Способ распознавания искусственного и натурального апельсинового аромата в соках и напитках

Изобретение относится к аналитической химии органических соединений и может быть применено для установления фальсификации апельсиновых соков и напитков искусственными ароматизаторами. Способ распознавания искусственного и натурального апельсинового аромата в соках и напитках включает формирование матрицы сенсоров, состоящей из модифицированных сорбентами электродов пьезокварцевых резонаторов, пробоотбор, подготовку пробы равновесной газовой фазы, ввод ее в ячейку детектирования и регистрацию аналитического сигнала. При этом матрицу формируют из 6 масс-чувствительных пьезосенсоров объемных акустических волн, на электроды которых нанесены пленки сорбентов массой 8-13 мкг из растворов полистирола, пчелиного клея, пчелиного воска, триоктилфосфиноксида, поливинилпирролидона и краун-эфира. Отклики отдельных сенсоров фиксируют одновременно и формируют в виде суммарного сигнала в кинетический «визуальный отпечаток» в следующей последовательности: полистирол, пчелиный клей, триоктилфосфиноксид, поливинилпирролидон, пчелиный воск, краун-эфир. Затем полученные ароматограммы сравнивают с ароматограммами проб-тестов, а критерием идентичности проб является степень совпадения стандартов на уровне заданной значимости. Данное изобретение позволяет повысить экспрессность определения за счет сокращения времени подготовки и регенерации сенсоров матрицы, упростить стадию обработки сигналов отдельных сенсоров и формирования аналитического сигнала матрицы, визуализацию результатов в «отпечатки» аромата и существенно сократить стадию принятия решения о качестве пробы без сложных математических алгоритмов и высококвалифицированного персонала. 6 ил.

 

Изобретение относится к аналитической химии органических соединений и может быть применено для установления фальсификации апельсиновых соков и напитков искусственными ароматизаторами с использованием матрицы пьезокварцевых резонаторов с предварительной модификацией их электродов сорбентами различной природы.

Известен способ различения запахов фруктов (яблоки, бананы, апельсины и др.) с помощью матрицы 12 пьезоэлектрических акустических сенсоров со сдвигом по толщине с покрытием различными жидкими сорбентами (Cao Zh., Хи D., Jiang Jian-Hui, Wang Ji-Hong, Lin Н., Хи Cheng-Jiang, Zhang Xiao-Bing, Yu Ru-Qin. Minicking the ol factory system by a thickness-shear-mode acoustic sensor array//Anal. Chim. Acta, 1997. V.335, №1-2, Р.117-125). Пары фруктов сорбируются на жидких покрытиях, изменяя частотные характеристики сенсоров. Отклики отдельных сенсоров обрабатываются с применением математического алгоритма искусственных нейронных сетей. Матрица из 12 сенсоров с различными покрытиями позволяет различить аромат фруктов.

Недостатком способа является применение большого числа пленок и сенсоров, сложной математической программы для обработки сигналов и принятия решения.

Технической задачей изобретения является разработка способа распознавания искусственного и натурального апельсинового аромата в соках и напитках на основе создания матрицы масс-чувствительных пьезосенсоров, обеспечивающего высокую экпрессность, правильность, точность и простоту определения.

Техническая задача достигается тем, в способе распознавания искусственного и натурального апельсинового аромата в соках и напитках, включающем формирование матрицы сенсоров, состоящей из модифицированных сорбентами электродов пьезокварцевых резонаторов, пробоотбор, подготовку пробы равновесной газовой фазы, ввод ее в ячейку детектирования, регистрацию аналитического сигнала, новым является то, что матрицу формируют из 6 масс-чувствительных пьезосенсоров объемных акустических волн, на электроды которых нанесены пленки сорбентов массой 8-13 мкг из растворов полистирола, пчелиного клея, пчелиного воска, триоктилфосфиноксида, поливинилпирролидона и краун-эфира, а отклики отдельных сенсоров фиксируют одновременно и формируют в виде суммарного сигнала в кинетический «визуальный отпечаток» в следующей последовательности: полистирол, пчелиный клей, триоктилфосфиноксид, поливинилпирролидон, пчелиный воск, краун-эфир; полученные ароматограммы сравнивают с ароматограммами проб-тестов, а критерием идентичности проб является степень совпадения стандартов на уровне заданной значимости.

Технический результат заключается в экспрессной идентификации апельсиновых соков и напитков и установлении их фальсификации искусственным ароматизатором без сложных математических алгоритмов и дорогостоящих реактивов.

