СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРОКА ГОДНОСТИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ Российский патент 2002 года по МПК G01N33/04 

Изобретение относится к способам исследования и анализа материалов с помощью оптических средств, в частности систем, в которых материал вступает в химическую реакцию, путем наблюдения за изменением цвета под действием химического индикатора.

Изобретение может быть использовано в пищевой промышленности, общественном питании и в санитарной гигиене при изготовлении и хранении пищевых продуктов, разработке новых пищевых продуктов. Для определения качества пищевых продуктов с неизвестным сроком хранения, для определения длительности сроков хранения и оценки качества пищевых продуктов, в частности, при производстве молочных и кисломолочных продуктов различной жирности. Способ может найти применение при определении изменения сроков хранения пищевых и, в частности, молочных продуктов в зависимости от реальных условий их хранения и содержания в них жира.

Уровень техники
Время, в течение которого продукт питания может быть употреблен в пищу без каких-либо вредных последствий для живого организма, характеризуется либо сроком годности, либо сроком хранения. Указанное время зависит от исходного качества продукта и условий его хранения. Как правило, чем выше температура хранения, тем меньше срок годности пищевого продукта. В предлагаемом изобретении признак "срок годности пищевого продукта" является синонимом признака "срок хранения пищевого продукта".

Известен способ определения срока хранения молочных продуктов (см. Г.С. Инихов, Н. П. Брио "Методы анализа молока и молочных продуктов", с.291, "Определение перекисного числа", изд-во "Пищевая промышленность", М., 1971 г.), включающий измерение в течение времени хранения в пищевом продукте концентрации образующихся и разлагающихся перекисных соединений и определение так называемого перекисного числа, по величине которого судят о качестве пищевого продукта и сроке его хранения.

Использование этого способа для определения срока годности пищевых продуктов требует больших затрат времени особенно при определении срока годности продуктов длительного хранения.

Известен способ, позволяющий определять сроки и условия хранения, в частности, пищевых продуктов (Патент RU, 2035719, С1, 20.05.1995. МПК⁷ G 01 N 21/78), основанный на определении активности фосфолипазы D. Способ включает выделения фосфолипидов хлороформом, окрашивание их VBR-реагентом и измерение оптической плотности фотометрически на длине волны 590 нм.

Указанный способ предусматривает проведение ферментативной реакции расщепления фосфатидилхолина. Однако данное соединение присутствует не во всех пищевых продуктах, что существенно ограничивает область применения данного способа.

Наиболее близким по назначению и совокупности существенных признаков к заявленному изобретению является способ определения срока годности пищевых продуктов ("Гигиеническая оценка сроков годности пищевых продуктов" Методические указания МУ 4.2.727-99 - Мин. Здрав. РФ 1999 г., с. 5-15), включающий отбор образцов пищевых продуктов, микробиологические и физико-химические исследования образцов пищевых продуктов в динамике хранения при заданных температурах хранения, изучение изменения величин показателей окислительной порчи жирового компонента пищевых продуктов и определение по полученным данным срока годности пищевых продуктов.

Данный способ предусматривает проведение исследований, длительность которых должна превышать в 1,15-1,5 раза предполагаемый срок годности пищевого продукта, который в свою очередь может превышать шесть месяцев. Кроме этого данный способ не дает возможности определить время, оставшееся до конца срока годности пищевых продуктов, если неизвестны условия, при которых продукт хранился.

Сущность изобретения
Задачей изобретения является разработка экспрессного способа определения срока годности пищевых продуктов, который не требует длительных исследований в течение всего предполагаемого срока годности пищевых продуктов, может быть использован в производственных условиях и в любых организациях, занимающихся определением срока годности пищевых продуктов. При этом в любой момент срока хранения продукта может быть определено время, оставшееся до истечения срока годности, который существенно зависит от условий хранения.

