Analiza namirnica 6 MAKRO-, MIKRO- I POLUMIKROMETODE Atributi makro, mikro- i polumikro- doslovce proističu iz veličine probe koja se uzima za analizu. Iako u analitičkoj hemiji postoji gruba podela na makrometode (proba od nekoliko grama) i mikrometode (proba od nekoliko miligrama), stvarna razlika između ovih metoda je rastegljiva i jasnija je tek kada se primeni na određivanje iste supstance na primer, da li će se za određivanje proteina u mesu uzeti proba od 5 g ili od 50 mg. Ukoliko se odvaga nalazi negde između dve gornje vrednosti, metoda obično ima atribut "polumikro". Iz onoga što je dosada izneto proizlazi da veličina probe koja se uzima za analizu zavisi od: - homogenosti uzorka, - učešća tražene komponente u uzorku. Ako uzorak i posle primene svih raspoloživih mehaničkih postupaka ostane i dalje vidljivo nehomogen (npr. u njemu se i dalje uočavaju pojedinačna zrnca začina, grudvice vezivnog tkiva i sl.), onda je besmisleno insistirati na mikroanalizi jer će se doduše njome uštedeti hemikalije, ali će dobijeni rezultat biti nepouzdan. Stoga se mora upotrebiti veći uzorak. Isto tako, ako je sadržaj tražene supstance u uzorku veoma nizak (<1%), takođe se mora na početku uzeti veća proba, kako bi se na kraju odvajanja dobila dovoljna količina tražene supstance za tačno merenje. Pošto je primena mikrometoda poželjna sa stanovišta uštede hemikalija i posledično manjeg zagađenja okoline, makro- i mikropostupak se mogu kombinovati, najčešće tako što se makroproba vidljivo nehomogenog uzorka (veličine nekoliko grama) rastvaranjem ili razaranjem prevede u odgovarajući rastvor čija se zapremina, primenom preciznih volumetrijskih postupaka, dovede na tačnu vrednost. Dalje se ne mora raditi sa celokupnom količinom rastvora (sa celom probom), već s njegovim alikvotnim delom, npr. petinom ili desetinom njegove zapremine i u toj istoj meri uštedeti hemikalije. Ovde smo masu nehomogene probe raspodelili po velikoj zapremini koja se može tačno meriti i pri tome je dodatno homogenizovali. I ovakav postupak često nosi atribut "polumikro". Kao što se vidi, primena makro-, mikro-, odnosno polumikrometoda zavisi od toga šta se i u čemu određuje, a koji će se postupak u konkretnom slučaju upotrebiti, u velikoj meri određuje iskustvo analitičara, pa ipak, postoji stalna težnja ka favorizovanju mikropostupaka.
Analiza namirnica 7 KVALITATIVNA I KVANTITATIVNA ANALIZA Pod kvalitativnom hemijskom analizom podrazumevamo skup hemijskih, fizičkih i fizičkohemijskih postupaka pomoću kojih nedvosmisleno utvrđujemo prisustvo određene (tražene) komponente u uzorku. Pošto unapred često imamo samo nejasnu predstavu o sastavu uzorka, u neorganskoj analitičkoj hemiji je razvijen čitav sistem postupaka čijim sprovođenjem, uz poštovanje propisanog redosleda, možemo da utvrdimo prisustvo ili odsustvo većine katjona (Na +, K +, Ca +,...) i anjona (NO 3 -, HOSO 3 -,...). U analizi namirnica, koje su u načelu smeša organskih i neorganskih jedinjenja, primenjuje se najčešće samo nekoliko takvih postupaka, odnosno karakterističnih reakcija za dokazivanje određenih supstanci. Za njih se koriste gotovi rastvori hemikalija