zastosowanie spektroskopii ft-ir do oceny zawartości alkoholu

zastosowanie spektroskopii ft-ir do oceny zawartości alkoholu

ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2012 z. 571: 107–114
ZASTOSOWANIE SPEKTROSKOPII FT-IR
DO OCENY ZAWARTOŚCI ALKOHOLU ETYLOWEGO
W KOMERCYJNYCH WÓDKACH1
Katarzyna Sujka, Piotr Koczoń
Katedra Chemii
Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
Wstęp
Wódka komercyjna jest około 40-procentowym (v/v) roztworem etanolu w wodzie. Produkty pochodzące od różnych producentów charakteryzują się określoną
zawartością etanolu oraz poziomem metanolu, wyższych alkoholi i innych pozostałości po destylacji. Dopuszczalne poziomy poszczególnych składników reguluje
Rozporządzenie Parlamentu... [2008]. Wyroby spirytusowe niespełniające wymagań jakościowych nie powinny być dopuszczone na rynek. Zaniedbania w procesie
produkcji bądź nieuczciwe praktyki producentów mogą prowadzić do dostarczenia
konsumentowi wyrobu zafałszowanego, a nawet szkodliwego dla zdrowia. Dane literaturowe wskazują, że wyroby spirytusowe stanowią grupę często fałszowanych
produktów. Nieprawidłowości mogą dotyczyć rozcieńczania wodą czy też stosowania spirytusu tańszego niż deklarowany. W drugim przypadku stosowany jest
spirytus wyprodukowany z niewłaściwego surowca użytego w procesie fermentacji
(np. trzcina cukrowa), otrzymany na drodze syntezy chemicznej czy też pochodzący z przemytu [CHŁOBOWSKA i in. 2000; TARGOŃSKI i STÓJ 2005].
Do kontrolowania jakości wódek stosuje się najczęściej metody chromatograficzne (czasochłonne i kosztowne) oraz densytometryczne (możliwość pomiaru
tylko jednego parametru). Ze względu na wymienione wady poszukuje się nowych
metod oceny jakości i wykrywania zafałszowań tych produktów, które pozwoliłyby zaoszczędzić czas pomiaru i nie wymagałyby złożonego przygotowania próbki
[ARZBERGER i LACHENMEIER 2008].
Spektroskopia w podczerwieni (FT-IR) jest nieinwazyjną, prostą techniką pomiarową, służącą między innymi do badania mieszanin biologicznych. Zastąpienie
lub uzupełnienie powszechnie stosowanych metod oceny jakości wódek spektroskopią FT-IR może wpłynąć na przyspieszenie pracy laboratoriów oraz zmniejszenie zużycia odczynników chemicznych. Metoda ta wprowadza też możliwość wieloelementowej oceny badanej próbki. Może być również stosowana bezpośrednio
1
Badania finansowane z projektu NCN nr N N312 463440.
108
K. Sujka, P. Koczoń
na linii produkcyjnej. Wymienione aspekty mają niebagatelne znaczenie w kontekście ochrony środowiska i kosztów kontroli.
Nieliczne doniesienia literaturowe wskazują na duży potencjał spektroskopii
w podczerwieni jako metody pozwalającej analizować skład chemiczny napojów
spirytusowych i wykrywać zafałszowania. Badania te potwierdzają, że spektroskopia w podczerwieni w zakresie średniej i bliskiej podczerwieni może znaleźć praktyczne zastosowanie między innymi w klasyfikacji, wykrywaniu zafałszowań (takich jak rozcieńczanie) oraz oznaczaniu mocy i gęstości wódek, whisky, brandy,
rumu, wina oraz piwa [PALMA i BARROSO 2002; PONTES i in. 2006; LACHENMEIER
2007; ARZBERGER i LACHENMEIER 2008; MCINTYRE i in. 2011].
