CC BY
0DOI 10.53980/24131997_2022_1_15
Р.В. Гиноян1, д-р с.-х. наук, проф., e-mail: [email protected] А.М. Пахомов2, канд. техн. наук, ведущий инженер, e-mail: [email protected] Н.В. Миронова1, аспирант, e-mail: [email protected]
Т.А. Яхно2, д-р. биол. наук, ведущий науч. сотрудник, e-mail: [email protected] Г.С. Петросян1, аспирант, e-mail: [email protected] Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия 2Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН
г. Нижний Новгород
УДК 53.082.73; 53.082.13; 637.07
ТЕХНОЛОГИЯ ВЫСЫХАЮЩЕЙ КАПЛИ В ОЦЕНКЕ СООТВЕТСТВИЯ МОЛОКА
Технология высыхающей капли (ТВК) - разработанный авторами инструмент для сопоставительного анализа жидких сред. Прибор выполнен в виде настольной приставки к ноутбуку, прост в эксплуатации. Каждое измерение занимает 15-20 мин в условиях комнатной температуры и влажности. Проведено количественное сравнение динамики импедансных характеристик (годографов) кварца, нагруженного высыхающей на нем каплей исследуемого молока, с контрольной пробой. Рассчитаны диагностические характеристики метода при выявлении примеси сухого молока в питьевом и при сравнении молока разной жирности из торговой сети. В качестве поверочного инструмента использован сертифицированный анализатор качества молока «Лактан 1-4 М». Показана возможность использования ТВК для быстрого сопоставительного анализа проб молока без определения их состава.
Ключевые слова: высыхающая капля, импедансометрия, сопоставительный анализ, выявление фальсификатов.
R.V. Ginoyan, Dr. Sc. Agriculture, Professor A.M. Pakhomov, Cand. Sc. Engineering, Senior Project Engineer N.V. Mironova, Post graduate student T.A. Yakhno, Dr. Sc. Biology, Senior Research G.S. Petrosyan, Post graduate student
DRYING DROP TECHNOLOGY IN MILK CONFORMITY ASSESSMENT
Drying Drop Technology (DDT) is a tool developed by the authors for comparative analysis of liquid medium. The device is designed as a desktop attachment to a laptop and it is easy to operate. Each measurement takes 15 to 20 minutes under room temperature and humidity conditions. A quantitative comparison of the dynamics of impedance characteristics (hodographs) of quartz, loaded with a drop of the test milk drying on it, with a control sample is carried out. The diagnostic characteristics of the method were calculated when detecting the impurity of dry milk in drinking and when comparing milk of differentfat contentfrom the trading network. A certified milk quality analyzer "Laktan 1-4 M" was used as a verification tool. It demonstrated the possibility of using DDT for quick comparative analysis of milk samples without determining their composition.
Key words: drying drop, impedance measurement, comparative analysis, identification of counterfeits.
Введение
Молоко является одним из самых популярных продуктов питания для детей и взрослых. Фальсификация молока и молочных продуктов приносит производителям огромную прибыль, нанося вред здоровью потребителей [1]. Поэтому развитие экспресс-методов выявления молочных фальсификатов весьма актуально. Известны способы фальсификации молока путем
добавления воды, нейтрализаторов для маскировки кислотности, соли или сахара, чтобы замаскировать лишнюю воду или высокое содержание сухих веществ, сыворотку, перекись водорода и другие чужеродные компоненты. Распространенным видом фальсификации является также разбавление более дорогого козьего и овечьего молока коровьим [2-5], и разбавление коровьего молока соевым [6]. Присутствие инородного молока в анализируемой пробе может быть выявлено с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР) [2, 6]. Аналогичные задачи по выявлению чужеродного молока в исследуемом могут решаться и с помощью иммунофер-ментного анализа (ИФА) с использованием анализатора ELISA [3]. Предел обнаружения этого метода составлял 2 % для различных типов молока, включая сырое молоко, термически обработанное молоко и козий казеин. Для выявления фальсификации молока используются также инфракрасная спектроскопия с последующим хемометрическим анализом [7], Фурье-раманов-ская спектроскопия [8, 9], газовая хроматография (ГОСТ Р 53753-2009) и высокоэффективная жидкостная хроматография (ГОСТ 33490-2015). С другой стороны, развиваются методы, основанные на естественных органолептических свойствах живых существ - вкусе, обонянии, цветоразличении. Создаются их инструментальные аналоги - электронные языки [10], электронные носы [11], компьютерная цветометрия [12]. Отмечено, что наличие примесей в молоке изменяет его физические свойства: молоко, произведенное из цельного сухого молока, имеет большую коллоидную стабильность. Добавление сухого обезжиренного молока к натуральному приводит к ускорению процессов дестабилизации системы [13]. Показано также, что состав молока и искусственных коллоидных дисперсий влияет на динамику механических свойств их высыхающих на стекле капель - характера трещинообразования и показателей ин-дентометрии [14]. Собственно, эти материаловедческие характеристики и легли в основу технологии высыхающей капли (ТВК).
