CC BY
0Д.Н. Хамханова, д-р техн. наук, доц., e-mail: darima-19566@yandex.ru И.А. Ханхалаева, д-р техн. наук, проф., e-mail: 417126@mail.ru С.М. Шарапова, ст. преподаватель, e-mail: shsayana1@gmail.com Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления,
г. Улан-Удэ
УДК 637.026
ВЫЯВЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ МАССОВОЙ ДОЛИ БЕЛКА В МЯСНЫХ ПОЛУФАБРИКАТАХ
Оценивание неопределенности измерения при контроле качества продукции является гарантом доверия результатам контроля. Процесс корреляции отечественных нормативных документов с международными требует определения неопределенности измерения в методики контроля. В связи с этим поиск решения трудоемкой и сложной проблемы внедрения концепции неопределенности измерения в методиках контроля, в том числе мясных продуктов, что является актуальной задачей в настоящее время. Важнейшим этапом при оценивании неопределенности измерения является анализ источников неопределенности. На основании комплексного изучения процедуры определения массовой доли белка впервые выявлены источники неопределенности измерения на всех этапах проведения анализа с использованием причинно-следственной диаграммы Парето. Установлено, что на всех этапах возникают такие составляющие неопределенности, как степень чистоты химической посуды и кювет, температура растворов, калибровка весов, калибровка мерной химической посуды, калибровка длин волн спектрофотометра, считываемость, нелинейность, чувствительность, повторяемость при отборе проб, прецизионность измерений. Вышеуказанные неопределенности влияют на достоверность полученных результатов.
Ключевые слова: неопределенность измерений, мясные полуфабрикаты, белок, источники неопределенности.
D.N. Khamkhanova, Dr. Sc. Engineering, Assoc. Prof., I.A. Khankhalaeva, Dr. Sc. Engineering, Prof., S.M. Sharapova, Senior Lecturer
IDENTIFICATION AND ANALYSIS OF SOURCES OF UNCERTAINTY WHEN DETERMINING THE MASS FRACTION OF PROTEIN IN SEMI-FINISHED MEAT PDRODUCTS
Evaluation of measurement uncertainty in product quality control is a guarantor of confidence in the control results. The process of harmonization of domestic regulatory documents with international ones requires the determination of the measurement uncertainty in the control methods. In this regard, the search for a solution to the laborious and complex problem of introducing the concept of measurement uncertainty in control methods, including meat products, is an urgent task at the present time. The most important step in assessing measurement uncertainty is the analysis of sources of uncertainty. Based on a comprehensive study of the procedure for determining the mass fraction of protein, for the first time, sources of measurement uncertainty have been identified at all stages of the analysis using the Pareto cause-effect diagram. It was found that at all stages such components of uncertainty as the degree ofpurity of chemical glassware and cuvettes, temperature of solutions, balance calibration, calibration of volumetric chemical glassware, calibration of spectrophotometer wavelengths, readability, nonlinearity, sensitivity, repeatability during sampling, and measurement precision arise. The specified uncertainties in determining the mass fraction ofprotein affect the reliability of the results obtained.
Key words: uncertainty, semi- finished meat products, protein, sources of uncertainty.
Введение
Решения о качестве продукции основываются на результатах контроля показателей качества. Во всех без исключения случаях, когда решения принимаются на основе результатов контроля, необходимо иметь свидетельство качества этих результатов. Одной из свидетельств доверия к результатам контроля является неопределенность измерения. Понятие «неопределенность измерения» знакомо инженерно-техническим работникам с 1993 г., когда было опубликовано «Руководство по выражению неопределенности в измерениях» [4], однако концепция неопределенности измерения до сих пор не внедрена в отечественные нормативные документы на методы контроля. Данный факт подтверждает актуальность проблемы в области оценивания неопределенности измерения при контроле качества пищевой продукции, в том числе при контроле содержания белка в мясе и мясных полуфабрикатах. Новизна работы заключается в том, что оценивание неопределенности измерения при контроле содержания массовой доли белка в мясе и мясных полуфабрикатах приводится впервые.
Целью данной работы является выявление и анализ источников неопределенности, а также составляющих неопределенности при определении массовой доли белка в мясных полуфабрикатах спектрофотометрическим методом.
Для выполнения поставленной цели решались следующие задачи:
- описание процедуры измерения для выявления источников неопределенности;
- анализ метрологических характеристик средств измерений;
- выявление и анализ источников неопределенности.
Методика определения белка в мясе и мясных продуктах прописана в ГОСТ 25011.
Процесс определения содержания белка спектрофотометрическим методом состоит из следующих этапов: подготовка к анализу и проведение анализа. Поскольку подготовка к анализу является достаточно трудоемким процессом, то для описания последовательности шагов разобьем данный этап на три стадии: приготовление реактивов; приготовление гипохлорита натрия; построение градуировочного графика. И на каждом этапе проанализуем источники неопределенности.
