СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПОДЛИННОСТИ ВИНА Российский патент 2010 года по МПК G01N33/14 

Изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использовано для оценки подлинности вина.

Известен способ определения содержания органических кислот для идентификации виноградных вин методом высокоэффективной жидкостной хроматографии [Инструментальные методы анализа для идентификации виноградных вин / З.Е.Сенькина, В.Н.Арбузов, Б.М.Алешин // Виноделие и виноградарство. - №1. - 2004.].

Недостатками этого способа являются использование дорогостоящего оборудования и длительная подготовка реактивов.

Известен способ анализа органических кислот для идентификации подлинности вин на основе капиллярного электрофореза [Марковский М.Г. Совершенствование технологии и методов оценки качества виноградных вин на основе анализа и регулирования их кислотного состава: 05.18.01: Дис.… канд. техн. наук / М.Г.Марковский; КубГТУ. - Краснодар, 2006. - 170 с.: табл. - Библиограф.: С.120-138 (180 назв.)].

Данный способ требует дорогостоящего оборудования, пробоподготовки образцов, наличия типовых электрофореграмм и основывается на определении содержания отдельных кислот в составе винодельческой продукции.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ идентификации подлинности винодельческой продукции, включающий оценку кислотного состава вина на основе рН-метрического титрования [Патент №2246108 от 10.02.2005]. Сущность способа заключается в том, что по результатам потенциометрического титрования раствором щелочи смеси исследуемого вина с определенным количеством соляной кислоты проводят расчет зависимости функции образования от рН раствора (кислотных профилей) с последующей аппроксимацией сигмоидной функцией, параметры которой используют для принятия решений о подлинности вина.

К недостаткам этого метода относятся искажение результатов из-за поглощения углекислого газа воздуха в ходе эксперимента, подготовка стандартных растворов титранта, а также необходимость сложных расчетов.

Техническим результатом является обеспечение достоверности благодаря уменьшению влияния примесей и углекислого газа воздуха на процесс определения числа эквивалентов ионов H⁺ в вине и упрощение процесса идентификации подлинности вина за счет отсутствия сложных математических расчетов.

Технический результат достигается тем, что в способе идентификации подлинности вина 0,5-1,5 см³ вина в 50 см³ 1 моль/дм³ раствора хлористого натрия подвергают рН-метрическому титрованию кулонометрически-генерированными ионами ОН^-, по результатам которого строят кривую титрования, определяют рН в начальной точке титрования и рассчитывают число эквивалентов ионов Н⁺, определяют скачок рН (точку эквивалентности) и рассчитывают число эквивалентов ионов H⁺, находят численное значение соотношения рассчитанных чисел эквивалентов и по численному значению, находящемуся в пределах 0,5±0,1, судят о натуральности вина, при этом расчет числа эквивалентов Н⁺ в начальной точке титрования и в точке эквивалентности ведут соответственно по формулам С=10^-pH·V_p-pa/V_v и С'=I·τ·1000/F·V_v, где V_p.pa - объем исследуемого раствора, см³; V_v - объем пробы вина, см³; I - сила тока, А; τ - время, прошедшее от начала электролиза до точки эквивалентности, с; F - число Фарадея.

Экспериментально было установлено, что в заявляемом способе упростить математические расчеты позволяет предварительная настройка рН-метра. Для этого рН-метр настраивается по двум условно-буферным растворам: 1 - 1 моль/дм³ раствор хлористого натрия и 2 - 0,1 моль/дм³ раствор соляной кислоты в присутствии 0,9 моль/дм³ раствора хлористого натрия. рН первого раствора принимается равным 7,00, а pH второго 1,00.

В условиях данной настройки рН-метра по измеренным значениям рН пробы вина в растворе хлористого натрия в начальной точке титрования легко рассчитать число эквивалентов ионов H⁺, С, моль/дм³ по формуле

где V_p.pa - объем исследуемого раствора, см³;

V_ν - объем пробы вина, см³.