Celem badań było oznaczenie zawartości etanolu w komercyjnych wódkach
dostępnych na rynku polskim, przy użyciu modelu statystycznego bazującego na
zarejestrowanych widmach FT-IR, i porównanie wyników ze standardową metodą
alkoholometryczną.
Materiał i metody badań
Przygotowano 15 roztworów wodnych etanolu o następujących stężeniach:
20, 30, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45 , 50 oraz 60% (v/v). Zarejestrowano
widma próbek w zakresie spektralnym 4000–370 cm–1, przy użyciu aparatu Perkin
Elmer System 2000, techniką transmisyjną w filmie z wykorzystaniem kryształu
z KRS. Zastosowana rozdzielczość wynosiła 4 cm–1, prędkość przesuwu 2 m·s–1.
Wykonano także pomiar widma FT-IR dla 17 wódek komercyjnych, dostępnych na
rynku polskim.
Rejestracji i analizy widm dokonano przy użyciu programu Grams Research.
Dla każdego z widm obliczono powierzchnię pod wybranymi pasmami. Do wyznaczenia zależności statystycznych użyto intensywności integralnej pasm w zakresach spektralnych: 1752–1550 cm–1, 1500–1220 cm–1, 1115–1000 cm–1. Obliczenia zależności pomiędzy dwoma zbiorami danych eksperymentalnych wykonano
z zastosowaniem programu statystycznego Statgraphics 5.1. Krzywą kalibracyjną
modelującą zależność danych spektralnych od zawartości etanolu, którą oznaczono
zgodnie z normą PN-A-79529-4:2005, skonstruowano, wykorzystując klasyczną
analizę regresji (CSR). Dokonano weryfikacji opracowanej krzywej modelowej,
oznaczając zawartość etanolu w próbkach wódek nieużytych do konstrukcji modelu za pomocą zarejestrowanego widma oraz metodą alkoholometryczną zgodnie
z normą PN-A-79529-4:2005.
Wyniki i dyskusja
Intensywność integralną pasm w wybranych zakresach spektralnych i stosunki tych intensywności korelowano z zawartością alkoholu etylowego. Analiza regresji wykonana dla intensywności integralnej pojedynczych pasm doprowadziła
do uzyskania wyników na poziomie statystycznie nieistotnym. Znacznie silniejszą,
statystycznie istotną zależność pomiędzy danymi uzyskano, wykorzystując dane
spektralne zarejestrowane dla dwóch pasm. Najlepsza liniowa zależność wystąpiła w przypadku stosunku intensywności obliczonego dla zakresów spektralnych:
ZASTOSOWANIE SPEKTROSKOPII FT-IR DO OCENY ZAWARTOŚCI ALKOHOLU...
109
Procentowa zawartość etanolu
Percentage of ethanol content (%)
1752–1500 cm–1 i 1500–1220 cm–1 (rys. 1) oraz 1752–1550 cm–1 i 1115–1000 cm–1
(rys. 2). Dla uzyskanych wyników współczynnik determinacji (R2) wyniósł odpowiednio 0,9128 i 0,8938. Współczynnik determinacji dla pojedynczego zakresu
1752–1500 cm–1 był niski. Parametry statystyczne otrzymanych modeli zaprezentowano w tabeli 1.
70
y = –10,54x + 77,73
R2 = 0,9128
60
50
40
30
20
10
0
0
Rys. 1.
Procentowa zawartość etanolu
Percentage of ethanol content (%)
Fig. 1.
Rys. 2.
Fig. 2.