koje veterinarski inspektor može da primeni na terenu da bi utvrdio neku nepravilnost u vezi s namirnicom zbog koje će njen uzorak eventualno poslati u laboratoriju za detaljnije analiziranje. Takav je, na primer, Lugolov rastvor (vodeni rastvor 5%I i 10% KI), pomoću koga se utvrđuje prisustvo skroba u uzorku (plava boja), što je čest slučaj pri falsifikovanju, ali i običan lakmus-papir, pomoću koga se utvrđuje da li je namirnica kisela ili nije (boje: crvena ili plava), što može ukazati na njenu higijensku neispravnost. Ponekada se primenom kvalitativnog postupka može suditi o tome da li određene komponente ima malo ili mnogo u uzorku. Na primer, ako ekstrakt neke namirnice pri dodatku rastvora AgNO 3 daje obilan talog AgCl, to znači da u njoj ima mnogo soli (NaCl). Isto tako, u upotrebi su i indikatorski papiri koji prilikom promene kiselosti sredine više puta menjaju boju u zavisnosti od njenog trenutnog ph, tako da se pomoću njih može utvrditi ne samo da li je neka namirnica kisela ili nije, već i približno koliko je njeno ph. Opisanu primenu kvalitativnih postupaka bismo mogli nazvati polukvantitativnim metodama. Kvantitativna analiza, nasuprot kvalitativnoj, obuhvata hemijske, fizičke i fizičkohemijske postupke pomoću kojih je moguće, s proizvoljnim stepenom tačnosti, utvrditi sadržaj tražene komponente u ispitivanom uzorku. Sama tačnost ispitivanja zavisi od potrebe i može se regulisati veličinom probe uzete za analizu i osetljivošću primenjenih metoda merenja. Za razliku od kvalitatativne analize, gde unapred često ne znamo šta ćemo sve u uzorku naći, u kvantitativnoj analizi moramo unapred znati šta merimo da bismo primenili odgovarajući postupak izdvajanja te komponente i njenog merenja. Na taj način se kvalitativna i kvantitativna analiza međusobno dopunjuju prva pronalazi komponente uzorka, a druga ih tačno meri. Kvantitativnom hemijskom analizom se može utvrditi: 1) Grupni sastav uzorka, što je u analizi namirnica i najčešći slučaj. Tzv. osnovni hemijski sastav namirnice obuhvata: % vode, % belančevina, % masti, % ugljenih hidrata i % pepela. Iako u grupi belančevina postoje mnogi različiti proteini, mi ih svrstavamo zajedno jer iz njihovog ukupnog učešća možemo suditi o hranljivoj vrednosti namirnice, dok su razlike između pojedinih proteina koji čine grupu u ovom smislu u drugom planu. Slično važi i za ostale navedene komponente.
Analiza namirnica 8 Budući da je glavni sastojak mesa, mleka i njihovih proizvoda voda, čija se količina u namirnici može menjati tokom prerade (mleka u sir, mesa u kobasice) ili zbog falsifikovanja, često se grupni sastav namirnica ne obračunava na čitav uzorak, već samo na njegov deo koji predstavlja suvu supstancu. ) Sadržaj pojedinačnih komponenata ili jedinjenja u uzorku. Primer: iako svaka namirnica sadrži više minerala, o čijem učešću svedoči % pepela, među njima s gledišta ishrane kalcijum zauzima posebno mesto, pa se on specifično i određuje upravo iz pepela dobijenog posle spaljivanja namirnice. Njegov sadržaj se može izraziti kao procentualno učešće u pepelu ili kao procentualno učešće u čitavom uzorku. 