В результате осуществления изобретения достигаются следующие технические результаты: сокращение времени исследований при установлении срока годности пищевых продуктов, повышение точности этих исследований, определение срока годности пищевых продуктов для любой заданной температуры их хранения, определение интервала времени, остающегося до истечения срока годности пищевых продуктов при заданных условиях хранения, в любой момент от даты изготовления до срока годности, выявления нарушений условий хранения, приводящих к сокращению срока годности пищевых продуктов, определение температуры, при которой хранился пищевой продукт, количественное определение срока наступления вкусового порока продукта, связанного с условиями хранения, и саму величину этого порока, измерение суммарного содержания продуктов окисления жира, вызывающих вкусовой порок, а не промежуточно образующихся и разлагающихся перекисных соединений (т.н. перекисное число).

Для достижения указанных технических результатов в способе определения срока годности пищевого продукта проводят микробиологические и физико-химические исследования образцов пищевых продуктов, изучение показателей окислительной порчи жирового компонента пищевых продуктов и определение по полученным данным срока годности пищевых продуктов.

Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в том, что в качестве показателя окислительной порчи жирового компонента пищевого продукта определяют содержание альдегидов и/или кетонов в образце пищевого продукта.

При этом целесообразно определять содержание альдегидов и/или кетонов фотометрически, используя в качестве группового реагента тиобарбитуровую кислоту.

Для фотометрического определения содержания альдегидов и/или кетонов (С_а,к) предпочтительно использовать электромагнитное излучение с длиной волны 350-450 нм, а качестве контрольной пробы - изопропиловый спирт.

Целесообразно также дополнительно определять общую скорость реакции окисления жира (W) в пищевом продукте при заданной температуре его хранения.

Целесообразно дополнительно определять время (τ), оставшееся до истечения срока годности проверяемого пищевого продукта при заданной температуре хранения по формуле
τ=С_а,к/W,
где С_а,к - содержание альдегидов и кетонов, %;
W - скорость реакции окисления жира, %/с.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Способ основан на изучении кинетики реакции окисления жира в пищевых продуктах кислородом воздуха при различной температуре.

Кинетика реакции изучается по продуктам окисления жира, дающим наиболее существенные вкусовые пороки продукта - высшим насыщенным альдегидам и/или кетонам. Для их количественного определения используется методика с участием тиобарбитуровой кислоты в качестве группового реагента на альдегиды в неводной среде.

Данные по скорости накопления альдегидов в продукте одной и той же жирности при различных температурах позволяют определить энергию активации процесса и моделировать длительные сроки хранения продукта при повышенной температуре в течение точно рассчитанного времени.

Рассмотрим, например, реакции, происходящие при хранении молочных продуктов.

Кинетическое уравнение для реакции окисления молочного жира выглядит следующим образом:
W₁ = Kw•[C₁жиp]ⁿ¹•[О₂]ⁿ²•[H⁺]ⁿ³•[cтaбилизaтop]ⁿ⁴...

Для другой концентрации жира:
W₂ = Kw•[C₂жиp]ⁿ¹•[O₂]ⁿ²•[H⁺]ⁿ³•[cтaбилизaтop]n⁴...

Где W₁, W₂ - общая скорость реакции, Kw - константа скорости реакции, C₁, С₂ -...., O₂, H⁺ - концентрации жира в продукте, концентрации кислорода, водорода, соответственно, и прочих веществ, из которых не происходит образования определяемых в рамках метода продуктов окислительной порчи..... Сжир - концентрация жира, n1 - порядок реакции по жиру, n2 - порядок реакции по кислороду, стабилизатору -... т.д.

Общую скорость реакции можно измерять по приросту концентрации альдегидов в продукте, т.е. в виде W=ΔСальдегидов/Δt, где Δt - время протекания реакции окисления.

ΔСальдегидов=К'•ΔЕальдегидов, измеряемое по приведенной выше методике, а К' - коэффициент пропорциональности, а ΔЕальдегидов - изменение оптической плотности в кювете, где проводится их определение, по сравнению с контрольным образцом.

Таким образом, подставляя это соотношение в кинетическое уравнение реакции окисления молочного жира, получим уравнение вида
K'•ΔEaльдeгидoв/Δt=Kw•[C₁жиp]^nl•[О₂]ⁿ²•[H⁺]ⁿ³•[cтaбилизaтop] ⁿ⁴...

