УДК 004.045.614.3
В. А. ГАВРИЛИНА, С. Н.СЫЧЕВ
V. A.GAVRILINA, S. N.SYCHEV
ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ВИНА
INFORMATIONAL SUPPORT FOR THE CONTROL OF WINE
Рассмотрена оригинальная система информационной поддержки контроля качества вина, предусматривающая оперативный контроль качества вина на всем протяжении цепочки от производителя до потребителя. Принцип информационной поддержки заключается в использовании комбинации высокоэффективной жидкостной хроматографии с многоволновым детектированием и метода главных компонент, позволяющего получить из экспериментальных данных набор линейно-независимых факторов, представляющий многомерный образ вина – многокомпонентной физико-химической системы, не имеющей постоянного и до конце расшифрованного состава. Матрица факторов вина представляется в виде штрих-кодов на каждой бутылке и воспроизводится в течение 20 – 30 мин. на не слишком дорогом оборудовании на любой стадии производства, розлива, транспортировки и продажи вина. Особенно эффективна система при оптовых закупках вина.
Ключевые слова: контроль качества вина, высокоэффективная жидкостная хроматография, метод главных компонент, распознавание
An original system of information support for monitoring the quality of wine, which provides operational control of wine quality through out the chain from producer to consumer. The principle of information support is to use a combination of HPLC with multi-wave detection and the method of principal components can be obtained from the experimental data set of linearly independent factors, representing a multi-dimensional image of the wine - a multi-component physicochemical systems which have noт-permanent until the end of the decrypted. The matrix of factors is represented as a wine bar code on each bottle and plays for 20 -30 min. are not too expensive equipment at any stage of production, bottling, transportation and sale of wine. Especially effective system for bulk purchases of wine.
Keywords: quality control of wine, high-performance liquid chromatography, a method of principal components, recognition
Введение
Процедура контроля качества вина должна отвечать следующим требованиям [1- 4]:
- универсальностью по отношению к определению разных классов соединений, содержащихся в вине;
- способностью отвечать на вопросы по идентичности, подобию и не идентичности (фальсификации) исследуемого (контролируемого) образца по отношению к контрольному;
- высокой экономичностью и, соответственно, небольшим вкладом производимых измерений в себестоимость единицы контролируемой продукции (экономическая целесообразность);
- быть воспроизводимой на любой стадии производства, розлива, транспортировки и продажи вина.
Проблема сравнения исследуемого и контрольного образца
Метод сравнения исследуемого образца (вещества, изделия или природного объекта) с контрольным (образцовым или стандартным) веществом, изделием или природным объектом, является основой большинства методов измерений.
Сравнение осуществляется по следующему алгоритму:
1) веществу, изделию или природному явлению присваивается модель, содержащая ряд параметров, которые, по мнению авторов модели, позволяют идентифицировать исследуемый объект в смысле его дальнейшего использования или классификации;
2) путем сопоставления измеряемых (с определенной погрешностью) параметров модели исследуемых и контрольных (образцовых или стандартных) образцов исследуемый объект идентифицируется в смысле дальнейшего его использования или классификации [1 - 4].
В любом случае, при использовании метода сравнения возникают две задачи:
- разработка и выбор наиболее удачной в конкретном случае модели вещества, изделия или природного явления;
- определение необходимого и достаточного количества параметров для идентификации исследуемого объекта.
Выбор математической модели и способ задания количества параметров сложных (многопараметровых) объектов взаимозависимы. Так, при применении нелинейных моделей количество и, особенно, характер параметров определяется произвольно, исходя из производственной необходимости и экспериментального опыта. Параметры многопараметровых линейных моделей могут быть определены как по первому способу, т. е. достаточно произвольно (феноменологически), так и путем поиска линейно-независимых параметров линейной модели объекта, непосредственно не вводимых экспертом по своему усмотрению, но содержащихся в экспериментальной мультипараметрической информации. Особенно важен такой подход при сравнении объектов, имеющих сложный, до конца неизвестный химический состав (нефть, вино, растительные экстракты и т. д.) [1 - 4].
Обычно контроль качества вина осуществляется путем определения содержания этилового спирта, сахара и титруемых кислот (параметры модели вина). Результаты такого контроля качества вина, состоящего из более, чем 400 химических соединений, по предложенным параметрам ничего не могут сказать о подлинности испытуемого вина: определением идентичности и, в основном, подобия вин занимаются дегустаторы.
С появлением и успешным развитием сложных физико-химических методов анализа (высокоэффективная жидкостная хроматография, хромато-масс-спектроскопия и т. д.) ведущие зарубежные производители вин (Франция, Италия, Испания, Аргентина, Чили) перешли на определение подлинности вин по наличию и содержанию 20 – 30 соединений, являющихся так называемыми «реперами» для каждого типа вина [5].
Однако, как показано ниже, неопределенность количества и характера реперов (параметров), необходимых и достаточных для характеристики вин, делает бесполезным и экономически невыгодным применение все более мощных аналитических методов и увеличения количества контролируемых и сравниваемых параметров: дегустаторы оказываются экономически выгоднее и, как ни странно, надежней.
Стандартные физико-химические методы контроля и органолептическая оценка качества вин
Комбинация стандартных физико-химических методов контроля и органолептической оценки качества вин является наиболее распространенным способом контроля качества вин.
Согласно действующим стандартам, определяют такие физико-химические показатели вин, как содержание алкоголя, cахаров, титруемую кислотность, количество летучих кислот: по трем первым показателям устанавливают, к какой группе и категории вин относится исследуемый образец; содержание летучих кислот характеризует состояние здоровья вина. По содержанию сернистой кислоты (свободной и связанной), количеству свинца, цианистых соединений, меди и олова судят о соблюдении требований гигиены при производстве вин. По микробиологическим результатам анализа определяют состояние микрофлоры, природу мути и возникающих осадков.
Определение указанных физико-химических показателей дает минимальную, но необходимую информацию о качестве и безопасности вина, но не могут дать полного представления о его качестве.
Исключительную роль при определении качества играет дегустация вин. Принимая во внимание, что для потребителя вкусовые свойства вин также имеют главное значение, качество вин определяют в ходе дегустации или органолептической оценки.
Исследование производят по таким показателям качества как прозрачность, цвет, аромат, вкус, типичность: всего около тридцати параметров (!).
Перечень и диапазон определяемых дегустатором характеристик вина поражает воображение. У метода существует два крупных недостатка: субъективность экспертных оценок и подверженность оценок влиянию со стороны. Впрочем, эти недостатки характерны и для интерпретации экспериментальных характеристик вина, полученных с помощью инструментальных методов.
Инструментальные физико-химические методы контроля качества вина
Термин «контроль качества вина» понимается как выявление соответствия товарной продукции заявленному сертификату и контрольному образцу. В этом случае контроль сводится к сравнению параметров товарного образца с параметрами контрольного. Однако, до сих пор не существует удовлетворительной процедуры сравнения товарного образца вина с контрольным: эта проблема связана с неопределенностью количества и характера параметров, необходимых и достаточных для характеристики вина, а используемые параметры вводятся феноменологически, в зависимости от опыта человека, занимающегося нормотворчеством в области контроля качества вина.
В результате, наиболее распространенным и успешным по совокупности свойств методом определения фальсификации и квалификации напитков до сих пор является комбинация контроля простейших физико-химических параметров вина с органолептической экспертизой. По этой причине, несмотря на феноменологический подход к установлению количества и характера параметров вина и стремительный рост стоимости одного анализа при контроле (начинает проявляться экономическая несостоятельность такого подхода), неуклонно растет интерес к применению все более мощных современных аналитических методов при контроле качества вина.
Применение современных научно-технических технологий можно классифицировать по нескольким основным признакам:
- по возрастанию сложности и стоимости аппаратуры, планируемой к использованию в контроле вин;
- по характеру реперных веществ, используемых для идентификации вин и связи их характера с контролем подлинности;
- по методам пробоподготовки;
- по применению уровня использования приемов хемометрии.
Возрастание сложности и стоимости аппаратуры [6]
Самая простая и сравнительно недорогая аппаратура: спектрофотометры и фотоэлектроколориметры на УФ - и VIS– области применяется преимущественно при экспресс-контроле возраста вина, хотя в ряде случаев спектрофотометры применяются и при контроле других параметров, например, фурановых соединений и красителей. Стоимость спектрофотометров и фотоколориметров колеблется в очень широких пределах: от 40 тыс. руб. до 70 тыс. руб. для фотоколориметров и от 60 тыс. руб. до 600 тыс. руб. для спектрофотометров.
По возрастанию сложности, цены и значимости для контроля вин, спиртов и крепких спиртных напитков, за спектрофотометрами следуют газовые хроматографы, укомплектованные монопараметрическими детекторами и капиллярными (microbore) колонками. Газовые хроматографы с капиллярными колонками способны решать широкий круг задач по контролю качества вина, тем более газовая хроматография (GC) очень распространенный инструментальный метод, имеющий в России давнюю и славную историю. Стоимость газовых хроматографов колеблется в пределах от 450 тыс. руб. до 1,2 млн. руб. в зависимости от фирмы-изготовителя и комплектации.
Более дорогая аппаратура используется для использования в контроле вин методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ или HPLC). Для контроля вин ВЭЖХ подходит значительно больше, чем газовая, так как:
- газовая хроматография не приспособлена для контроля нелетучих соединений, особенно когда нужно провести скрининговый анализ смеси, содержащей разные классы соединений (получение летучих производных – деривативов в этом случае невозможно): диапазон контролируемых классов соединений значительно больше у ВЭЖХ;
- в отличие от газовых хроматографов, жидкостные аппараты могут быть укомплектованы полипараметрическими детекторами, значительно повышающими достоверность идентификации соединений в анализируемых смесях;
- именно экспериментальные данные, полученные методом ВЭЖХ в специальных условиях на хроматографах с полипараметрическим детектором, служат базой для разработки универсальных количественных критериев идентичности, подобия или фальсификации вин.
Стоимость аппаратуры колеблется от 600 тыс. руб до 2,5 млн. руб. Определенным минусом ВЭЖХ являются достаточно высокие требования к квалификации оператора, обслуживающего персонала и реактивов.
Экономически невыгодным, но чрезвычайно универсальным методом является газовая и жидкостная хромато-масс-спектроскопия (GC/MS, LC/MC). Этот метод скорее пригоден для чисто исследовательской работы, нежели для контроля качества вина, тем более эта аппаратура при очень больших затратах так и не может дать однозначный ответ на простой вопрос: «идентичны исследуемые вина или нет?».
Так, простой газовый хромато-масс-спектрометр с квадруполем, с узким диапазоном исследуемых классов соединений и неважным разрешением, стоит минимум 2млн. руб., с ионной ловушкой – от 2,5 млн. руб. и выше. Жидкостной хромато-масс-спектрометр среднего класса (электроспрей, линейная ионная ловушка, простая ионная ловушка) стоит минимум 12 – 13 млн. руб., а ведь нелетучие соединения на газовом хромато-масс-спектрометре без дериватизации не проконтролируешь. Использование дериватизации, в свою очередь, приводит к невозможности контроля большинства классов соединений в вине.
Еще одно сильное ограничение метода: масс-спектрометр, а точнее, системы ввода пробы масс-спектрометра, не позволяют работать с большинством хроматографических систем, используемых, например, в ВЭЖХ.
Таким образом, ни один метод, кроме ВЭЖХ со сканирующим многоволновым спектрофотометрическим детектором, не способен контролировать вина в нативной форме после обычного подкисления и фильтрации пробы. Из этого следует, что ни один метод, кроме ВЭЖХ, проводимой на дешевых небольших колонках (при контроле вина колонки очень быстро портятся - с хотя бы однократной заменой входного фильтра колонки выдерживают 50 – 60 анализов, не способен проконтролировать все вино сразу и в нативной форме.
Даже при проведении контрольных анализов по профилям отдельных классов соединений приходится использовать современные методы пробоподготовки.
Методы экстракции при пробоподготовке
Современные инструментальные методы контроля вин требуют проведения пробоподготовки; важнейшей стадией подготовки проб является экстракция. Общим видом экстракции для всех инструментальных методов является классическая жидко-жидкостная экстракция. В ВЭЖХ в основном используется твердофазная экстракция (ТФЭ) или ТФЭ в режиме «on-line». В последнее время в жидкостной и особенно газовой хроматографии широко используется твердофазная микроэкстракция. С точки зрения расходов, устройства для ТФЭ и микро-ТФЭ вносят немалый вклад в стоимость анализа [7].
Реперные вещества или профили отдельных классов соединений, входящих в состав вина
Как показано выше, инструментальные методы анализа в их современном виде не в состоянии контролировать все компоненты вина сразу и, следовательно, дать исчерпывающие и простые ответы («да», «нет») на не менее простые вопросы: «идентичны, подобны или сфальсифицированы представленные для исследования образцы вина». Вместо простых ответов предлагается ряд феноменологических параметров вина по реперным веществам отдельных классов соединений: в ряде случаев предлагаемые параметры достаточно понятны и обоснованы; некоторые имеют неясный смысл и вызывают удивление.
Не вызывают серьезных возражений предлагаемые методы оценки возраста вин. Вопрос о возрасте красных вин было предложено решать на основании поглощения ими видимой части спектра на длинах волн 420 нм (желтый свет) и 520 нм (цвет поглощения антоцианами, природными красителями вин). В процессе выдержки входящие в состав танины связывают антоцианы, в результате чего соотношение оптических плотностей 420/520 нм растет, а выдержанные красные вина приобретают свойственный танинам коричневатый оттенок. Оправдана оценка возраста вина по содержанию в вине фурановых соединений и полифенолов. Однако, при петиотизации вина и этих профилей недостаточно для надежной оценки возраста вина.
В ряде работ, например в работе M. A. Gonzalez и др. [8], утверждается, что разбавление вина можно проконтролировать определением летучих компонентов вина: высших спиртов (по летучести до изо-амилового), альдегидов (ацетальдегид, пропионовый, масляный, валериановый и др.), эфиров (по летучести до этиловых эфиров жирных кислот С10 – С12). При этом количественный анализ этих компонентов позволяет выявлять случаи разбавления вин водой и спиртом-ректификатом. Такие утверждения выглядят малодостоверными по нескольким причинам:
- количественный анализ летучих соединений в любом растворе соединений по паро-газовой смеси корректно провести практически невозможно, а уж для вина – тем более;
- о каком разбавлении идет речь, если даже подобные вина (контролируемого названия) содержат воду в достаточно широком диапазоне концентраций;
- в настоящее время пока существует единственный относительно достоверный метод определения разбавления вина водой: по изменению изотопного состава в исследуемом и контрольном образцах. Измерения изотопного состава осуществляется с помощью ядерного магнитного резонанса ЯМР и изотопной масс-спектрометрии. О стоимости таких экспериментов ничего сказать не можем, но стоимость самого простого мультиядерного ЯМР-спектрометра – минимум 30 млн. руб. (а еще обслуживание!).
Не меньше вопросов вызывают попытки идентификации вин по профилю аминокислот методом газо-жидкостной хроматографии [9] в виде из производных: N-гептафторбутирилпропиловых эфиров. Контроль аминокислотного состава не гарантирует надежную идентификацию вина, а аминокислотный набор легче и надежней всего исследовать на стандартных аминокислотных анализаторах, что и отмечено в той же работе.
Состав органических кислот и сахаров является еще одним идентификационным признаком вин определенных марок. Винную, малоновую, янтарную, молочную, уксусную кислоты и антоцианы определяли в вине «Cabernet – Sauvignon» методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ионообменная колонка Aminex HPX-87H) с УФ-регистрацией на длине волны 210 нм. Сахара анализировали в условиях ионообменной хроматографии на колонке BioRad HPXх 4 мм, 9 мкм) элюированием водой с применением рефрактометрического детектора (температура ячейки - 40ºС, колонки - 85ºС).
