Автоматизація екстракційного методу визначення жиру

Екстракційні методи визначення жиру в харчових продуктах – найбільш точні: вони, як відомо, є арбітражними, тобто визнані та схвалені провідними світовими установами та організаціями, і українськими в тому числі, а їхні результати не підлягають сумніву. У той же час такі методи потребують значного часу аналізу та уваги оператора. Зі статті Ви дізнаєтеся, яким чином ці методи можна максимально пришвидшити та автоматизувати завдяки сучасним розробкам.

Дивіться також відео із записом відповідного вебінару: 

Найбільш відомі методи визначення жиру в харчових продуктах на сьогодні:  

• Екстракційні
• Рефрактометричні
• Експрес-методи (ІЧ-спектрометрія та ЯМР)

Сьогодні все більшою популярністю користуються експрес-методи. Їхніми основними перевагами є час аналізу та простота пробопідготовки або й узагалі її відсутність. Але при цьому арбітражним продовжує залишатись екстракційний метод. Розглянемо його більш детально.

В чому полягає суть методу екстракції?

Метод ґрунтується на відмінностях в розчинності різних компонентів досліджуваного зразка. Що це означає? Те, що підібравши розчинник, який розчиняє в собі тільки певний компонент речовини (в даному випадку жир), не розчиняючи всіх інших, ми можемо вилучити (екстрагувати) і кількісно визначити його вміст в тому чи іншому продукті.

Методи екстракції

Екстракція розчинником знайшла своє широке застосування в кінці ХІХ століття. На сьогоднішній день існує кілька способів її реалізації. Найбільш відомі:

• Метод Сокслета – так звана холодна екстракція, коли розчинник проходить через гільзу зі зразком
• Метод Рендалла – так звана гаряча екстракція, коли зразок знаходиться в киплячому розчиннику

Найбільш відомим і широко застосовуваним у нас є метод Сокслета. Хоча сьогодні все більшою популярністю користуються системи, що працюють за методом Рендалла (його ще називають вдосконаленим методом Сокслета).

Переваги методу Рендалла

Якщо порівнювати ці два методи, то бачимо, що в них є багато спільного, а саме: галузь застосування, точність та повторюваність результатів.

При цьому метод Рендалла має ряд незаперечних переваг, таких як скорочення часу екстракції в 5–7 разів і відновлення розчинника. Сучасні прилади здатні відновити більше 90% розчинника. Саме тому сьогодні більшість світових виробників лабораторного обладнання (Velp, FOSS, Buchi, Gerhardt, Behr та інші) для екстракції жиру виробляють обладнання, яке працює саме за методом Рендалла.

Надійне партнерство, успішна реалізація

Маючи багаторічний досвід співпраці з багатьма виробниками аналітичного обладнання, наша компанія зупинила свій вибір на обладнанні світового лідера – італійської компанії Velp Scientifica. Тут володіють майже 40-річним досвідом виробництва високоякісного аналітичного лабораторного обладнання, яке відповідає останнім тенденціям ринку.

А за більш ніж 10 років співпраці з Velp Scientifica ХЛР успішно реалізував понад 90 проєктів по оснащенню лабораторій аналітичним обладнанням цієї компанії. Зокрема, близько двох десятків проєктів – це реалізація екстракційного методу для аналізу жиру в лабораторіях підприємств олійноекстракційної, комбікормової, м’ясопереробної та зернової галузей, центрах та лабораторіях контролю АПК.

Саме на прикладі автоматичних та напівавтоматичних екстракторів від VELP Scientifica далі розглянемо усі етапи та особливості методу Рендалла.

Відмінності у визначенні сирого та загального вмісту жиру

Спочатку, власне, про сам жир, який ми екстрагуємо. Слід розділяти два поняття:

• Сирий жир (так званий crude fat)
• Загальний жир (так званий total fat)

Справа в тому, що в продуктах рослинного і тваринного походження існують як вільні жири, так і зв'язані. Що таке зв'язані жири? Це жири, які в своєму природному стані хімічно пов'язані з іншими компонентами, такими, наприклад, як білки і вуглеводи. Методики по визначенню жиру методом екстракції, які були описані в ГОСТах для багатьох харчових продуктів ще за часів Радянського Союзу і використовуються сьогодні, по суті визначають тільки кількість сирого жиру, у той час як у багатьох міжнародних методах описані процедури по визначенню загального вмісту жиру.

