Хімічні методи визначення вуглеводів

Хімічні методи визначення вуглеводів базуються на окисненні вуглеводів, що містять вільну альдегідну або кетонну групу, певними хімічними реактивами – оксидами важких металів: оксидом міді, йодом, сполуками заліза та іншими сполуками. Оксиди металів окиснюючи цукри, відновлюються. Кількість відновленої речовини еквівалентна вмісту цукру в досліджуваному розчині. Саме ці методи переважно використовуються для визначення масової частки сахарози у готових виробах хлібопекарської, кондитерської, макаронної та харчоконцентратної промисловості.

Суть хімічних методів визначення сахарози у готових виробах полягає в переведенні сахарози в розчин, гідролізі сахарози з утворенням редукувальних сахарів і окисненні останніх оксидами важких металів або йодом у лужному середовищі. Серед металів як окисники використовують оксид міді (ІІ), оксид заліза (ІІІ). Найпоширенішими є методи, ґрунтовані на окисненні сахарів оксидом міді (ІІ): перманганатний метод (метод Бертрана), напівмікрометод ВНДІХП, метод гарячого титрування, які передбачені стандартом для визначення масової частки сахарози в булочних виробах, метод Лейна і Ейнона – у кондитерських виробах.

Для визначення вмісту цукру спочатку необхідно приготувати водну витяжку, в якій проводять гідроліз сахарози. Витяжку готують із тим розрахунком, щоб вміст цукру в ній був близько 0,5 %. Розрахунок наважки продукту проводять згідно формули:

(3.1)

де G – маса наважки продукту, яка береться для приготування витяжки, г; V_к – геометричний об'єм мірної колби, в якій готується витяжка, см³; С₁ – концентрація цукру в витяжці, % (рекомендується методикою визначення масової частки цукру і в залежності від методу аналізу може складати від 0,2 до 1,8 %); С₂ – очікувана масова частка загального цукру або редукуючих речовин в продукті, %.

Наважка переноситься в мірну колбу за допомогою води. Для кондитерських виробів застосовується гаряча вода. При великій кількості цукру в наважці колба з сумішшю витримується у водяній бані при температурі 60 °С 15 хвилин для розчинення цукру. Суміш настоюється для екстракції розчинних речовин. Потім в колбу вноситься сульфат цинку, суміш перемішується і вноситься гідрооксид натрію. Протікає реакція в результаті якої утворюється гідрооксид цинку:

ZnSO₄ + 2NaOH = Zn(OH)₂ + Na₂SO₄ (3-2)

Гідрооксид цинку погано розчиняється у воді і утворюється драглеподібний осад. При цьому осаджуються також водорозчинні білки, декстрини, пентозани та інші речовини. Вони після гідролізу, який проводиться пізніше, також здатні взаємодіяти з реактивом Фелінга. Тому їх необхідно осадити для зменшення похибки аналізу.

Після внесення гідроксиду натрію і сульфату цинку об’єм рідини в колбі доводиться водою до мітки і рідина перемішується.

Суміш відстоюється і фільтрується через складчастий паперовий фільтр.

При визначенні масової частки загального цукру проводиться гідроліз цукрів витяжки. Частина фільтрату (частіше всього об’єм 50 см³) переноситься в чисту мірну колбу (як правило об’ємом 100 см³). В колбу вноситься соляна кислота. Колба з рідиною витримується на водяній бані при температурі витяжки 67– 70 °С протягом 5 хв і швидко охолоджується. В колбу вноситься індикатор метиловий оранжевий і рідина нейтралізується концентрованим лугом. При цьому рожевий колір переходить в жовто-рожевий. Після цього об’єм розчину в колбі доводиться дистильованою водою до мітки і перемішується. Всі операції при гідролізі повинні виконуватись в точній відповідності з вказаним режимом. При вищій температурі та більшій тривалості гідролізу починається розклад глюкози і фруктози. Особливо чутлива до нагріву в кислому середовищі фруктоза.

В результаті проведених операцій отримують витяжку в якій містяться редукуючі цукри, кількість яких еквівалентна загальному вмісту цукрів в продукті.

Основним реактивом, який використовується при визначенні масової частки цукру хімічними методами є реактив Фелінга. Він складається з двох реактивів. В перший реактив (Фелінг І) входить сульфат купруму, в другий (Фелінг ІІ) – сегнетова сіль (виннокислий калій-натрій) і луг (гідроксид натрію).