Определение числа эквивалентов ионов Н⁺, найденных по результатам титрования (в точке эквивалентности на кривой титрования), т.е. титруемой кислотности вина, осложняется трудностью получения титранта - раствора основания, не содержащего карбонаты, образующиеся при поглощении углекислого газа из воздуха, что значительно искажает результаты. Для исключения влияния диоксида углерода предлагается проводить рН-метрическое титрование в присутствии хлористого натрия в ячейке для титрования с генераторными электродами. Титрантом являются ионы ОН^-, которые генерируются кулонометрически в ходе электролиза хлористого натрия и вступают в реакцию с ионами Н⁺ пробы вина.

Генераторными электродами служат серебряный анод и платиновый катод. На аноде выделяется осадок хлорида серебра, а на катоде - ионы ОН^- и газообразный водород. Газообразный водород препятствует поглощению углекислого газа из воздуха раствором, что делает титрование более точным. Ошибка ниже (0,02%) капельной (ошибка, связанная с отмериванием объема пипеткой), поскольку замера объема титранта не требуется. Электролиз ведут до появления четкого скачка рН на кривой титрования. Зависимость изменения значений рН от времени электролиза фиксируется индикаторной системой, состоящей из стеклянного и хлоридсеребряного электродов, также помещаемых в ячейку для титрования и подключенных к рН-метру, который соединен с компьютером.

Число эквивалентов ионов H⁺ в точке эквивалентности, С', моль-экв/дм³ рассчитывается по формуле

где I - сила тока, А;

τ - время, прошедшее от начала электролиза до точки эквивалентности, с;

F - число Фарадея;

V_ν - объем пробы вина, см³.

Число эквивалентов ионов Н⁺ в точке эквивалентности определяет содержание титруемых кислот в вине, а число эквивалентов ионов H⁺ в начальной точке титрования - активную кислотность вина. Органические кислоты (винная, яблочная, янтарная, лимонная, молочной, уксусная) играют важную роль в формировании органолептических свойств вина, а именно одного из важнейших показателей вкуса вина - кислотности. Наиболее существенный вклад в титруемую кислотность натуральных вин вносят винная и яблочная кислоты. Доля каждой из остальных кислот, в т.ч. лимонной, не превышает 6%. В фальсифицированных винах превалирует лимонная кислота.

Как показали наши исследования, при добавлении пробы вина к раствору хлористого натрия в предлагаемых соотношениях винная и яблочная кислоты ионизируются полностью по первой ступени и практически не диссоциируют по второй, а лимонная ионизируется только на 20-30%. При титровании кислоты ионизируются полностью. Следовательно, соотношение С/С' в натуральном вине должно находиться около 0,5. Это подтверждено многочисленными экспериментами, по результатам которых установлено, что соотношение С/С' в натуральном вине составляет 0,5±0,1, а в фальсифицированном вине, в которое для подгонки рН к требованиям стандарта была добавлена лимонная кислота, оно значительно меньше.

Сделанные выводы экспериментально подтверждены для различных образцов вина. Результаты исследований приведены для натуральных образцов вина: столового полусладкого «Изабелла», столового полусладкого «Земфира», столового сухого «Каберне» и фальсифицированных образцов вина: специального «Анапа» и «Плодового» + лимонная кислота. Для каждого образца вина по заявляемому способу провели эксперимент. В ячейку для титрования помещали 50 см³ 1 моль/дм³ раствора хлористого натрия и добавляли 1,00 см³ пробы исследуемого образца вина. Затем в ячейку для титрования погружали мешалку, генераторные и измерительные электроды. Измерительные электроды (стеклянный и хлоридсеребряный) подключали к рН-метру, соединенному с компьютером. Генераторные электроды (серебряный анод и платиновый катод) подключали к источнику питания постоянного тока. Включали мешалку, рН-метр, компьютер и начинали выполнять измерения рН с шагом в 1 секунду, записываемые компьютером. После стабилизации показаний рН-метра включали источник постоянного тока, на котором устанавливали силу тока 0,01 А, и проводили рН-метрическое титрование кулонометрически генерированными ионами ОН^- с построением кривой титрования до появления скачка на кривой титрования и наступления перегиба (точки эквивалентности). Построение кривой рН-метрического титрования осуществляли на компьютере с помощью программы «MathCAD» или других аналогичных программ для графического построения и математической обработки данных.