Цель данной работы - продемонстрировать возможности нового методологического подхода и устройства на его основе, пригодного для быстрого сравнительного анализа жидких пищевых продуктов. В качестве интегральной характеристики жидкости используется «отпечаток пальца» - осциллограмма изменения электрического импеданса кварца, отражающая динамику сложных изменений механических свойств капли в процессе высыхания. Динамика механических свойств высыхающих капель рассматриваемых жидкостей сравнивается автоматически с помощью оригинального программного обеспечения; результаты полученных количественных различий отображаются на мониторе. По окончании измерений высохшую каплю смывают с поверхности сенсорной пластины водой, после чего протирают спиртовой салфеткой [15, 16]. Испытания первой потребительской версии ТВК были успешно проведены на различении вин разных марок, а также при сопоставительном анализе крепких спиртных напитков [17]. В данной статье демонстрируются возможности метода в выявлении фальсификации натурального молока добавлением к нему сухого молока. Будет проведено также исследование молока из торговой сети с целью проверки соответствия его состава заявленному производителем.
Объекты и методы исследований
В работе использовано молоко из торговой сети одного из крупных поставщиков молочных продуктов на российский рынок. В качестве контрольного образца взято молоко питьевое с массовой долей жира 1,5 % по ГОСТ 31450-2013 в течение указанного на упаковке срока годности. Для моделирования фальсификата использовали «Молоко сухое цельное», изготовленное по ГОСТ Р 52791-2007 и СТО 25657190-001-2011. Пробы для исследования готовили следующим образом:
1. Сухое молоко взвешивали на аналитических весах MH-Series Pocket Scale, точность измерения 0,01 г.
2. Навеску сухого молока тщательно диспергировали с помощью стеклянной палочки в небольшом объеме питьевого (контрольного) молока во избежание образования комков.
3. После перемешивания добавляли к пробе питьевое молоко до уровня намеченной пропорции и с помощью магнитной мешалки модели MLAB Mini-3L доводили до гомогенного состояния.
4. Выдерживали примерно час каждый образец с целью окончания взаимодействия компонентов сухого и контрольного образца молока при температуре (6-8) °С. Всего было приготовлено 4 варианта образцов искусственных фальсификатов с содержанием сухого молока в питьевом 1, 3, 5 и 7 % по массе. В качестве поверочного средства использовали ультразвуковой анализатор качества молока «Лактан 1-4 М».
Кроме экспериментов с модельными фальсификатами были исследованы также пробы питьевого молока разной жирности того же производителя и фермерское молоко двух видов, купленное в торговой сети.
Измерения проводили на приборе ТВК последней модификации, конструкция которого описана в работе [17]. Внешний вид прибора представлен на рисунке 1. Все измерения проводили при комнатных температурах +24 - +25 °С и относительной влажности 72-75 %.
Рисунок 1 - Внешний вид прибора ТВК со съемным флэшподобным измерительным модулем с закрепленным в нем кварцевым резонатором (размеры корпуса: 21х12х4 см)
Прибор осуществляет одновременную регистрацию следующих параметров: время, реальная составляющая измеренного на сенсоре напряжения (иг), мнимая составляющая измеренного на сенсоре напряжения (Ц). Варианты представления данных: выведение на экран регистрируемых параметров (каждого в отдельности или всех сразу); построение годографов сравниваемых жидкостей (1т от Re) на комплексной плоскости; расчет индекса различий между годографами сравниваемых жидкостей. Для количественной оценки разницы в положении сравниваемых годографов на фазовой плоскости вводится индекс различий (ИР), который автоматически рассчитывается как
ТЦ=П (ХЦ-Х12)2+(УЦ-У12))2 ИР =-*-, (1)
к-п у '
где хи - координата х первого годографа; xi2 - координата х второго годографа; уп - координата у первого годографа; yi2 - координата у второго годографа; п - начальная точка вычисления; k - конечная точка расчета (рис. 2).