На першому етапі хімізм названих методів однаковий і полягає в тому, що як джерело оксиду міді (ІІ) використовують рідину Фелінга, яку одержують змішуванням двох розчинів: Фелінга І (розчину CuSO₄) і Фелінга ІІ (лужного розчину тартрату калію-натрію – сегнетової солі). При змішуванні цих двох розчинів спочатку утворюється блакитний осад гідроксиду міді, який одразу розчиняється в результаті утворення комплексної сполуки міді й сегнетової солі (див. рівняння реакції (3-3) та (3-4)).

CuSO₄+2NaOH=Cu(OH)₂¯+Na₂SO₄; (3-3)

З цього видно призначення окремих речовин в реактиві Фелінга. Сульфат купруму використовується, як добре розчинна сполука в якій є двохвалентна мідь. Луг введено в склад реактиву для того, щоб сульфат купруму перевести в активну сполуку. Сегнетова сіль необхідна для утворення розчинної у воді сполуки міді.

Комплексна сполука нестійка і під час нагрівання в присутності редукувальних сахарів розпадається з утворенням окисника CuO. У результаті реакції з сахарами утворюється осад Cu₂O, кількість якого еквівалентна кількості сахарів, що прореагували – рівняння (див. 3-5).

Проте для реакції окиснення сахарів характерні різний ступінь окиснення й утворення різних продуктів окиснення, склад яких залежить від природи сахарів, умов проведення аналізу тощо. Крім того, реакція супроводжується побічними процесами – руйнуванням сахарів при нагріванні в лужному середовищі, їх окисненням під дією кисню повітря. Тому для визначення кількості сахарів за знайденою кількістю міді користуватись стехіометричним рівнянням не можна – потрібні спеціальні таблиці, складені дослідним шляхом для кожного методу і кожного виду сахарів.

У подальшому методи розрізняються способом визначення кількості міді, що вступила в реакцію окиснення сахарів.

В основу перменганатного метода Бертрана покладено визначення маси оксиду одновалентного купруму Cu₂O, який випав в осад при взаємодії реактиву Фелінга з редукуючими цукрами. Маса осаду визначається методом взаємодії його з сполуками трьохвалентного феруму (шляхом титрування розчину перманганатом калію).

Осад Cu₂O відокремлюють фільтруванням і визначають кількість оксиду міді (І). Для цього його розчиняють в кислому розчині сульфату заліза (ІІІ), який при цьому відновлюється до сульфату заліза (ІІ) і відтитровується перманганатом калію. Реакцію відтворюють рівняння (3.6) і (3.7):

Cu₂O+Fe₂(SO₄)₃+H₂SO₄=2CuSO₄+2FeSO₄+H₂O; (3-6)

10FeSO₄+2KMnO₄+8H₂SO₄=5Fe₂(SO₄)₃+K₂SO₄+2MnSO₄+8H₂O. (3-7)

Знаючи кількість розчину перманганату калію, що пішла на титрування, і титр розчину за міддю, можна розрахувати кількість міді, відновленої під час окиснення сахарів. За спеціальними таблицями, складеними дослідним шляхом, за знайденою кількістю міді визначають кількість відповідного виду сахарів (сахарози або інвертних сахарів, мальтози, глюкози).

Особливу увагу треба звернути на методику визначення титру KMnO₄ за міддю [1, с. 80].

Титр марганцевокислого калію можна обчислити, виходячи з наведених вище рівнянь реакції, й перевірити титруванням 0,4965 г щавлевої кислоти у присутності 10 см³ H₂SO₄ перманганатом [1, с. 80].

Коефіцієнт перерахунку щавлевокислого амонію на мідь можна розрахувати таким чином: виходячи з рівнянь (3-6) і (3-7) дві молекули перманганату калію (2KMnO₄) відповідає десяти атомам міді (10Cu⁺). Водночас взаємодія перманганату калію з щавлевокислим амонієм при визначенні титру KMnO₄ відбувається згідно з рівнянням:

2KMnO₄+5(NH₄)₂C₂O₄+8H₂SO₄=2MnSO₄+K₂SO₄+5(NH₄)₂SO₄+10CO₂+8H₂O (3-8)

З цього можна зробити висновок:

1(NH₄)₂C₂O₄ ® 2Cu⁺;

М – 142,12; М=2·63,6.

Якщо відома маса m, г, відтитрованого перманганатом щавлевокислого амонію, кількість міді можна визначити з пропорції:

142,12	– 2´63,6
m	– х

де 0,8951 – коефіцієнт перерахунку (NH₄)₂C₂O₄ на мідь.

