Реферат по предмету Методы исследования молока и молочных продуктов - файл n1.doc

Реферат по предмету Методы исследования молока и молочных продуктов
Скачать все файлы (62 kb.)

Доступные файлы (1):
n1.doc62kb.30.03.2014 17:25скачать

n1.doc

Спектрометрия ядерного магнитного резонанса



Вещество, исследуемое методом ЯМР, помещают одновременно в 2 магнитных поля – одно постоянное, а другое радиочастотное. Измерение осуществляют на ЯМР-спектрометре (рис. 15), основными составляющими элементами которого являются: электромагнит (в простых приборах используют постоянный магнит), генератор радиочастотного излучения, датчик, в который помещают пробирку с образцом, электронный усилитель и интегратор, самописец.

Пробирку с анализируемым образцом 1 помещают в создаваемое генератором радиочастотного излучения 7 и магнитом 3 магнитное поле напряженностью Н0. Вследствие поглощения энергии анализируемым веществом на контуре падает напряжение, на датчик 4 поступает аналитический сигнал, усиливается усилителем сигнала 6 и подается на самописец 5 (ЯМР-спектр).



Поле Но модулируется так, что оно меняется с определенной часто­той и таким образом осуществляется горизонтальная развертка ЯМР-спектра. Для записи ЯМР-спектра применяют специальные регистра­ционные бланки, на которых показаны условия съемки спектра.




Применение метода ЯМР в анализе различных веществ связано с использованием аналитических параметров ЯМР (схема 1).
В ЯМР-методе используют следующие аналитические парамет­ры: химический сдвиг, константа спин-спинового взаимодействия, интенсивность сигнала, время релаксации.
Химический сдвиг. Значение напряженности магнитного поля в месте расположения ядра обычно отличается от значения напря­женности внешнего магнитного поля Я0 и называется эффектив­ной напряженностью Яэф. Для ядер с разным окружением эффек­тивная напряженность магнитного поля различна. Это объясняет­ся тем, что значение Яэф зависит от окружения ядра, т. е. от кон­фигурации электронного облака окружающих ядро групп и спинов соседних ядер. Каждой функциональной группе соответ­ствует характерный ей диапазон значений химических сдвигов, расположенных в более или менее узкой области спектра. Значе­ния химических сдвигов приводятся в каталогах и атласах ЯМР-спектров.

Изменение эффективной напряженности магнитного поля в мес­те расположения ядра характеризуется константой экранирования ?:



где НЭФ — эффективная напряженность магнитного поля в месте расположения ядра n.

Поскольку измерить величину Нэф практически невозможно, в ЯМР-спектрометрии используют разность резонансных сигналов стандартного и анализируемого веществ. Сдвиг резонансной линии анализируемого вещества относительно стандартного вещества на­зывается химическим сдвигом. Значение этой величины строго со­ответствует строению молекулы. Химический сдвиг зависит от на­пряженности внешнего (приложенного) магнитного поля Н0. В связи с этим в зависимости от типа прибора изменяются напряжен­ность и соответственно химический сдвиг одного и того же веще­ства. Для того чтобы получить независимые от типа прибора резуль­таты для химических сдвигов, ввели величину

? = (Нг-Нn)/Н0,

где ? — химический сдвиг резонансной линии ядра п относительно резонансной ли­нии ядра r.

Резонансные линии сдвигаются в области поля с меньшей или большей напряженностью в зависимости от строения вещества. Это объясняется различной степенью экранирования ядер в одной и той же молекуле. Таким образом, конфигурация электронной оболочки влияет на получаемые результаты.
Константа спин-спинового взаимодействия. Взаимодействие полей ядер друг с другом через одну или несколько связей называется спин-спиновым взаимодействием. Этот вид взаимодействия проявляется в расщеплении резонансного сигнала в линейчатый спектр, причем число линий, относительные интенсивность и расстояние между линиями можно рассчитать. Расстояние между линиями на­зывается константой спин-спинового взаимодействия. Так как взаи­модействие между ядрами происходит внутри молекулы, константа взаимодействия не зависит от внешнего магнитного поля.
Интенсивность сигнала. Площадь под линией ЯМР-спектра пря­мо пропорциональна числу резонирующих ядер. Поэтому соотно­шение интенсивностей сигналов в ЯМР-спектре исследуемого ве­щества пропорционально соотношению числа ядер в чистом веще­стве. При количественном анализе вещества методом ЯМР-спектрометрии нет необходимости в чистых образцах анализируемых веществ. Это связано с тем, что прибор градуируют не по анализи­руемому веществу, а по площади сигнала стандарта. В этом случае на ЯМР-спектре определяют участки, соответствующие площади сигнала одного ядра. Поскольку эта площадь известна, то по сум­марной площади определяют общее количество ядер в молекуле.

