166246 (685448), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

На стадії бродіння дріжджі відновлюють утворені карбоніли та гідроперекиси у відповідні спирти, які є безпечними для смаку напою. При розпаді гідроксикислот після бродіння утворені карбонільні речовини залишаються у пиві та погіршують його смак. Окрім ферментативних процесів окиснення з безпосередньою участю ферментів можна виділити процеси, де ініціаторами є метали змінної валентності (Fe), а ферменти виконують допоміжну роль. Як вже було описано у неферментативних процесах, залізо ініціює ланцюги окиснення за вищенаведеною схемою.

У випадку наявності у системі ферментів, де коферментом є НАДФН_2, іони заліза відновлюються ланцюгом переносу електронів за наступною схемою [16,17]:

2. Експериментальна частина

2.1 Газоволюмометричний метод

Одним із простих і розповсюджених методів вивчення кінетики рідиннофазних реакцій окиснення органічних речовин є метод вимірювання кількості поглиненого кисню. Газоволюмометричний (ГВ) метод дозволяє вимірювати швидкість окиснення з великим ступенем точності при малих глибинах перетворення, коли впливом продуктів окиснення на кінетику реакції можна знехтувати.

Існують різні варіанти газоволюмометричних установок. Загальний принцип їхньої дії полягає у вимірюванні швидкості поглинання кисню при постійному тиску. Визначення кінетичних параметрів процесу інгібованого окиснення: період індукції, швидкість реакції з пероксильними радикалами, та ряд інших кінетичних характеристик проводили на установці для автоматичної реєстрації та запису поглинання кисню "Кулон-1" з фотоелектронним датчиком заводу Інституту хімічної фізики РАН (рис.2.1).

Установка складається з реакційної судини (1), зануреної у термостатовану комірку (2), термостатованої газової бюретки (3), електролітичної комірки з платиновими електродами (електроліт - насичений розчин щавлевої кислоти) (4), регулятора тиску (5), заповненого ундеканом і манометра (6), фотоелектроннного датчика (8), підсилювача датчика (9), стабілізатора струму (10). Перед початком досліду бюретка, регулятор тиску і реакційна судина з речовиною, що окиснюється, заповнюються до атмосферного тиску киснем. Для проведення окиснення реакційна судина нагрівається до певної температури за допомогою термостата при безперервному перемішуванні, після двоххвилинного прогріву з'єднується з бюреткою і регулятором тиску. Фотоелектронний датчик через стабілізатор струму з'єднаний з електролітичною коміркою. Під час реакції кисень з бюретки надходить у реакційну судину, при цьому тиск у системі падає, і у зв'язку з цим вмикається електролітична комірка. Газ, що виділився з комірки, підвищує тиск у термостатованому об'ємі і піднімає рівень ундекану в бюретці, в результаті чого тиск у системі вирівнюється. Швидкість просування меніска ундекана в бюретці пропорційна швидкості реакції.

Рис. 2.1 Схема газоволюмометричної установки: 1 - реакційна судина; 2- термостат; 3 - газова бюретка; 4 - електролітична комірка; 5 - регулятор тиску; 6 - манометр; 7 - термостатований об'єм; 8 – фотоелектронний датчик; 9 - підсилювач датчика; 10 - стабілізатор струму.

Сила струму на електролізері складала 0.2 А. Установка дозволяє вимірювати швидкість поглинання кисню від 10^-7-10^-8 моль∙л^-1∙с^-1 і більше. Об'єм реакційної суміші дорівнює 5 мл, частота перемішування – 50-60 с^-1. Вимірювання проводили в кінетичній області при тиску кисню 1 атм і температурі 313К та 343К.

2.2 Хемілюмінесцентний метод

Одним з методів вивчення кінетики хімічних реакцій може бути вимірювання хемілюмінесценції, тобто світіння, яке супроводжує хімічні процеси. Хемілюмінесценція (ХЛ) виникає в екзотермічних елементарних актах реакцій, тому її характеристики закономірно пов’язані з характеристиками реакцій. Детальне вивчення закономірностей хемілюмінесценції в реакціях, які йдуть за участю вільних радикалів, показало, що світіння виникає в елементарних актах рекомбінації вільних радикалів за схемою:

k₆

RO₂^• + RO₂^• → [ROOOOR] → R=O^* + O₂ → R=O + hυ

Як видно, світіння виникає при квадратичній рекомбінації пероксирадикалів і його інтенсивність (І) пропорційна швидкості цього процесу:

I = ŋ₆k₆[RO₂^•]²,

де ŋ₆ – квантовий вихід світіння, тобто ймовірність перетворення енергії, що виділилася у результаті рекомбінації радикалів, в енергію кванта світла.

