IDENTIFICATION OF AUTHENTICITY OF MILK POWDER USING THERMAL ANALYSIS AND ELECTRON MICROSCOPY
Abstract and keywords
Abstract (English):
Possibility of application of methods of scanning electron microscopy and the combined method of thermal analysis including differential thermal analysis and thermogravimetry to identify the authenticity of dried whole and nonfat milk has been studied. Three samples of dried whole milk and two samples of skimmed milk powder were used as the objects of study. When using scanning electron microscopy particles of elongated shape with a size from 100 to 400 microns have been detected in three samples. Using the reaction with Lugol's reagent the presence of starch has been revealed in these samples. When using the method of differential thermal analysis an identification index of milk powder is an endoeffect at 200 C associated with thermal decomposition of lactose. It is possible to determine a mass fraction of starch in the sample of milk powder when comparing the value of endoeffect of thermal decomposition of dehydrated amylose and amylopectin for a sample and starch. The studies have found adulteration caused by adding starch in 60% of samples of skim and whole milk powder.

Keywords:
Adulteration, milk powder, starch, thermogravimetric analysis, scanning electron microscopy
Text
Publication text (PDF): Read Download

Введение Производство порошкообразного молока - это процесс, который включает в себя удаление воды из концентрированного молока главным образом путем распылительной сушки в потоке горячего воздуха с низкой относительной влажностью. Су- хое молоко - удобный и простой в использовании молочный продукт благодаря низкой стоимости транспортировки и возможности длительного хра- нения при комнатной температуре. Сложившийся дефицит цельномолочной про- дукции в РФ привел к изготовлению широкого ассортимента молочных товаров из сухого молока и растительных масел. Сухое молоко используют для получения восстановленного молока, а также для получения сметаны, сгущенного молока, сыров. Но и сухое молоко становится объектом фаль- сификации путем добавления сухой сыворотки, а также муки, мела, крахмала, извести, гипса. По внешнему виду отличить фальсифицированное су- хое молоко практически невозможно. Молоко, фальсифицированное сывороткой, имеет, как пра- вило, более низкую титруемую кислотность, 14- 17 °Т, но такие результаты не вполне достоверны и, следовательно, не могут являться доказательством фальсификации [1]. Распознать фальсификацию сухого обезжиренного молока сывороткой возмож- но путем исследования белковой фракции молока [1]. Для подтверждения подлинности молочных продуктов применяют такие методы, как ИК- спектроскопия с Фурье-преобразованием [2], ла- зерная времяпролетная масс-спектрометрия [3]. Спектроскопия в ближней инфракрасной области позволяет определять в сухом молоке сухую сыво- ротку, крахмал и мальтодекстрин [4]. Классические методы идентификации подлинности молока опи- саны в работе [5]. По некоторым оценкам, доля фальсифицированного сухого молока на рынке За- падной Сибири доходит до 80 %. Фальсифициро- ванный продукт невозможно использовать для вы- ращивания бифидокультур, возможно, из-за инги- бирующего действия добавок. Отмечается также низкое содержание белка в сухом молоке [6], что в ряде случаев в КНР компенсировалось введением меламина [7]. Состав сухого цельного и обезжиренного моло- ка представлен в табл. 1. Таблица 1 Состав сухого молока [8] Компонент Массовая доля, % для сухого цельного молока(СЦМ) 25 %жирности обезжиренного молока (СОМ) Лактоза 36,5 52,0 Белки 25,5 36,0 Жиры 25,0 1,0 Минеральныевещества 9,0 6,0 Вода 4,0 5,0 Благодаря температурным режимам сушки ос- новные компоненты молока могут быть подверже- ны различным превращениям, например, химиче- ским изменениям (реакции Майяра, дегидратации α-лактозы, денатурации белка, агрегации белков, взаимодействия белков и жиров, белков и углево- дов) или физическим (кристаллизации лактозы, агрегации частиц, деструкции, адсорбции летучих веществ - удержанию аромата) [9, 10]. Характер и степень этих изменений может зависеть от многих факторов, таких как состав, условия обработки и хранения [11]. Применение метода дифференциальной скани- рующей калориметрии (ДСК) для определения из- менений сухого молока базируется на изучении поведения компонентов молока при нагревании. Лактоза, самый распространенный компонент сухо- го молока, участвует в основных термических реакциях в аморфной или кристаллической форме [12]. Кристаллизация аморфной формы лактозы в процессе хранения молочных порошков является одной из основных причин потери качества; присутствие других компонентов, таких как белки и жиры, в значительной степени влияет на физико- химические свойства всей смеси, включая водопо- глощение, стеклование и кристаллизацию [12]. По данным Jouppila и Roos [13], функции белков сво- дятся к торможению и задержке кристаллизации лактозы в молочных порошках по сравнению с чи- стой лактозой. Кроме