Все рассмотренные аналитические параметры — химический сдвиг, константа спин-спинового взаимодействия, интенсивность сигнала используют в ЯМР-спектрометрии высокого разрешения и применяют для определения состава и структуры химических со­единений.
Время релаксации. Под воздействием радиочастотного поля на ядра атомов наблюдают переходы атомов с нижнего энергетическо­го уровня на верхний. Однако возможен переход атомов с верхнего уровня на нижний, что сопровождается выделением энергии. Раз­личают два типа обменных процессов: спин-решеточная релакса­ция, когда энергия передается во внешнее окружение (на «решет­ку»), и спин-спиновая релаксация, когда энергия передается через систему связей другим электронам.

Методы ЯМР, в которых в качестве аналитических параметров используют интенсивность сигналов ЯМР и время ядерной магнит­ной релаксации, называют релаксационными. Они основаны на том, что в присутствии парамагнитных веществ сокращается время ядерной релаксации. Время релаксации ядер в присутствии пара­магнитных веществ выражается уравнениями



где Т1 и Т2 - время спин-решеточной и спин-спиновой релаксаций данных ядер;

К1, k2 - коэффициенты релаксационной эффективности парамагнитных частиц по отношению к данным ядрам спин-решеточной и спин-спиновой релаксации;

С - концентрация парамагнитных частиц в растворе.

По физическому смыслу К1 и К2 соответствуют скорости релак­сации ядер при концентрации анализируемых парамагнитных час­тиц, находящихся в 1 М растворе исследуемого вещества.

Время релаксации можно измерить несколькими методами. На­дежным является импульсный вариант метода ЯМР — метод спинового эха. Ha исследуемый образец в магнитном поле через опре­деленные промежутки времени подают кратковременные радиоча­стотные импульсы в области резонансного поглощения, и в прием­ной катушке появляется сигнал спинового эха, максимальная амп­литуда которого связана с временем релаксации определенным со­отношением. С помощью установки спин-эха можно определять время релаксации от 10-5 до 102 с. Для проведения обычных анали­тических определений измеряют амплитуду сигнала резонансного поглощения. Часто используют метод градуировочного графика.

Релаксациоонными методами ЯМР были исследованы некоторые пищевые продукты и вода на содержание отдельных компонентов: влаги, жира, металлов и др. При этом использовали эксперимен­тальные зависимости вида
Ti=f(С), T2=f(C); It=f(C),

где Т1, Т2 - время соответственно спин-решеточной и спин-спиновой релаксации атомов исследуемой фазы; С - концентрация исследуемого компонента; It - ин­тенсивность сигнала ЯМР исследуемой фазы образца.

При определении соотношения твердой и жидкой фаз в жирах — важного параметра при производ­стве многих пищевых продуктов — измеряют сигнал It дважды: в мо­мент t1= 10-12 мкс и t2 = 70 мкс, а для расчета массовой доли жид­кой фазы Рж.ф (%) используют выражение Рж.ф = к(It2*100)/It1 Полное время анализа, например, на приборе Minispec P-20 фирмы Bruker, зависит от требуемой точности: 2 с — 0,5% и 6 с — 0,3%. Эту методику применяют для исследования твердой и жидкой фаз в сливочном масле, маргаринах, молочном жире.

Рассмотренные релаксационные методы значительно произво­дительнее по сравнению с базовыми методами анализа и во многих случаях отличаются меньшей погрешностью определения, вместе с тем они требуют использования специально подготовленных об­разцов сравнения и иногда взвешивания пробы.

Данный метод использован сотрудниками ВНИИМСа для оцен­ки состояния и свойств воды и жира в молочном жире, сливках, сли­вочном масле, сычужных и плавленых сырах.