На фиг.1, 2 представлены кривые титрования образцов вина «Изабелла», «Земфира», «Каберне», «Анапа» и «Плодовое» + лимонная кислота. По соответствующей каждому образцу вина кривой рН-метрического титрования находили значение рН в начальной точке титрования и определяли число эквивалентов ионов Н⁺, С, по формуле (1), а по времени, прошедшему от начала титрования (момент включения тока) до наступления перегиба на скачке кривой титрования (точки эквивалентности), находили число эквивалентов ионов H⁺, С' по формуле (2). Находили численное значение соотношения рассчитанных чисел эквивалентов С/С'. Сравнивали полученные соотношения с заявленным пределом 0,5±0,1. По результатам сравнения было установлено, что численные значения С/С' для вина «Изабелла», «Земфира» и «Каберне» входят в заявленный предел, что указывает на натуральность этих образцов, а для образцов «Анапа» и «Плодовое» + лимонная кислота численные значения С/С' намного ниже заявленного предела, что указывает на их фальсификацию. Результаты эксперимента представлены в таблице 1.

В исследуемых образцах вина в соответствии с методикой прототипа провели рН-метрическое титрование с последующим расчетом параметров сигмоидной кривой функции образования. В образце вина «Земфира» рассчитали параметры сигмоидной кривой функции образования, значения которых составили к₁=2,0; к₂=-1,6; к₃=3,3. Относительная погрешность определения при уровне вероятности 0,95 для этих коэффициентов составила соответственно ±3,5; 3,9; 3,4%. Полученные значения параметров к₁-к₃ попадают в диапазон, отвечающий подлинным винам. Однако параметр к₃ с учетом погрешности находится на границе допустимого диапазона. Таким образом, один параметр вызывает сомнение, что отражается на достоверности полученного вывода о натуральности вина. По заявляемому способу для образца вина «Земфира» численное значение соотношения чисел эквивалентов H⁺ в начальной точке титрования и в точке эквивалентности составляет С/C'=0,487. Относительная погрешность соотношения С/С' при уровне вероятности 0,95 составляет ±1,8%. Полученная величина соотношения С/С' при сравнении с заявляемым диапазоном 0,5±0,1 указывает на натуральность вина. Для остальных исследуемых образцов вина («Изабелла», «Анапа», «Каберне», «Плодовое» + лимонная кислота) относительная погрешность определения при уровне вероятности 0,95 для трех параметров к₁, к₂, к₃, которые применяются для принятия решения о натуральности исследуемого вина в прототипе, составила соответственно ±(3,3-4,1); (3,6-4,4); (3,1-4,0)%, а для заявляемого соотношения С/С' относительная погрешность определения при уровне вероятности 0,95 составила ±(1,2-2,0) %.

Повышение достоверности результатов за счет снижения относительной погрешности объясняется тем, что прототип требует проведения довольно длительного анализа. К пробе вина добавляется точное количество соляной кислоты для разрушения ассоциатов и проба титруется по точкам путем добавления гидроксида натрия точной концентрации, что затруднено ввиду неустойчивости титра последнего во времени. Кривая титрования строится по отдельно полученным точкам, а затем обрабатывается корреляционной формулой для получения параметров сигмоидной кривой функции образования, которая будет зависеть также от наличия ошибок при измерении параметров титрования, отмеривания объемов и точности концентраций применяемых растворов соляной кислоты и гидроксида натрия. В заявляемом способе проба вина разбавляется в 50 раз раствором хлористого натрия (необходим для создания электропроводности). Сильное разбавление пробы вина электролитом гораздо лучше разрушает ассоциаты титруемых кислот с другими компонентами вина. 1 молярный раствор хлорида натрия незначительно поглощает углекислый газ из воздуха, в отличие от едкого натрия. Заявляемый способ не приводит к разбавлению раствора титрантом, так как последний генерируется непосредственно в ячейке, а получаемая кривая титрования представляется практически непрерывной, вследствие высокой дискретности фиксируемых значений рН.

Таким образом, преимущество заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в условиях проведения эксперимента - кулонометрическом генерировании ОН^- для рН-метрического титрования, которое исключает сложную задачу получения основания, не содержащего карбонаты, а также детальной информации об экстремальных участках кривой титрования.