3) Elementarni sastav čistog jedinjenja u cilju utvrđivanja njegove bruto formule. Ova primena predstavlja posebnu granu organske analitičke hemije. Standardizovanim postupcima se utvrđuje %C, %H, %O, %N,... u tačnoj odvagi čistog jedinjenja, a zatim se primenom poznatih relativnih atomskih masa pojedinačnih elemenata utvrđuju stehiometrijski odnosi između njih. Na kraju, ako je potrebna stvarna formula jedinjenja, određuje se i njegova ukupna relativna molekulska masa fizičkohemijskim metodama. -.-.-.- Da bi neki hemijski postupak mogao da se upotrebi u kvantitativnoj hemijskoj analizi, on mora da se odvija kvantitativno, tj. moramo obezbediti da se polazne materije iz jednog stanja u potpunosti prevedu u drugo. U tom smislu se treba setiti da su sve hemijske reakcije u stvari povratne. Kada, na primer, napišemo: CH + 3COOH + NaHCO3 = CH 3COONa + H O CO mi zapravo samo tvrdimo da postoji tačan kvantitativan odnos između učesnika reakcije levo i desno od znaka jednakosti, što nam omogućava da na osnovu stehiometrijskih odnosa izračunamo, na primer, koliko bi se natrijum-acetata dobilo od 100 g sirćetne kiseline, ako bismo svu sirćetnu kiselinu preveli u njega. Istina je, međutim, da u reakcionoj smeši istovremeno postoje svi učesnici navedene reakcije. Budući da je brzina svake hemijske reakcije u rastvoru proporcionalna koncentracijama reaktanata, gornja reakcija se odvija sleva udesno, ali i zdesna ulevo, sve do dostizanja ravnotežnog stanja u kome se dve brzine međusobno suprotnih reakcija izjednačavaju. Zato bi gornju reakciju pravilnije trebalo pisati ovako: CH + 3COOH + NaHCO3 CH 3COONa + H O CO Ako bismo želeli da reakciju sleva udesno izvedemo kvantitativno (do kraja), tj. da svu sirćetnu kiselinu pretvorimo u natrijum-acetat, morali bismo da na neki način stalno uklanjamo produkte reakcije s desne strane i time smanjujemo brzinu reakcije zdesna ulevo. U konkretnom slučaju bismo to postigli ako bismo rastvor zagrevali i tako iz njega stalno udaljavali stvoreni ugljen-dioksid. Kod reakcije u čvrstom stanju CaCO CaO + 3 CO
Analiza namirnica 9 takođe postoji ravnoteža, ali se žarenjem kalcijum-karbonata uz odvođenje ugljendioksida on može kvantitativno prevesti u kalcijum-oksid (živi kreč), što bismo mogli napisati i ovako: CaCO Δ 3 CaO + CO Ovde strelica usmerena udesno označava da reakcija u tom smeru ide do kraja, ako se primene povišena temperatura (Δ) i odvođenje ugljen-dioksida u vidu gasa ( ). Navedeni primeri ilustruju jedan od glavnih načina izvođenja reakcija do kraja u kvantitativnoj analizi. Drugi, veoma čest postupak je izdvajanje produkta reakcije iz rastvora u vidu taloga, npr: AgNO3 + NaCl NaNO3 + AgCl pri čemu strelica usmerena naniže ( ) znači da se odgovarajuća komponenta izdvaja iz reakcione smeše (rastvora) kao nerastvoran talog. Uklanjanje reaktanata iz reakcione smeše u cilju pomeranja ravnoteže povratnih reakcija, naročito ako su u pitanju joni, može se izvesti i drugim manipuilacijama npr. kompleksiranjem s pogodnim supstancama ili suzbijanjem disocijacije osnovnog jedinjenja dodatkom komponente sa istim jonom., odnosno promenom ph, što se u kvantitativnoj analizi često koristi.