Чим же відрізняється процедура визначення сирого жиру і загального? Справа в тому, що для визначення загального вмісту жиру пряма екстракція розчинником неефективна. Попередньо необхідно проводити кислотний або лужний гідроліз, залежно від досліджуваного зразка. Його завданням є руйнування клітинної мембрани зразка і, відповідно, зв’язків між ліпідами та іншими компонентами речовини.

Варто відзначити, що при проведенні гідролізу молекули жиру також видозмінюються. В процесі реакції вони розпадаються на гліцерин і жирні кислоти і вже в такому стані екстрагуються.

Як реалізується процедура гідролізу –  на прикладі гідролізатора HU6 від Velp Scientifica

• Береться пробірка. У неї поміщається зразок, а також додається целіт і сірчана кислота концентрацією 37%. Целіт додається для того, щоб запобігти утворенню грудок проби, що може призвести до неповного гідролізу
• Пробірка встановлюється в штатив і опускається в нагрівальний елемент
• Вмикається вакуумний насос для відкачування парів, що утворюються в результаті кипіння зразка в кислоті
• Процес гідролізу відбувається при температурі 170 ᵒС протягом 60 хвилин

• По завершенню процедури гідролізу пробірки дістаються з нагрівального блоку
• Зразок за допомогою водоструминного насоса перекачується з пробірки в тигель
• Далі відбувається процес фільтрації. Для видалення залишків зразка з пробірки і всмоктуючої трубки в пробірку додається дистильована вода. Якщо після цього на стінках залишаються залишки проби, процедуру необхідно повторити
• Потім зі зразка вилучається зайва волога
• Далі витягуємо тигель зі зразком з приладу і поміщаємо його в сушильну шафу. Висушуємо до постійної маси

• Після цього тигель з висушеним гідролізованим зразком поміщається безпосередньо в екстрактор. Це виключає можливість втрати зразка і відповідно забезпечує високу точність результатів
• Якщо ж ми проводимо екстракцію без попереднього гідролізу, то замість тиглів використовуємо целюлозні екстракційні гільзи, в які безпосередньо поміщається досліджуваний зразок, який попередньо повинен бути розмелений до необхідної крупності або ретельно перемішаний та за допомогою абсорбенту перетворений в пастоподібну форму
• В екстракційні склянки або за допомогою мірного стакана, або автодозатора додається необхідний розчинник

На картинці Ви можете бачити напівавтоматичний та автоматичний екстрактори.  

Сам процес екстракції складається з трьох основних етапів, а саме: занурення, промивання та відновлення розчинника. Після цього екстракційну склянку з екстрагованим жиром необхідно висушити в сушильній шафі та провести розрахунок вмісту жиру в досліджуваному зразку.

Екстракція в напівавтоматичному аналізаторі SER148

Далі подивимося, що відбувається зі зразком на кожному етапі екстракції в напівавтоматичному аналізаторі SER148.

На першому етапі зразок занурюється в киплячий розчинник. Розпочинається активна фаза екстракції, під час якої зі зразка вимивається основна частина жиру, понад 90%. Для реалізації цього етапу оператор за допомогою спеціальних важелів занурює гільзу або тигель зі зразком у розчинник, вмикає подачу охолоджувальної води в конденсатори та режим нагрівання розчинника. При цьому запірний кран під конденсатором повинен бути у відкритому положенні, як показано на малюнку.

Через 15–60 хвилин, залежно від досліджуваного зразка, прилад сигналізує оператору, що час переходити до наступного етапу аналізу, а саме, до промивання.

Для цього зразки необхідно підняти над розчинником таким чином, щоб дно гільзи або тигля було вище рівня розчинника в екстракційній склянці. На цьому етапі зі зразка та зі стінок гільзи або тигля вимиваються залишки жиру.

Цей етап триває від 30 до 60 хвилин, залежно від досліджуваного зразка. Після чого прилад подає оператору звуковий сигнал, що час переходити до стадії відновлення розчинника.   

