CC BY
45
УДК 664
Определение оптических характеристик пищевых
продуктов.
Проф. Вороненко Б.А., проф. Пеленко В.В., доц. Иваненко В.П.,
аспирант Стариков В.В.
Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
При определении интегральных оптических характеристик применялись источники излучения: лампа ЗС-150; кварцевая лампа КГ-1000-220 и нихромовая спираль, радиометр, обладающий достаточно высокой и ровной чувствительностью в широком диапазоне спектра ИК-излучения. В качестве приемников лучистого интегрального потока, установки, для определения интегральной пропускательной способности и для определения коэффициента отражения материала (отражательной способности).
Ключевые слова: источник излучения, пропускательная способность, отражательная способность, спектр.
Для измерения спектральных оптических характеристик, необходимых для исследования процессов нагрева и сушки мясных и рыбных продуктов инфракрасными лучами, используется автоматический двухлучевой инфракрасный спектрофотометр ИКС-14А. Выбор указанного спектрофотометра обусловлен следующими его преимуществами по сравнению со спектрометрами и спектрофотометрами, используемых во многих работах [1-6]: возможно непосредственно получить спектральную кривую пропускания при высокой точности измерений и небольшой длительности эксперимента.
Также используются специальные разборные герметичные кюветы из фтористого кальция [7], в которые помещаются образцы, обеспечивающие постоянство влажности исследуемого образца в течение всей записи спектра пропускания; замораживающий микротом, с помощью которого нарезаются образцы необходимой толщины (от 0,01 до 5,0 мм); оптическая приставка, рекомендованная [8] для измерения спектров отражения материалов, диффузно отражающих или рассеивающих излучение; алюминиевая пластинка марки АВ-1000, подвергнутая специальной обработке, в качестве эталона, диффузно отражающего излучение.
При определении интегральных оптических характеристик применяются также источники излучения (лампа ЗС-150, кварцевая лампа КГ-1000-220, нихромовая спираль), радиометр, обладающий достаточно высокой и ровной чувствительностью в широком диапазоне спектра ИК-излучения, в качестве приемника интегрального лучистого потока, установка, для определения интегральной пропускательной способности (рис. 1), состоящая из штатива, на котором закреплены ИК-источник, экранированная пластина с водяным затвором, подставка для радиометра. Для избежания нагрева независимо друг от друга стенки
радиометра и затвор охлаждаются проточной водой. Вместе с исследуемым образцом внутрь радиометра помещается вкладыш, способствующий уменьшению расстояния между образцом и чувствительной поверхностью радиометра, а также снижения величины лучистого потока диффузно рассеянного образцом [8], и установка для определения интегральной отражательной способности (рис. 2), состоящая из систем, излучающей лучистый поток и воспринимающей отраженное от образца излучение. Система излучения включает в себя сменный ИК-источник, отражатель, коллимационную трубку (внутренняя часть которой для устранения многократного отражения покрывается сажей с добавлением клея) с установленными в ней диафрагмами и отрегулированную таким образом, что дает возможность получать практически параллельный пучок ИК-излучения.
Рис. 1 Установка для определения оптической проницаемости пищевых материалов (коэффициент пропускания).
I - основание; 2 - стойка; 3 - регулятор напряжения; 4 - источник излучения (лампа ЗС - 150); 5 - конфузор; 6 - диафрагмы; 7 - датчик; 8 - измеритель плотности теплового потока (ИТП - 6); 9 - показывающий прибор (микроамперметр 14136); 10 - усилитель аналогового сигнала;
II - стеклянные пластины; 12 - образец; 13 - радиометр (фотометр); 14 - термостолбик (батарея термопар).
Система, воспринимающая отраженный лучистый поток, состоит из радиометра, подключенного к милливольтмикроамперметру типа М1 98/3. Для защиты радиометра от воздействия прямого излучения, последний в процессе исследования отгораживается от излучающей системы металлическим экраном -
пластиной из матированного алюминия, диффузно отражающей 96% падающего на неё потока ИК-излучения с X > 1 мкм [8, 9]. В области длин волн, меньших 1,0 мкм, коэффициент отражения матированного алюминия несколько меньше. Эталон выбирается с учетом соответствия индикаторов отражения образца и эталона [8].
Рис. 2 Установка для определения коэффициента отражения материала
(отражательной способности).
Для определения плотности лучистого потока и разработки ИК-режимов термообработки рыб используются:
- установка, состоящая из сменных панелей: первой - с лампой ЗС-150 (1 штуки); второй - с лампами КГ-1000-220 (3 штуки); третьей - с нихромовой спиралью (5 рядов);
- подставка для противня, позволяющая устанавливать его на определенном расстоянии от панели с излучателями;
- измеритель тепловых потоков ИТП-4, обладающий довольно ровно чувствительностью в достаточно широком диапазоне длин волн ИК-спектра;
- милливольтмикроамперметр типа М1 98/3;
- эксикатор для сохранения постоянной влажности образцов.
Чувствительный элемент ИТП-4 для повышения коэффициента поглощения покрыт платиновой чернью. Учитывая особенности ИК-излучения, датчик ИТП-4 располагается строго перпендикулярно по отношению к панели с излучателями.
Применяются потенциометр типа ПП-63, класса точности 0,05 и игольчатые ХК термопары (а =0,1 мм) для измерения температуры в образцах рыбы. Для определения термоэдс все термопары соединяются через пакетный переключатель с потенциометром с поправкой температуры на холодный спай. Холодные спаи термопар помещаются в пробирку с минеральным маслом и термостатируются тающим льдом в сосуде Дьюара; применяют для взвешивания полуфабрикатов и готовых изделий электрические весы типа «Лабор 500», класса точности ±0,1г., применяемые для взвешивания полуфабрикатов и готовых изделий.
Экспериментально было установлено, что для трески и морского окуня кривые пропускания их кожи спинки, брюшка (толщина равна 1,0 мм) и мышечной ткани (толщина равна 1,0 мм) имеют качественно подобные спектры. Основная зона пропускания этих образцов наблюдалась в коротковолновой области спектра от 0,76 до 1,8 мкм. Максимум пропускания ИК-излучения приходился на диапазон с X =1,2 мкм. Кривая пропускания образцов в области спектра 1,25 - 3,0 мкм сопровождалась наличием резких полос поглощения при X = 1,45; 1,93; 2,5 и 2,9 мкм. На участке 1,8 - 3,0 мкм происходило некоторое снижение пропускания и, наконец, в области спектра 3,0 - 10,0 мкм их пропуска- тельная способность практически равна нулю, а поглощение излучения тканями рыбы имело наибольшие значения.
Ярко выраженная селективность к поглощению ИК-излучения тканями рыбы определяется, как известно [9, 10], резонансным поглощением излучения молекулами сухого вещества и молекулами свободной, структурной и связанной воды. При этом основным фактором, определяющим характер кривых пропускания, является факт наличия в образцах определенного количества воды. Из литературных данных известно, что даже небольшое содержание свободной, структурной или связанной влаги в материале или наличие группы ОН в структуре молекул вещества вызывают появление полос поглощения вблизи длин волн 0,75;
0.85. 0,98; 1,45; 1,93 и 4,74 мкм; более интенсивные полосы поглощения проявляются вблизи длин волн 2,924; 6,12 и 15,8 мкм. Действительно, полученные спектры пропускания образцов качественно подобны аналогичной кривой пропускания воды, а величина их спектрального пропускания в значительной мере определяется количеством воды, содержащейся в образце.
Качественная аналогичная зависимость спектральной пропускательной способности продуктов от содержания в них влаги наблюдалась при снятии спектрограмм мясопродуктов (говядины, свинины, мясного фарша, баранины, печени, почек) [8], мясных полуфабрикатов (бифштекса, натурального, рубленного, котлеты рубленой) [5], овощей (баклажан, кабачков, моркови) [11].
Список литературы
1. Вороненко Б.А., Пеленко В.В., Иваненко В.П. и др. Исследование фотометрических характеристик пищевых продуктов с целью интенсификации процессов их тепловой обработки.// Межвузовский сборник научных трудов «Теория и практика разработки ресурсосберегающего пищевого оборудования», СПб, ГОУ ВПО СПбГУНиПТ, 2006. - с. 61-65.
2. Рогов И.А., Некрутман С.В. СВЧ и ИК-нагрев пищевых продуктов. - М.: Пищевая промышленность, 1976. - 210с.
3. Сахаров Н.Н. Использование ИК-излучений в технологии рыбы. - М.: Пищевая промышленность, 1969. - 165с.
4. Рогов И.А., Горбатов А.В. Новые физические методы обработки мясопродуктов. - М.: Пищевая промышленность, 1994. - 302с.
5. Островский Л.В. Исследование процесса тепловой обработки мясных кулинарных изделий инфракрасными лучами: Автореф. дис. на соиск. степ. к. т. н. - М., 1971. - 25с.
6. Удальцова М.Н. Термообработка океанических рыб в ИК-аппаратах предприятий общественного питания. - М.; 1983. - 253с.
7. Инфракрасный спектрофотометр ИКС-14А. - (Инструкция). - Л.; Государственный оптико-механический завод им. ОГПУ. - 20с.
8. Жуков Н.Н. Исследование термической обработки некоторых мясопродуктов инфракрасным излучением.: Автореф. дис. на соиск. степ. к. т. н. - М., 1971. -25с.
9. Ильясов С.Г., Красников В.В. Методы определения оптических и терморадиационных характеристик пищевых продуктов. - М.: Пищевая промышленность, 1972. - 172с.
10. Ильясов С.Г. и др. Методы измерения спектральных терморадиационных характеристик пищевых продуктов. - Изв. вузов СССР. Сер. Пищевая технология, №5, 1980. - С. 8-9.
11. Рогов И.А., Мальский А.Н. и др. Исследование оптических характеристик овощей, подвергаемых тепловой обработке инфракрасным излучением. - М., -(Всесоюзный симпозиум. Применение инфракрасной техники в пищевых отраслях промышленности). 1973. - С. 63.
