Потребление бутилированных напитков в Российской Федерации имеет тенденцию к устойчивому росту. В 2020 г. объем всех видов напитков составил около 15,8 млрд л. Наибольшая динамика наблюдается в секторе производства искусственно минерализованной воды и производства напитков с добавлением соков и морсов. Тенденция роста сегмента с невысокой потребительской стоимостью и относительно низкой производственной себестоимостью указывает на снижение стоимости средней потребительской корзины с одновременной тенденцией к привыканию населения к использованию бутилированной продукции в быту для кулинарных целей и бытового потребления (в 2020 г. доля воды питьевой без добавления сахара составила 28,3%). Отсутствие роста потребления и волатильность сегмента «Воды питьевой и напитков безалкогольных для детского питания» указывает на снижение покупательной способности населения и отсутствие централизованных программ по развитию производства детского питания.
Потребность рынка в безалкогольной продукции практически полностью удовлетворяется за счет отечественного производства, по данным [1], доля импорта в последние годы составляет всего лишь 4–4,5%. В стоимостном выражении наибольшую долю импорта занимает соковая продукция, лидерами поставок при этом являются Китай (22%, в основном — яблочный сок) и Бразилия (апельсиновый сок).
На рис. 1 приведена структура объемов производства безалкогольных напитков в Российской Федерации за последние 4 года.
Рис. 1. Структура объемов производства безалкогольных напитков в Российской Федерации за 2017–2020 гг.
В последние годы идет серьезная дискуссия о пользе и вреде безалкогольных напитков (БАН) с добавлением сахара. Одной из причин давления на рынок сахарсодержащих напитков является расширяющаяся экспансия экспортеров подслащивающих суррогатов — заменителей сахара. В табл. 1 и на рис. 2 приведена динамика продаж безалкогольных напитков (БАН) с добавлением сахара и соковой продукции на российском рынке по основным категориям в 2010–2018 гг.
Рис. 2. Динамика продаж безалкогольных напитков (БАН) с добавлением сахара на российском рынке по основным категориям в 2010–2018 гг., млн л [2]
Как видно из рис. 2, данные источников [1] и [2] достаточно убедительно коррелируют между собой. После устойчивого роста объема продаж вплоть до 2014 г., начиная с 2015 г. имеет место спад реализации БАН по всем категориям, кроме бутилированной питьевой воды. Такой характер динамики связан со снижением покупательской способности населения после 2014 г. при наложении эффекта «антисахарной» кампании в СМИ. При этом имеет место тенденция незначительного роста реализации продуктов специализированного назначения: энергетических напитков, спортивных напитков, бутилированных чая и кофе. Специализированная продукция, как правило, в рецептуре опирается на низкокалорийные подсластители.
Рынок подсластителей сегодня нуждается в дополнительном регулировании. Необходимо проведение исследований по влиянию подсластителей на гомеостаз человеческого организма. По мнению специалистов Роспотребнадзора, следует контролировать количество искусственных подсластителей в рационе питания, поскольку период собирания доказательной базы безвредности искусственных подсластителей еще не завершен. При этом цикламаты и сахарин, имеющие более длительный период использования, сегодня заменены на более интенсивные подсластители аспартам, сукралозу, ацесульфам калия и др. [3] При этом физиологическое воздействие этих веществ имеет недостаточно убедительную статистику [4]. При этом, в отличие от сахарозы, не существует суточных норм потребления сахарозаменителей. По мнению Роспотребнадзора, неадекватная оценка пользы и вреда искусственных подсластителей приводит к их бесконтрольному использованию, что может привести к перееданию, прогрессу ожирения и другим неблагоприятным последствиям.
В связи с этим необходимо разработать методы мониторинга химического состава безалкогольных напитков, являющихся существенной частью суточного объема поступления в организм углеводов и малоизученных пищевых добавок.
В качестве доминанты при разработке концепции производства и потребления безалкогольных напитков следует сформулировать использование сахарозы с учетом существующих норм ее потребления и минимизация использования калорийно «пустых» подсластителей. В качестве одного из надежных методов контроля углеводного состава БАН предложено использовать метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). ЯМР-спектроскопию ранее было предложено использовать для оценки ряда пищевых продуктов [5], в том числе и сахарозаменителей [6].
На рис. 3 приведены диапазоны химических сдвигов сигналов в спектрах ЯМР 13С в миллионных долях (м.д. или ppm) различных классов органических соединений [7].
Как видно из приведенной на рис. 3 диаграммы, с помощью ЯМР 13С спектроскопии могут быть надежно идентифицированы химические соединения, обладающие фиксированными функциональными группами. Идентификация таких групп позволит с определенной вероятностью выявлять наличие натуральных и искусственных подсластителей безалкогольных напитков.
С целью изучения возможности оценки потребительского качества безалкогольных сахарсодержащих напитков исследованию были подвергнуты наиболее востребованные образцы данной группы — напитки с торговыми марками «Байкал», «Тархун» и «Coca-Cola». В качестве сравнения были также изучены образцы минеральной воды «Ессентуки», водопроводной воды и природной ключевой воды. На рис. 4 приведены фотографии этикеток напитков с добавлением сахара, а в табл. 2 — основные характеристики изученных образцов.
Рис. 3. Диапазон химических сдвигов сигналов в спектрах ЯМР 13С в миллионных долях (м.д. или ppm) различных классов органических соединений [7]
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Образцы напитков были изучены при помощи спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) протонов (1 Н) и изотопа углерода (13С).
Все жидкие образцы были заправлены в стандартные калиброванные ЯМРампулы с внешним диаметром 5 мм на высоту 40–50 мм. Для записи спектров 1 Н и 13С калиброванные ампулы с жидкими образцами с помощью воздушной подушки помещались в датчик спектрометра, расположенного в центре сверхпроводящего соленоида. Сверхпроводящий соленоид спектрометра обеспечивает постоянное магнитное поле с напряженностью В0= 7,05 Тесла, при этом частота ЯМР-поля составляла 300,2 МГц для 1 Н и 75,4 МГц для 13С. Приемопередающая катушка датчика спектрометра была настроена на резонансные частоты ЯМР 1 Н и 13С. Запись спектров ЯМР осуществлялась по одноимпульсной стандартной программе. Принцип измерения заключался в следующем. Образец в датчике спектрометра облучался на частоте резонанса в течение 4–10 мкс, а затем к приемопередающей катушке датчика спектрометра подключалась приемная система спектрометра в течение 0,1– 2,0 с. Сигнал ЯМР в приемной системе регистрировался в цифровой форме после предварительного усиления и детектирования фазовым детектором. После детектирования спиновая система образца восстанавливалась в течение 1–6 с. и вновь подвергалась импульсному облучению передатчиком спектрометра. Сигнал, детектируемый после второго цикла облучения в цифровой форме, суммировался с предыдущим сигналом, что после многократного облучения обеспечило накопление сигнала. Для снижения влияния посторонних сигналов (шумов) проводилась процедура их подавления. Отношение сигнал/шум растет пропорционально корню квадратному из числа накоплений. После накопления сигнал спада свободной индукции подвергался процедуре преобразования Фурье, при этом сигнал спада свободной индукции в координатах «амплитуда-время» преобразуется в спектр ЯМР 1 Н или 13С в координатах «амплитуда-частота». Каждый сигнал в спектрах 1 Н и 13С характеризуется амплитудой и химическим сдвигом в относительных единицах миллионных долей (м.д.). Химические сдвиги в единицах миллионных долей (м.д. или ppm) представляют собой частоту резонанса сигнала в герцах, поделенную на частоту ЯМР резонанса 1 Н или 13С в мегагерцах. В качестве эталонного сигнала мировое сообщество специалистов ядерной магнитной спектроскопии договорилось химические сдвиги 1 Н и 13С отсчитывать относительно сигнала тетраметилсилана — Si(CH3)4, принятого за ноль 0 м.д. Запись спектров ЯМР 1 Н и 13С всех шести жидких образцов проводилась на спектрометре ЯМР со сверхпроводящим магнитом высокого разрешения AVANCE-300, Bruker (Германия). Экспериментальные особенности записи спектров ЯМР 1 Н и 13С на спектрометрах высокого разрешения со сверхпроводящим магнитом согласно методике, изложенной в [8].
Рис. 4. Фотографии этикеток исследуемых бутилированных сахарсодержащих безалкогольных напитков
СПЕКТРОСКОПИЯ ЯМР 1Н ЖИДКИХ ОБРАЗЦОВ
На рисунках 5, 6 и 7 приведены обзорные и растянутые спектры ЯМР протонов водорода 1 Н (ЯМР 1 Н) шести жидких образцов № 1, № 2, № 3, № 4, № 5 и № 6 с различными амплитудами сигналов.
Рис. 5. Обзорные спектры ЯМР 1 Н жидких образцов (снизу вверх): № 1, № 2, № 3, № 4, № 5 и № 6
Во всех спектрах ЯМР 1 Н шести жидких образцов наблюдается один сильный сигнал от молекул воды Н2 О, т.е. все жидкие образцы являются водными растворами. В спектрах ЯМР 1 Н образцов № 1 (водопроводная вода), № 2 (вода из родника) и № 4 (минеральная вода «Ессентуки») сигнал от молекул воды оказывается единственным, а в спектрах образцов № 3 (Coca-Cola), № 5 («Тархун») и № 6 («Байкал») кроме сильного сигнала от молекул воды наблюдаются слабые сигналы, соответствующие С-Н-группам органических молекул в водных растворах жидких образцов (рис. 6). По спектрам ЯМР 1 Н жидких образцов можно сделать вывод, что в образцах № 1, № 2 и № 4 отсутствуют органические молекулы, а в образцах № 3, № 5 и № 6 имеются органические молекулы, растворенные в воде. Концентрацию органических молекул в образцах № 3, № 5 и № 6 можно оценить по интегральной интенсивности сигналов от С-Н-групп относительно интегральной интенсивности сигнала воды Н2 О. Относительная интегральная интенсивность органических молекул в образцах № 3, № 5 и № 6 по сигналам 1 Н составляет не менее 0,1–0,2%. По данным производителей и экспертов, содержание сахара в напитках должно быть около 10%, например [9]. Сопоставление показателей данных приборного исследования и рецептурных характеристик требует более глубокого исследования. В образцах № 1, № 2 и № 4 по сигналам 1 Н органических молекул нет на уровне концентраций 0,1% и бо лее. Следует отметить, что химические сдвиги 1 Н сигналов воды в образцах № 1 и № 2 практически совпадают и составляют величину +1,75 м.д., а химические сдвиги Н-1 сигналов воды в образцах № 3, № 4, № 5 и № 6 лежат в интервале +1,74…+1,72 м.д. (рис. 7). Такие различия по химическим сдвигам Н-1 сигнала воды свидетельствуют о небольшой разнице кислотности водных растворов представленных образцов.
Рис.6. Обзорные спектры ЯМР 1 Н с увеличенной амплитудой сигнала жидких образцов (снизу вверх): № 1, № 2, № 3, № 4, № 5 и № 6
Рис. 7. Растянутые спектры ЯМР 1 Н жидких образцов (снизу вверх): № 1, № 2, № 3, № 4, № 5 и № 6 в области сигнала воды
СПЕКТРОСКОПИЯ ЯМР 13С ЖИДКИХ ОБРАЗЦОВ
На рис. 8 приведены спектры ЯМР 13С с широкополосным подавлением протонов Н-1 шести жидких образцов № 1, № 2, № 3, № 4, № 5 и № 6.
Из спектров ЯМР 13С следует, что в образцах № 1, № 2 и № 4 сигналов углерода нет, т.е. в этих водных образцах отсутствуют органические соединения. Этот вывод подтверждается и данными спектроскопии ЯМР 1 Н этих образцов (см. выше).
В спектрах ЯМР 13С жидких образцов № 3, № 5 и № 6 наблюдаются сигналы углерода органических молекул в водных растворах. Сопоставление спектров ЯМР 13С образцов № 3, № 5 и № 6 (рис. 8) показывает, что состав органических молекул в этих водных растворах практически совпадает и спектры С-13 этих образцов характеризуют идентичность этих водных растворов.
По спектрам ЯМР 13С жидких образцов можно идентифицировать состав органических соединений в растворах. На рис. 9 представлен спектр ЯМР 13С жидкого образца № 3.
В верхней части рисунка представлены химические сдвиги всех сигналов в спектре 13С этого образца. Набор амплитуд сигналов в спектре ЯМР 13С и химические сдвиги этих сигналов составляют идентификационные ЯМР 13С параметры исследуемого раствора. Отнесение сигналов в спектрах ЯМР 13С можно делать по справочным данным (рис. 3) [7, 8] или экспериментально путем сравнения спектров ЯМР 13С исследуемого жидкого образца со спектрами растворов эталонных соединений.
Рис. 8. Обзорные спектры ЯМР 13С с широкополосным подавлением протонов (Н) жидких образцов (снизу вверх): № 1, № 2, № 3, № 4, № 5 и № 6
Спектр ЯМР 13С с широкополосным подавлением протонов (1 Н) жидкого образца — № 3 (Coca-Cola) был проанализирован с целью идентификации углеродсодержащих функциональных групп ингредиентов рецептурного состава. В табл. 3 приведены структурные формулы основных декларируемых ингредиентов напитка, и на основе диаграммы, приведенной на рис. 3, была предпринята попытка идентификации пиков спектрограммы, приведенной на рис. 9.
Рис. 9. Обзорный спектр ЯМР 13С с широкополосным подавлением протонов (1 Н) жидкого образца — № 3 (в верхней части рисунка приведены химические сдвиги ядер 13С в м.д. или ppm сигналов органических соединений в растворе)
Следует отметить, что приведенный анализ имеет характер ориентирующих сведений и для надежной идентификации присутствия тех или иных ингредиентов спектры образца необходимо сравнивать с соответствующими спектрами чистых веществ. Анализ показал наличие в образце широкого спектра химических соединений ароматического ряда, к которым могут быть отнесены натуральные экстракты, но также искусственные красители и кофеин. Присутствие соединений ациклических углеводородов, к которым могут быть отнесены сахароза и лимонная кислота, данным методом достоверно не установлены. При этом присутствие натурального красителя «Карамель» или «Сахарный колер (Е150)» убедительно доказано. Данный краситель получают путем термического разложения молекулы сахарозы путем отщепления от нее одной (карамелен), двух (карамелин) или трех (карамелан) молекул воды с образованием, соответственно, одной, двух или трех двойных связей между соседними атомами углерода. Такая двойная связь является люминофором и интенсивно поглощает видимый свет в диапазоне длин волн 700–740 нм (коричневый участок спектра) [10].
Несмотря на ориентировочный характер анализа, он показывает принципиальную возможность использования данного метода для идентификации химического состава напитков как в целях экспертизы подлинности, так и для целей производственного контроля технологического процесса.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных исследований показана возможность применения метода спектроскопии ядерного магнитного резонанса протонов водорода и изотопа углерода 13С.
Методом ЯМР-спектроскопии протона водорода 1 Н с высокой достоверностью установлено, что все жидкие образцы являются водными растворами. При этом в образцах № 1 (водопроводная вода), № 2 (вода ключевая) и № 4 (природная минеральная вода «Ессентуки») отсутствуют органические примеси, что указывает на экологическое благополучие подземного водного бассейна поселка «Знамя Октября», расположенного на юге Москвы.
Спектры поглощения 1 Н сигналов воды в образцах водопроводной воды (образец № 1) и воды ключевой (образец № 2) практически совпадают и составляют величину +1,75 м.д., аналогично совпадают химические сдвиги 1 Н сигналов воды в газированных, насыщенных углекислотой напитках (образцы № 3, № 4, № 5 и № 6). Они лежат в интервале +1,74…+1,72 м.д. (рис. 7). Такие различия по химическим сдвигам 1 Н сигнала воды свидетельствуют о близких в группе показателях кислотности растворов.