Описание процесса «Приготовление реактивов»
Для приготовления реактива 1 выполняются следующие действия:
а) взвешивание предварительно подготовленной бюксы массой на весах с погрешностью не более ±0,001 г;
б) взвешивание фенола, нитропруссида массой т2 = 10 г, т3 = 0,05 г на тех же весах;
в) растворение фенола в любой емкости водой Уг = (200 — 300) см3, перенос в мерную колбу вместимостью У2 = 1000 см3 с пределом допускаемой погрешности от номинальной вместимости 0,4 см3 (ГОСТ 1770) и затем разбавляют водой до метки.
Для приготовления реактива 2 выполняются следующие действия:
а) взвешивание предварительно подготовленной бюксы массой ш4 на весах с погрешностью не более ±0,001 г;
б) взвешивание гидроокиси натрия массой Ш5 = 5 г проводят на тех же весах;
в) растворение гидроокиси натрия проводят в любой емкости водой объемом К3 = 100150 см3, затем переносят в мерную колбу вместимостью 1000 см3 с пределом допускаемой погрешности от номинальной вместимости 0,4 см3;
г) проводят отбор К4 = 9,3 гипохлорита натрия пипеткой вместимостью 25 см3 с пределом допускаемой погрешности от номинального 0, 1 см3 (ГОСТ 29227) и вносят в мерную колбу с раствором гидроокиси натрия;
д) разбавление раствора гипохлорита натрия проводят, добавляя до метки мерной колбы объемом У5 = 1000 см3 дистиллированную воду.
Выявление и анализ источников неопределенности на стадии «Приготовление реактивов»
По рекомендации QUAM:2012.P1-RU [3] при описании неопределенности в аналитических измерениях следует учитывать источники неопределенности при:
- взвешивании: ограниченная точность калибровки весов, ограниченное разрешение на дисплее или шкале, разные факторы (включая температуру), несовпадение плотности гирь и пробы, вызывающее различие в выталкивающей силе воздуха;
- определении объема жидкости: неопределенность калибровки объема мерной посуды, отличие температуры при проведении эксперимента от той, при которой проводилась калибровка, вызывающее отклонение объема от установленного, различные факторы;
- разбавлении (определении концентрации): наличие примесей в основном компоненте, неопределенность аттестованного значения концентрации основного компонента, операция приготовления раствора.
Составляющая неопределенности взвешивания, происходящая от ограниченной точность калибровки весов, называется неопределенностью калибровки весов, которая, в свою очередь, состоит из двух составляющих: нелинейности и чувствительности [1]. Нелинейность определяют с помощью эксперимента с набором калиброванных гирь или же приводится в документации производителя. Чувствительность весов указывается в документации производителя. Составляющая неопределенности, происходящая от ограниченного разрешения на дисплее или шкале, называется считываемостью показаний. Составляющие неопределенности взвешивания, происходящие от воздействия различных факторов, - это суточный дрейф и изменчивость от взвешивания к взвешиванию (повторяемость). Составляющая неопределенности, происходящая несовпадения плотности гирь и пробы, названа влиянием плотности.
В данном случае составляющие неопределенности как «суточный дрейф» и «влияние плотности» не учитываем.
Составляющая неопределенности определения объема жидкости, обусловленная неопределенностью калибровки объема мерной посуды, называется неопределенностью калибровки, составляющая, обусловленная отличием температуры при проведении эксперимента от той, при которой проводилась калибровка мерной посуды, называется «температурой», а составляющая, обусловленная влиянием различных факторов, - «колебаниями от операции к операции», или «повторяемостью» [5-6].
Составляющая неопределенности разбавления, происходящая от наличия примесей в основном компоненте, называется степенью чистоты и обусловлена неопределенностью аттестованного значения концентрации основного компонента - концентрацией вещества в растворе или аттестованным значением, а составляющая, обусловленная операцией приготовления раствора, концентрацией вещества в растворе [2].
В нашем случае на операции растворение учитываем составляющую неопределенности «степень чистоты», две последних составляющих неопределенности учитываются при особо точных измерениях, поэтому в данном случае их можно не учитывать.
Степень чистоты, аттестованное значение фенола и нитропруссида указываются в сертификате. На этой операции еще одним источником неопределенности могла бы быть калибровка мерной посуды, в которой растворяют фенол, нитропруссид и гидроокись натрия, но поскольку их растворяют в довольно широком диапазоне объема дистиллированной воды, (200-300) см3 и (100-150) см3, то ее не учитывают.
При отборе и добавлении раствора гипохлорита натрия имеем те же составляющие, как при определении объема жидкости: температура, калибровка и повторяемость. На операции разбавления для данного случая характерны такие составляющие неопределенности, как неопределенность калибровки объема мерной посуды, температура, колебания от операции к операции.