Метод не требует привлечения высококвалифицированных специалистов и специально оборудованного помещения, а доступен обычному лаборанту в условиях типовой лаборатории. Одно измерение занимает 15-20 мин (время высыхания капли исследуемой жидкости объемом 3 мкл) в диапазоне комнатной температуры и влажности.
^ 2.1
2.05
*
| 2.0 V
5 195
1ч
о
о
й
3 1.85
И
£
О 1.8
1.72 1.79 1.85 1.92 1.!
2.05 2.12 2.19 2.25 2.32 2.38 2.45 2.52 2.58 2.65
Реальная часть выходного напряжения (в)
Рисунок 2 - Принцип расчета индекса различий между анализируемыми пробами
(отмечены разными цветами)
При сравнении двух идентичных наборов данных ИР равен нулю. Чем больше различий между годографами, тем больше величина ИР.
Результаты и их обсуждение
На рисунке 3 представлены годографы исследуемых проб молока с разным содержанием в них сухого молока. Каждая проба прописана трижды. Видно, что с ростом концентрации сухого молока в пробах годографы смещаются вверх.
1,35
Й 1,30
я
&
о §
о
й
3 1,20
и
1,25
1,10
\
1Ц Контроль 1% 3% 5% 7%
1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 Реальная часть выходного напряжения (в)
1.9
1.75
1.7
1.61
Рисунок 3 - Годографы проб питьевого молока (контроль) и проб с добавлением к нему сухого молока в разном процентном содержании на фазовой плоскости (каждая проба прописана трижды)
Используя автоматически построенные годографы, можно количественно оценить степень различия жидкостей этих двух групп с учетом ошибок 1-го и 2-го рода [18] (уровень пересечения соответствующих гистограмм представлен на рисунке 4). По результатам распределения вычисляют ряд показателей, характеризующих чувствительность и специфичность данного метода. Коэффициент EER (Equal Error Rate - равный уровень ошибок) - это коэффициент, при котором обе ошибки (ошибка приема и ошибка отклонения) эквивалентны. Чем ниже коэффициент EER, тем выше точность биометрической системы.
0.1095
0.219
Величина ИР (у.е.)
Рисунок 4 - Гистограмма совместного распределения индекса различий проб молока с добавлением 1 % сухого молока (зеленый цвет) и натурального молока (синий цвет)
Прямоугольником обозначена область ложноположительных результатов - ошибки 1-го рода (синие линии) и ложноотрицательных результатов - ошибки 2-го рода (зеленые линии). Область зеленых линий слева от прямоугольника - истинно положительные значения; область синих линий справа от прямоугольника - истинно отрицательные значения. Ось Х - величины ИР; ось Y - доли правильного распознавания проб.
Результаты таких расчетов для разных концентраций сухого молока в контрольном 1,5%-ном натуральном молоке приведены в таблице 1.
Таблица 1
Диагностические показатели ТВК при выявлении примеси сухого молока в питьевом (1 ,5 % жирности)
Сравнение EER равный EER Только истинно положительные Истинно положительные + ошибки 1-го рода
классов уровень ошибок чувствительность специфичность чувствительность специфичность чувствительность специ-фич-ность
Контроль - раствор 1 % сухого 0,334 0,99545 0,8722 0,71818 1 1 0,86825
в молоке
Контроль - раствор 3 % сухого 0,334 0,99545 0,99164 0,97727 1 1 0,98997
в молоке
Контроль - раствор 5 % сухого 0 1 1 1 1 1 1
в молоке
Контроль - раствор 7 % сухого 0 1 1 1 1 1 1
в молоке
Как видим, даже при минимальном объеме примеси (1 %) отличия от контроля при равном уровне ошибок высоки. Результаты анализа тех же проб с помощью аппарата «Лактан 14 М» представлены на диаграмме (рис. 5). Каждая проба была промерена трижды.