Логарифмируя это уравнение получим
Lg(ΔЕальдегидов)+lg(K'/Δt)=lg(Kw)+n₁•lg (Cжир)+ n₂•lg ([О₂])+...

Так как варьируемый параметр только один - концентрация жира, а измеряемая функция тоже одна - ΔЕальдегидов, то это уравнение можно переписать в виде
Lg(ΔЕальдегидов)=n₁•lg(Сжир)+К", где К" объединяет в себе логарифмы всех неизменяемых параметров. Построив график в координатах lg(ΔEa) - lg(Сжир), получим порядок реакции по молочному жиру в качестве тангенса наклона прямой в этих координатах.

Уравнение для константы скорости реакции запишем в виде
Kw₁= A•exp(-Ea/RT₁), Kw₂= A•exp(-Ea/RT₂), где Kw - константа скорости реакции, А - предэкспоненциальный множитель (фактор соударений, учитывающий всевозможные поверхностные явления), Еа - энергия активации реакции, R - универсальная газовая постоянная, Т - температура.

С учетом того, что единственный изменяемый параметр - температура реакции, а измеряемая величина ΔЕальдегидов пропорциональна изменению их концентрации в ходе реакции, получим уравнение вида
Ln(ΔЕальдегидов)=LnA-(Ea/R)•(l/T), при этом в координатах Ln(ΔЕальдегидов) - (-1/Т) получим прямую, тангенс угла наклона которой будет равен Ea/R.

Для определения срока годности молочного продукта, например, сливочного масла, творога, сметаны или йогурта проводят микробиологические и физико-химические исследования образцов этих продуктов согласно действующим методическим указаниям ("Гигиеническая оценка сроков годности пищевых продуктов" - Методические указания МУ 4.2. 727-99 - Мин. Здрав. РФ, 1999 г., с.5-15), а для изучения показателей окислительной порчи жирового компонента образец исследуемого продукта в количестве 10-20 г помещают в химический стакан и охлаждают до температуры 10-15^oС. Приливают в стакан 20 мл изопропилового спирта, тщательно перемешивают и фильтруют. Для фотометрического определения к фильтрату добавляют раствор тиобарбитуровой кислоты в диметилсульфоксиде, который используется в качестве группового реагента (индикатора) при определении концентрации альдегидов и/или кетонов.

Полученный раствор помещают в кювету фотометра толщиной 1 см и измеряют величину его оптической плотности (E₁), используя излучение с длиной волны 350-450 нм.

Затем кювету нагревают до температуры 55-75^oС и выдерживают при этой температуре в течение 40-80 мин. После этого раствор повторно фотометрируют на той же длине волны, определяя величину его оптической плотности Е₂, характеризующую суммарную концентрацию альдегидных и кетонных групп.

Такие же измерения проводят в холостом опыте, взяв вместо образца пищевого продукта контрольную пробу, состоящую из чистого изопропилового спирта.

Рассчитывают величину E₂-E₁ для образца и контрольной пробы.

Полученную величину для контрольного опыта ΔЕ_к вычитают из величины ΔЕ_и для исследуемого образца. Затем по экспериментально установленной зависимости рассчитывают содержание всех альдегидов и/или кетонов в образце пищевого продукта.

Определение содержания альдегидов и/или кетонов в образцах пищевых продуктов при изучении показателей окислительной порчи жирового компонента возможно с помощью хроматографических измерений. В этом случае образец исследуемого продукта в количестве 10-20 г помещают в химический стакан, экстрагируют альдегиды и/или кетоны из образца, добавив 5 мл 1% водного раствора сульфита натрия. Затем водный экстракт обрабатывают избытком 5% раствора НСl, и экстрагируют карбонильные соединения (альдегиды и/или кетоны) из водной фазы, добавив 20 мл хлористого метилена. После осушения экстракта путем добавления 1 г безводного сульфата натрия, экстракт подается в количестве 0,5-2 мкл в хромато-масс спектрометр высокого разрешения, например, марки Polaris Q пр-ва Finnigan Inc., где проводят хроматографическое разделение, идентификацию и определение содержания альдегидов и/или кетонов в образце исследуемого продукта.