Analiza namirnica 10 GRAVIMETRIJA Kao što sledi iz imena ove grupe metoda, one se zasnivaju na merenju mase uzorka i(ili) neke od njegovih komponenata. Gravimetrijske metode su direktne, ako iz mase uzorka kvantitativno izdvojimo traženu komponentu i izmerimo njenu masu. Metode su, pak, indirektne, ako masu tražene komponente dobijamo kao razliku u masi uzorka pre i posle nekog postupka pomoću koga se iz njega uklanja tražena komponenta. Traženu komponentu iz uzorka obično izdvajamo primenom taloženja, otparavanja ili ekstrakcije. 1) Taloženje. Primer izdvajanja komponente taloženjem smo već imali kod reakcije između srebro-nitrata i natrijum-hlorida, pri čemu se obrazovao nerastvoran talog srebro-hlorida. Ova reakcija se može iskoristiti za određivanje sadržaja soli (tačnije, hloridnih soli) u uzorku, ako se so iz njega prethodno ekstrahuje destilovanom vodom. Drugi primer predstavlja određivanje kalcijuma iz pepela spaljene probe namirnice taloženjem u obliku oksalata. Na rastvor pepela u hlorovodoničnoj kiselini se deluje amonijum-oksalatom, pri čemu se kalcijum, sadržan u rastvoru kao kalcijum-hlorid, taloži u obliku nerastvornog kalcijum-oksalata: CaCl HCl, Δ ( NH ) C O CaC O + NH Cl + 4 4 4 Talog kalcijum-oksalata, posle filtriranja i sušenja, sadrži jedan molekul kristalne vode (CaC O 4 H O), tako da se njegovim merenjem i preračunavanjem na kalcijum može dobiti tačna masa kalcijuma u potrebljenoj probi uzorka ili pepela. Kada se setimo da hemijska formula jedinjenja istovremeno predstavlja i relativnu masu njegovog molekula, onda uz primenu stehiometrije, iz mase kalcijum-oksalatmonohidrata (a) možemo dobiti masu kalcijuma sadržanu u njemu (b): Ca b = 40,08 a = F a = = 0, a CaC O H O (40,08 + 1,011+ 4 15,999 + 1,008 + 15,999) 743 4 pri čemu se F naziva gravimetrijski faktor, koji u ovom slučaju iznosi 0,743 i predstavlja odnos mase čiste tražene supstance i mase oblika (jedinjenja) u kome se ta supstanca meri. Ako je za određivanje uzeta proba veličine m, koja je spaljivanjem dala pepeo mase p, onda je procenat kalcijuma u pepelu, odnosno u probi: b % Ca u pepelu) = 100 %Ca( u probi) p b m ( = Napomena: Kalcijum se obično ne određuje u ovoj fazi gravimetrijski, već se izdvojeni kalcijum-oksalat ponovo rastvara i određuje volumetrijski. 4 100
Analiza namirnica 11 Kao što je već rečeno, svi procesi, kako hemijski, tako i fizički, kod kvantitativne analize moraju da se izvode kvantitativno, tj. do kraja.to, naravno, važi i za operaciju taloženja, pa u tom slučaju važe neka opšta pravila. Prilikom taloženja treba imati u vidu da je stvoreni talog potrebno odvojiti od matičnog rastvora, što se radi filtriranjem, a ono će teći utoliko brže i potpunije, ukoliko su čestice taloga krupnije. Pri stvaranju taloga se razlikuju dve faze: stvaranje centara kristalizacije i rast kristala. Ako se na početku, usled velikog presićenja, odmah stvori mnogo centara kristalizacije, obrazovaće se talog sitnog zrna koji je težak za odvajanje. U suprotnom slučaju (malo presićenje), inicijalno će nastati mali broj centara kristalizacije u kojima će stvoreni sitni kristali dalje samo rasti stvarajući talog krupnog zrna koji se lako cedi. Zbog toga u načelu taloženje treba vršiti postupno dodavanjem taložnog sredstva u više malih uzastopnih porcija tako da presićenje rastvora nikada ne bude preveliko. Stvoreni sitnozrnasti talog se često i naknadno može pretvoriti u talog krupnog zrna rekristalizacijom stajanjem taloga s rastvorom pri povišenoj temperaturi. Tada se najsitniji kristali ponovo rastvaraju i pri laganom hlađenju rastvora talože na površini već postojećih većih kristala. Za kvantitativno odvajanje taloga od matičnog