Контроль СМ 1/
СМ 3/ СМ s/
СОМО, % Белок, % Плотность.
кг/м3
Вода, %
Характеристика исследуемых проб молока
Рисунок 5 - Изменение физико-химических показателей натурального молока при добавлении в него сухого цельного молока (СМ) в разных пропорциях (%, М ± о)
Интересно сопоставить эти данные с результатом анализа тех же проб на анализаторе качества молока «Лактан 1-4 М» (рис. 6). Содержание жира в пробах при повышении заявленной на этикетках жирности закономерно повышается. Резко выделяются на этом фоне образцы фермерского молока. Содержание СОМО и белка во всех пробах различается незначительно. Максимальной плотностью обладает проба с наименьшей жирностью. Далее при повышении жирности плотность проб снижается. Особенно это заметно в пробах фермерского молока, в одной из которых выявлено присутствие воды (3,0 %). Непропорциональное снижение плотности наблюдается также в пробе молока с заявленной жирностью 3,2 % за счет наличия в ней воды (см. рис. 6). С этим фактом связано и снижение чувствительности метода при учете только истинно положительных результатов при сравнении молока жирностью 2,5 и 3,2 % (табл. 2).
А.Щ Ч СОМО,S (imS Шошогть Вол« Ч
кг/м3
Характеристика исследуемых проб молока
Рисунок 6 - Состав молока разной жирности из торговой сети, по данным «Лактан 1-4 М» (%, М ± о)
C увеличением содержания сухого молока в пробе пропорционально повышается содержание всех исследуемых компонентов, а также плотности. То есть информативность сопоставительного анализа проб молока с помощью ТВК подтверждается сертифицированным прибором.
Таблица 2
Диагностические показатели ТВК при сравнении молока разной жирности из торговой сети
Сравнение молока разной жирности EER равный EER Только истинно положительные Истинно положительные + ошибки 1-го рода
уровень чувстви- специфич- чувстви- специфич- чувстви- специфич-
ошибок тельность ность тельность ность тельность ность
1,5-2,5 % 0,333 0,992 0,82927 0,696 1 1 0,81951
2,5-3,2 % 0,5 0,98276 0,75294 0,41379 1 1 0,74118
3,2 % - от 3,6
до 6 % (отборное) 0,22 0,98734 0,99111 0,92405 1 1 0,98815
1,5 % - от 3,6
до 6 % (отборное) 1 0,992 1 1 1 1 0,99753
На рисунке 7 показаны усредненные данные (по трем замерам каждой пробы) - годографы высыхающих капель молока разной жирности, приведенные выше (см. табл. 2, рис. 6). Можно заметить, что годограф молока 3,2 % жирности, содержащего воду, в ходе высыхания (правая часть рис. 7) практически не отличается от молока 2,5 % жирности, что ставит под сомнение натуральность этой пробы.
Сравнение молока разной жирности из торговой сети также показало четкие различия (см. табл. 2).
1,2 1.4 1.6 14 2,0
Реальная часть выходного иапряжения (в)
Рисунок 7 - Годографы проб питьевого молока разной жирности из торговой сети (каждая кривая получена усреднением трех последовательных промеров)
Заключение
Таким образом, проведенное исследование показало, что ТВК содержит потенциал для оценки соответствия проб молока и выявления фальсификатов. К достоинствам метода относятся отсутствие необходимости предобработки пробы, простота выполнения анализа и его воспроизводимость (при температуре и влажности в пределах комнатных колебаний), получение результатов сравнения в числовой форме, возможность поверки результатов методами
сертифицированной экспертизы. Дальнейшие испытания авторы надеются провести совместно с лабораторией Роспотребнадзора.
Библиография
1. Специальный корреспондент. Пальмовые берега 2. Авторская программа Аркадия Мамонтова на YouTube. - URL: https://youtu.be/TkoYjpwSNpg
2. Lamanna R. [et al.]. Identification of milk mixtures by 1H NMR profiling // Magnetic Resonance in Chemistry. - 2012. - URL: https://doi.org/10.1002/mrc.2807
3. Song H., Xue H., Han Yan. Detection of cow's milk in Shaanxi goat's milk with an ELISA assay // Food Control. - 2011. - Vol. 22. - P. 883-887. - D0I:10.1016/j.foodcont.2010.11.019.
4. Галец К. Фальсификация молока и молочной продукции [Электронный ресурс]. - URL: https://pandia.ru/text/80/175/19890.php
5. Costa N., Ravasco F., Miranda R. et al. Evaluation of a commercial ELISA method for the quantitative detection of goat and cow milk in ewe milk and cheese // Small Ruminant Research. - 2008. -Vol. 79. -P. 73-79. - DOI: 10.1016/j.smallrumres.2008.07.012.
6. Li Q. [et al.]. The application of NMR-based milk metabolite analysis in milk authenticity identification // Science of food and agriculture. - 2017. - Vol. 97, Issue 9. - P. 2675-3080. - URL: https: //doi .org/ 10.1002/j sfa.8118
7. Abbasa O. [et al.]. Analytical methods used for the authentication of food of animal origin // J. Food Chemistry. - 2018. - Vol. 246. - P. 6-17. - URL: http://dx.doi.org/10.1016/jioodchem.2017.11.007
8. Santos P.M., Pereira-Filho E.R., Rodriguez-Saona L.E. Rapid detection and quantification of milk adulteration using infrared microspectroscopy and chemometrics analysis // Food Chemistry. - 2013. -Vol. 138. - P. 19-24. - URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.foodchem.2012.10.024
9. De AlmeidaM.R. [et al.]. Application of FT-Raman spectroscopy and chemometric analysis for determination of adulteration in milk powder // Anal. Lett. - 2012. - Vol. 45. - P. 2589-2602.
10. Podrazka M. [et al.] Electronic Tongue - A Tool for All Tastes? // Biosensors (Basel). - 2018. -Vol. 8, Issue 1. - MarPMC5872051. - DOI 10.3390/bios8010003.
11. Su X. [et al.]. A wireless electrode-free QCM-D in a multi-resonance mode for volatile organic compounds discrimination // Sensor Actuat A-Phys. - 2020. - Vol. 305. - 111938. - DOI 10.1016/j.sna.2020.111938.
12. Poliana M. [et al.]. Scanner Digital Images Combined with Color Parameters: A Case Study to Detect Adulterations in Liquid Cow's Milk // Food Anal. Methods. - 2012. - Vol. 5. - P. 89-95. - DOI 10.1007/s12161-011-9216-2.
13. Кузьмичева А.М. [и др.]. Новый экспресс-метод оценки качества молока с использованием
анализатора дисперсий LUMiFuge // Молочная промышленность. - 2018. - № 4. - С. 27-29.-ISSN 1019-8946.
14. Le Floch-Foue're C. [et al.]. The solute mechanical properties impact on the drying of dairy and model colloidal systems // Soft Matter. - 2019. - Vol. 15. - P. 6190-6199. - DOI 10.1039/c9sm00373h.
15. Яхно Т.А. [и др.]. Новая технология исследования многокомпонентных жидкостей с использованием кварцевого резонатора. Теоретическое обоснование и приложения // ЖТФ. - 2009. - Т. 79, № 10. - С. 22-29.
16. ТВК-1. Аппаратно-программный комплекс для идентификации многокомпонентных жидкостей с помощью технологии высыхающей капли: руководство пользователя. - URL: https: //yadi .sk/i/afyg 8pbHoekkUg
17. Yakhno T. [et al.]. Drop Drying on the Sensor: One More Way for Comparative Analysis of Liquid Media // Sensors. - 2020. - Vol. 20. - 5266. - DOI 10.3390/s20185266. - URL: www.mdpi.com/journal/sen-sors
18. Altman D.G., Bland J.M. Statistics Notes: Diagnostic tests 1: sensitivity and specificity // BMJ. -1994. - Vol. 308. - P. 1552. - DOI 10.1136/bmj.308.6943.1552.
Bibliography
1. Palm Shores 2. Arkady Mamontov's program on YouTube. - URL: https://youtu.be/TkoYjpwSNpg (Accessed 1 July 2020)
2. Lamanna R. [et al.]. Identification of milk mixtures by 1H NMR profiling // Magnetic Resonance in Chemistry 2012. - URL: https://doi.org/10.1002/mrc.2807
3. Song H., Xue H., Han Yan. Detection of cow's milk in Shaanxi goat's milk with an ELISA assay // Food Control. - 2011. - Vol. 22. - P. 883-887. - DOI 10.1016/j.foodcont.2010.11.019.