Контроль аромата газо-хроматографическим и хром-масс-спектрометрическим ( GC/MS) методами не вызывает возражений. Получение профилей фенольных соединений полезно при определении вкусовых качеств или при грубой фальсификации вин, но совершенно недостаточно при определении идентичности или подобия вин.
Комбинированный способ «обращенно-фазовая жидкостная хроматография – метод главных компонент» (ОФ ВЭЖХ - МГК)»
Комбинированный способ «обращенно-фазовая жидкостная хроматография – метод главных компонент» (ОФ ВЭЖХ - МГК)» обычно применяется при определении идентичности, подобия или не идентичности вин при спектрофотометрическом детектировании ВЭЖХ - хроматограмм в диапазоне длин волн 190 – 720 нм [1- 4].
Процедура ОФ ВЭЖХ – МГК заключается в следующем:
- получение многоволновой хроматограммы исследуемого объекта в градиентном режиме ОФ ВЭЖХ с применением универсального элюента;
- представление многоволновой хроматограммы в виде матрицы оптических плотностей и транспонирование этой матрицы;
- получение линейно-независимых факторов методом главных компонент при обработке транспонированной матрицы оптических плотностей.
В случае существования банка данных таких факторов для контрольных образцов исследуемых объектов, полученные факторы исследуемого объекта сравниваются с факторами контрольных и по значениям коэффициентов корреляции «факторы банка – факторы исследуемого образца» делается вывод об идентичности или не идентичности сравниваемых объектов [1- 4].
Алгоритм поиска линейно-независимых параметров линейной модели таких объектов
реализован в методе главных компонент (МГК) [10]. Основным поставщиком мультипараметрических экспериментальных данных для МГК о составе и спектральных характеристиках указанных систем является метод высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) с многоволновым спектрофотометрическим детектированием [1 - 4].
Теоретической поддержкой поиска линейно-независимых параметров в многоволновых массивах хроматографических данных сложных систем является гипотеза о существовании небольшого количества линейно-независимых (базовых) УФ - и VIS – спектров поглощения: все остальные спектры поглощения компонентов сложных физико-химических систем по этой гипотезе [10] являются линейными комбинациями нескольких базовых. Указанный метод пока является единственным, удовлетворяющим требованиям к методам контроля качества вина.
Применение метода «ВЭЖХ – МГК» изменяет стандартный подход к способам контроля качества многокомпонентных физико-химических систем. Традиционная идентификация компонентов такой системы аналитическими методами и выводам о качестве продукции по набору компонентов заменяется на распознавание качества вина по матрице линейно-независимых факторов, являющейся образом-паспортом каждого вина, на основании ясных количественных критериев: в данном случае этими критериями являются коэффициенты попарной корреляции факторов контрольного и исследуемого образца. В конечном итоге нас не интересует, из чего сделано вино или как оно фальсифицировано (это задача судебной экспертизы) [10]. Основной вопрос: это действительно то вино, которое заявлено на этикетке или нет? – решается предложенным методом быстро и чрезвычайно надежно. В результате многочисленных испытаний комплексов «Дегустатор», сконструированных на этом принципе, ни разу не удалось обмануть комплекс, хотя в ряде случаев дегустаторы международного класса оказывались бессильными при доказательстве фальсификации вина (особенно пересортицы). Изменение подхода также позволило превратить метод контроля качества вина в рутинный и экономически выгодный, что, собственно, и требуется от любого метода контроля. Изготовление и наклейка марки со штрих-кодом матрицы вина никакого труда не составляет.
Выводы
1. В настоящее время наиболее надежным способом контроля качества вин является комбинация определения простейших физико-химических параметров вина и органолептического метода.
2. Применение все более мощных аналитических методов и увеличение количества контролируемых и сравниваемых параметров превращают контроль качества в дорогостоящую научно-техническую экспертизу, более свойственную для проведения отдельных исследований и в судебной экспертизе, нежели для выполнения задач по контролю качества.