1
2
3
4
5
6
Stosunek intensywności dwóch pasm w zakresach spektralnych
1752–1550 cm–1 i 1500–1220 cm–1
Intensity ratio of two bands in spectral range: 1752–1550 cm–1 and 1500–1220 cm–1
Zależność pomiędzy zawartością etanolu a stosunkiem intensywności dwóch
pasm w zakresach spektralnych 1752–1550 cm–1 i 1500–1220 cm–1
The relationship between the content of ethanol and the intensity ratio of the
two bands in the spectral range 1752–1550 cm–1 and 1500–1220 cm–1
70
y = –15,591x + 80,744
R2 = 0,8939
60
50
40
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
Stosunek intensywności dwóch pasm w zakresach
1752–1550 cm–1 i 1115–1000 cm–1
Intensity ratio of two bands in spectral range: 1752–1550 cm–1 and 1115–1000 cm–1
Zależność pomiędzy zawartością etanolu a stosunkiem intensywności dwóch
pasm w zakresach spektralnych 1752–1550 cm–1 i 1115–1000 cm–1
The relationship between the content of ethanol and the intensity ratio of the
two bands in the spectral range 1752–1550 cm–1 and 1115–1000 cm–1
Opracowane modele statystyczne zweryfikowano, stosując je do oznaczenia
zawartości etanolu w wódkach komercyjnych (tab. 2). Wykorzystano 17 wódek
różnych producentów o zawartości etanolu około 40%. Stosując model 1. dla zawartości etanolu do wódek komercyjnych, uzyskano wyniki od 41 do 46%, natomiast wyniki dla modelu 2. zawierały się w przedziale 27–34%.
110
K. Sujka, P. Koczoń
Tabela 1; Table 1
Współczynniki determinacji dla intensywności pasm w wybranych zakresach spektralnych
wykazujących silną zależność liniową z zawartością etanolu
The coefficients of determination for the intensity of the bands in the spectral ranges
showing a strong linear relationship with the content of ethanol
Nazwa
Name
Zakresy spektralne
Spectral range
(cm–1)
Współczynnik
determinacji
Coefficient
of determination
R2 (%)
Standardowy błąd
estymacji
Standard estimation
error SEE
Model 1
1752–1550
1500–1220
91,28
2,73
Model 2
1752–1550
1115–1000
89,38
2,98
Tabela 2; Table 2
Zawartość etanolu w komercyjnych wódkach wyznaczona na podstawie opracowanych
modeli statystycznych, metodą alkoholometryczną i deklarowana przez producenta
The ethanol content in commercial vodkas determined based on a statistical model developed, determined by the standard method and declared by the producer
Zawartość etanolu
Zawartość etanolu
wyznaczona
Zawartość etanolu
wyznaczona
metodą
deklarowana
za pomocą
alkoholometryczną przez producenta
modelu 2
Ethanol content
Ethanol content
Ethanol content
determined
declared
determined
by the standard
by the producer
by model 2
method
(%)
(%)
(%)
Komercyjna
wódka
Commercial
vodka
Zawartość etanolu
wyznaczona
za pomocą
modelu 1
Ethanol content
determined
by model 1
(%)
W1
41,62
27,33
40
40
W2
42,60
28,78
40
40
W3
42,92
29,25
40
40
W4
43,72
30,43
41
40
W5
41,68
27,42
40
40
W6
41,52
27,18
40
40
W7
44,22
31,18
41
40
W8
42,91
29,25
40
40
W9
41,86
27,69
40
40
W10
45,02
32,36
41
40
W11
43,34
30,14
40
40
W12
42,68
28,92
42
40
W13
42,32
28,54
42
40
W14
42,93
29,25
42
40
W15
42,72
28,84
42
40
W16
42,11
28,03
42
40
W17
45,82
33,47
43
45
ZASTOSOWANIE SPEKTROSKOPII FT-IR DO OCENY ZAWARTOŚCI ALKOHOLU...
111
Wódką o najmniejszej zawartości etanolu, oznaczonej za pomocą spektroskopii FT-IR, była próbka W6 (41,52% dla modelu 1. i 27,18% dla modelu 2.), natomiast największą zawartością alkoholu etylowego charakteryzowała się próbka
wódki W17 (45,82% – model 1.; 33,47% – model 2.). Model 1. wskazywał większą
ilość etanolu w wódkach niż deklarują producenci, natomiast model 2. – mniejszą.