Титр KMnO₄ можна також встановити, титруючи свіжоперекристалізовану щавлеву кислоту чи щавлевокислий натрій, звільнений від гігроскопічної води. У цьому разі використовують коефіцієнти 1,0086 і 0,9488 відповідно для щавлевої кислоти та щавлевокислого натрію.

Метод Вільштеттера і Шудля грунтується на тому, що йод в лужному середовищі кількісно окиснює альдосахари у відповідні одноосновні кислоти, кетози при цьому не змінюються:

CH₂OH(CHOH)₄COH+J₂+2NaOH = CH₂OH(CHOH)₄COOH+2NaJ+H₂O (3-9)

Окислювальна дія лужного розчину йоду відбувається за схемою:

Надлишок йоду, що не вступив у реакцію з сахарами, відтитровується тіосульфатом натрію:

І₂+2Na₂S₂O₃=2NaІ+Nа₂S₄O₆. (3-10)

За цим методом паралельно проводять контрольний аналіз. При цьому замість витяжки використовують дистильовану воду.

Витрата тіосульфату натрію в контрольному аналізі показує кількість йоду, яку було внесено в колбу на початку аналізу. Витрата тіосульфату натрію в робочому аналізі показує скільки йоду залишилось після реакції окиснення альдоз. Різниця між витратою розчину тіосульфату натрію на титрування в контрольному і робочому аналізі показує, яка кількість йоду витрачена на окиснення альдоз.

Цей метод застосовують для визначення глюкози (альдози) в присутності кетоз.

У напівмікрометоді ВНДІХП, у методі Шорля та інших визначають не кількість утвореного Сu₂О, а кількість Cu²⁺, що не прореагувала. Для цього після реакції сахарів із розчинами Фелінга в реакційну колбу додають розчин йодистого калію і сірчану кислоту, внаслідок чого KІ окислюється до І₂. Йод, що виділився, відтитровується тіосульфатом натрію Na₂S₂O₃:.

2CuO+4KІ+ H₂SO₄=Cu₂І₂+І₂+2K₂SO₄; (3-11)

І₂+2Na₂S₂O₃=2NaІ+Na₂S₄O₆. (3-12)

Отже, кількість Na₂S₂O₃, що пішла на титрування І₂, еквівалентна кількості CuO, що не прореагувала. Для визначення тієї кількості міді, що прореагувала з сахарами, проводять контрольний дослід, в якому замість розчину цукру для реакції з розчинами Фелінга беруть відповідну кількість води. Далі визначення проводять, як і в робочому досліді. За різницею між кількістю Na₂S₂O₃, що пішла на титрування І₂ в контрольному і робочому дослідах, дізнаються про кількість міді (ІІ), що вступила в реакцію, і відповідну кількість цукру. 1 см³ 0,1 моль/дм³ розчину Na₂S₂O₃ відповідає 5,4 мг мальтози, 3,7 мг фруктози, 3,3 мг глюкози і 3,4 мг сахарози. Можна також скористатись таблицею, наведеною в праці [3, с. 291].

Метод гарячого титрування заснований на здатності редукуючих сахарів відновлювати в лужному розчині Сu (II) в Cu (I) і полягає в тому, що лужний розчин міді (реактив Фелінга) у процесі кип’ятіння титрують розчином сахарів у присутності метиленової сині як індикатора. Хімізм взаємодії сахарів з реактивом Фелінга аналогічний викладеному вище. Але в розчині І міститься метиленова синь, яка надає синього забарвлення реакційній суміші доти, поки в розчині немає редукувальних речовин. Якщо в реакційну колбу попадає хоч одна надлишкова крапля редукувальних сахарів, метиленова синь переходить у безбарвну лейкосполуку за схемою:

Спочатку визначають титр (Т) мідно-лужного розчину за сахарозою або кількість сахарів, еквівалентну 10 см³ мідно-лужного розчину, титруванням суміші розчинів І та ІІ стандартним розчином сахарози:

Т = 1,0·V, (3.3)

де V – об’єм стандартного розчину цукру, що пішов на титрування, см³; 1,0 – масова частка сахарози в 1 см³ стандартного розчину сахарози, мг.

Аналогічно виконують титрування досліджуваним розчином цукру. Треба зважати на те, що концентрація розчинів Фелінга І і Фелінга ІІ в цих методах відрізняється (табл. 1).

Таблиця 1