Предлагаемый способ не требует длительных расчетов благодаря соответствующей настройке рН-метра перед началом измерений, что упрощает идентификацию подлинности вин.

Достоверность полученных результатов повышается за счет значительного разбавления исследуемой пробы вина, что позволяет устранить мешающее влияние различных примесей, отсутствия операций по измерению объемов и установлению концентраций реагентов, а анализ результатов не требует наличия специальных корреляционных функций. Относительная погрешность при уровне вероятности 0,95 заявляемого соотношения С/С', по которому судят о натуральности вина, по сравнению с параметрами, применяемыми в прототипе, уменьшается в 2,2-2,6 раза.

Примеры конкретного выполнения

Реактивы

Для подготовки растворов для настройки рН-метра использовали натрий хлористый по ГОСТ 4233-77 Реактивы. Натрий хлористый. Технические условия; соляную кислоту, приготовленную из стандарт-титра (фиксанала) - Кислота соляная, С(HCl)=0,1 моль/дм³ по ТУ 2642-001-33813273-97.

Требования к физико-химическим показателям натрия хлористого в соответствии с ГОСТ 4233-77 представлены в таблице 2.

Таблица 2 Физико-химические показатели натрия хлористого по ГОСТ 4233-77 Наименование показателя Норма для марки
Чистый (ч.) 1. Массовая доля хлористого натрия (NaCl) в прокаленном препарате, %, не менее 99,8 2. Массовая доля нерастворимых в воде веществ, %, не более 0,010 3. Массовая доля потерь при прокаливании, %, не более 1,0 4. Массовая доля общего азота, %, не более 0,0010 5. Массовая доля йодидов (I), %, не более Не нормируется 6. Массовая доля бромидов (Br), %, не более Не нормируется 7. Массовая доля сульфатов (SO₄), %, не более 0,010 8. Массовая доля фосфатов (PO₄), %, не более Не нормируется 9. Массовая доля бария (Ва), %, не более 0,010 10. Массовая доля железа (Fe), %, не более 0,0010 11. Массовая доля магния (Mg), %, не более 0,0050 12. Массовая доля мышьяка (As), %, не более 0,00010 13. Массовая доля тяжелых металлов (Pb), %, не более 0,0010 14. Массовая доля калия (К), %, не более 0,020 15. Массовая доля кальция (Са), %, не более 0,010 16. рН раствора препарата с массовой долей 5% Не нормируется

Прибор

Ячейка для титрования снабжена измерительными электродами (стеклянным и хлоридсеребряным) для фиксирования изменения рН раствора и генераторными электродами (серебряный анод и платиновый катод) для кулонометрического генерирования ионов ОН^-. Измерительные электроды подключены к рН-метру-иономеру марки «Эксперт-001», который соединен с компьютером. К генераторным электродам подсоединен источник питания постоянного тока Б5-49.

Предварительная настройка прибора

рН-метр-иономер марки «Эксперт-001» настраивали по двум условно-буферным растворам: 1 - 1 моль/дм³ раствор хлористого натрия и 2 - 0,1 моль/дм³ раствор соляной кислоты в присутствии 0,9 моль/дм³ раствора хлористого натрия. рН первого раствора принимали равным 7,00, а второго - 1,00. В ячейку помещали 50 см³ 1 моль/дм³ раствора хлористого натрия и измеряли рН, значение которого должно лежать в пределах 7,00±0,01 единицы. В противном случае проверяли либо настройку рН-метра, либо раствор 1 моль/дм³ хлористого натрия на содержание углекислого газа. Углекислый газ можно удалить как кипячением раствора, так и продувкой раствора азотом или очищенным от углекислого газа воздухом.

Выполнение

Пример 1

Объектом исследования был образец сухого вина «Каберне». На фиг.3 представлена построенная рН-метрическая кривая титрования.