Zgodnie z Rozporządzeniem Parlementu... [2008] wódka powinna zawierać przynajmniej 37,5% etanolu, wartości poza granicami wyznaczonymi przez rozporządzenie świadczyłyby o zafałszowaniu produktu. W celu rozstrzygnięcia, czy modele statystyczne prawidłowo przewidują badany parametr, oznaczono zawartość
alkoholu etylowego metodą alkoholometryczną (tab. 2).
Wyniki zawartości alkoholu etylowego oznaczone metodą standardową zawierały się w przedziale 40–43%. Największą oznaczoną zawartością etanolu charakteryzowała się wódka W17 (43%). Uzyskane wyniki wskazują, że większość
komercyjnych wódek dostępnych w sprzedaży wykazuje zawartość etanolu taką,
jaką deklarują producenci lub nieznacznie większą. Jedynie w przypadku wódki
W17 zawartość etanolu była mniejsza w porównaniu z informacją zamieszczoną
na etykiecie.
W przypadku modelu 1. oznaczona zawartość alkoholu etylowego przewyższa
wyniki wskazań alkoholomierza. Różnice między dwiema metodami zawierają się
w przedziale od 0,68 dla próbki W12 do 3,22 dla próbki W7. W przypadku modelu 2. wyniki są rozbieżne i znacznie mniejsze w porównaniu z zawartością etanolu
oznaczoną metodą standardową. Porównanie oznaczonego parametru obiema metodami wykazało różnice rzędu 10%, co wskazuje na słabsze możliwości zastosowania modelu 2. w praktyce. Jednakże wyniki dla modelu 1. świadczą o dużym potencjale aplikacyjnym spektroskopii FT-IR w zakresie oznaczania zawartości alkoholu
etylowego. W literaturze o zasięgu krajowym i międzynarodowym można znaleźć
nieliczne publikacje dotyczące omawianego zagadnienia. LACHENMEIER [2007] oraz
ARZBERGER i LACHENMEIER [2008] podjęli próbę zastosowania spektroskopii FT-IR
do określania mocy wyrobów alkoholowych. Autorzy ci wykazali również przydatność spektroskopii w podczerwieni do kontroli jakości wyrobów spirytusowych,
wykorzystując metodę częściowych najmniejszych kwadratów (PLS). W badaniach
uzyskano wyniki współczynników determinacji (R2) na poziomie 0,90–0,98.
Wnioski
1.
2.
3.
Pomiędzy zawartością etanolu a stosunkiem intensywności pary pasm w zakresach spektralnych 1752–1550 cm–1 i 1500–1220 cm–1 występuje statystycznie istotna liniowa korelacja.
Opracowany model statystyczny (model 1.) pozwala oznaczyć zawartość alkoholu etylowego w wyrobach komercyjnych. Wyniki uzyskane za pomocą
modelu są na statystycznym poziomie takie same, jak wyniki uzyskane metodą densytometryczną, co świadczy o możliwościach aplikacyjnych spektroskopii FT-IR w zakresie oznaczania zawartości alkoholu etylowego w handlowych wyrobach spirytusowych.
Zastosowanie stosunków intensywności pary pasm w porównaniu z intensywnością pojedynczych pasm przynosi lepsze rezultaty w postaci większych
współczynników determinacji i mniejszego błędu estymacji.
112
K. Sujka, P. Koczoń
Literatura
ARZBERGER U., LACHENMEIER D.W. 2008. Fourier transform infrared spectroscopy
with multivariate analysis as a novel method for characterizing alcoholic strength,
density and total dry extract in spirits and liqueurs. Food Anal. Methods 1: 18–22.
CHŁOBOWSKA Z., CHUDZIKIEWICZ E., ŚWIEGODA C. 2000. Analysis of alcoholic
products at the Institute of Forensic Research. Z Zagadnień Nauk Sądowych XLI:
52–61.
LACHENMEIER D.W. 2007. Rapid quality of spirit drinks and beer using multivariate
data analysis of Fourier transform infrared spectra. Food Chem. 101: 825–832.
