таблицу или отметки значения непосредственно на вспомогательном графике (см. табл. 2 и рис. 4).
Дальнейшего увеличения аналитической продуктивности (это касается как точности, так и скорости) можно достичь автоматической регистрацией измеренных значений с помощью персонального компьютера, подсоединенного к применяемому мутномеру. В памяти компьютера в зависимости от времени регистрируются количество добавляемого титранта и соответствующее ему равновесное значение образованной мутности после предварительного однократного перемешивания. Измерения можно проводить, используя простое математическое обеспечения для записи процесса замутнения во времени при сохранении равномерных интервалов времени между добавлением отдельных постоянных порций насыщенного раствора сульфата аммония в пробирку с пробой, с последующим однократным перемешиванием после каждой порции.
Пример определения порога осаждения пробы с помощью простого графического программного продукта [8] приведен на рис. 5.
6. Обсуждение результатов
Определение порога осаждения коллоидов пива с помощью насыщенного раствора сульфата аммония согласно [1] или же [2] было проведено с относительной точностью приблизительно 1%: 0,1 мл титранта на 10 мл исходного объема титрованной пробы. Достижение точности определения свыше 1% требует сохранения максимально хороших условий эксперимента, начиная с очень точного дозирования титранта определенной чистоты, качественного перемешивания и температуры реакции. Это задано очень сложными и до сих пор не полностью познанными процессами осаждения коллоидов пива или же промежуточных продуктов пивоваренного производства.
Определенной точности можно достичь, естественно, большим количеством экспериментов и их статистической оценкой. Этому способствует в принципе и новый, вышеописанный способ проведения сульфатных тестов с объективным измерением мутности непосредственно в химических пробирках.
Подробное качественное обсуждение ошибок измерения при нефелометрическом титровании требует анализа, который выходит за рамки настоящей работы. Поэтому здесь обратим внимание только на технико-экономические преимущества предложенного способа измерения.
Согласно указанной возможности более точного проведения сульфатного теста пива его объективным измерением с высокой продуктивностью аналитической работы и соответствующей статистической оценкой измеренных данных принципиальными преимуществами нового способа являются очень малый расход химических реагентов и других материалов. Для проведения одного сульфатного теста предложенным способом требуется примерно 5 мл пробы пива и 1 мл насыщенного раствора сульфата аммония с содержанием приблизительно 0,7 г безводного кристаллического сырья. Значит, для измерения новым способом требуется максимум 1 г сульфата аммония биохимической чистоты.
В случае классического сульфатного теста, согласно [1] или же [2], расход сульфата аммония для проведения одного измерения в 5-10 раз больше. Этому соответствует и больший расход пробирок и другого вспомогательного материала, а следовательно, и более продолжительное время.
7. Заключение
Описанный новый способ объективного проведения испытаний пива с помощью сульфата аммония (а также другими титрантами) по сравнению с существующими способами отличается рядом преимуществ:
– аналитически определенным ограничением порога осаждения коллоидов проб;
– нефелометрическим определением порога осаждения в обычных химических пробирках, т.е. в неспециализированных фотометрических кюветах;
– определенным поршневым перемешиванием титранта в пробах с последующей стационарной перикинетической коагуляцией (без необходимости использования магнитных мешалок);
– высоким коэффициентом полезного действия, т.е. скоростью и точностью определения уже при ручной записи измеренных значений;
– малым расходом проб и титрантов (приблизительно 5 мл пробы и несколько миллилитров титранта в случае насыщенного раствора сульфата аммония);
– минимально десятикратной экономией затрат, необходимых для одного анализа, по сравнению с существующими способами;
– возможностью автоматического проведения тестирования при использовании простых адаптированных мутномеров в соединении с персональными компьютерами, снабженными графическим программным продуктом.
Новую вышеописанную методику проведения сульфатного теста можно с успехом применять как на больших, так и на малых пивоваренных заводах, для интенсификации производства и стандартизации качества, а тем самым и увеличения конкурентоспособности, включая укрепление экспортных возможностей продукции.
Литература
[1] BASAROVA, G. et al.: Pivovarsko-sladarsda analytika, Merkanta, Praha 1993, s. 724
[2] PFENNINGER, H. et al.: Brautechnische Analysenmethoden, Band II, 3.Aufgabe MEBAK, Freising- Weihenstephan, 1993, s. 164
[3] GABRIEL, P., et al.: Kvasny Prum. 40, 1994, s. 203
[4] SLADKY, P., et al.: Kvasny Prum. 44, 1998, s. 208
[5] SLADKY P., CISAROVA H.: v priprave
[6] POUCHLY, J.: Fyzikalni chemie makromolekularnich a koloidnich soustav, Vyd. VSCHT, Praha, 1998
[7] KALOUS, V.: Zaklady fyzikalne-chemickych metod, SNTL, Praha, 1975, s. 154
[8] GABRIEL, P.: Graficky software Magistr (nepublikovano)

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *