COLORANII substane care sunt folosite pentru a colora un produs alimentar sau pentru a restaura culoarea unui produs alimentar; acetia includ i constituenii naturali ai alimentelor i sursele naturale, care n mod normal nu sunt utilizate ca ingre

Autori: 1. MNZ FLORENTINA

2. BRTULEANU ANDREEAFacultatea: tiina i Ingineria Alimentelor - SIA

Anul: IGrupa: 6.20.1.5 aCadru didactic ndrumtor: Asist. univ. dr. Simona Condurache-Bota

1. INTRODUCERE

Este important sa corelam proprietatile(calitatile) alimentare ale colorantilor cu proprietatile fizice,deoarece o cantitatea mica de colorant este capabila sa imprime culoarea sa altor compusi cu care intra in contact,precum pielea,materiale textile.

Verificare calitii produselor se poate face i prin analiza spectrala a acestora.

2. NOIUNI ESENIALE PRIVIND COLORANII ALIMENTARIColoranii substane care sunt folosite pentru a colora un produs alimentar sau pentru a restaura culoarea unui produs alimentar; acetia includ i constituenii naturali ai alimentelor i sursele naturale, care n mod normal nu sunt utilizate ca ingrediente ale alimentelor. Preparatele obinute din materii prime alimentare sau alte surse alimentare, pe cale fizic i/sau chimic i care conin pigmeni, sunt, de asemenea, considerai colorani.Clasificarea coloranilor se poate face dup 2 criterii:

dup natura lor: naturali i sintetici

dup proprietile tinctoriale:

galbeni

oranj

roii

albatri

verzi

bruni

negri, cu nuane diverse, pentru toate culorileProprietile tehnologic-funcionale ale coloranilor naturali: La folosire trebuie s se aib n vedere urmtoarele aspecte:

SOLUBILITATEA , mai precis dac sunt solubili n ap, soluii alcoolice sau solveni nepolari, pentru alegerea corect n funcie de destinaie.

De exemplu, carotenoidele sunt solubile doar n medii nepolare. n plus, solubilitatea lor este lent, cu att mai lent cu ct puritatea lor este mai mare. Pentru a mri solubilitatea i puterea colorant, microcristalele se disperseaz n ulei nclzit la 40-50(C. Stabilizarea suspensiei uleioase se face prin adaos de acizi grai saturai. Pentru colorarea mediilor apoase, se obin preparate hidrodispersabile sub form de pudr sau suspensie coloidal.

Tehnica aplicat este urmtoarea: carotenoidul se dizolv ntr-un solvent miscibil cu apa, apoi aceast soluie se toarn n ap care conine un coloid hidrofil iar solventul se evapor.

PUTEREA COLORANT: depinde de capacitatea de fixare a colorantului pe suport, care poate fi amidon, celuloz, protein sau un produs complex, cum este fina.

STABILITATEA LA pH: pH-ul influeneaz solubilitatea, tenta culorii i stabilitatea.

STABILITATEA TERMIC: unii colorani naturali necesit utilizarea unor antioxidani, aa cum este cazul carotenilor, deoarece creterea temperaturii accelereaz procesele de oxidare.

METODE DE OBINERE Prin extractie:

din pielita strugurilor si tescovina, sfecla rosie si varza rosie, afine, coacze negre, viine, ciree, mure, zmeura (antociani)

din ardei rosu(capsantina)

din tomate (licopina)

Prin macinarea copului uscat al insectei femel Dactylopius coccus/ Coccus cacti(rosu cosenila).TIPURI DE COLORANI

1. ANTOCIANII:

Sunt flavonoide prezente n flori, fructe, frunze, avnd culoare roie, violet, albastr.

Exemple:

pelargonidina (rou-orange)

cianidina (rou-intens)

delfinidina (albastru-violet)

petunidina (rou-violet)

malvidina (rou)

Sursele industriale:

pielia strugurilor i tescovina

sfecla roie i varza roie

afinele, coaczele negre, viinile, cireele, murele, zmeura

Utilizare: depinde de pH-ul produsului alimentar. La pH=2,5 3, antocianele au culoare purpurie iar la pH=4,0 4,5, au culoare violet.

colorarea buturilor nealcoolice i alcoolice, precum i a sucurilor de fructe.

Sunt sensibile la cldur dar prezena sulfitului de sodiu le stabilizeaz.

Extractele antocianice se pstrez n stare concentrat, la rece. 2. BETACIANELE

Reprezentantul aceastei grupe este colorantul rou de sfecl, care conine att pigmeni roii (betacianele) ct i pigmeni galbeni (betaxantinele).

Colorantul rou de sfecl este utilizat n:

buturi nealcoolice

produse de patiserie i panificaie

deserturi pe baz de gelatin, budinci

supe, amestecuri pulbere.

Este sensibil la cldur i la pH. Totui, se poate folosi pentru colorarea crnii tocate n amestec cu derivate proteice texturate, destinate obinerii de hamburgeri, chiftele, perioare, deoarece virarea culorii de la rou la brun este, n aceste cazuri, dorit.