того, денатурация белков [14] и их агрегация [10] сопровождаются эндотермиче- скими и экзотермические эффектами, которые ре- гистрируются методом ДСК. И, наконец, молочный жир характеризуется большим количеством фазо- вых переходов триглицеридов, которые регистри- руются как эндотермические эффекты в диапазоне температур от 233 до 313 K [15, 16]. Таким обра- зом, взаимодействие компонентов молока в про- цессе высушивания не позволяет однозначно отно- сить регистрируемые методом ДСК эффекты к то- му или иному компоненту и требует использования не только индивидуальных веществ, но и их смесей [17]. Для идентификации морфологии сухого молока пригодны и методы микроскопии [18]. Целью данной работы является изучение воз- можности идентификации подлинности сухого мо- лока, представленного на рынке Алтайского края, методами электронной сканирующей микроскопии и термического анализа. Объекты и методы исследований Объектами исследования были образцы сухого цельного и обезжиренного молока отечественного и импортного производства: Молоко сухое цельное, ООО «Холод», ГОСТ Р 52791-2007, цена 300 руб./кг. Молоко сухое цельное, ООО «Лидер», ГОСТ Р 52791-2007, цена 450 руб./кг. Молоко сухое обезжиренное, производство Беларусь, ГОСТ Р 52791-2007, цена 350 руб./кг. Сухое обезжиренное молоко Премиум «Cereal», производство Россия, ГОСТ Р 52791-2007, цена 500 руб./кг. Молоко сухое цельное 26 % жирности, ООО «Уральский маслозавод», ГОСТ Р 52791-2007, цена 200 руб./кг. Методы исследования Одновременное исследование фазовых перехо- дов и потери массы образцов производилось методом ДТА-ТГА на приборе модели Shimadzu-60 фирмы Shimadzu (Япония) при следующих услови- ях. Определение проводилось в неокислительной среде, для чего использовался азот 99,999 % степе- ни чистоты, который пропускался со скоростью ~40 см3/мин. Масса навески составляла 10,0 ± 0,5 мг. Опыты проводили в температурном диапазоне от 20 до 500 ºС при скорости нагревания 10 ºС/мин. Калибровка прибора была проведена по индию (Тпл. = 156,6 ºС, ∆Нf = 28,71 Дж/г). Расчетные данные были получены с использованием программно- го обеспечения Shimadzu-60. Исследование морфологии частиц проводилось методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Образцы сухого молока наносились на медную решетку, покрывались тонким слоем золо- та в вакуумном испарителе и анализировались на сканирующем электронном микроскопе JSM-840 (Jeol, Япония) при комнатной температуре. Исследование кислотности сухого молока про- водилось по ГОСТ 3624-92. Пробоподготовка за- ключалась в восстановлении образца сухого моло- ка. К 20 г сухого молока добавляли 180 г воды и подвергали ультразвуковой обработке на аппарате УТА-1000 при 50 % мощности в течение 5 минут в безкавитационном режиме. Результаты и их обсуждение 1. Определение кислотности образцов сухого молока. Кислотность полученных образцов вос- становленного молока представлена в табл. 2. Таблица 2 Кислотность образцов восстановленного молока Образец Кислотность,°Т I Молоко сухое цельное (ООО«Холод») 11 II Молоко сухое цельное (ООО«Лидер») 2 III Молоко сухое обезжиренное(Республика Беларусь) 7 IV Молоко сухое обезжиренное(Премиум, РФ) 16 Для молока утверждены пределы кислотности 16-20 °Т. Изучая полученные данные кислотности восстановленного молока, можно предположить, что молоко сухое цельное (ООО «Лидер») и молоко сухое обезжиренное (производство Республики Беларусь) выделяются низкой титруемой кислотно- стью при их восстановлении. Разброс показателей можно связать как с различным составом сырья, так и особенностями технологического процесса (например, нейтрализацией содой или мелом). Для проверки качества было проведено исследование однородности состава образцов методом сканиру- ющей электронной микроскопии. Электронная микроскопия образцов сухого мо- лока. Обычно сухое молоко получают методом распылительной сушки, и полученный продукт представляет собой сферические частицы или их агломераты размером от 1 до 100-500 мкм [18]. Размеры этих частиц зависят от их структуры и места накопления - частицы циклонной фракции имеют размеры в среднем 20 мкм, камерной - 50, агломерированные - от 100 до 250 мкм и более. Результаты исследования морфологии частиц образцов сухого молока методом сканирующей электронной микроскопии представлены на рис. 1. Из анализа изображений следует, что в образ- цах 1 и 4 присутствуют полые сферические частицы размером от 10 до 100 мкм, что совпадает с морфологией образцов сухого молока, полученно- го распылительной сушкой [18]. В тоже время в изображениях образцов 2, 3 и 5 обнаружены ча- стицы вытянутой формы размером от 100 до 400 мкм. Можно предположить, что такие частицы могли образоваться при распылительной сушке более высоковязких жидкостей. В результате про- веденных дополнительных исследований образцы 2, 3 и 5 дали положительную пробу на крахмал по реакции с раствором йода в йодиде калия (реакти- вом Люголя). образец I образец II образец III образец IV образец V Рис. 1. Морфология образцов сухого молока Дополнительно был проведен термический ана- лиз образцов. Крахмал в сухом молоке является шестым ком- понентом, что усложнит анализ кривых нагревания образцов. Когда крахмал нагревается в присутствии достаточного количества воды, его кристаллическая форма трансформируется в аморфную [19]. Это молекулярное разупорядочение называется желатинизацией и регистрируется как эндотерми- ческий эффект методом дифференциальной скани- рующей калориметрии [20]. Термогравиаметрию (ТГА) применяют при рассмотрении процесса деполимеризации крахмала [21]. Так, по данным Фуджита [22], в процессе нагревания образцы на- тивного крахмала претерпевают желатинизацию с максимумом в диапазоне от 57 до 80 °C с величи- ной энтальпии процесса от 6,4 до 15,6 Дж/г. Термический анализ образцов методом ДТА- ТГА. Сравнение кривых ДТА для образцов I (без крахмала) и II, III (с крахмалом) представлено на рис. 2. Рис. 2. Кривые ДТА образцов: I ∙(без крахмала); II -- и III - (с крахмалом) Из сравнения кривых ДТА образцов следует, что добавление крахмала приводит к появлению дополнительных эндоэффектов в области 150 и 320 °С. Обобщая данные по кривым ДТА пяти изу- ченных образцов (рис. 3), можно отметить, что у всех образцов обнаружено по шесть эндоэффектов. вываясь на предполагаемом их составе, можно предположить, что первой стадией является удале- ние адсорбированной воды, определяющую влаж- ность образцов, за которой следуют фазовые пре- вращения (плавление и разложение компонентов молочного белка, жира и лактозы). Причем поло- жение максимумов соответствующих процессов смещается, возможно, вследствие взаимодействия между компонентами смеси. Что же касается при- роды этих процессов, то некоторую информацию дает сравнение кривых потери массы по кривым ТГА (рис. 4). Рис. 4. Кривые потери массы образцов: I -∙∙; II - -; III ∙∙; IV -∙ -;V -- Анализируя эти процессы по числу точек перегиба, можно выделить четыре стадии потери массы: первая - примерно до 100 °С, вторая - в диапазоне от 100 до 200 °С, третья - от 200 до 350 °С и четвертая - от 350 до 500 °С. Принимая во внимание, что на кривых ДТА было зарегистрировано по шесть эндоэффектов, то можно предположить что два из этих эндоэффектов были связаны не с потерей массы, а с перестройкой кристаллической структуры. Количественное сравнение кривых ДТА и ТГА образцов представлено в табл. 1. Рис. 3. Кривые ДТА образцов: I- -; II --; III -∙∙∙; IV ∙∙∙; V - При сопоставлении пяти кривых ДТА не обна- руживается двух одинаковых, хотя во всех образ- цах наблюдается по шесть эндоэффектов разной интенсивности. При этом можно выделить пик в области 200 °С, который встречается у всех образ- цов и связан, вероятнее всего, с плавлением лакто- зы. Кривые качественно отличаются друг от друга, что предполагает различие состава образцов. Осно- Таблица 1 Параметры кривых ДТА/ТГА образцов сухого молока Образец I II* III* IV V* Параметры кривых ДТА Температура Iмаксимума (испарение воды), ˚С 78,5±0,5 76,7±0,5 76,0±0,5 84,0±0,5 82,0±0,5 Энтальпия испарения -343 -137 -424 298 -464 воды, Дж/г ±30 ±15 ±40 ±30 ±45 Температура IIмаксимума плавления, ˚С 323±2 318±2 318±2 322±2 320±2 Энтальпия II -54 -142 -31 -59 -350 плавления, Дж/г ±5 ±10 ±3 ±6 ±35 Параметры кривых ТГА Потеря массы вдиапазоне 0-280 ˚С, (испарение воды ) % 18,5±0,5 22,3±0,5 35,2±0,5 32,3±0,5 17,2±0,5 Потеря массы вдиапазоне 280-500 ˚С, (термолиз бразца), % 81±4,0 77±5 64±5 68±5 83±5 Примечание. * - образцы, содержащие крахмал. Из анализа представленных данных следует от- метить, что образцы существенно отличаются по влажности, что также создает возможности для количественной фальсификации сухого молока. Для оценки методом ДТА массовой доли крах- мала содержащегося в образцах, были сопоставле- ны кривые ДТА для образца № 5 (где был иденти- фицирован крахмал) с образцом картофельного крахмала по (ГОСТ Р 53876-2010) (рис. 5). Рис. 5. кривые ДТА образцов: V -- и картофельного крахмала --- Из представленных данных следует, что наличие крахмала в образце сухого молока можно определять по наличию эндоэффекта с максимумом в области 320 °С, где происходит разложение обезвоженных амилозы и амилопектина [23]. Приняв одинаковую влажность у образца V и крахмала, можно оценить массовую долю крахмала в образце V, как отношение площадей эндоэффектов с максимумом в области 320 °С (приняв площадь образца крахмала за 100 %). После соответствующего пересчета получим, что в образце V находится 50 ± 5% крахмала. Выводы Таким образом, на основании проведенных исследований можно отметить следующее. Фальсификацию сухого цельного и обезжи- ренного сухого молока осуществляют добавлением крахмала в количестве до 50 %. Присутствие крахмала в сухом цельном и обезжиренном молоке определяет методом скани- рующей электронной микроскопии по наличию в образце частиц вытянутой формы размером от 100 до 400 мкм. Оценить массовую долю добавленного крах- мала в сухое молоко можно при сопоставлении эндоэффекта образца с максимумом при 320 °С с эталоном (чистым крахмалом).
References