Возможно также использование способа высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) для определения содержания альдегидов и/или кетонов в пищевых продуктах.

Для этого к навеске пробы пищевого продукта массой 5-25 г добавляют 25 мл 10% водного раствора хлорида натрия. Содержимое колбы тщательно перемешивают и добавляют 100 мл ацетона. Смесь встряхивают на аппарате для встряхивания (LabSheiker 120) в течение 30 мин, после чего количественно переносят в мерную колбу вместимостью 250 мл. Содержимое колбы доводят до метки смесью ацетон-вода (4:1), перемешивают и фильтруют через бумажный складчатый фильтр средней пористости. Отбирают 100 мл фильтрата, упаривают их на ротационном испарителе (Buchi R124) до половины объема при 35-40^oС.

Затем концентрированный фильтрат очищают при помощи колоночной хроматографии. Для этого экстракт наносят на стеклянную колонку диаметром 4-8 мм, заполненную суспензией 2 г силикагеля в тетрагидрофуране. Колбу из-под экстракта ополаскивают смесью бензол - тетрагидрофуран (8:2) 2 раза по 0,3 мл и полученный раствор также наносят на колонку. Колонку элюируют смесью тетрагидрофуран-ацетон (4: 1), элюат фильтруют через бумажный фильтр средней пористости, фильтрат упаривают досуха на ротационном испарителе (Buchi R 124), сухой остаток после упаривания растворяют в 0,4 мл смеси бензол - ацетонитрил (98:2).

Полученный раствор подают в высокоэффективный жидкостной хроматограф (Waters Alliance 2690).

Условия ВЭЖХ-хроматографирования: подвижная фаза - тетрагидрофуран: метанол: ацетонитрил (2:8:90); расход подвижной фазы 0,3 мл/мин. Объем инжекции 20-40 мкл. Для измерения концентрации альдегидов и/или кетонов используют предварительно откалиброванный флюориметрический детектор. Длина волны возбуждения 200-300 нм, длина волны эмиссии 340-380 нм. Колонка Symmetry C18, 5μm, 3,9•150 мм.

Полученные значения используют для расчета кинетических параметров процесса окисления жира в пищевых продуктах и оценки срока годности этих продуктов.

Для подтверждения возможностей предлагаемого способа был проведен эксперимент по моделированию сроков хранения молочных продуктов путем выдержки при повышенной температуре в течение определенного времени и эксперимент по определению энергии активации реакции окисления молочного жира.

Для этого 5 образцов йогурта 50% жирности были помещены в термостатируемые условия в прямом контакте с воздухом в течение 70 часов при -18^oС (контрольный образец), +4^oС, +30^oС, +37^oС и при +55^oС.

Были также приготовлены образцы йогуртов с жирностью 5, 10, 20, 30, 40 и 50%, для которых был проведен процесс окисления жира при 95^oС на водяной бане в течение 6 часов. Начало и конец окислительного процесса для всех образцов был одинаков по времени.

Был также поставлен эксперимент в течение 12 суток (288 часов) по окислению йогуртов указанной выше жирности при температурах 30, 37 и 55^oС.

Во всех образцах был определено содержание образовавшихся альдегидов и/или кетонов по приведенной выше методике. Были также определены порядок реакции и энергия активации процесса окисления. Получены сходные величины, взаимное отклонение в пределах 5%.

Так как измеренный экспериментально порядок реакции по молочному жиру равен 0,66, то, подставляя его в кинетическое уравнение, с учетом того, что при повышении жирности йогурта с 6% до 10% концентрация жира в нем увеличивается в 1,67 раза, получаем
W_{6%йогурта}=Kw•[C₁жиpa]^0,66...

W_{10%йогурта}=Kw•[l,67C₁жиpa]^0,66...

При этом W_{10%йогурта}/W_{6%йогурта}=1,67^0,66=1.4, т.е. в йогурте, имеющем жирность 10%, окисление жира и накопление пороков вкуса, с этим связанных, будет происходить в 1,4 раза быстрее, чем в 6%. Помня, что W= ΔСальдегидов/Δt, где Δt в данном случае - установленный срок хранения для 6% йогуртов, можно легко рассчитать срок хранения 10% йогуртов - 3/14 ~2 месяца в аналогичных условиях.