На рис 2.2 приведена схема приладу для вивчення реакцій рідиннофазного окиснення за хемілюмінесценцією. Прилад складається з реакційного сосуду 1, який знаходиться у світлонепроникній камері 2 і до якого під’єднана система продувки газу 3, охолодження 4 та термостатування 5, фотопомножувача ФЕУ-29, що захищений кожухом 7, підсилювача постійного струму (У1-7) 8, високовольтного випрямлювача стабілізатора (ІМТ-05) 9 та автоматичного електронного потенціометра (ЛКС4-003) 10. Світіння, яке виникає у процесі окиснення, через світлофільтр 11 спрямовується на зовнішній торець світлопроводу 12, а далі потрапляє на фотопомножувач, де світловий сигнал перетворюється у постійний струм, який через виносний каскад електрометричного помножувача потрапляє в електрометричний підсилювач 8 та реєструється за допомогою автоматичного потенціометра 10. Більш детально прилад описується в роботі [18].

Рис. 2.2 Схема хемілюмінесцентної установки: 1-реакційний сосуд; 2-світлонепроникна камера; 3-продувка газа у реакційний сосуд; 4-зворотній холодильник; 5-вводи термостату; 6-фотопомножувач; 7-кожух фотопомножувача; 8-підсилювач постійного струму; 9-високовольтний стабілізатор; 10-електронний потенціометр; 11-світлофільтр; 12-світлопровід; 13-виносний каскад електрометричного підсилювача.

2.3 Техніка безпеки

Правила безпечної роботи в хімічних лабораторіях

Загальна організація роботи по техніці безпеки покладена на керівників відділів. Працювати в хімічних лабораторіях дозволяється особам віком не менше 18 років, які пройшли інструктаж з ТБ. У всіх приміщеннях лабораторії повинна бути встановлена витяжна вентиляція. Всі роботи, пов'язані з виділенням шкідливих парів або газів, повинні проводитись у витяжних шафах. Зберігання різних хімічних речовин у лабораторіях повинно відбуватись із врахуванням їх властивостей. Залишати робоче місце і нагрівальні прибори без нагляду заборонено. В кожній лабораторній кімнаті на певному місці повинні знаходитись вогнегасник, пісок, ковдра. Всі реактиви в лабораторіях повинні зберігатися у тарі з підписом. В лабораторії повинно знаходитись не менше двох чоловік. Всі роботи в лабораторії повинні проводитись при задовільному стані електрообладнання.

Основні правила безпеки при роботі з їдкими речовинами

Роботу з концентрованими кислотами та лугами без захисного обладнання заборонено. Концентрована кислота повинна зберігатись у товстостінному скляному посуді ємністю не більше 1 л у витяжній шафі. Розлиті кислоти або луги необхідно миттєво засипати піском. Після уборки піску це місце нейтралізують: кислоту - лугом або содою, луг - слабким розчином оцтової кислоти. Не можна набирати концентровані кислоти та луги в піпетки ротом. При використанні хромової суміші необхідно запобігати попаданню суміші на шкіру, одяг та взуття. Заборонено зливати концентровані кислоти та луги в каналізацію, їх слід окремо збирати в посуд і після нейтралізації зливати в зливи для неорганічних речовин.

Основні правила безпечної роботи з електрообладнанням та електроприладами

Заборонено переносити включені прилади та ремонтувати обладнання, що знаходиться під струмом. Заборонено працювати поруч з оголеними частинами обладнання. Заборонено загромаджувати підступи до електричних приладів. У випадку припинення подачі струму всі прилади повинні бути миттєво відключені. Заборонено залишати без нагляду включені прилади. У випадку загорання проводки слід негайно вимкнути електрику та погасити вогонь за допомогою вуглекислотного вогнегасника та ковдри з азбесту.

3. Окиснювальне старіння пива та його стабілізація

Як вже відомо, причиною органоліптичного старіння пива є перебіг окиснювальних процесів компонентів напою. В інших роботах було встановлено, що такі процеси перебігають за радикально-ланцюговим механізмом. Це дає можливість використати хемілюмінесцентний метод для дослідження таких процесів. Цим методом досліди проводились при температурі 70⁰С, постійній подачі повітря та наявності 7% Na₂S₂O₈ у якості ініціатора радикальних процесів в пиві. Оскільки інтенсивність світіння прямопропорційна кількості досліджуваного субстрату, в експериментах використовували постійно один і той самий об'єм пива (5 мл.). Піна, що може виникнути при виділенні діоксиду вуглецю з пива під час досліду, негативно впливає на якість результатів експерименту. Тому пиво кожен раз перед дослідом ретельно звільнялося від діоксиду вуглецю (дегазація).

Необхідність використання Na₂S₂O₈ обумовлена дуже слабкою природньою хемілюмінесценцією пива, що означає повільний перебіг окиснювальних процесів у напої у звичайних умовах. У створених умовах, що наведені вище, та присутності Na₂S₂O₈ пиво підлягає форсованому “старінню”. Це дозволяє провести експеримент за досить короткий проміжок часу, що є дуже зручним для дослідника.

Ініціююча дія Na₂S₂O₈ пов’язана з перебігом таких реакцій:

Nа₂S₂O₈ + 2H₂O → H₂O₂ + 2NаHSO₄

H₂O₂ → 2HO^•

Nа₂S₂O₈ → 2NаSO₄^•

Можливий перебіг і такої реакції [19]:

S₂O₈^2- + H₂O → SO₄ + HSO₄^2- + OH ^•

Кінетична крива ХЛ при окиснення пива, зображена на рис.3.1, де І – інтенсивність ХЛ-світіння.

Рис.3.1 ХЛ крива окиснення пива Т=70⁰С,W(Na₂S₂O₈) =7%

Як видно, спостерігається досить складна динаміка ХЛ-світіння. На кривій присутні два максимуми різної висоти (h₁;h₂). Другий максимум з'являється через певний проміжок часу – період індукції (τ). Інтенсивність світіння у періоді індукції характеризується величиною h₃.

Було встановлено, що головні параметри ХЛ кривої окиснення пива (h₁;h₂; τ) залежать від умов досліду. Так, період індукції при збільшенні концентрації Na₂S₂O₈ зменшується, а величини h₁;h₂ при цьому зростають як це видно з рис.3.2 та рис.3.3.

Рис.3.2 Залежність τ від концентрації Na₂S₂O₈ Т=70⁰С

Також встановлено, що відключення подачі повітря у систему чи заміна його на такий нейтральний газ, як аргон, призводить до зникнення світіння. Це свідчить про радикальну природу процесів окиснення, а також про те, що висоти першого та другого максимумів характеризують інтенсивність радикальних реакцій окиснення у пиві. Очевидно, що величина τ є мірою стійкості напою до окиснювальних процесів. Наявність періода індукції на ХЛ кривій обумовлена присутністю у пиві речовин, що здатні пригнічувати окиснювальні процеси (власні антиоксиданти).

Хемілюмінесценція пива сильно залежить від температури. При зниженні температури відбувається зменшення величин h₁ та h₂, а період індукції при цьому суттєво збільшується (рис.3.4).

Рис.3.4 Залежність ХЛ пива від температури W(Na₂S₂O₈) =7%

1 - Т=70⁰С; 2 - Т=60⁰С

Для пояснення такої складної картини ХЛ пива та її зміни у залежності від створених умов було проведено серію дослідів по з'ясуванню впливу головних компонентів напою на параметри ХЛ. В табл.3.1 приведені результати цих дослідів.

Таблиця 3.1 – Зміна параметрів ХЛ пива при його окисненні з введенням додаткової кількості компонентів. Т=70⁰С,W(Na₂S₂O₈) =7%

Аналіз отриманих даних дозволяє відмітити наступне:

• додаткове внесення ефірів ненасичених карбонових кислот (твін – 80) у пиво призводить до збільшення першого піку (h₁) та не впливає на інші параметри ХЛ кривої (h₂; τ);

• меланоідини, які є складною сумішшю сполук, що утворюються при нагріванні амінокислот з сахарами, практично не впливають на параметри хемілюмінесценції;

• додаткове внесення речовин фенольної природи (іонол, кофейна к-та) у пиво призводить до зростання світіння в першому максимумі, зменшення другого максимума та збільшення періоду індукції;

• внесення СО₂-екстракту хмелю, що використовується у виробництві для охмелення сусла, не впливає на параметри ХЛ кривої;

• збільшення вмісту сахарів (глюкоза ;сахароза) у пиві, що окислюється, не вплинуло на ХЛ криву;

• додаткове внесення етилового спирту дуже слабо вплинуло на величину першого піку та не змінило інші параметри ХЛ кривої.

З урахуванням вищезазначеного можна зробити деякі попередні висновки щодо природи ХЛ світіння, яке виникає при окисненні пива:

1. Хемілюмінесценція обумовлена саме радикальними реакціями окиснення компонентів пива за участю кисню. Головною реакцією, що обумовлює виникнення світіння при окисненні пива, є взаємодія двох пероксирадикалів:

RO₂^• + RO₂^• → [ROOOOR] → R=O^* + O₂ → R=O + hυ (1)

1. Інтенсивність ХЛ світіння у першому максимумі обумовлена речовинами, що легко окиснюються (ненасичені карбонові кислоти та їх ефіри) з утворенням пероксирадикалів (RO₂^•), що рекомбінують між собою з хемілюмінесценцією. Також перший пік характеризує світіння, яке виникає у результаті розпаду самого ініціатора, що було встановлено при моделюванні розчину досліджуваного субстрату.

2. Фенольні сполуки (PhOH) пива (кверцетин, протокатехова к-та та ін.) здатні пригнічувати світіння у результаті протікання реакції:

PhOH + RO₂^• → ROOH + PhO^• (2)

Характеристики

Список файлов ВКР