1. Illarionova, E.E. K voprosu fal'sifikacii suhogo obezzhirennogo moloka syvorotkoy / E.E.Illarionova, D.D. Bilal // Nauchnoe obespechenie molochnoy promyshlennosti (VNIMI - 75 let): sb. nauch. trudov / Vseros. nauch-issled. in-t moloch. prom-sti. - M., 2004. - S. 141-145.

2. Vieira, S.M. FTMIR-PLS as a promising method for rapid detection of adulteration by waste whey in raw milk/ Simone Melo Vieira, Letícia Maria de Souza, Adriana Silva França, Leandro Soares Oliveira, Waldomiro Borges Neto // Dairy Science & Technology. - 2016. - Vol. 96. - No. 1. - R. 123-131. DOIhttps://doi.org/10.1007/s13594-015-0247-0.

3. Cosima, D. MALDI-TOF mass spectrometric determination of intact phospholipids as markers of illegal bovine milk adulteration of high-quality milk / Cosima D. Calvano, Cristina De Ceglie, Antonella Aresta, Laura A. Facchini, Carlo G. Zambonin // Analytical and Bioanalytical Chemistry. - 2013. - Vol. 405. - No. 5. - P. 1641-1649.

4. Capuano, E. Targeted and Untargeted Detection of Skim Milk Powder Adulteration by Near-Infrared Spectroscopy / Edoardo Capuano, Rita Boerrigter-Eenling, Alex Koot, Saskia M. van Ruth // Food Analytical Methods. - 2015. - Vol. 8. - No. 8. - R. 2125-2134. DOIhttps://doi.org/10.1007/s12161-015-0100-3.

5. Harding, F. Milk Quality. - New York: Springer, 1995. - 166 p. DOIhttps://doi.org/10.1007/978-1-4615-2195-2.

6. Cherkashina, N.A. Osnovnye svoystva suhogo moloka i vozmozhnost' ego zameny pri proizvodstve kolbasnyh izdeliy / N.A. Cherkashina // Vse o myase. - 2011. - № 4.- S. 36-37.

