CC BY
42
БЕЗОПАСНОСТЬ И КАЧЕСТВО ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
ТЕМА НОМЕРА
УДК 535:005.6:54:664(045)
Применение оптических анализаторов в практике контроля качества сырья и пищевых продуктов
С.А. Хуршудян, д-р техн. наук, профессор; В.К. Семипятный, канд. техн. наук; А.Е. Рябова, канд. техн. наук; И.Ю. Михайлова; Е.Е. Илларионова
ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, Москва
Реферат
Оптические анализаторы (ОА), основанные на взаимодействии оптического излучения с исследуемым веществом, широко используются в различных отраслях пищевой промышленности. Пищевые продукты из-за их многокомпонентного состава являются наиболее сложными объектами аналитических измерений состава и свойств, что определило использование в измерительных схемах ОА корректирующих цепей, дополнительных каналов измерений с компенсационными сигналами. Применение ОА в непрерывных технологических процессах потребовало создания различных помехоустойчивых ОА, обладающих инвариантностью результатов измерений к внешним и внутренним влияющим факторам. Возможность динамических измерений позволила использовать ОА в системах контроля качества продукции на различных этапах производства. Круг задач, решаемых ОА в пищевой промышленности, весьма широк от элементного анализа с помощью атомно-абсорбционных спектрометров до рефрактометрических измерений содержания сухих веществ, от фотометрических и спектрофотометрических определений массовых концентраций веществ до фиксации размеров и концентраций взвешенных веществ фотометрическо-счетными анализаторами: от люминесцентных определений процессов порчи до концентрационных определений атомно-флюоресцентным методом. Широта решаемых аналитических задач привела к тому, что все современные аналитические и производственные лаборатории в обязательном порядке комплектуются несколькими ОА. Современные ОА непрерывно совершенствуются путем расширения диапазонов измерений, снижения погрешности, исключения влияния неинформативных параметров пищевого продукта на результат измерения. Все это достигается с помощью новейших алгоритмов обработки первичных измерительных сигналов, встроенной расширенной библиотеки измеряемых продуктов и т. д. При всей насыщенности ОА аналитическими и методическими возможностями роль аналитика (оператора) не нивелируется, так как для качественных измерений требуется понимание аналитиком природы и состава пищевого продукта и возможных влияний компонентов продукта друг на друга в процессе измерения.
Ключевые слова
измерения; оптические анализаторы; пищевые продукты; погрешности; технологии; функции влияния Цитирование
Хуршудян С.А., Семипятный В.К., Рябова А.Е., Михайлова И.Ю., Илларионова Е.Е. (2019) Применение оптических анализаторов в практике контроля качества сырья и пищевых продуктов // Пищевая промышленность. 2019. № 3. С. 22-25.
Appling of optical analyzers in the practice of quality control raw materials and products
S.A. Khurshudyan, Doctor of Technical Sciences, Professor; V.K. Semipyatniy, Candidate of Technical Sciences; A.E. Ryabova, Candidate of Technical Sciences; I.Yu. Mikhaylova; E.E. Illarionova
All-Russian Scientific Research Institute of Brewing, Non-Alcoholic and Wine Industry - a branch of the Gorbatov's Federal Scientific Center for Food Systems of RAS, Moscow
Abstracts
Optical analyzers (OA), based on the interaction of optical gamma with the test substance, are widely used in various sectors of the food industry. Food products due to their multicomponent composition are the most complex objects of analytical measurements of composition and properties, which determined the use of correction circuits and additional measurement channels in OA measurement circuits using compensation signals. The use of OA in continuous technological processes required the creation of various noise-resistant OA, with the invariance of measurement results to external and internal influencing factors. The possibility of dynamic measurements allowed the use of OA in product quality control systems at various stages of production. The range of tasks solved by OA in the food industry is quite wide - from elemental analysis using atomic absorption spectrometers to refractometric measurements of the solids content, from photometric and spectrophotometric determinations of mass concentrations of substances to fixation of sizes and concentrations of suspended substances with photometric counting analyzers: from luminescent ones definitions of damage processes to concentration determinations by the atomic-fluorescent method. The breadth of the solved analytical problems has led to the fact that all modern analytical and production laboratories are necessarily equipped with several OA. Modern OA are continuously improved by extending the measurement ranges, reducing the error, eliminating the effect of non-informative parameters of the food product on the measurement result. All this is achieved by applying the latest algorithms for processing the primary measuring signals, the built-in extended library of measured products, etc. With all the OA saturation with analytical and methodological capabilities, the role of the analyst (operator) is not leveled, since the qualitative measurements require the analyst to understand the nature and composition of the food product and the possible influences of the product components on each other in the measurement process.
Key words
errors; food products; influence functions; measurements; optical analyzers; technology Citation
Hurshudyan S.A., Semipyatnyj V.K., Ryabova A.E., Mihajlova I.Yu., Illarionova E.E. (2019) Appling of optical analyzers in the practice of quality control raw materials and products // Food processing industry = Pishhevaya promyshlennost. 2019. № 3. P. 22-25.
FOOD SAFETY AND QUALiTY
Оптические методы анализа, информативными параметрами которых являются интенсивность и спектральный состав излучения, рассеяние и отражение, смещение и изменение поляризации светового луча, составляют методологическую базу большой группы аналитических приборов -оптических анализаторов (ОА) [1-5]. К ним относятся фотометры и спектрофотометры, атомно-абсорбционные спектрометры, турбидиметры и нефелометры, фотометрическо-счетные анализаторы, рефрактометры, флуориметры, поляриметры и т. д. Измеряемыми параметрами ОА являются концентрация или размеры взвешенных веществ и механических примесей, показатель преломления, оптическая плотность, коэффициенты поглощения, отражения и рассеяния и другие оптические параметры, которые непосредственно связаны с составом анализируемых пищевых продуктов [3], что позволяет измерять концентрации веществ и элементов в пищевых продуктах, а также их физико-химические характеристики (цвет, прозрачность и т. д.).
Весь спектр ОА успешно развивается и находит все возрастающее применение в различных областях науки, техники и производства при проведении серти-
фикационных испытаний, при выполнении научно-исследовательских работ и проведении различных экспертиз. Естественно, что в пищевой промышленности с ее высокими требованиями к качеству и безопасности выпускаемой продукции [6-11] ОА находят широкое применение (см. таблицу).
Следует отметить, что ОА также широко применяются в качестве детекторов (фотометрических, рефрактометрических) при проведении различных видов хрома-тографического анализа контроля состава исходного пищевого сырья и пищевого продукта. Так, рефрактометрический детектор используется при измерении массовой концентрации глюкозы, сахарозы, глицерина в алкогольных и безалкогольных напитках [12, 13], а фотометрический детектор - при измерении массовых концентраций органических кислот, синтетических красителей [14, 15].
Пищевое сырье и пищевые продукты представляют собой сложные многокомпонентные смеси. Пищевые продукты (ПП), имея сложный химический состав [16], являются наиболее трудными объектами аналитических измерений. Поэтому лишь в редких случаях возможно непосредственное измерение контролируемого параметра ПП, а в подавляющем
большинстве случаев требуется предварительная пробоподготовка [17].
При подготовке пробы к анализу можно выделить три основные стадии: 1) высушивание; 2) разложение; 3) устранение влияния мешающих измерению компонентов.
в основе современных методов про-боподготовки объекта исследования лежит использование высоко активных реагентов, повышенного давления и температуры, катализа, излучений разного типа (ультразвукового, микроволнового и т. п.). выбор способа разложения пробы и переведения ее компонентов в раствор зависит от нескольких факторов, которые необходимо учитывать при обосновании схемы химического анализа. Прежде всего необходимо обратить внимание на неорганическую и органическую природу основы (матрицы) объекта, химический состав образца, химические свойства определяемого компонента. Способ разложения и переведения пробы в раствор во многом определяется выбранным методом дальнейшего исследования. Например, пробоподготовка при определении органических соединений в пищевых объектах хроматографическими и спектрофотометрическими методами существенно отличается. Учитывая не-
Применение оптических анализаторов в пищевой промышленности
Тип ОА Измеряемая физическая величина Аналитическая задача Применение в отраслях пищевой промышленности
Атомно- абсорбционный спектрометр Оптическая плотность атомного пара Количественный элементный анализ сырья и пищевого продукта Во всех
Рефрактометр Показатель преломления Определение концентрации сухих веществ Определение содержания алкоголя Винодельческая, кондитерская, крахмало-паточная, масложировая, молочная, пивобезалкогольная, пищеконцентратная, плодовоовощная, сахарная, спиртовая и др. Винодельческая, пивобезалкогольная, спиртовая и ли-кероводочная и др.
Концентрационные измерения веществ и элементов Винодельческая, кондитерская, масложировая, молочная, пивобезалкогольная, плодоовощная, сахарная, соляная и др.
Спектрофотометр Фотометр Оптическая плотность Коэффициент пропускания (поглощения) Коэффициент отражения Определение цветности Определение белизны Определение концентрации взвешенных частиц Винодельческая, масложировая, пивобезалкогольная, сахарная, соляная, спиртовая и ликероводочная и др. Хлебопекарная, макаронная, мукомольно-крупяная, соляная и др. Винодельческая, пивобезалкогольная и др.
Спектрофлуори-метр Флуориметр Интенсивность вторичного излучения Деградация пищевых продуктов Определение концентрации веществ Масложировая, мукомольно-крупяная, плодоовощная, чайная, элеваторная и др. Кондитерская, масложировая, мукомольно-крупяная, мясная, плодоовощная и др.
ИК Фурье спектрометр Оптическая разность хода излучения Определение фальсификатов Определение концентрации веществ Винодельческая, масложировая, плодовоовощная, спиртовая и ликероводочная, табачная, чайная и др. Кондитерская, масложировая, мукомольно-крупяная, спиртовая и ликероводочная, хлебопекарная и др.
Фотометрическо-счетный анализатор Амплитуда и количество световых импульсов Определение концентрации и размеров взвешенных частиц Винодельческая, пивобезалкогольная, спиртовая и ликероводочная и др.
Поляриметр Угол вращения плоскости поляризации Определение концентрации веществ Сахарная и масложирова, молочная промышленность и др.
безопасность и качество пищевых продуктов
ТЕМА НОМЕРА
обходимость дифференцированного подхода к пробоподготовке для каждого вида пищевой продукции, в дальнейшем будем предполагать, что пробоподготовка проведена и ПП соответствующим образом подготовлен к проведению измерений.
Любой пищевой продукт может быть однозначно описан вектором-состоянием (V):
где c - вектор концентраций состава; q - вектор физико-химических параметров; qt - физико-химический параметр измеряемого ПП (pH, плотность, показатель преломления, цветность и т. д.); c - концентрация веществ и элементов, содержащихся в ПП; m - количество параметров, учитываемых в математической модели (m = p + n).
Физико-химический параметр связан с и в общем виде может быть описан формулой:
Зависимость (2) с учетом (1) дает избыточную информацию. Однако следует отметить, что зависимость (2) имеет сложный характер и устанавливается эмпирически. Так, в рекомендациях ICUMSA [2] приведен многочленный полином, который связывает показатель преломления раствора сахарозы с компонентами и параметрами раствора. Результаты были получены после длительных экспериментальных исследований в ряде международных центров.
Результат измерения «у» измеряемого параметра ПП, описываемого выражением (1), с помощью ОА определяется формулой:
(3)
3. Компоненты с°д-{сг,с3,...,ср) не измеряются и являются неинформативными параметрами измеряемой жидкости.
С учетом сделанных ограничений многокомпонентные измерения следует рассматривать как параллельные или последовательные во времени измерения.
Измерения должны осуществляться при номинальных значениях всех параметров, при которых осуществлялась градуировка ОА. Поэтому выражение (4) следует записать в виде
(4)
где IV- функция преобразования; а - вектор значений параметров ОА; г -вектор параметров окружающей среды; q - вектор физико-химических параметров измеряемой среды.
В ОА измеряется значение физико-химического параметра (коэффициента пропускания, оптической плотности, коэффициента рассеяния и т. д.) ПП. Учитывая зависимость физико-химического параметра от концентрации некоторого (определяемого) компонента жидкости, можно, без нарушения общности, считать:
1. В процессе измерения определяется содержание одного компонента с.
2. Измеряемой является первая компонента с.
где индексом «0» обозначены номинальные значения параметров, а сд0 - вектор неинформативных параметров измеряемой среды сд° = (с2,с3,..., ср).
В процессе измерений внешние, внутренние и неинформативные параметры, входящие в (4), могут меняться. Это приводит к погрешности результата измерения:
;■,<-...<!); :>'!гг.г:,ч.с:;.(г; (5)
Используя функции влияния, погрешность (5) можно представить в виде:
(6)
где ЪьРр'ФкгФя - функции влияния параметров ОА, окружающей среды и неинформативных параметров ПП, а также физико-химических параметров соответственно, Аа.1, Д/у, - отклонение параметра ОА, параметра внешних условий, неинформативного параметра состава ПП, физико-химического параметра ПП соответственно от номинальных значений в процессе измерения.
При разработке ОА фирмы-производители путем выбора измерительной структуры, алгоритмов обработки сигналов, введения корректирующих электронных цепей практически исключают влияние функций на результат измерения.
наиболее существенный вклад в погрешность измерения Ау вносят функции влияния неинфомативных параметров ук. Учитывая сложный состав ПП, фирмы-производители ОА разрабатывают методики и алгоритмы обработки результатов измерений, которые позволяют в ряде случаев исключить из погрешности (6) функцию ук. Современные ОА поставляются в комплекте с соответствующей библиотекой ПП, но охватить все ПП
невозможно, что требует от аналитика, проводящего измерения, высокой квалификации и определенных навыков, чтобы эмпирически выявить yk и внести соответствующие корректировки в результаты измерений по реальным значениям Dck. При определении yz используют метод добавок, двухволновые измерения и другие специальные методы. Следует отметить, что, не зная природу и границы значений у, результат измерений может содержать погрешность, которая в несколько раз будет превышать приписанную погрешность измерения.
Столь сложную аналитическую задачу обычно решают путем разработки соответствующих методик измерений, в которых учитываются все факторы, влияющие на результат измерений, освобождая аналитика от необходимости дополнительных измерений с использованием стандартных образцов или базовых моделей [18].
В заключение отметим, что современная аттестованная испытательная лаборатория (центр) для анализа пищевых продуктов в обязательном порядке использует спектрофотометры, атомно-абсорбционный спектрометр, рефрактометр, фотометр, хроматограф с рефрактометрическим и фотометрическим датчиками. Это минимальный набор приборов, который значительно увеличивается с расширением области аккредитации.
Отдельно следует отметить взаимосвязь между научными исследованиями состава и свойств ПП и разработками новых ОА. Результаты исследований ставят задачи перед разработчиками ОА, а современные ОА позволяют решать новые аналитические задачи. в этом взаимном обогащении из всех отраслей народного хозяйства пищевая промышленность вносит наиболее существенный вклад.
ЛИТЕРАТУРА
1. Хуршудян, С.А. Применение оптических анализаторов в пищевой промышленно-сти/С.А. Хуршудян // Пищевая промышленность. - 2000. - № 11. - С. 76-78.
2. Akopov, E.I. Optical Method and Devices for Disperive Liquid Mtdia Analysis/E.I. Akopov, M.A. Karabegov, A.G. Ovanesian // Proceedings of the International Conference on Ecology of cites. 8-12 June, 1998, Rodes, Greece, p. 77-84.
3. Хуршудян, С.А. Оптические анализаторы жидких сред с помехоустойчивыми измерительными структурами. Дисс. д. т. н./С.А. Хуршудян. - Москва, 2002.
4. Иоффе, Б.В. Рефрактометрические методы химии. 3-е изд., перераб./Б.В. Иоффе. -Л.: Химия, 1983. - 352 с.
food safety and quauty
5. Хавезов, М. Атомно-абсорбционный анализ/ М. Хавезов, Д. Цалев. - Л.: Химия, 1983. - 144 с.
6. Оганесянц,Л.А. Мониторинг качества пищевых продуктов - базовый элемент страте-гии/Л.А. Оганесянц, С.А. Хуршудян, А.Г. Гал-стян // Контроль качества продукции. -2018. - № 4. - С. 56-59.
7. Петров, А.Н. Актуальные аспекты противодействия фальсификации пищевых про-дуктов/А.Н. Петров, А.Г. Галстян // Вопросы питания. - 2016. - № 5. - С. 86-92.
8. Хуршудян, С.А. Идентификационные признаки пищевых продуктов/С.А. Хуршудян // Пищевая промышленность. - 2008. - № 1. -С. 40-42.
9. Туровская, С. Н. Безопасность молочных консервов как интегральный критерий эффективности их технологии. Российский опыт/С.Н. Туровская [и др.] // Пищевые системы. - 2018. - Т. 1. - № 2. - С. 29-54.
10. Оганесянц, Л.А. Фальсификаты винодельческой продукции: методы выявле-ния/Л.А. Оганесянц // Контроль качества продукции. - 2017. - № 7. - С. 8-11.
11. Галстян, А.Г. Контроль качества эмульсионных ликеров на молочной основе/А.Г. Галстян, С.А. Хуршудян // Контроль качества продукции. - 2017. - № 8. - С. 14-16.
12. Методика выполнения измерений массовой концентрации глюкозы, фруктозы, глицерина и сахарозы в винах хроматографиче-ским методом. Свидетельство об аттестации № 71-08, регистрационный код МВи по Федеральному реестру ФР. 1.31.2009.05408.
13. Методика измерений массовой концентрации сахаров и глицерина в алкогольных и безалкогольных напитках методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Свидетельство об аттестации № 01.00225/205-54-12, регистрационный код методики измерений в Федеральном информационном фонде по обеспечению единства измерений ФР. 1.31.2012.13426.
14. Методика выполнения измерений массовых концентраций органических кислот в винодельческой продукции методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Свидетельство об аттестации № 38-09, регистрационный код МВи по Федеральному реестру ФР. 1.31.2009.06524.
15. Методика выполнения измерений массовой концентрации синтетических краси-
телей в винодельческой продукции методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Свидетельство об аттестации № 39-09, регистрационный код МВИ по Федеральному реестру ФР. 1.31.2009.06523.
16. Химический состав пищевых продуктов. / Под ред. А.А. Покровского. - М.: Пищевая промышленность, 1977. - 228 с.
17. Карпов, Ю. А. Методы пробоотбора и пробоподготовки/Ю.А. Карпов, А.П. Саво-стин // - М.: Б НОМ. Лаборатория знаний, 2003. - 243 с.
18. Точилина, Р. П. Контроль сорбино-вой кислоты в винодельческой продукции/ Р. П. Точилина // Контроль качества продукции. - 2017. - № 7. - С. 21-23.
REFERENCES
1. Hurshudjan, S.A. Primenenie opticheskih analizatorov v pishhevoj promyshlennos-ti/S.A. Hurshudjan // Pishhevaja promyshlen-nost'. - 2000. - № 11. - S. 76-78.
2. Akopov, E.I. Optical Method and Devices for Disperive Liquid Mtdia Analysis/E.I. Akopov, M.A. Karabegov, A. G. Ovanesian // Proceedings of the International Conference on Ecology of cites. 8-12 June, 1998, Rodes, Greece, p. 77-84.
3. Hurshudjan, S. A. Opticheskie anali-zatory zhidkih sred s pomehoustojchivymi izmeritel'nymi strukturami. Diss. d. t. n./ S.A. Hurushdjan. - Moskva, 2002.
4. Ioffe, B.V. Refraktometricheskie metody himii. 3-e izd., pererab./B.V. Ioffe. - L.: Himija, 1983. - 352 s.
5. Havezov, M. Atomno-abs orbcionnyj analiz/ M. Havezov, D. Calev. - L.: Himija, 1983. - 144 s.
6. Oganesjanc, L. A. Monitoring kachestva pishhevyh produktov - bazovyj jelement Strategii/ L.A. Oganesjanc, S.A. Hurshudjan, A.G. Galstjan // Kontrol' kachestva produkcii. -2018. - № 4. - S. 56-59.
7. Petrov, A. N. Aktual'nye aspekty pro-tivodejstvija fal'sifikacii pishhevyh produktov / A. N. Petrov, A. G. Galstjan // Vo-prosy pitanija. - 2016. - № 5. - S. 8692.
8. Hurshudjan, S. A. Identifikacionnye priznaki pishhevyh produktov/ S.A. Hurshudjan // Pishhevaja promyshlennost'. - 2008. -№ 1. - S. 40-42.
9. Turovskaja, S.N. Bezopasnost' molochnyh konservov kak integral'nyj kriterij jeffektivnosti ih tehnologii. Rossijskij opyt/S.N. Turovskaja [i dr.] // Pishhevye sistemy. - 2018. - T. 1. -№ 2. - S. 29-54.
10. Oganesjanc, L. A. Fal'sifikaty vinodel'cheskoj produkcii: metody vyjav-lenija/L.A. Oganesjanc // Kontrol' kachestva produkcii. - 2017. - № 7. - S. 8-11.
11. Galstjan, A. G. Kontrol' kachest-va jemul'sionnyh likerov na molochnoj os-nove/A.G. Galstjan, S.A. Hurshudjan // Kontrol' kachestva produkcii. - 2017. - № 8. -S. 14-16.
12. Metodika vypolnenija izmerenij massovoj koncentracii gljukozy, fruktozy, glicerina i sa-harozy v vinah hromatograficheskim metodom. Svidetel'stvo ob attestacii № 71-08, registra-cionnyj kod MVI po Federal'nomu reestru FR. 1.31.2009.05408.
13. Metodika izmerenij massovoj koncentracii saharov i glicerina v alkogol'nyh i bezalkogol'nyh napitkah metodom vysokojeffek-tivnoj zhidkostnoj hromatografii. Svidetel'stvo ob attestacii № 01.00225/205-54-12, registra-cionnyj kod metodiki izmerenij v Federal'nom informacionnom fonde po obespecheniju edin-stva izmerenij FR. 1.31.2012.13426.
14. Metodika vypolnenija izmerenij mass-ovyh koncentracij organicheskih kislot v vinodel'cheskoj produkcii metodom vysokoj-effektivnoj zhidkostnoj hromatografii. Svidetel'stvo ob attestacii № 38-09, registra-cionnyj kod MVI po Federal'nomu reestru FR. 1.31.2009.06524.
15. Metodika vypolnenija izmerenij massovoj koncentracii sinteticheskih krasitelej v vinodel'cheskoj produkcii metodom vysokoj-effektivnoj zhidkostnoj hromatografii. Svidetel'stvo ob attestacii № 39-09, registra-cionnyj kod MVI po Federal'nomu reestru FR. 1.31.2009.06523.
16. Himicheskij sostav pishhevyh produktov. Pod red. A.A. Pokrovskogo. - M.: Pishhevaja promyshlennost', 1977. - 228 s.
17. Karpov, J u . A. Metody probootbora i probopodgotov-ki/ Ju.A. Karpov, A. P. Savostin // -M.: B NOM. Laboratorija znanij, 2003. - 243 s.
18. Tochilina, R.P. Kontrol' sorbinovoj kisloty v vinodel'cheskoj produkcii/R.P. Tochilina // Kontrol' kachestva produkcii. - 2017. - № 7. -S. 21-23.
Авторы
Хуршудян Сергей Азатович, д-р техн. наук, профессор, Семипятный Владислав Константинович, канд. техн. наук, Рябова Анастасия Евгеньевна, канд. техн. наук, Михайлова Ирина Юрьевна, Илларионова Елена Евгеньевна
ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, 119021, Москва, ул. Россолимо, д. 7, [email protected]
Authors
Hurshudyan Sergej Azatovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Semipyatnyj Vladislav Konstantinovich, Candidate of Technical Sciences, Ryabova Anastasiya Evgen'evna, Candidate of Technical Sciences, Mihajlova Irina Yur'evna, Illarionova Elena Evgen'evna
All-Russian Research Institute of the brewing, soft drinks and wine industry - a branch of the Federal Scientific Center of Food Systems V.M. Gorbatov RAS, 119201, Moscow, Rossolimo str., 7, [email protected]