rastvora se uglavnom koristi celulozni filtar-papir različite gustine (poroznosti) koji je, u zavisnosti od proizvođača, različito obeležen. Najčešće se najgušći, tzv. analitički filtar-papir, označava "plavom trakom", onaj srednjegust "crvenom", a onaj najporozniji "crnom". Postoji i tzv. "organski" filtar-papir, s krupnim porama, podesan za filtriranje organskih, voluminoznih taloga koji bi inače brzo začepili fine pore nekog gušćeg papira. Osim toga što treba da u potpunosti zadrži čestice taloga, filtar-papir koji se koristi u gravimetrijske svrhe mora da bude od čiste celuloze, tj. da pri žarenju taloga s filtrom potpuno sagori ne dajući merljiv čvrst ostatak. Talog na filtru se posle ceđenja mora dodatno ispirati kako u njemu ne bi zaostao matični rastvor, a zatim se filtar sa uzorkom mora sušititi pri odgovarajućoj temperaturi, žariti i meriti. Talog sakupljen na filtar-papiru se obično žari, pri čemu sam filtar-papir sagori. Ako je talog potrebno samo sušiti (do 400 0 C) i onda meriti (pri čemu filtar-papir ne bi sagoreo), onda se on skuplja u specijalnom staklenom lončiću s dnom od poroznog stakla definisane veličine pora guču. (Guč se pre ceđenja taloga tačno izmeri, pa se masa taloga dobija merenjem nakon njegovog sušenja zajedno s gučem.) Ako je guč načinjen od vatrostalnog materijala porcelana, talog se zajedno s njim može i žariti (preko 400 0 C). ) Otparavanje (volatilizacija). Najčešća primena ove metode je indirektna: meri se masa probe pre i posle otparavanja tražene komponente. To je istovremeno i najčešća standardizovana metoda za određivanje sadržaja vode u namirnicama. Potencijalni izvor greške kod ove (i drugih indirektnih) metoda je mogućnost da pri otparavanuju tražene komponente (npr. vode) iz probe ispari i neka druga isparljiva komponenta (npr. neka laka komponenta masti). Zbog toga se pri sušenju strugo treba pridržavati propisanih uslova (temperatura, eventualni vakuum, trajanje). Takođe, što je sadržaj isparljive komponente u uzorku niži, sve više raste relativna greška određivanja jer se njena masa dobija kao sve manja razlika dve sve bliskije mase (mase uzorka pre i posle sušenja).
Analiza namirnica 1 Kada je reč o vodi u namirnicama, treba istaći da se ona, zahvaljujući polarnosti svog molekula, delom čvrsto vezuje za polarne grupe drugih komponenata, pa se poslednje količine vode veoma teško i sporo udaljuju. Kada je reč o uzorku animalnog porekla, tu često i prisutno masno tkivo mehanički ometa isparavanje vode iz unutrašnjosti probe, pa se preporučuje prethodno rastrljavanje probe sa etilalkoholom (rastvaračem masti), čime se čestice masnog tkiva dezintegrišu. (Dodati alkohol tokom sušenja potpuno ispari.) 3) Ekstrakcija. Uzorak se meša s rastvaračem koji selektivno rastvara traženu komponentu, posle čega se faze razdvajaju, rastvarač uparava i ekstrahovana komponenta meri. Baš na ovaj način se određuje sadržaj masti u uzorku namirnice iz koga je prethodno udaljena voda (sušenjem). Očigledno je suštinski bitno da primenjeni rastvarač selektivno rastvara traženu komponentu. U tom smislu treba primetiti da je mast složena smeša jedinjenja različite polarnosti (mono-, di- i trigliceridi, slobodne masne kiseline, voskovi, viši alkoholi, steroli, ugljovodonici), čija rastvorljivost u konkretno primenjenom ekstrakcionom sredstvu (organskom rastvaraču) ne mora da bude jednaka. Tako, na primer, ako isti uzorak ekstrahujemo petroletrom, benzenom i hloroformom, verovatno ćemo za ekstrahovanu mast dobiti bliske, ali statistički značajno različite rezultate. Zbog toga je važno da se ekstrakciono sredstvo standardizuje kako bi svi analitičari dobijali vrednosti koje se međusobno mogu porediti.