В ячейку для титрования помещали 50 см³ 1 моль/дм³ раствора хлористого натрия и добавляли 0,5 см³ пробы сухого вина «Каберне». Затем в ячейку для титрования погружали мешалку, генераторные и измерительные электроды. Измерительные электроды подключали к рН-метру-иономеру марки «Эксперт-001», соединенному с компьютером. Генераторные электроды подключали к источнику питания постоянного тока Б5-49. Включали мешалку, рН-метр-иономер, компьютер и начинали выполнять измерения рН с шагом в 1 секунду, записываемые компьютером. После стабилизации показаний рН включали источник питания постоянного тока, на котором устанавливали силу тока 0,01 А, и проводили рН-метрическое титрование кулонометрически-генерированными ионами ОН^- с построением кривой титрования до появления скачка на кривой титрования и наступления перегиба (точки эквивалентности). Построение рН-метрической кривой титрования осуществляли на компьютере с помощью программы «MathCAD» или других аналогичных программ для графического построения и математической обработки данных.

По кривой титрования определяли значение рН в начальной точке титрования, которое составило 3,48, и рассчитывали число эквивалентов ионов H⁺, С, моль/дм³ по формуле (1):

где V_p-pa - объем исследуемого раствора, см³;

V_ν - объем пробы вина, см³.

По кривой титрования определяли время, прошедшее от начала титрования (момент включения тока) до наступления перегиба на скачке кривой титрования (точки эквивалентности), которое составило 325 с. Рассчитывали число эквивалентов ионов H⁺, С' по формуле (2):

где I - сила тока, А;

τ - время, прошедшее от начала электролиза до точки эквивалентности, с;

F - число Фарадея;

F_ν - объем пробы вина, см³.

Находили численное значение соотношения рассчитанных чисел эквивалентов С/С^/:

С/С^/=0,03344/0,06736=0,496

Сравнивали полученное соотношение с пределом 0,5±0,1. Численное значение С/С'=0,496 входит в предел 0,5±0,1, что указывает на натуральность исследуемого образца сухого вина «Каберне».

Пример 2

Объектом исследования был образец сухого вина «Каберне». На фиг.4 представлена построенная рН-метрическая кривая титрования.

В ячейку для титрования помещали 50 см³ 1 моль/дм³ раствора хлористого натрия и добавляли 1,0 см³ пробы сухого вина «Каберне». Затем в ячейку для титрования погружали мешалку, генераторные и измерительные электроды. Измерительные электроды подключали к рН-метру-иономеру марки «Эксперт-001», соединенному с компьютером. Генераторные электроды подключали к источнику питания постоянного тока Б5-49. Включали мешалку, рН-метр-иономер, компьютер и начинали выполнять измерения рН с шагом в 1 секунду, записываемые компьютером. После стабилизации показаний рН включали источник питания постоянного тока, на котором устанавливали силу тока 0,01 А, и проводили рН-метрическое титрование кулонометрически генерированными ионами ОН^- с построением кривой титрования до появления скачка на кривой титрования и наступления перегиба (точки эквивалентности). Построение рН-метрической кривой титрования осуществляли на компьютере с помощью программы «MathCAD» или других аналогичных программ для графического построения и математической обработки данных.

По кривой титрования определяли значение рН в начальной точке титрования, которое составило 3,17, и рассчитывали число эквивалентов ионов Н⁺, С, моль/дм³ по формуле (1):

где V_p-pa - объем исследуемого раствора, см³;

V_ν - объем пробы вина, см³.

По кривой титрования определяли время, прошедшее от начала титрования (момент включения тока) до наступления перегиба на скачке кривой титрования (точки эквивалентности), которое составило 675 с. Рассчитывали число эквивалентов ионов Н⁺, С' по формуле (2):

где I - сила тока, А;

τ - время, прошедшее от начала электролиза до точки эквивалентности, с;

F - число Фарадея;

V_ν - объем пробы вина, см³.

Находили численное значение соотношения рассчитанных чисел эквивалентов С/С':

С/С'=0,03448/0,06995=0,493

Сравнивали полученное соотношение с пределом 0,5±0,1. Численное значение С/С'=0,493 входит в предел 0,5±0,1, что указывает на натуральность исследуемого образца сухого вина «Каберне».

Пример 3

Объектом исследования был образец сухого вина «Каберне». На фиг.5 представлена построенная рН-метрическая кривая титрования.