Способ реализуется следующим образом. Формируют матрицу из 6 масс-чувствительных пьезосенсоров объемных акустических волн с собственной частотой колебания 10 МГц, на электроды которых равномерно нанесены микрошприцем определенные объемы растворов сорбентов - полистирола (ПС) в толуоле, пчелиного клея (ПчК) в этаноле, пчелиного воска (ПчВ) в хлороформе, триоктилфосфиноксида (ТОФО) в толуоле, поливинилпирролидона (ПВП) в ацетоне и краун-эфира (КрЭ) в толуоле с последующим статическим испарением свободных растворителей в сушильном шкафу или эксикаторе над слоем осушителя. Оптимальный диапазон термической стабильности пленки модификатора 40-50°С, время термической обработки 20-30 мин. Модифицированные резонаторы охлаждают в эксикаторе над слоем осушителя до 20±2°С. Полноту удаления растворителя подтверждает постоянство частоты колебания пьензосенсора.

Резонаторы неподвижно закрепляют в держателях на крышке и помещают в герметичную ячейку детектирования объемом 50 см³.

Пробоподготовку образцов соков и напитков осуществляют путем приготовления и отбора средней пробы, которая помещается в бюкс с притертой пробкой и полиуретановой мембраной. Сок в бюксе выдерживают 10-15 мин, после насыщения газовой фазы парами апельсинового аромата через полиуретановую мембрану отбирают шприцем постоянный объем равновесной газовой фазы. Пробу быстро инжектируют в ячейку детектирования. Одновременно фиксируют частоту колебания сенсора с интервалом 5 с в течение 2-5 мин. Регистрировали время достижения максимального сигнала (τ_max) при сорбции легколетучих компонентов аромата. Модификаторы регенерируют в сушильном шкафу при рабочей температуре сорбентов в течение 10-15 мин.

Для оптимизации условий формирования "визуальных отпечатков" апельсинового аромата изучены хроночастотограммы натурального и искусственного апельсинового аромата на выбранных рецепторах и получен алгоритм регистрации сигнала с каждого сенсора в матрице. Оптимизировано расположение сенсоров в матрице с одновременным их опросом и формированием сигнала в "визуальный отпечаток" в следующей последовательности: 1 - ПС, 2 - ПчК, 3 - ТОФО, 4 - ПВП, 5 - ПВ и 6 - КрЭ.

В качестве проб-тестов выбраны искусственный ароматизатор "Апельсин" и свежеприготовленный апельсиновый сок. Для этих проб построены ароматограммы (суммарный сигнал матрицы) в виде кинетических "визуальных отпечатков" откликов матрицы 6 сенсоров, опрошенных по данному алгоритму в течение 60 с. В идентичных условиях анализируют пробы других соков и напитков. Их ароматограммы сравнивают с ароматограммами проб-тестов.

Примеры осуществления способа.

Пример 1. Электроды 6 пьезокварцевых резонаторов с собственной частотой колебания 10 МГц модифицируют равномерным нанесением микрошприцем 0,5-2,0 мкдм³ ацетонового раствора ПВП, толуольных растворов ПС, ТОФО и КрЭ, этанольного раствора ПчК, хлороформного раствора ПчВ для получения массы пленки 8-13 мкг с последующим статическим испарением свободных растворителей в сушильном шкафу или эксикаторе над слоем осушителя. В качестве растворителей для приготовления растворов модификаторов применяли ацетон (ПВП), толуол (ПС, ТОФО и КрЭ), этанол (ПчК) и хлороформ (ПчВ). Замена растворителей приводит к снижению чувствительности сенсоров, нестабильности "нулевого" сигнала, а в ряде случаев невозможности приготовления растворов модификаторов.

Оптимальный диапазон термической стабильности пленки модификатора 50±1°С, время термической обработки 30 мин. Модифицированные резонаторы охлаждают в эксикаторе над слоем осушителя до 20±2°С.

Резонаторы неподвижно закрепляют в держателях на крышке и помещают в герметичную ячейку детектирования объемом 50 см³.

Пробоподготовка образцов соков заключалась в приготовлении и отборе средней пробы, взвешивании сока в бюксе с притертой полиуретановой пробкой для отбора равновесной газовой фазы. Сок в бюксе выдерживали 15 мин, после насыщения газовой фазы парами апельсинового аромата через полиуретановую пробку отбирали шприцем постоянный объем равновесной газовой фазы.

В ячейку детектирования шприцем вводят равновесную газовую фазу свежеприготовленного апельсинового сока или искусственного ароматизатора объемом 10 см³. Отклики сенсоров регистрируют частотомером. Фиксируют опрос сенсоров с интервалом 5 с в течение 60-120 с. Сигналы сенсоров формируются в кинетический "визуальный отпечаток" в определенной последовательности: 1 - ПС, 2 - ПчК, 3 - ТОФО, 4 - ПВП, 5 - ПВ и 6 - КрЭ.