MCINTYRE A.C., BILYK M.L., NORDON A., COLQUHOUN G., LITTEJON D. 2011. Detection of counterfeit Scotch whisky samples using mid-infrared spectrometry with an
attenuated total reflectance probe incorporating polycrystalline silver halide fibres.
Anal. Chim. Acta 690: 228–233.
PALMA M., BARROSO C.G. 2002. Application of FT-IR spectroscopy to the characterization and classification of wines, brandies and other distilled drinks. Talanta 58:
265–271.
PN-A-79529-4:2005 Napoje spirytusowe i spirytus butelkowany. Metody badań.
Część 4: Oznaczanie gęstości i mocy.
PONTES M.J.C., SANTOS S.R.B., ARAÚJO M.C.U., ALMEIDA L.F., LIMA R.A.C.,
GAIĂO E.N., SOUTO U.TC.P. 2006. Classification of distilled alcoholic beverages
and verification of adulteration by near infrared spectrometry. Food Res. Int. 39:
18–189.
Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 110/2008 z dnia
15 stycznia 2008 w sprawie definicji, opisu, prezentacji, etykietowania i ochrony
oznaczeń geograficznych napojów spirytusowych oraz uchylające rozporządzenie
Rady (EWG) nr 1576/89. Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej: 39/16–39/54.
TARGOŃSKI Z., STÓJ A. 2005. Zafałszowania żywności i metody ich wykrywania.
Żywność. Nauka. Technologia. Jakość 4 (45) Supl.: 30–40.
Słowa kluczowe:
wódki, zawartość etanolu, spektroskopia FT-IR
Streszczenie
Celem pracy było oznaczenie zawartości etanolu w komercyjnych wódkach
dostępnych na rynku polskim przy użyciu modelu statystycznego bazującego na
zarejestrowanych widmach FT-IR i porównanie wyników ze standardową metodą
alkoholometryczną. Opracowano modele statystyczne, stosując klasyczną analizę
regresji. Do wyznaczenia zależności statystycznych użyto intensywności integralnej pasm w zakresach spektralnych: 1752–1550 cm–1, 1500–1220 cm–1, 1115–1000
cm–1. Otrzymane wyniki dla modelu 1. świadczą o możliwościach aplikacyjnych
ZASTOSOWANIE SPEKTROSKOPII FT-IR DO OCENY ZAWARTOŚCI ALKOHOLU...
113
spektroskopii FT-IR w zakresie oznaczania zawartości alkoholu etylowego. Wyniki
uzyskane za pomocą modelu były zbliżone do wyników uzyskanych metodą alkoholometryczną, zasadne zatem jest kontynuowanie badań w tym zakresie.
APPLICATION OF FT-IR SPECTROSCOPY FOR DETERMINATION
THE CONTENT OF ETHANOL IN THE COMMERCIAL VODKAS
Katarzyna Sujka, Piotr Koczoń
Department of Chemistry, Faculty of Food Sciences
Warsaw University of Life Sciences – SGGW
Key words:
vodkas, content of ethanol, FT-IR spectroscopy
Summary
The aim of this study was to determine the content of ethanol in commercial
vodkas available on the Polish market, constructed using a statistical model based
on the recorded FT-IR spectra and compare the results to the standard method. Statistical models were developed using classical regression analysis. To determine the
statistical dependencies integral intensity of the bands used in the spectral ranges:
1752–1550 cm–1, 1500–1220 cm–1, 1115–1000 cm–1. The results for Model 1 indicate about the potential applications of FT-IR spectroscopy for the determination
of ethyl alcohol. Results obtained with the model were similar to those obtained by
standard method. Therefore, it is relevant to continue research in this field.
Mgr inż. Katarzyna Sujka
Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego
Zakład Chemii Żywności
Nowoursynowska 159c
02-776 WARSZAWA
e-mail: [email protected]