В ячейку для титрования помещали 50 см³ 1 моль/дм³ раствора хлористого натрия и добавляли 1,5 см³ пробы сухого вина «Каберне». Затем в ячейку для титрования погружали мешалку, генераторные и измерительные электроды. Измерительные электроды подключали к рН-метру-иономеру марки «Эксперт-001», соединенному с компьютером. Генераторные электроды подключали к источнику питания постоянного тока Б5-49. Включали мешалку, рН-метр-иономер, компьютер и начинали выполнять измерения рН с шагом в 1 секунду, записываемые компьютером. После стабилизации показаний рН включали источник питания постоянного тока, на котором устанавливали силу тока 0,01 А, и проводили рН-метрическое титрование кулонометрически генерированными ионами ОН^- с построением кривой титрования до появления скачка на кривой титрования и наступления перегиба (точки эквивалентности). Построение рН-метрической кривой титрования осуществляли на компьютере с помощью программы «MathCAD» или других аналогичных программ для графического построения и математической обработки данных.

По кривой титрования определяли значение рН в начальной точке титрования, которое составило 3,01, и рассчитывали число эквивалентов ионов H⁺, С, моль/дм³ по формуле (1):

где V_p.pa - объем исследуемого раствора, см³;

V_ν - объем пробы вина, см³.

По кривой титрования определяли время, прошедшее от начала титрования (момент включения тока) до наступления перегиба на скачке кривой титрования (точки эквивалентности), которое составило 1000 с. Рассчитывали число эквивалентов ионов Н⁺, С' по формуле (2):

где I - сила тока, А;

τ - время, прошедшее от начала электролиза до точки эквивалентности, с;

F - число Фарадея;

V_ν - объем пробы вина, см³.

Находили численное значение соотношения рассчитанных чисел эквивалентов С/С':

С/С'=0,03355/0,06908=0,486

Сравнивали полученное соотношение с пределом 0,5±0,1. Численное значение С/С'=0,486 входит в предел 0,5±0,1, что указывает на натуральность исследуемого образца сухого вина «Каберне».

Изобретение относится к пищевой промышленности и может использоваться при оценке подлинности вина. Проводят титрование 0,5-1,5 см³ вина в 50 см³ раствора хлорида натрия кулонометрически генерированными ионами ОН^-. По результатам титрования строят кривую титрования, определяют рН в начальной точке титрования и рассчитывают число эквивалентов ионов H⁺. Определяют скачек рН (точку эквивалентности) и рассчитывают число эквивалентов ионов Н⁺. Находят численное значение соотношения рассчитанных чисел эквивалентов и по численному значению, находящемуся в пределах 0,5±0,1, судят о натуральности вина. Расчет числа эквивалентов ионов Н⁺ в начальной точке титрования и в точке эквивалентности ведут соответственно по формулам: С=10^-pH·V_p.pa/V_v и C'=1·τ·1000/F·V_v, где V_p.pa - объем исследуемого раствора, см³;

V_v - объем пробы вина, см³; I - сила тока, А; τ - время, прошедшее от начала электролиза до точки эквивалентности, с; F - число Фарадея. Это позволяет обеспечить достоверность способа благодаря уменьшению влияния примесей и углекислого газа воздуха на процесс определения числа эквивалентов ионов Н⁺ в вине и упростить процесс идентификации подлинности вина за счет отсутствия сложных математических расчетов. 5 ил., 2 табл.

Способ идентификации подлинности вина, характеризующийся тем, что 0,5-1,5 см³ вина в 50 см³ 1 моль/дм³ раствора хлористого натрия подвергают рН-метрическому титрованию кулонометрически-генерированными ионами ОН^-, по результатам которого строят кривую титрования, определяют рН в начальной точке титрования и рассчитывают число эквивалентов ионов Н⁺, определяют скачок рН (точку эквивалентности) и рассчитывают число эквивалентов ионов H⁺, находят численное значение соотношения рассчитанных чисел эквивалентов и по численному значению, находящемуся в пределах 0,5±0,1, судят о натуральности вина, при этом расчет числа эквивалентов Н⁺ в начальной точке титрования и в точке эквивалентности ведут соответственно по формулам: C=10^-pH·V_p-pa/V_v и C'=I·τ·1000/F·V_v, где V_p-pa - объем исследуемого раствора, см³; V_v - объем пробы вина, см³; I - сила тока, А; τ - время, прошедшее от начала электролиза до точки эквивалентности, с; F - число Фарадея.