Показано, что по интенсивности излучения ядер изотопа 13С можно эффективно качественно и даже количественно оценивать концентрацию органических соединений в напитках. Концентрацию органических молекул в сахарсодержащих напитках можно оценить по интегральной интенсивности сигналов от С-Н-групп относительно интегральной интенсивности сигнала воды Н2 О. Установлена вероятность присутствия в напитках сахарозы, однако количественная оценка ее концентрации может быть достоверно оценена в результате уточнения предложенной методики. Относительная интегральная интенсивность органических молекул в образцах № 3, № 5 и № 6 по сигналам 1 Н составляет 0,1–0,2%.
Сопоставление спектров ЯМР 13С образцов трех изученных газированных с добавкой сахара напитков указывает на идентичный их состав в части присутствия органических соединений. Состав органических молекул в этих водных растворах практически совпа дает, и спектры 13С этих образцов характеризуют идентичность этих водных растворов. Проведенные исследования и анализ полученных спектров ЯМР 13С жидких образцов можно идентифицировать состав органических соединений в растворах. Присутствие тех или иных органических соединений может быть доказано путем выявления присутствия в рецептурных ингредиентах функциональных групп, имеющих паспортно зафиксированные значения химических сдвигов всех сигналов в спектре 13С этого образца. Набор амплитуд сигналов в спектре ЯМР 13С и химические сдвиги этих сигналов составляют идентификационные ЯМР 13С параметры исследуемого раствора.
Работа выполнена в рамках программы внедрения проектных методов школьного обучения в средней школе ГБОУ г. Москвы «Школа № 2083».
CONCLUSION
As a result of the conducted research, the possibility of using the nuclear magnetic resonance spectroscopy method of hydrogen protons and carbon isotope 13C is shown.
By the method of NMR spectroscopy of the hydrogen proton 1 H, it was established with high reliability that all liquid samples are aqueous solutions. At the same time, samples No. 1 (tap water), No. 2 (key water) and No. 4 (natural mineral water Essentuki) have no organic impurities, which indicates the ecological well-being of the underground water basin of the village Znamya Oktyabrya, located in the south of Moscow.
The absorption spectra of 1 H water signals in tap water samples (sample No. 1) and key water (sample No. 2) practically coincide and amount to +1.75 m.d., similarly, chemical shifts of 1 H water signals in carbonated, carbonated drinks (samples No. 3, No. 4, No. 5 and No. 6) coincide. They lie in the interval +1,74…+1,72 M.D. (Fig. 7). Such differences in chemical shifts of the 1 H signal of water indicate that the acidity of solutions is close in the group.
It is shown that the radiation intensity of the 13C isotope nuclei can effectively qualitatively and even quantitatively assess the concentration of organic compounds in beverages. The concentration of organic molecules in sugar-containing beverages can be estimated by the integral intensity of signals from the C-H groups relative to the integral intensity of the H2 O water signal. The probability of the presence of sucrose in beverages has been established, however, a quantitative assessment of its concentration can be reliably estimated as a result of the refinement of the proposed methodology. The relative integral intensity of organic molecules in samples No. 3, No. 5 and No. 6 according to 1 H signals is 0.1–0.2%.
Comparison of the 13C NMR spectra of the samples of the three studied carbonated drinks with added sugar indicates that their composition is identical in terms of the presence of organic compounds. The composition of organic molecules in these aqueous solutions practically coincides and the 13C spectra of these samples characterize the identity of these aqueous solutions. The conducted studies and analysis of the obtained NMR spectra of 13C liquid samples can identify the composition of organic compounds in solutions. The presence of certain organic compounds can be proved by identifying the presence of functional groups in prescription ingredients that have passport-recorded values of chemical shifts of all signals in the 13C spectrum of this sample. The set of signal amplitudes in the NMR13C spectrum and the chemical shifts of these signals constitute the identification NMR 13C parameters of the solution under study.
The work was carried out within the framework of the program for the introduction of project methods of school education in the secondary school of GBOUMoscow School No. 2083.