7. Pulya, O. Moloko + Melamin / O. Pulya // Agrarnyy ekspert. - 2009. - № 2. - S. 50-51.

8. GOST R 52791-2007. Konservy molochnye. Moloko suhoe. Tehnicheskie usloviya. - M.: Standartinform, 2008. -14 c.

9. Morgan, F. Lactose crystallisation and early Maillard reaction in skim milk powder and whey protein concentrates / F. Morgan, C. Nouzille Appolonia, R. Baechler, G. Vuataz, A. Raemy // Lait. - 2005. - Vol. 85. - No. 4-5. - P. 315-323.

10. Fitzsimons, S.M. Denaturation and aggregation processes in thermal gelation of whey proteins resolved by differential scanning calorimetry / S.M. Fitzsimons, D.M. Mulvihill, E.R. Morris // Food Hydrocoll. - 2007- Vol. 21. - No. 4. - P. 638-644.

11. Tsourouflis, S. Loss of structure in freezedried carbohydrates solutions: effect of temperature, moisture content and composition / S. Tsourouflis, J.M. Flink, M. Karel // Journal of the Science of Food and Agriculture. - 1976. - Vol. 27. - P. 509-519.

12. Shrestha, A.K. Water sorption and glass transition properties of spray dried lactose hydrolysed skim milk powder / A.K. Shrestha, T. Howes, B.P. Adhikari, B.R. Bhandari // LWT - Food Science and Technology. - 2007. - Vol. 40. - No 9. - P. 1593-1600. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.lwt.2006.11.003.

13. Jouppila, K. Glass transitions and crystallization in milk powders / K. Jouppila, Y.H. Roos // Journal of Dairy Science. - 1994. - V. 77. - №10. - P. 2907-2915. doi: http://dx.doi.org/10.3168/jds.S0022-0302(94)77231-3.

14. Thomas, M. Study of lactose/a-lactoglobulin interactions during storage / M. Thomas, J. Scher, S. Desobry // Lait. - 2005. - V. 85. - №4-5. - P. 325-333.

15. Kim, E.H.J. Melting characteristics of fat present on the surface of industrial spray-dried dairy powders / E.H.J. Kim, X.D. Chen, D. Pearce // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. - 2005. - Vol. 42. - No. 1. - P. 1-8.

16. Grotenhuis, E. Polymorphism of milk fat studied by differential scanning calorimetry and real-time X-ray powder diffraction / E. Grotenhuis, G.A. Van Aken, K.F. Van Malssen, H. Schenk // Journal of the American Oil Chemists' Society. - 1999. - Vol. 76. - No. 9. - P. 1031-1039. DOIhttps://doi.org/10.1007/s11746-999-0201-5.

17. Pugliese, A. Characterization of commercial dried milk and some of its derivatives by differential scanning calorimetry / Alessandro Pugliese, Maria Paciulli, Emma Chiavaro, Germano Mucchetti // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. - 2016. - Vol. 123. - No. 3. - P. 2583-2590. DOI:https://doi.org/10.1007/s10973-016-5243-y.

18. Tamime, A. Microstructure of Dairy Products / Adnan Tamime // Structure of Dairy Products. - 2007. - Ch. 4. - P. 72-103

19. Atwell, W.A. The terminology and methodology associated with basic starch phenomena / W.A. Atwell, L.F. Hood, D.R. Lineback, E. Varriano-Marston and H.F. Zobel // Cereal Foods World. - 1988. - Vol. 33. - P. 306-311.

20. Biliaderis, C. G. The structure and interactions of starch with food constituents / C. G. Biliaderis // Canadian Journal of Physiology and Pharmacology. - 1991. - Vol. 69. - P. 60-78.

21. Rudnik, E. Thermal stability and degradation of starch derivatives / E. Rudnik, G. Matuschek, N. Milanov, A. Kettrup // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. - 2006. - Vol. 85. - No. 2. - P. 267-270. doihttps://doi.org/10.1007/s10973-005-7274-7.

22. Fujita, S. The Study of Melting Temperature and Enthalpy of Starch from Rice, Barley, Wheat, Foxtail- and Proso- millets / S. Fujita, G. Fujiyama // Journal Starch. - 1993. - Vol. 45. - No. 12. - P. 436-441.

23. Beninca, C. Thermal behavior of corn starch granules modified by acid treatment at 30 and 50°C / C. Beninca, I.M. Demiate, L.G. Lacerda, M.A.S. Carvalho Filho, M. Ionashiro, E. Schnitzler // Ecletica Química. - São Paulo. - 2008. - Vol. 33. - No. 3. - P. 13-18. DOI: http://dx.doi.org/10.1590/S0100-46702008000300002.


Login or Create
* Forgot password?