В качестве примера приведены результаты исследований по изучению изменения состояния воды в нежирном сыре и в плав­леных сырах с различными солями-плавителями; цитратами и триполифосфатом натрия. Исследования проведены с помо­щью импульсного ЯМР-релаксометра. Измеряли время спин-спиновой релаксации Т2 и интенсивность сигнала, которую измеряли в относительных единицах. За единицу приняли ин­тенсивность сигнала ЯМР натурального сыра при времени ре­лаксации 10-1 с.

Данный метод основан на том, что релаксационные характерис­тики ЯМР атомов воды зависят от содержания и формы связи воды с составными частями молока. Для исследованных образцов диапазон значений Т2 имеет поря­док 10-5— 10-1 с. Известно, что показатели времени релаксации в интервале 10-3— 10-1 характерны для молекулярной подвижности воды диффузионно-усредненных структур.

Для натурального нежирного сыра обнаружены два значения времени релаксации 10-2 и 10-1 с, а для плавленых сыров обнару­жена величина 10-3 с, что позволяет судить о плавленых сырах как гетерогенных системах. Компонента Т2, соответствующая времени 10-5 с, относится к сильно заторможенной воде, связанной с моле­кулами белка.


Известно, что релаксация в гетерогенных системах обусловлена не только размерами микрообластей, но также соотношением объемной и поверхностной воды в самих микрообластях.

Используя закономерности, приведенные в книге Лиллфорда, определили содержание различных форм влаги в сырах.

Форма В1 характеризует воду, прочно связанную с молекулами белка, поскольку геометрические размеры микрообластей Н1 со­впадают с размерами мицелл казеина, формирующих белковый каркас. Доля такой воды составляет около 9% всей влаги. При плавлении ее количество увеличивается до 10,5 и 8,6% в зависи­мости от используемой соли-плавителя, что свидетельствует о повышении в процессе плавления гидратации молекул белков. Это обусловлено диспергированием исходных элементов струк­туры до субъединиц, в результате чего увеличиваются поверх­ность белка и количество гидрофильных групп, контактирующих с водой.

Форма В2 характерна только для плавленых сыров и составляет для сыров с цитратами и триполифосфатом натрия соответственно 7,7 и 11,5%. Эти результаты указывают на дополнительную иммо­билизацию воды в процессе плавления, сопровождающую разруше­ние пространственной сетки белкового каркаса.

Во всех исследованных образцах значительная часть влаги (75— 82%) приходится на форму В3. Эта вода удерживается элементами пространственной белковой структуры (макрозернами в сычужных сырах, цилиндрическими ассоциатами, формирующими простран­ственную сетку параказеина, или в виде пленок между флокулиро­ванными частицами эмульсии — в плавленых). Ее доля максималь­на в исходном натуральном сыре (82 %) и снижается в плавленых сырах, полученных при использовании цитратов (78 %) и триполи-фосфата натрия (75 %).

Наиболее крупные микрополости, соответствующие свободной воде (В4), можно рассматривать как дефекты пространственной структуры. Их образование может быть вызвано синерезисом и схлопыванием белковой пространственной сетки. В натуральном сыре содержание свободной воды — наибольшее (7—13%), в плав­леных сырах ее доля уменьшается в зависимости от качества исход­ного сырья и природы солей-плавителей в 2,3—2,7 раза и составляет 3,7 и 4,3% соответственно для плавленых сыров с солями-плавителями цитратами и фосфатами.

Полученные данные позволяют сделать вывод об изменении со­стояния влаги и переходе ее из одной формы связи в другую при плавлении натурального сыра. В процессе плавления происходит дополнительное связывание воды (7,7— 11,5%) и увеличивается количество прочно связанной воды (10,5 и 8,6% против 8%). При этом содержание свободной воды уменьшается примерно в 2—3 раза, так как при плавлении возрастает гидратация молекул белков натурального сыра.

Вологодская государственная молочнохозяйственная академия

им. Н.В. Верещагина
Технологический факультет


Кафедра технологии молока и молочных продуктов


Реферат


по предмету «Методы исследования молока

и молочных продуктов»

Тема: «Спектрометрия ядерного магнитного резонанса»


Выполнила:

студентка 141/1 гр,

Бурыкина Т.П.


Вологда-Молочное

2005
Учебный текст
© perviydoc.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации