ZASTOSOWANIE SPEKTROSKOPII FT-IR
DO OCENY ZAWARTOŚCI ALKOHOLU ETYLOWEGO W KOMERCYJNYCH WÓDKACH
1Katarzyna Sujka, Piotr Koczoń Katedra Chemii
Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
Wstęp
Wódka komercyjna jest około 40-procentowym (v/v) roztworem etanolu w wo- dzie. Produkty pochodzące od różnych producentów charakteryzują się określoną zawartością etanolu oraz poziomem metanolu, wyższych alkoholi i innych pozo- stałości po destylacji. Dopuszczalne poziomy poszczególnych składników reguluje Rozporządzenie Parlamentu... [2008]. Wyroby spirytusowe niespełniające wyma- gań 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 li- teraturowe wskazują, że wyroby spirytusowe stanowią grupę często fałszowanych produktów. Nieprawidłowości mogą dotyczyć rozcieńczania wodą czy też stoso- wania 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 pochodzą- cy z przemytu [CHŁOBOWSKA i in. 2000; TARGOŃSKI i STÓJ 2005].
Do kontrolowania jakości wódek stosuje się najczęściej metody chromato- graficzne (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 pozwoliły- by zaoszczędzić czas pomiaru i nie wymagałyby złożonego przygotowania próbki [ARZBERGER i LACHENMEIER 2008].
Spektroskopia w podczerwieni (FT-IR) jest nieinwazyjną, prostą techniką po- miarową, służącą między innymi do badania mieszanin biologicznych. Zastąpienie lub uzupełnienie powszechnie stosowanych metod oceny jakości wódek spektro- skopią FT-IR może wpłynąć na przyspieszenie pracy laboratoriów oraz zmniejsze- nie zużycia odczynników chemicznych. Metoda ta wprowadza też możliwość wie- loelementowej oceny badanej próbki. Może być również stosowana bezpośrednio
1 Badania finansowane z projektu NCN nr N N312 463440.
na linii produkcyjnej. Wymienione aspekty mają niebagatelne znaczenie w kontek- ście 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 spektrosko- pia w podczerwieni w zakresie średniej i bliskiej podczerwieni może znaleźć prak- tyczne zastosowanie między innymi w klasyfikacji, wykrywaniu zafałszowań (ta- kich 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 wyzna- czenia zależności statystycznych użyto intensywności integralnej pasm w zakre- sach spektralnych: 1752–1550 cm–1, 1500–1220 cm–1, 1115–1000 cm–1. Oblicze- nia 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 mo- delu 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 stosun- ki tych intensywności korelowano z zawartością alkoholu etylowego. Analiza re- gresji 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 wystąpi- ła w przypadku stosunku intensywności obliczonego dla zakresów spektralnych:
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 odpo- wiednio 0,9128 i 0,8938. Współczynnik determinacji dla pojedynczego zakresu 1752–1500 cm–1 był niski. Parametry statystyczne otrzymanych modeli zaprezen- towano w tabeli 1.
y = –10,54x + 77,73 R2 = 0,9128
0 10 20 30 40 50 60 70
0 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 Procentowa zawartość etanolu Percentage of ethanol content (%)
Rys. 1. Zależność pomiędzy zawartością etanolu a stosunkiem intensywności dwóch pasm w zakresach spektralnych 1752–1550 cm–1 i 1500–1220 cm–1
Fig. 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
y = –15,591x + 80,744 R2 = 0,8939
0 10 20 30 40 50 60 70
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 Procentowa zawartość etanolu Percentage of ethanol content (%)
Rys. 2. Zależność pomiędzy zawartością etanolu a stosunkiem intensywności dwóch pasm w zakresach spektralnych 1752–1550 cm–1 i 1115–1000 cm–1
Fig. 2. 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 za- wartości etanolu do wódek komercyjnych, uzyskano wyniki od 41 do 46%, nato- miast wyniki dla modelu 2. zawierały się w przedziale 27–34%.
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 develo-
ped, determined by the standard method and declared by the producer
Komercyjna wódka Commercial
vodka
Zawartość etanolu wyznaczona
za pomocą modelu 1 Ethanol content
determined by model 1
(%)
Zawartość etanolu wyznaczona
za pomocą modelu 2 Ethanol content
determined by model 2
(%)
Zawartość etanolu wyznaczona
metodą alkoholometryczną
Ethanol content determined by the standard
method (%)
Zawartość etanolu deklarowana przez producenta
Ethanol content declared by the producer
(%)
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
Wódką o najmniejszej zawartości etanolu, oznaczonej za pomocą spektrosko- pii FT-IR, była próbka W6 (41,52% dla modelu 1. i 27,18% dla modelu 2.), na- tomiast 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 przy- najmniej 37,5% etanolu, wartości poza granicami wyznaczonymi przez rozporzą- dzenie świadczyłyby o zafałszowaniu produktu. W celu rozstrzygnięcia, czy mo- dele statystyczne prawidłowo przewidują badany parametr, oznaczono zawartość alkoholu etylowego metodą alkoholometryczną (tab. 2).
Wyniki zawartości alkoholu etylowego oznaczone metodą standardową za- wierały się w przedziale 40–43%. Największą oznaczoną zawartością etanolu cha- rakteryzowała 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 mode- lu 2. wyniki są rozbieżne i znacznie mniejsze w porównaniu z zawartością etanolu oznaczoną metodą standardową. Porównanie oznaczonego parametru obiema meto- dami wykazało różnice rzędu 10%, co wskazuje na słabsze możliwości zastosowa- nia modelu 2. w praktyce. Jednakże wyniki dla modelu 1. świadczą o dużym poten- cjale 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 przydat- ność 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. Pomiędzy zawartością etanolu a stosunkiem intensywności pary pasm w za- kresach spektralnych 1752–1550 cm–1 i 1500–1220 cm–1 występuje statystycz- nie istotna liniowa korelacja.
2. Opracowany model statystyczny (model 1.) pozwala oznaczyć zawartość al- koholu etylowego w wyrobach komercyjnych. Wyniki uzyskane za pomocą modelu są na statystycznym poziomie takie same, jak wyniki uzyskane me- todą densytometryczną, co świadczy o możliwościach aplikacyjnych spektro- skopii FT-IR w zakresie oznaczania zawartości alkoholu etylowego w handlo- wych wyrobach spirytusowych.
3. Zastosowanie stosunków intensywności pary pasm w porównaniu z inten- sywnością pojedynczych pasm przynosi lepsze rezultaty w postaci większych współczynników determinacji i mniejszego błędu estymacji.
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. De- tection 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 charac- terization 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 integral- nej 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
spektroskopii FT-IR w zakresie oznaczania zawartości alkoholu etylowego. Wyniki uzyskane za pomocą modelu były zbliżone do wyników uzyskanych metodą alko- holometryczną, 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. Sta- tistical 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 indi- cate 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: katarzyna_sujka@sggw.pl