Таким образом, экспериментально определенная энергия активации окисления молочного жира в йогурте составляет 6,04•8,32=50,25 кДж/моль.

При другом наборе температур и концентрации жира получены величины энергии активации 52,42 и 50,98 кДж/моль.

С учетом этого, можно рассчитать температуру выдержки, при которой за определенный срок произойдут те же изменения, что и за 3 месяца хранения при 20^oС (при этом можно устанавливать любую температуру хранения продукта и далее отталкиваться в планировании эксперимента от нее).

Так, например, 3 суток выдержки при 65^oС будут эквивалентны 3-м месяцам хранения при 20^oС, то же самое будет наблюдаться при выдержке 10 суток при 40^oС или 6 суток при 50^oС.

Пользуясь той же зависимостью, можно предсказать, что срок хранения 6% термизированных йогуртов при температуре 10^oС будет равен 180 суткам вместо 90, судя по кинетике реакции окисления молочного жира.

С целью проверки разработанной математической модели и экспериментального определения сроков хранения йогуртов любой жирности был поставлен следующий эксперимент.

Образцы йогуртов жирности 2,5%, 5,7% и 8% выработки 8-10.02.2000 г. были разделены на две равные части, одна часть была поставлена в холодильную камеру при +2^oС, а вторая - в термокамеру с температурой +37^oС.

Контрольные образцы йогуртов были оставлены при температуре +20^oС.

Проводились регулярные дегустации в группе т.н. "потребителей". Численность группы - 18 человек. На дегустациях предлагалось найти отличающийся образец йогурта из трех предложенных, т.е. т.н. тройной тест. Таким образом, целью дегустации было найти промежуток времени, за который в хранившихся в термокамере йогуртах наступят заметные потребителям изменения. Затем по предложенной выше модели рассчитать срок хранения этих йогуртов при +20^oС, а затем сравнить изменения, произошедшие в йогуртах из термокамеры и в йогуртах, находившихся при +20^oС в течение расчетного срока, с тем чтобы сделать вывод о правильности построенной кинетической модели.

Была проведена дегустация. Критерием достоверности события в группе из 18 человек в тройном тесте является наличие 10 правильных ответов (55,5% опрошенных). Образцы были помещены в термокамеру 11.02.2000 г.

В результате проведенных исследований установлено, что наличие вкусового порока, реально заметного потребителям, проявилось в образце йогурта жирности 8% в течение 22 суток хранения при +37^oС, жирности 2,5% - 26 суток хранения при +37^oС. Исходя из кинетической модели 22 суток хранения при +37^oС соответствуют 73,5 суток или 2,5 месяца при +20^oС, 26 суток - 2,9 месяца при +20^oС.

Затем образцы йогуртов из термокамеры (8% - 22 суток, образец от 03.03.00, 5,7% - 26 суток, образец от 07.03.00, 2,5% - 26 суток, образец от 07.03.00) и контрольные образцы йогуртов, хранившиеся при +20^oС (8% - 74 суток, образец от 24.04.00, 2,5% - 89 суток, образец от 10.05.00 и 5,7% - образец от 10.05.00) были проанализированы на содержание карбонильных соединений (альдегидов и/или кетонов), образовавшихся в образцах за период хранения при +37^oС и +20^oС.

Измеренные начальные значения содержания альдегидов и/или кетонов в образцах йогуртов от 11.02.00 равны для йогурта, содержащего 8% жира, - 120•10^-4% в продукте, для йогурта, содержащего 5,75% жира, - 90•10^-4% в продукте и для йогурта, содержащего 2,5% жира - 30•10^-4% в продукте.

Результаты анализа представлены в таблице.

Исходя из этого установлено, что вкусовой порог обнаружения продуктов окисления жира зависит от жирности продукта и наступает при их содержании порядка 1900•10^-4% для высокожирных сливочных йогуртов и при 2600•10^-4% для молочных йогуртов.