3. Даже использование комплекса профилей вина по разным классам соединений не гарантирует полной уверенности в качестве вин, тем более что не сформулированы количественные критерии идентичности, подобия или фальсификации вин. Таким образом, решение задач по определению идентичности, подобия или тонкой фальсификации вин «в лоб» с помощью новейших инструментальных методов возможно лишь частично в отдельных случаях, а стоимость таких исследований часто делает бессмысленным само использование этих методов для контроля качества вина.
4. Применение мощных инструментальных методов анализа «в лоб» не пригодно не только для контроля качества вин, но и для надежной идентификации.
5. Следует отметить недостаточно широкое использование метода ВЭЖХ с многоволновым сканирующим спектрофотометрическим детектированием (наиболее универсальный метод при идентификации вин) и применение совсем уж устаревших методов хемометрии при попытках идентификации вин, хотя в последние 10 лет в этой области произошли разительные перемены.
6. Использование метода ВЭЖХ и современных многомерных хемометрических методах обработки информации является мощным резервом для разработки принципиально иных способов идентификации как вин, так и любых других сложных физико-химических объектов, не имеющих полностью известного состава или вообще имеющих переменный состав от природы, как одно целое, без идентификации компонентов профилей.
7. То же самое относится и к обнаружению фальсификации вин, в котором при контроле качества вина не имеет смысла тратить силы и деньги на определение метода фальсификации. Для контроля достаточно определить факт фальсификации, а не каким образом вино было фальсифицировано. Определение метода фальсификации относится к задачам судебной экспертизы, но никак не к задаче контроля качества вина. Контроль качества вина требует простого ответа на простой вопрос: фальсифицировано вино или нет?
8. Указанный метод пока является единственным, удовлетворяющим требованиям к методам контроля качества вина.
список литературы
1. / Применение метода главных компонент для идентификации и сравнения натуральных вин [Текст] / , , / Виноделие и виноградорство. –2007. – № 1 – С. 10 – 12.
2. / Применение метода главных компонент для идентификации и сравнения натуральных вин. Часть 2 [Текст] / , , / Виноделие и виноградорство. –2007. – № 3 – С. 30 – 32.
3. / Применение метода главных компонент для идентификации и сравнения натуральных вин. Часть 3 [Текст] / , , / Виноделие и виноградорство. –2007. – № 4 – С. 18 – 19.
4. / Комбинированная экспертная система контроля подлинности вин [Текст] / / Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – 2010. – № 2. – С.120 – 125.
5. , /Идентификация винодельческой продукции методами высокоэффективной хроматографии и спектрометрии [текст] /Журн. «Виноград и вино России». – 2000. – №5. – С. 5 –13.
6. /Высокоэффективная жидкостная хроматография [учебное пособие] / С-Петербург: «Лань». – 2012. – 230 с.
7. / Практическое руководство по жидкостной хроматографии [практическое руководство] / Москва: Техносфера. – 2011. – 272 с.
8. Gonzales-Vin M. A., Perez-Coello M. S., Salvador M. D., Cabezudo M. D., Martin-Alvares P. J. Changes in gas-chromatographic volatiles of young Airen wines during bottle storage.// J. Agric. Food Chem. – 1995. – № 56(4).
9. , / Газохроматографический аминокислотный профиль некоторых грузинских вин [текст]/ Хроматографический журнал. – 1995. – №4. – С. 34-39.
10. , / Метод контроля качества вина с помощью комбинации «ВЭЖХ - МГК» [монография]/published_by/lap-lambert-academic-publishing. – 2012. – 112 с.
Сведения об авторах
Государственный университет УНПК, г. Орел
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Химия», инженер лаборатории «Высокоэффективная жидкостная хроматография»
E-mail: *****@***ru
Государственный университет УНПК, г. Орел
Доктор технических наук, профессор кафедры «Химия», заведующий лабораторией «Высокоэффективная жидкостная хроматография»
E-mail: *****@***ru