Для цього оператор повинен закрити запірний кран під конденсатором. Після чого випаруваний із екстракційної склянки розчинник збирається в спеціальну ємність та може бути повторно використаний. По завершенню процедури відновлення розчинника оператору необхідно дістати екстракційні склянки з екстрагованим жиром із приладу та висушити їх в сушильній шафі. Як правило, процес екстракції триває близько 3–3,5 годин.

Після висушування зразка оператор має всі дані, які необхідні для розрахунку результатів. Вміст жиру розраховується за такою формулою: від ваги екстракційної склянки з екстрактом жиру віднімається вага склянки, а потім отримане значення ділиться на вагу зразка перед початком аналізу.

Автоматичний екстрактор SER 158 від Velp Scientifica

Переходимо до автоматичного екстрактора. Як ми бачимо, в ньому процес екстракції складається з 5 етапів. До вже відомих занурення, промивання і відновлення додаються етапи видалення та охолодження. Головна відмінність від напівавтоматичної системи полягає в тому, що в цьому приладі перехід від одного етапу до іншого відбувається в автоматичному режимі та не потребує присутності оператора.

Що відбувається зі зразком в автоматичному екстракторі жиру?

• Спочатку зразок занурюється в киплячий розчинник
• Після завершення основної фази екстракції, на другому етапі, відбувається часткове випаровування розчинника таким чином, щоб дно гільзи або тигля було вище рівня розчинника
• Після чого відбувається промивання зразка для відмивання залишків жиру
• Далі відбувається відновлення розчинника
• Потім екстракційні склянки автоматично піднімаються над нагрівальною поверхнею для охолодження та подальшого висушування

Які переваги дає автоматизація?

• Окрім основної – економії часу оператора – також дозволяє знизити витрати на проведення аналізів. Завдяки використанню титанових конденсаторів, ефективних ущільнювачів та внутрішнього баку прилад дозволяє відновити понад 90% розчинника
• Завдяки наявності контролера споживання води для охолодження прилад регулює кількість води, яка йому потрібна, а також споживає її лише під час аналізу. Після завершення екстракції подача води в конденсатори автоматично зупиняється. Це дозволяє максимально економити споживання водних ресурсів

• Прилад вирізняється винятковою універсальністю. Може працювати з великою кількістю різноманітних розчинників – усього понад 20 різних типів. Слід зазначити, що їх можна змінювати лише в серіях: не можна одночасно використовувати різні типи розчинників
• Обладнання може використовуватися з різними видами гільз та екстракційних склянок – для розширення галузей застосування та задоволення будь-яких потреб користувачів
• Екстрактор оснащений ультрашвидкою нагрівальною плитою зі склокераміки з індивідуальними нагрівальними елементами для кожної позиції. Це забезпечує рівномірне нагрівання усіх позицій
• Прилад також оснащено функцією автоматичного підйому зразків над нагрівальною поверхнею після завершення етапу відновлення розчинника – для запобігання підгоряння зразків, що може призвести до спотворення результатів аналізу
• Велика увага приділена безпеці роботи оператора. Завдяки функції SolventXpress – інтелектуальній системі додавання та утилізації розчинника – забезпечується відсутність контакту оператора з ним. Вбудований резервуар для відновленого розчинника обладнаний оптичним датчиком для запобігання витоку назовні. Уся екстракційна секція обладнана захисним екраном. Кожна секція нагрівальної плити обладнана захистом від перегріву
• Блок керування із 7-дюймовим сенсорним екраном та інтуїтивно зрозумілим меню забезпечує простоту та зручність у використанні
• Контролер має бібліотеку з попередньо встановленими методами аналізу для більшості харчових продуктів. При потребі є можливість налаштування власних методів під індивідуальні потреби користувача
• До блоку керування можуть бути під’єднані ваги для автоматизації підрахунку результатів. Дані можуть передаватися на ПК
• Одним контролером можна одночасно керувати 4-ма екстракційними блоками

Якщо у Вас виникли запитання, звертайтеся до спеціалістів ХЛР: info@apk.hlr.ua, +380 (67) 218-71-98.