Такое различие объясняется тем, что для высокожирных йогуртов содержание жира, а значит и продуктов его окисления, выше, чем для низкожирных, с одной стороны, помимо этого наблюдается "маскирование" вкусового порока за счет высокой жирности, с другой стороны.

Поэтому степень окисления самого жира в высокожирном продукте при наступлении ощутимого вкусового порока даже меньше, чем в низкожирных.

Степень окисленности жира в йогурте 5,7% изначально была выше, чем в остальных йогуртах, поэтому эксперимент для этой серии йогурта нельзя считать абсолютно достоверным.

Порядок реакции по молочному жиру, определенный в ходе экспериментов, описанных выше, равен 0,66.

Исходя из уравнения скорости химической реакции, получим для результатов дегустации
ΔC_8%/ΔC_2,5% = (22/26)•(8/2,5)^0,66 = 1,83 (эксп.) или 1,82 (теор.).

ΔС_5,7%/ΔС_2,5% = (26/26)•(5,7/2,5)^0,66 = 1,72 (эксп.) или 1,72 (теор.).

Таким образом, порядок реакции неферментативного окисления молочного жира действительно равен 0,66 по жиру с точностью до ошибки эксперимента (5%).

Данные о совпадении Еа процесса окисления получены после сравнения количества альдегидов в образцах из термокамеры (см. таблицу) и контрольных образцах, хранившихся расчетный период при +20^oС, при этом наблюдается совпадение данных в пределах ошибки эксперимента.

Таким образом, правильность построенной кинетической модели окисления продукта полностью подтверждается и получена хорошая корреляция между реально хранившимися образцами продуктов и модельными образцами.

Описываемый способ имеет следующие преимущества:
1. Позволяет точно смоделировать поведение продукта в процессе хранения за короткий срок.

2. Позволяет количественно определить срок наступления вкусового порока продукта, связанного с хранением, и саму величину этого порока.

3. Основан на реакции в неводной среде, что позволяет измерить суммарное содержание продуктов окисления жира.

4. Измеряется концентрация конечных продуктов окисления, вызывающих вкусовой порок, а не промежуточно образующихся и разлагающихся перекисных соединений (т.н. перекисное число).

Изобретение может найти свое применение в пищевой промышленности, в частности при определении срока годности пищевых продуктов, а именно молочных. Способ заключается в том, что проводят исследование образцов пищевого продукта, изучают показатели окислительной порчи жировых компонентов пищевого продукта и по полученным данным определяют срок годности пищевого продукта. В качестве показателей окислительной порчи жирового компонента пищевого продукта определяют содержание альдегидов и/или кетонов в образце пищевого продукта, а время, оставшееся до истечения срока годности пищевого продукта, определяют по кинетическому уравнению реакции окисления жира. Содержание альдегидов и/или кетонов может быть определено фотометрически, используя групповой агент - тиобарбитуровую кислоту в неводной среде, а также для фотометрического определения может быть использовано электромагнитное излучение с длиной волны 350-450 нм. В качестве контрольной пробы используют изопропиловый спирт. Дополнительно определяют общую скорость реакции окисления жира в пищевом продукте при заданной температуре хранения и время, оставшееся до истечения срока годности проверяемого продукта при заданной температуре его хранения. Изобретение позволяет сократить время исследования при установлении срока годности пищевых продуктов и повысить точность исследований. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ определения срока годности пищевого продукта, включающий исследование образцов пищевого продукта, изучение показателей окислительной порчи жирового компонента пищевого продукта и определение по полученным данным срока годности пищевого продукта, отличающийся тем, что в качестве показателей окислительной порчи жирового компонента пищевого продукта определяют содержание альдегидов и/или кетонов в образце пищевого продукта, а время, оставшееся до истечения срока годности пищевого продукта, определяют по кинетическому уравнению реакции окисления жира. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание альдегидов и/или кетонов определяют фотометрически, используя в качестве группового реагента тиобарбитуровую кислоту в неводной среде. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для фотометрического определения содержания альдегидов и/или кетонов используют электромагнитное излучение с длиной волны 350-450 нм, а в качестве контрольной пробы - изопропиловый спирт. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что скорость реакции окисления жира в пищевом продукте определяют при заданной температуре его хранения.