Модификаторы регенерируют в сушильном шкафу при рабочей температуре сорбентов в течение 15 мин. После охлаждения в эксикаторе до 20±2°С они применяются для последующих определений. Стабильность модификаторов при сорбции и десорбции паров позволяет многократно применять модифицированные резонаторы (число циклов сорбции, возможных с применением одного модифицированного пьезорезонатора, составляет 80-100). Параметр "уноса пленки" после 80 циклов сорбции не превышает 0,5%. Продолжительность анализа, включая модификацию электродов, составляет 1 ч; повторное применение сенсоров снижает затраты времени до 30-40 мин.

Способ осуществим. Кинетические "визуальные отпечатки" натурального апельсинового сока и искусственного ароматизатора "Апельсин" принципиально различимы (фиг.1). Сорбция ароматизатора на всех изученных сорбентах характеризуется продолжительностью и эффективностью.

Пример 2. Применяют 5 пьезокварцевых резонаторов с собственной частотой колебания 10 МГц. Модифицикация электродов и пробоподготовка аналогичны примеру 1, но из матрицы исключен пьезорезонатор, модифицированный ПС. Отклики сенсоров регистрируют частотомером. Проводят кинетический опрос сенсоров с интервалом 5 с в течение 60-120 с, сигналы формируют в "визуальный отпечаток" в определенной последовательности: 1 - ПчК, 2 - ТОФО, 3 - ПВП, 4 - ПВ, 5 - КрЭ.

Способ осуществим. При уменьшении числа сенсоров "визуальные отпечатки" искусственного ароматизатора уменьшаются, а при введении его в небольших количествах в напиток чувствительности матрицы будет недостаточно для надежной идентификации аромата.

Пример 3. Электроды 6 пьезокварцевых резонаторов с собственной частотой колебания 10 МГц модифицируют, как указано в примере 1. Отклики сенсоров регистрируют частотомером, изменив последовательность формирования сигнала в "визуальный отпечаток": 1 - КрЭ, 2 - ПчК, 3 - ТОФО, 4 - ПВП, 5 - ПВ и 6 - ПС. Проводят кинетический опрос сенсоров с интервалом 5 с в течение 60-120 с.

Способ неосуществим, так как произвольная схема регистрации сигналов отдельных сенсоров и формирования из них ароматограммы приводит к снижению степени различия "визуальных отпечатков" натурального и искусственного аромата апельсина.

Пример 4. Электроды 6 пьезокварцевых резонаторов с собственной частотой колебания 10 МГц модифицируют, как указано в примере 1, вместо толуольного растрора ТОФО на электроды одного из резонаторов наносят ацетоновый раствор апиезона L. Отклики сенсоров регистрируют частотомером. Проводят кинетический опрос сенсоров с интервалом 5 с в течение 60-120 с. Последовательность формирования сигнала в "визуальный отпечаток" следующая: 1 - ПС, 2 - ПчК, 3 - апиезон L, 4 - ПВП, 5 - ПВ и 6 - КрЭ.

Способ неосуществим. Полученные "визуальные отпечатки" (фиг.4) аромата натурального сока и искусственного ароматизатора свидетельствуют о существенном снижении чувствительности матрицы сенсоров, так как апиезон L не является чувствительным покрытием по отношению к легколетучим соединениям апельсина. При незначительном выветривании пробы невозможна надежная идентификация аромата.

Пример 5. Применяют 6 пьезокварцевых резонаторов с собственной частотой колебания 10 МГц. Модификацию электродов и пробоподготовку проводят, как указано в примере 1. Проводят единичный опрос сенсоров во времени, соответствующем достижению максимального отклика. "Визуальные отпечатки" аромата формируются в последовательности, указанной в примере 1.

Способ неосуществим. "Визуальные отпечатки" ароматов натурального сока и искусственного ароматизатора не различимы. По информации, полученной построением ароматограмм по максимальному значению отклика сенсоров (фиг.5), невозможна достоверная оценка качества сока и присутствия в нем искусственных ароматизаторов.

Пример 6. Применяют 6 пьезокварцевых резонаторов с собственной частотой колебания 10 МГц. Модификацию электродов и пробоподготовку проводят аналогично примеру 1, но получают пленки модификаторов массой 6,5 мкг. Последующие операции проводят, как указано в примере 1.