2. CAROTENOIDELE sunt de culoare galben-portocalie sau roie.-Carotina (-carotenul)

- insolubil n ap i n alcool etilic dar uor solubil n uleiuri vegetale

- este sensibil n mediu acid sau alcalin

- uor oxidabil sub aciunea oxigenului i a cldurii

- se poate extrage din materii prime vegetale dar frecvent se obine prin sintez, sub forma unor cristale de culoare roie. Utilizri n industria alimentar: colorarea margarinei, untului, brnzeturilor, ngheatei, macaroanelor, chipsurilor, uleiurilor vegetale, dressingurilor, oulor praf, nlbitorilor pentru cafea, checurilor, cremelor, deserturilor pe baz de gelatin, puddingurilor, bomboanelor, sucurilor de fructe.

Cantaxantina (Orange 8)

cristale de culoare violet

preparatele comerciale sunt soluii uleioase sau pulberi/granule dispersabile n ap, de culoare oranj-roie.

Xantofila sau luteina

este un alcool carotenoidic care, dup -caroten, este cel mai rspndit n natur. Se gsete n petalele florilor galbene, alge, glbenu de ou.

Utilizarea in industria alimentar a cantaxantinei i xantofilei:

confer produselor o culoare ce variaz de la rou-trandafiriu la oranj-intens.

pot colora sucuri de fructe i legume, grsimi i uleiuri, sosuri, paste finoase, buturi rcoritoare carbonatate.

Capsantina

se extrage din ardeiul rou

n stare pur, se prezint sub form de cristale rou-carmin

se utilizeaz la:

preparate de carne

brnzeturi

sosuri

snacks-uri i chipsuri

produse obinute din carne de pasre

paste finoase

Licopina (licopenul)

Este prezent tomate (din care se i extrage, la nivel industrial), fructe, unt, ficat, dar se obine prin sintez.

Are culoare galben-portocalie.

Oleorezina din paprika

Se extrage cu solveni din fructul de Capsicum annuum.Annatto (Orange natural 4, L-Orange 3 )

Se extrage din pericarpul fructului Bixa orellana L

COLORANI NATURALIColorani antrachinonici:

Roul (carminul) de coenil (cochenilla)

Obinut prin extracia apoas a copului uscat al insectei femel Dactylopius coccus/Coccus cacti.

Se utilizeaz la fabricarea preparatelor din carne, pete, pentru colorarea membranelor, la colorarea cerealelor pentru micul dejun.

Colorani flavinici:

Riboflavin 5-fosfatul monosodic

Are culoare galben-orange i gust uor amar.

Este solubil n ap i insolubil n alcool.

Este utilizat n buturi nealcoolice, carbonatate, pentru colorarea membranelor, n special a cojii unor tipuri de brnzeturi fermentate (Emmental, Schweizer), pentru colorarea vegetalelor conservate n oet, saramura, ulei.

ALI COLORANI:Caramelul

Se prezint sub form lichid sau solid, de culoare brun-nchis, solubil n ap.

Se obine prin aciunea controlat a cldurii asupra zaharurilor, n prezena unor ageni promotori de caramelizare: carbonat de Na (colorani caramel clasa I, culoare brun), sulfit de sodiu (clasa II, culoare galben-oranj), NH3 (clasa III, culoare brun), sulfit de amoniu (clasa IV, culoare brun-gri).

Utilizrile celor 4 clase de colorani caramel sunt:

Clasa I : extracte de cafea

Clasa II : lichior, rom, buturi tip cognac, aperitive pe baz de vin

Clasa III : sosuri, bere, oet

Clasa IV : produse de patiserie, snack-suri, buturi carbonatate.

COLORANI SINTETICI (de sintez)

Mai sunt numii i artificiali

Nu exist ca atare n natur sau sunt prezeni n produse necomestibile, se obin prin sintez chimic.

Solubilitatea n ap se datoreaz prezenei:

unei grupri acide: coloranii anionici

unei grupri aminate: coloranii cationici.

Coloranii sintetici se mpart n mai multe grupe:

azoici ( N=N ) grupa triarilmetanului

xantenici

quinoleinici

grupa indigoului

1. Grupa coloranilor azoici

Cei mai importani colorani azoici, hidrosolubili, sunt: Tartrazina (galben)

Galbenul oranj

Azorubina (rou)

Amaranthul (rou)

Ponceau 4R (rou aprins)

Allura Red (rou)

Negru briliant

Utilizrile coloranilor azoici n industria alimentar:

Tartrazina buturi alcoolice i nealcoolice, conserve de mazre, bomboane

Galbenul oranj i azorubina buturi alcoolice i nealcoolice, produse zaharoase

Amaranthul vinuri aperitiv, buturi alcoolice cu < 15% alcool in vol., pete rou

Ponceau 4R crnai uscai, gemuri, jeleuri, marmelade i alte produse din fructe

Allura Red crnai, conserve de carne, hamburgeri.

Cu excepia colorantului Allura Red, care se utilizeaz singular, ceilali colorani se pot utiliza att singulari ct i n combinaie cu ali colorani. 2. Grupa triarilmetanului

Utilizri n industria alimentar:

Albastru briliant i albastru patent marcarea carcaselor, bomboane, buturi, ngheat

Verde briliant conserve de mazre, gemuri, marmelade, pudding-uri, ngheat.

Se pot utiliza singular sau n combinaii.

3. Grupa coloranilor xantenici

Are ca reprezentant ERITROZINA, de culoare roie, solubil n ap i alcool.

Utilizri n industria alimentar: snacks-uri, bomboane, deserturi pe baz de lapte, colorarea cireelor pentru cocktail i a cireelor zaharisite.

Grupa quinoleinei

Utilizri in industria alimentar:

buturi alcoolice cu max. 15% alcool n vol.

gemuri i marmelade.

4. Grupa indigoului

Utilizri n industria alimentar:

produse de panificaie

cereale, n special expandate

snacks-uri

ngheat

produse zaharoase, n special bomboane.

Colorani tip lac

Acetia sunt utilizai exclusiv ca suport pentru colorani sau pot fi utilizai att ca suport ct i n alte scopuri, anume ca emulgatori, antioxidani, antispumani.

3. NOIUNI TEORETICE DE FIZIC3.1 Noiuni de Spectroscopie

Conform postulatelor lui Bohr, energia unui atom nu poate lua dect anumite valori (E1,..., En), care formeaz un ir discret, cuantificat. Strile corespunztoare acestor valori particulare sunt stri staionare, n care atomul nu emite i nu absoarbe energie. Atomii absorb sau emit radiaiile electromagnetic numai la trecerea dintr-o stare staionar (n1) n alt stare staionar (n2) conform relaiei:

(1)

unde - energia fotonului emis sau absorbit, E1, E2 energiile strilor staionare n care are loc tranziia.

Procesul de emisie i absorbie a radiaiei la nivel atomic este prezentat schematic n figura 1.

Fig. 1 Emisia i absorbia luminii la nivel atomic

Moleculele fiind alctuite din atomi, la nivelul lor se petrec aceleai fenomene fizice, are loc un proces de contopire a nivelurilor energetice individuale n benzi de energie, specifice structurii moleculare.

Cnd un foton lovete o molecul, pot avea loc dou fenomene: un fenomen de difuzie (un oc elastic, fr pierdere de energie) sau un fenomen de absorbie (crete energia intern a moleculei). Molecula excitat prin absorbia unei cuante de energie rmne n aceast stare un timp foarte scurt (10-10s) dup care fie remite, prin emisie spontan, o cuant de energie egal cu cea absorbit (fenomen numit fluorescen) sau poate pierde energia primit (adic are loc fenomenul de absorbie) prin procese interne. Deci, procesul de absorbie al luminii este unul cuantic, care implic o tranziie a moleculei de pe un nivel energetic inferior E1 pe unul superior E2, n urma cruia energia moleculei variaz cu:

(2)

unde E1 - energia strii iniiale, E2 - energia strii finale, h - constanta lui Planck (h=6,626810-34 Js) , - frecvena radiaiei emise, - lungimea de und a radiaiei emise, iar este viteza luminii n vid.

Energia unei cuante este, deci, proporional cu frecvena a radiaiei i invers proporional cu lungimea de und .

Pentru un ansamblu de atomi, adic pentru o substan oarecare s-a constatat c atunci cnd lumina strbate o substan sau soluia ei, radiaiile de lungimi de und diferite sunt absorbite diferit, micorarea intensitii luminii de o anumit lungime de und fiind independent de intensitatea iniial absolut i dependent de grosimea stratului de substan absorbant strbtut i de natura acestuia.

Legea Lambert-Beer: Straturile de substan de aceeai grosime, n condiii identice, absorb ntotdeauna aceeai cantitate de lumin incident.

(n limbajul fizic actual, energiile st(rilor sta(ionare sunt asimilate ca niveluri de energie, iar tranzi(iile (ntre st(ri ca tranzi(ii (ntre niveluri de energie. Aceste tranzi(ii se mai numesc (i linii spectrale. Denumirea de "linie spectral(" vine de la faptul c(, atunci c(nd o radia(ie de o anumit( compozi(ie spectral( este descompus( de un aparat spectral ( cu prism( optic( sau cu re(ea de difrac(ie, ca element dispersiv) (n radia(iile monocromatice componente, acestea sunt vizualizate pe un receptor(ecran, plac( fotografic() sub forma imaginilor monocromatice, distan(ate una de alta, ale fantei de intrare (n aparat; cum aceast( fant( se recomand( a avea forma unei linii (nalte (i (nguste, imaginile, respectiv radia(iile monocromatice vizualizate vor avea form( liniar(, de diverse culori (i intensit((i. Ansamblul de linii spectrale emise sau absorbite de c(tre un anumit sistem atomic reprezint( un spectru.

Spectrul de emisie al unui izvor reprezint( totalitatea tranzi(iilor de pe nivelurile superioare de energie pe nivelurile inferioare, c(nd de fiecare dat( se emite un foton, respectiv spectrul de absorb(ie este dat de totalitatea tranzi(iilor de pe nivelurile inferioare de cele superioare, c(nd de fiecare dat( se absoarbe un foton. Dac se folosete un izvor de radiaii cu spectru continuu i ntre izvor i instrumentul spectral se aeaz o substan ce las s treac numai unele dintre radiaiile emise de izvor, la ieirea din aparatul spectral, din spectrul izvorului vor lipsi (sau vor fi slbite) unele radiaii. Se obine astfel spectrul de absorie al substanei aezate ntre izvor i aparat.

Fig. 2 Tipuri de spectre

Intensitatea luminoas (I) este o mrime fizic numeric egal cu fluxul luminos emis de o surs punctiform n unitatea de unghi solid. Se msoar n candele, cu simbolul cd (1 cd este intensitatea luminoas a unui flux luminos de 1 m lumen, care trece printr-un unghi solid de un sr - steradian).Dac un fascicul luminos (a crui intensitate este I0) cade pe o cuv (vas din sticl) cu soluie, o parte din aceast lumin (cu intensitate Ir) va fi reflectat pe suprafaa cuvei, o alt parte (cu intensitatea Ia) va fi absorbit de soluie i o alta (cu intensitatea It) va fi transmis. ntre aceste mrimi exist relaia:

(3)

Dac se poate neglija fenomenul de reflexie a luminii la interaciunea cu substana analizat, atunci valoarea intensitii radiaiei absorbite se poate calcula ca:

(4)

Relaia (legea) Lambert-Beer stabilete legtura dintre intensitatea luminii incidente i transmise, n funcie de proprietile mediului traversat:

(5)

unde I0 - intensitatea luminii incidente, It - intensitatea luminii transmise, ( - o constant, c - concentraia soluiei, d - grosimea stratului de soluie.

Dac d se exprim n cm i c n moli/, constanta ( se numete coeficient molar de extincie sau absorbativitate molar. Coeficientul molar de extincie al unei substane este o msur a absorbiei luminii, de o anumit lungime de und, ntr-un strat cu grosimea de 1 cm, a unei soluii 1 molare din substana cercetat.

Cu ajutorul relaiei (5) se pot defini urmtoarele mrimi fotometrice:

1. Raportul dintre intensitatea luminii care trece prin soluie, It, i intensitatea luminii incidente, I0, poart denumirea de transparen (transmitan) sau factor de transmisie:

(6)

iar procentual:

(7)

2. Extincia E (densitatea optic sau absorbana) se definete ca logaritmul mrimii inverse transmisiei:

(8)

n literatur se prefer utilizarea termenilor de transmisie i extincie cu simbolurile T i E.

Spectrul de transmisie al unei substane const din ansamblul perechilor de valori ((, T), adic lungimi de und ale radiaiilor incidente pe acea substan transmitanele corespunztoare ale acelei substane. n locul lungimilor de und, se poate folosi ca variabil independent fie energia fotonilor, , fie numrul de und:

(9)

Spectrul de absorbie al unei substane const n ansamblul format din lungimile de und ale radiaiilor incidente pe acea substan i extincia E sau coeficientul molar de extincie ( sau coeficientul de absorbie, ( al acelei substane, care se definete ca:

(10)

Spectrul de absorbie al unei substane se poate obine prin inscripionare automat sau prin reprezentarea grafic a variaiei unei mrimi ce caracterizeaz absorbia luminii (E, (, () n funcie de lungimea de und pentru domeniul spectral respective.

Legea Lambert-Beer nu poate fi aplicat pentru orice tip de soluie, deoarece pot fi implicate urmtoarele fenomene fizice:

modificarea coeficientului molar de extincie pentru soluii concentrate (>0.01M) datorit interaciunilor de natur electrostatic dintre molecule;

fluorescena sau fosforescena probei;

modificarea indicelui de refracie la soluiile concentrate;

modificri ale echilibrelor chimice din soluie la creterea concentraiei;

lumina utilizat la determinri nu este riguros monocromatic;

Perturbaiile pot fi minimalizate prin explorarea unei regiuni reduse din spectru, unde absorbia soluiei este maxim.

Evaluarea calitativ i cantitativ a procesului de absorbie a luminii printr-o soluie se face printr-un procedeu numit spectrofotometrie, iar aparatele folosite se numesc spectrofotometre..

Existena unui spectru de absorbie complex, specific fiecrei structuri moleculare i identificarea unei substane pe baza aspectului specific al spectrului su constituie analiza spectral calitativ.

Analiza spectral cantitativ are la baz directa proporionalitate dintre intensitatea radiaiilor absorbite de ctre o anumit substan i concentraia din acea substan din proba analizat. Pentru aceasta, trebuie msurat gradul de absorbie a radiaiilor luminoase de ctre substan.

Aadar, spectrometria de absorbie molecular are aplicaii att n analiza cantitativ, ct i n cea calitativ. Spectrometria de absorbie molecular efectuat n cele trei domenii spectrale UV-VIS-IR (Ultraviolet-Vizibil-Infrarou) nu d aceleai rezultate n ce privete analiza calitativ i cantitativ. Astfel, domeniul UV-VIS este folosit preponderent n analiza cantitativ, iar domeniul IR este folosit preponderent n domeniul analizei calitative.

spectrofotometrul este aparatul cu ajutorul cruia se poate face o analiz a radiaiilor emise (absorbite) de ctre substane att n ceea ce privete lungimea de und, ct i al intensitii liniilor i benzilor spectrale.

Spectrofotometrele pot avea construcii diferite, n funcie de regiunea spectral pe care o analizeaz (infrarou, vizibil, ultraviolet) sau modul de msurare a absorbiei.

Constructiv (Fig. 3) spectrofotometrele se compun din: sursa luminoas (a), monocromator (b), cuva de msurare (c), detector de radiaie luminoas (d), aparat de msur (m), inscriptor (e).

Sursa de lumin (a) poate fi n spectrul vizibil, infrarou sau ultraviolet. Ea emite radiaie electromagnetic dintr-o anumit band spectral, de aceea este necesar prezena unui dispozitiv, numit monocromator, cu ajutorul cruia s obinem fascicule de raze monocromatice (b), care sunt, apoi, dirijate printr-o fant asupra celulei de absorbie (c), care este, de obicei, o cuv.

Mai exact, monocromatorul este acea parte a aparatului care furnizeaz o radiaie de o singur lungime de und.. Lungimea de und se poate modifica n mod continuu ntr-o anumit regiune a spectrului (de exemplu, n domeniul spectral Vizibil, prescurtat VIS n limba englez i VIZ n limba romn, ntre 350nm-750nm).

Monocromatorul poate fi construit dintr-o prism sau dintr-o reea de difracie gravat pe o suprafa transparent (reea de difracie prin transmisie) sau pe o suprafa reflectant (reea de difracie prin reflexie).

Pentru a putea msura radiaia luminoas transmis (neabsorbit), aceasta trebuie convertit n alt form de energie (electric) de ctre un detector (d) (care poate fi o celul fotoelectric, un fotomultiplicator sau un detector cu corp solid), iar apoi mrimea electric obinut, dup amplificare, se afieaz fie ca uniti convenionale sau se inscripioneaz de ctre un traductor (e) sub forma unui spectru de absorbie.

Fig. 3 Schema de principiu a unui spectrofotometru

Monocromatorul cu prism descompune lumina alb de la o surs S, care poate fi un bec cu incandescen, cu ajutorul fenomenului de dispersie. Prin rotaia cu un anumit unghi () a prismei, prin diafragma (D) i prin prob va trece doar o anumit radiaie cu o lungime de und determinat.

Detectorii folosii convertesc radiaia luminoas transmis prin substana absorbant n curent electric, care apoi este amplificat i nregistrat; el fie poate fi citit direct pe un instrument de msur a crui scal se gradeaz n uniti spectrofotometrice (E, T), fie, n cazul existenei unei interfee ntre spectrofotometrul propriu-zis i un computer, se afieaz direct spectrul (de transmisie sau de absorbie) pe ecranul monitorului computerului.

3.2 Generaliti despre culori spectrul luminii albe

Noiunea de culoare se refer simultan la dou fenomene: senzaia subiectiv de culoare i posibilitatea unui corp de a prea colorat. Culoarea, ca efect, nu exist dect la nivelul ochiului. Rezultat al radiaiilor electromagnetice vizibile, ea nu are o existen proprie, ci numai o interpretare fiziologic.

De fapt, culoarea aparine experienei uzuale, ea nefiind o caracteristic intrinsec a unui obiect; este o realitate subiectiv generat de interaciunea a trei factori: ochiul, lumina i suprafaa obiectului, n lipsa unuia dintre acetia senzaia neproducndu-se. Din punct de vedere fizic, culoarea reprezint o anumit band a spectrului electromagnetic, adic un interval de lungimi de und care sunt susceptibile de a stimula electiv conurile retiniene. Deci, culoarea este o caracteristic a luminii, msurabil n funcie de intensitatea energiei radiante i de lungimea de und. Obiectul simplu emite, transmite sau reflect lumina, avnd o distribuie spectral oarecare, care apoi este tradus de ochi, nervi, creier, ca un rspuns de culoare.

n consecin, fenomenul de culoare poate fi definit ca o caracteristic a luminii, lumina fiind acel aspect al energiei radiante de care un observator uman este contient prin senzaiile vizuale care apar prin excitarea retinei ochiului. Se contureaz, ns, i alte dou aspecte ale noiunii de culoare: aspectul psiho-fizic i psihosenzorial.

Din punct de vedere psiho-fizic, culoarea este acea caracteristic a luminii care permite a distinge, unul de altul, dou cmpuri de aceeai form, mrime i structur din spectrul vizibil. Din punct de vedere psiho-senzorial, culoarea poate fi caracterizat prin: tonalitate, luminozitate (intensitate) i saturaie (puritate).

Revenind la semnificaia cantitativ, obiectiv, dat de Fizic, ansamblul culorilor formeaz radiaia vizibil (cu acronimul VIZ n limba romn, respectiv VIS de la visible n limba englez), care se definete i ca partea din radiaia electromagnetic receptat de organul vederii ochiul), datorit creia este posibil vederea.

Din analiza spectrului radiaiilor electromagnetice se constat c numai radiaiile electromagnetice emise n intervalul 380nm 780nm sunt capabile s impresioneze ochiul uman, producnd senzaie vizual, radiaiile ultraviolete (UV), corespunznd la lungimi de und < 380 nm, precum i radiaiile infraroii (IR), care au > 780 nm, nefiind capabile s impresioneze ochiul vezi Fig. 4.

Radiaia, ca o emisie sau propagare de energie sub form de unde electromagnetice, poate fi monocromatic sau complex.

Radiaia monocromatic este radiaia corespunztoare unui domeniu extrem de ngust din cmpul radiaiilor vizibile, definit prin indicarea unei singure lungimi de und.Radiaia complex sau policromatic este radiaia compus din mai multe radiaii electromagnetice caracterizate de valori ale lungimii de und care aparin unui interval. Compoziia unei radiaii complexe este indicat de spectrul su, adic de coninutul de radiaii monocromatice.

Fig. 4 Regiunile spectrului electromagnetic optic:

infrarou IR, vizibil VIZ i, respectiv, ultraviolet - UV

In domeniul radiaiilor vizibile, radiaii emise pe lungimi de und diferite produc diferite senzaii de culoare, astfel nct spectrul vizibil se mparte n apte zone, fiecare zon corespunznd unei anumite culori (Tabel 1). Astfel, culorile fundamentale, alctuind ROGVAIV-ul sau curcubeul, corespund urmtoarelor intervale de lungimi de und:

Tabel 1 Lungimile de und i frecvenele corespunztoare

radiaiilor din domeniul vizibil

3.3 Sensibilitatea spectral relativ a ochiului

Se constat c intensitatea senzaiei vizuale este maxim pentru o lungime de und =555 nm, dup cum rezult din curba eficacitii spectrale relative, V(), dup cum se prezint n Fig. 2.4. Mai exact, ochiul uman normal nu este un organ liniar n ceea ce privete percepia lungimii de und si a intensittii luminoase. Pentru iluminri relativ mari sensibilitatea maxim se manifest pentru culori cu lungimea de und de 556 nm (n zona verde-galben). Se observ c ochiul este mult mai sensibil la culorile din regiunea mijlocie a spectrului vizibil (verde - galben), dect la cele care se situeaz la margini (rosu si n special albastru).

Obiectul alb este obiectul care, expus la lumina alba, difuzeaz in toate direciile radiaiile ce alctuiesc lumina alba.

Obiectul negru este obiectul care absoarbe toate radiaiile ce alctuiesc lumina alba.

Obiectul gri este obiectul care absoarbe parial, dar in egala msura, toate radiaiile componente ale luminii albe.

Obiecte colorate opace sunt obiectele care absorb anumite radiaii ale luminii albe, iar pe celelalte le reflecta. Ansamblul de radiaii reflectate dau obiectelor culoarea lor.Obiecte colorate transparente (filtre colorate) sunt obiecte care, iluminate din spate cu lumina alba, permit trecerea unor anumite radiaii care dau culoarea lor. Restul radiaiilor este absorbit sau reflectat.

4. METODA EXPERIMENTAL

Aparatul spectral care s-a folosit este un Speckronom, de origine ungureasc, avnd schema bloc prezentat n Fig. 5, care are un bec cu incandescen ca surs de radiaii electromagnetice, ca monocromator are un sistem de prisme optice, iar ca detector un fotomultiplicator, la care curentul la ieire, de ordinul microamperilor () poate fi citit pe ecranul microampermetrului ataat, valoarea unei diviziuni fiind de 2 microamperi. Aparatul are 3 scri de sensibilitate la curent (normal, untat la , respectiv untat la 1/10 vezi legenda Fig. 5.1). Cuva cu lichidele de studiat sau materialul solid care se dorete a fi studiat se introduce ntr-o camer obscur prevzut cu capac, folosit pentru eliminarea influenei radiaiilor parazite din incinta unde se gsete aparatul spectral. Schema optic a spectrometrului este prezentat n Fig. 6.

Fig. 5 Imaginea spectrometrului Spektronom utilizat n cercetare

(1 surs de lumin bec cu incandescen; 2 fereastr de afiare a lungimii de und, 3 buton de modificare a lungimii de und, 4 comutator cu 4 poziii: nchis off; deschis on; x 1 - untare a aparatului ; x 10 - untare a aparatului 1/10; 5 buton de reglare a sensibilitii aparatului dark current, cu sensibilitate mare pe poziia din dreapta; 6 buton opional; 7 camer obscur a probelor, cu capac; 8 fotomultimplicator; 9 - ecran indicator al microampermetrului de la ieirea fotomultiplicatorului )

Fig. 6 Schema optic a spectrometrului

(S sursa de lumin; O1, O2, O3 oglinzi; F1, F2 fante;

P prism optic din sticl; C cuva cu soluie, R receptor)

Acest spectrometru permite modificarea manual a lungimii de und a radiaiilor, prin rotirea butonului Wavelength (butonul 3 din Fig. 6). Teoretic, intervalul spectral de radiaii electromagnetice care pot fi fcute s strbat materialelel studiate cuprinde tot domeniul vizibil, precum i puin din Ultraviolet i Infrarou, fiind cuprins ntre 186 nm i 1275 nm, ns practic, din motivul uzurii aparatului i a mbtrnirii fotomultiplicatorului, sensibilitatea acestuia este limitat la domeniul spectral vizibil, ntre circa 380 nm i 700 nm, n rest curentul indicat de fotomultiplicator fiind nul.

Deoarece aparatul spectral afieaz un curent corespunztor radiaiilor care trec prin substana studiat, pentru obinerea spectrului de transmisie al oricrei substane este necesar trasarea preliminar a spectrului sursei de lumin folosite, adic dependena curentului afiat I0 de lungimea de und pentru camera obscur goal, iar apoi se traseaz spectrul substanei de analizat, ca dependena curentului I de lungimea de und a radiaiilor incidente folosite. Astfel, transmitana unei substane se va calcula ca:

(11)n cazul analizrii de substane aflate n stare lichid, trebuie s se in seama, la calcularea spectrului de transmisie al acestora, de absorbia cuvei cu lichidul prin care se trece radiaia electromagnetic. n acest scop se traseaz separat dependena curentului Icuva nregistrat la trecerea radiaiilor electromagnetice prin cuva goal de lungimea de und. Transmitana cuvei goale se va calcula, analog cu relaia (5.1) ca:

(12)

de unde, spectrul efectiv de transmisie (transmitana efectiv) a unui lichid se va deduce din datele de transmisie total a cuvei cu lichid, i din spectrul de transmisie al cuvei goale, ca:

(13)5. REZULTATE EXPERIMENTALE. DISCUII

S-au preparat pentru un numr de 3 colorani alimentari (galben, albastru i, respective, rou), soluii apoase cu cte 4 concentraii pentru fiecare colorant, dup cum se prezint n tabelul urmtor. Nr. crt.c (%)Volum Ap(m)Volum Colorant

(m)

1104,50,5

22041

3303,51,5

44032

S-au trasat spectre de transmisie n domeniul spectral 400-620 nm, adic n o parte a domeniului spectral vizibil. Lungimile de und au fost alese s varieze n progresie aritmetic, cu raia/pasul de 10 nm.

S-a trasat mai nti spectrul cuvei goale (cuv in cuar, cu interior avnd form de trunchi de piramid, care necesit un volum mic de lichid pentru efectuarea analizei). Intensitile curenilor nregistrai pentru cuva goala s-au notat cu I0.

Pentru fiecare soluie de colorant n parte, intensitile curenilor nregistrai s-au notat cu Ik (k=1, 2, .). Transmitana fiecrei soluii s-a calculate ca: . Pe baza relaiei amintite anterior ntre extincie i transmitan, a fost calculat i extincia pentru fiecare soluie de colorant n parte i pentru fiecare dintre lungimile de und alese pentru trasarea spectrelor.

Datele experimentale sunt prezentate n cele ce urmeaz att sub form de tabele, ct i de reprezentri grafice comparative, realizate n programul Origin.Tabel de date experimentale pentru analiza spectral a coloranilor analizai

Spectrele coloranilor analizai:

Se constat c, o dat cu modificarea concentraiilor soluiilor apoase de colorant alimentar, se pstreaz, n cea mai mare parte din cazuri, profilul spectrelor de transmisie, cu excepia soluiei de colorant galben cu concentraia de 10 %, care mai prezint dou maxime locale la lungimi de und mici, n domeniul verde-albastru, suplimentar fa de soluiile de alte concentraii ale aceluiai colorant. n rest, soluiile de colorant prezint, dup cum era de ateptat, dup culoarea lor, maxime de transmisie la lungimile de und corespunztoare senzaiilor de culoare pentru aceti colorani:

colorantul galben maxim la 610 nm

colorantul albastru maxim la 420 - 460 nm

colorantul rou maxim la 620 nm, dar mai prezint i alte maxime mai nalte, la captul dinspre violet al domeniului spectral investigat. Aceasta se datoreaz impuritii culorii n coloranii analizai.Compararea transmitanelor soluiilor de diferii colorani, dar cu aceeai concentraie sunt prezentate n graficele de mai jos.

Sunt comparate apoi extinciile soluiilor de colorant alimentar analizate, extincii calculate pe baza factorilor de transmisie aflai experimental.Aceste spectre de extincie se pot compara cu spectrele de absorbie ale acelorai colorani determinate cu un spectrofotometru n cadrul Colectivului de Chimie al Facultii de tiine i Mediu a Universitii Dunrea de Jos din Galai.

BRILIANT BLUE - albastru

Wavelength(nm) 762.000.486

630.000.721

PONCEAU 4R rou

Wavelength(nm)

516.0 0.361

TARTRAZINA

Wavelength(nm)426.0 0.741

Constatri: la colorantul galben Tartrazina, apare acelai maxim local de absorbie n domeniul albastru la 426 nm n spectrul trasat la Chimie, ca i n spectrul trasat manual la Fizic

la colorantul albastru Brilliant Blue - spectrul trasat la Chimie prezint 2 maxime de absorbie, la 630 nm i, respectiv la 762 nm, n timp ce spectrele trasate la Fizic au maxime de absorbie la ambele capete ale domeniului spectral investigat: 410 560 nm;

la colorantul rou - PONCEAU, spectrul trasat la Chimie indic un maxim de absorbie la 516 nm, care corespunde culorii verzi complementare cu roul, n timp ce spectrele trasate la Fizic pentru acelai colorant indic un maxim de absorbie aproximativ la aceeai lungime de und.Astfel, chiar i cu o aparatur didactic, cu modificare manual a lungimii de und a radiaiilor incidente prin soluii i cu citire a intensitilor curenilor la detector (fotomultiplicator), se pot obine rezultate experimentale credibile pentru diferite substane, ceea ce dovedete calitatea i fiabilitatea analizelor spectrale.

6. CONCLUZIIIn acest proiect am urmarit sa imbinam notiunile legate de Industrie Alimentara cu cele de Fizica,aplicand cele invatate in laborator pana acum,dar si pentru analizarea substantelor alese.

S-au analizat cte 4 soluii apoase ale unui numr de 3 colorani alimentari: rou, galben i, respectiv, albastru, crora li s-au trasat spectrele de transmisie n domeniul spectral Vizibil, ca i spectrele lor de absorbie, care au fost comparate cu spectrele de acelai tip trasate la un aparat spectral performant, obinndu-se bune corelri ntre rezultatele obinute cu cele 2 tipuri distincte de aparate spectrale, dovedind valoarea i fiabilitatea analizei spectrale ca metod fizic de analiz a substanelor.

BIBLIOGRAFIE

[1] Manual de fizica clasa a 12-a, Editura Pedagogica, 1997

[2] www.ressources-pedagogiques.ups-tlse.fr... mondiale large mais discontinue

[3] www.imcce.fr

[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Food_coloring[5] http://books.google.ro/books?id=x8zJBQuc8h4C&printsec=frontcover&dq=food+colorants&source=bl&ots=9vAZzXLYWj&sig=H9Z7BeDXAp8KIh3A-mU4o8QwN-k&hl=ro&ei=iVgDTKGILobJcZqJ3aoK&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=2&ved=0CB8Q6AEwAQ#v=onepage&q&f=false[6] http://www.alibaba.com/catalogs/cid/81906/Food_Colorants.html[7] http://www.answers.com/topic/food-coloring[8] http://books.google.ro/books?id=aSIzfQ93PlAC&printsec=frontcover&dq=food+colorants&source=bl&ots=Z5Pudc-t0I&sig=4ogUZ_G8AF0jpN9nbj-JLTrGa64&hl=ro&ei=iVgDTKGILobJcZqJ3aoK&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=7&ved=0CDsQ6AEwBg#v=onepage&q&f=false[9] http://www.crcnetbase.com/doi/abs/10.1201/9781420031713.ch1[10] http://www.crcnetbase.com/doi/abs/10.1201/9781420031713.ch2[11] http://www.crcnetbase.com/doi/abs/10.1201/9781420031713.ch3[12] http://www.crcnetbase.com/doi/abs/10.1201/9781420031713.ch4[13] http://www.ddwilliamson.com/.

[14] http://chestofbooks.com/reference/Henley-s-20th-Century-Formulas-Recipes-Processes-Vol2/Food-Colorants.html[15] http://www.ad-astra.ro/research/view_publication.php?lang=ro&publication_id=5382[16] S. ConduracheBota, Lucrri de laborator de Fizic general. Ediie revizuit i adugit, Editura Cermi, Iai, 2012, ISBN: 978-973-667-411-2, 130 pagini

[17] Praisler M., 1999, "Spectroscopie", Editura Fundatiei Universitare "Dunarea de Jos" Galati (166 pagini) ISBN 973-99424-2-3.

PAGE 20

_1327256230.unknown

_1327260631.unknown

_1368782761.unknown

_1368783009.unknown

_1368783099.unknown

_1368783132.unknown

_1368783064.unknown

_1368782168.unknown

_1327260641.unknown

_1327260437.unknown

_1327260611.unknown

_1327260559.unknown

_1327260407.unknown

_1327243649.unknown

_1327243687.unknown

_1327256149.unknown

_1327243659.unknown

_1256554034.unknown

_1265208525.unknown

_1265208636.unknown

_1256554043.unknown

_1256630486.unknown

_1256553959.unknown

_1256553998.unknown

_1256549426.unknown