4. Galets K. Falsification of milk and dairy products. - URL: https://pandia.ru/text/80/175/19890.php (Accessed 30 April 2021).
5. Costa N., Ravasco F., Miranda R. et al. Evaluation of a commercial ELISA method for the quantitative detection of goat and cow milk in ewe milk and cheese // Small Ruminant Research. - 2008. - Vol. 79.
- P. 73-79. - DOI 10.1016/j.smallrumres.2008.07.012.
6. Li Q. [et al.]. The application of NMR-based milk metabolite analysis in milk authenticity identification // Science of food and agriculture. - 2017. - Vol. 97, Issue 9. - P. 2675-3080. - URL: https: //doi .org/ 10.1002/j sfa.8118
7. Abbasa O. [et al.]. Analytical methods used for the authentication of food of animal origin // J. Food Chemistry. - 2018. - Vol. 246. - P. 6-17. - URL: http://dx.doi.org/10.1016/jfbodchem.2017.11.007
8. Santos P.M., Pereira-Filho E.R., Rodriguez-Saona L.E. Rapid detection and quantification of milk adulteration using infrared microspectroscopy and chemometrics analysis // Food Chemistry. - 2013. -Vol. 138. - P. 19-24. - URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.foodchem.2012.10.024
9. De AlmeidaM.R. [et al.]. Application of FT-Raman spectroscopy and chemometric analysis for determination of adulteration in milk powder // Anal. Lett. - 2012. - Vol. 45. - P. 2589-2602.
10. Podrazka M. [et al.]. Electronic Tongue - A Tool for All Tastes? // Biosensors (Basel). - 2018. -Vol. 8, Issue 1. - MarPMC5872051. DOI 10.3390/bios8010003.
11. Su X. [et al.]. A wireless electrode-free QCM-D in a multi-resonance mode for volatile organic compounds discrimination // Sensor Actuat A-Phys. - 2020. - Vol. 305. - 111938. - DOI 10.1016/j.sna.2020.111938.
12. Poliana M. [et al.]. Scanner Digital Images Combined with Color Parameters: A Case Study to Detect Adulterations in Liquid Cow's Milk // Food Anal. Methods. - 2012. - Vol. 5. - P. 89-95. - DOI 10.1007/s12161-011-9216-2/
13. Kuzmicheva A.M., Kalmykova E.A., Kudinova N.V. et al. A new express method for assessing milk quality using the LUMiFuge dispersion analyzer // Dairy Industry. - 2018. - Vol. 4. - P. 27-29. - URL: http://moloprom.ru/2018/04/novy-j-e-kspress-metod-otsenki-kachestva-moloka-s-ispol-zovaniem-analiza-tora-dispersij -lumifuge/
14. Le Floch-Foue're C., Lanotte L., Jeantet R. et al. The solute mechanical properties impact on the drying of dairy and model colloidal systems // Soft Matter. - 2019. - Vol. 15. - P. 6190-6199. - DOI 10.1039/c9sm00373h.
15. Yakhno T.A., Sanin A.G., Vacca C. et al. New technology for studying multicomponent liquids using a quartz resonator. Theoretical background and applications // Technical Physics. - 2009. - Vol. 79, Issue 10.
- P. 22-29.
16. DDT-1. Hardware and software complex for identification of multicomponent liquids using drying drop technology. User manual. - URL: https://yadi.sk/i/afyg8pbHoekkUg
17. Yakhno T.A., Pakhomov A.M., Sanin A.G. et al. Drop Drying on the Sensor: One More Way for Comparative Analysis of Liquid Media // Sensors. - 2020. - Vol. 20. - 5266. - DOI 10.3390/s20185266. -URL: www.mdpi.com/journal/sensors
18. Altman D.G., Bland J.M. Statistics Notes: Diagnostic tests 1: sensitivity and specificity // BMJ. -1994. - Vol. 308. - 1552 p. - DOI 10.1136/bmj.308.6943.1552.