Способ неосуществим вследствие низкой воспроизводимости результатов, чувствительности определения и снижению откликов на ряде сенсоров (КрЭ, ПВП) на уровень шумов.

Пример 7. Электроды 6 пьезокварцевых резонаторов с собственной частотой колебания 10 МГц модифицируют, как указано в примере 1, но масса пленок-модификаторов составляет 15,0 мкг. Последующие операции проводят, как указано в примере 1.

Способ неосуществим вследствие срыва автоколебаний резонаторов с пленками ПС, ТОФО, ПчВ и невозможностью фиксирования откликов Кроме того, нарушается стабильность пленок при десорбции и регенерации. Для сенсоров без срыва автоколебаний (ПчК, ПВП, КРЭ) число циклов сорбции снижается (30-50 циклов). Значительное повышение массы сенсора при сорбции приводит к потере массы пленки после 10 циклов сорбции более чем на 5%.

Приведенные примеры и рисунки доказывают, что решение поставленной задачи достигается тем, что электроды пьезокварцевых резонаторов модифицируют сорбентами с различным сродством к различным легколетучим компонентам апельсинового аромата. Большая часть компонентов апельсинового аромата относится к полярным соединениям, поэтому применены сенсоры на основе полярных сорбентов, таких как ПВП, ТОФО, КрЭ, ПчК. Малополярные вещества удерживаются неполярными сорбентами, такими как ПС, ПчВ. Способ распознавания искусственного и натурального апельсинового аромата в соках и напитках осуществим, если "визуальные отпечатки" получают с применением матрицы 6 сенсоров, кинетический опрос которых производят в течение 60 с одновременно, а сигналы формируют в "визуальный отпечаток" в последовательности: 1 - ПС, 2 - ПчК, 3 - ТОФО, 4 - ПВП, 5 - ПВ и 6 - КрЭ.

Проведено тестирование различных образцов апельсинового сока и напитков с применением матрицы 6 сенсоров в оптимальном режиме. Построены кинетические "визуальные отпечатки" их ароматов. Сопоставление "визуальных отпечатков" нескольких образцов восстановленного апельсинового сока и нектара позволяет быстро идентифицировать пробу и определить наличие искусственного ароматизатора (фиг.6). Из приведенного примера можно установить, что пробы 1 и 2 содержат искусственный ароматизатор, о чем свидетельствуют значимые отклики сенсоров после 20 с сорбции. В пробах 3 и 4 искусственный ароматизатор отсутствует. "Визуальные отпечатки" нектаров (пробы 3 и 4) идентичны отпечаткам натурального апельсинового сока, что подтверждает достоверность информации о присутствии в нектаре натурального ароматизатора апельсина в соответствии с требованиями ГОСТов. Меньшая площадь "визуальных отпечатков" этих проб подтверждает снижение концентрации основных компонентов апельсинового сока в нектарах.

Таким образом, с применением матрицы разнородных пьезосенсоров показана принципиальная возможность экспрессной оценки фальсификации искусственными ароматизаторами натуральных и восстановленных апельсиновых соков и нектаров по кинетическим "визуальным отпечаткам" аромата.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет:

1) повысить экспрессность определения за счет сокращения времени подготовки и регенерации сенсоров матрицы (6 - в заявленном способе, 12 - в прототипе);

2) упростить стадию обработки сигналов отдельных сенсоров и формирования аналитического сигнала матрицы;

3) визуализация результатов в "отпечатки" аромата упрощает и существенно сокращает стадию принятия решения о качестве пробы без сложных математических алгоритмов и высококвалифицированного персонала.

Способ распознавания искусственного и натурального апельсинового аромата в соках и напитках, включающий формирование матрицы сенсоров, состоящей из модифицированных сорбентами электродов пьезокварцевых резонаторов, пробоотбор, подготовку пробы равновесной газовой фазы, ввод ее в ячейку детектирования, регистрацию аналитического сигнала, отличающийся тем, что матрицу формируют из 6 масс-чувствительных пьезосенсоров объемных акустических волн, на электроды которых нанесены пленки сорбентов массой 8-13 мкг из растворов полистирола, пчелиного клея, пчелиного воска, триоктилфосфиноксида, поливинилпирролидона и краун-эфира, отклики отдельных сенсоров фиксируют одновременно в течение 60 с и формируют в виде суммарного сигнала в кинетический «визуальный отпечаток» в следующей последовательности: полистирол, пчелиный клей, триоктилфосфиноксид, поливинилпирролидон, пчелиный воск, краун-эфир, полученные ароматограммы сравнивают с ароматограммами проб-тестов, а критерием идентичности проб является степень совпадения стандартов на уровне заданной значимости.