Влияние различных эффектов на стадии «приготовление реактива 1» показано на рисунке 1.
Степень чистоты
V,
температура
повторяемость
нелинейность чувствительность
калибровка
Реактив 1 т.2
нелинейность чувствительность
т3
нелинейность
чувствительность
масса калибровка
Рисунок 1 - Диаграмма «причина - следствие» на операции «приготовление реактива 1»
На операции «приготовление реактива 1» выявлены следующие составляющие неопределенности: степень чистоты, температура, повторяемость, калибровка мерной колбы, считы-ваемость, нелинейность, чувствительность, повторяемость, калибровка весов. На операции «приготовление реактива 2» кроме вышеперечисленных составляющих появляется дополнительная - калибровка пипетки.
Выявление и анализ источников неопределенности на стадии «приготовление гипохлорита натрия»
Влияние различных эффектов на стадии «приготовление гипохлорита натрия» показано на рисунке 2.
Для выявления источников неопределенности на стадии «приготовление гипохлорита натрия» была прописана последовательность шагов на этой стадии и описаны все операции средства измерений аналогичные выбранным на предыдущем этапе. Кроме них на этой стадии выбрана бюретка с номинальной вместимостью 100 см3, погрешность измерения сливаемой жидкости которого составляет 0,1 мл (ГОСТ 29227). Рассуждая аналогично предыдущему, найдены следующие составляющие неопределенности при:
- взвешивании (взвешивание бюкс - т1, т3, , хлорной извести - т2, углекислого натрия - т4, калия йодистого - т6, серноватистокислого натрия - т7, двухромовокислого калия - т8): калибровка, считываемость, нелинейность, повторяемость, чувствительность;
- отборе (дистиллированной воды - У1,У21, фильтрата - У3, концентрированного раствора соляной кислоты - К5, 1 н раствора соляной кислоты - У7, изобутилового спирта - Уд, раствора йодистого калия - У12, раствора серной кислоты - У13): калибровка, температура, повторяемость;
- растворении (углекислого натрия, У222, концентрированного раствора соляной кислоты - У6, 5-водного серноватистокислого натрия - У8, двухромовокислого калия - У11): степень
чистоты. На операции «растворение соляной кислоты в дистиллированной воде» кроме источника неопределенности как «степень чистоты» учитываем также такие источники неопределенности, как калибровка мерного цилиндра и повторяемость оператора. Два последних источника неопределенности появляются в отличие от предыдущего случая из-за того, что в методике приготовления раствора соляной кислоты указано, что объем раствора доводят 1 дм3;
- разбавлении (раствора серноватистокислого натрия и изобутилового спирта - К10, смешанного раствора двухромовокислого калия, раствора йодистого калия и раствора серной кислоты - К14): калибровки, температура, повторяемость, за исключением операции разбавления фильтрата, где в отличие от предыдущих случаев источников неопределенностей нет, так как разбавление проводится в довольно широком диапазоне объема воды.
На таких операциях, как перемешивание, смешивание, отстаивание и выдержка, нет источников неопределенностей. На операции «сливание надосадочной жидкости» можно было бы указать источник неопределенности - неполноту сливания, но она компенсируется операцией фильтрации. Фильтрация редко бывает полной, поэтому появляются такие источники неопределенности, как время фильтрации и действие различных факторов. Составляющую неопределенности при фильтрации, обусловленную временем проведения фильтрации, назовем средней степенью фильтрации. Составляющую неопределенности фильтрации, возникающую от воздействия различных факторов, назовем колебаниями от операции к операции, или повторяемостью. По рекомендации QUAM:2012.P1-RU на операциях титрование источниками неопределенности являются неопределенность калибровки бюретки, отличие температуры при проведении эксперимента от той, при которой проводилась калибровка, вызывающее отклонение объема от установленного, неточность установления окончания титрования и различные факторы. Составляющая неопределенности, обусловленная неточностью установления конечной точки титрования, названа установлением конечной точки титрования.
Неточность установления окончания титрования, в свою очередь, дает два дополнительных источника неопределенности: повторяемость и возможность систематического расхождения между установленной конечной точкой титрования и точкой эквивалентности. Составляющая неопределенности, обусловленная расхождением, названа смещением. Таким образом, при титровании имеем следующие составляющие неопределенности: калибровка, температура, повторяемость, установление конечной точки, смещение.
Итак, на этой стадии выявлены следующие источники неопределенности: калибровка весов, считываемость, нелинейность, повторяемость, чувствительность, калибровка мерной посуды, температура, повторяемость при отборе проб, растворении и разбавлении, степень чистоты, средняя степень фильтрации, повторяемость при фильтрации, установление конечной точки, смещение.
Описание стадии «построение градуировочного графика»
Стадия «построение градуировочного графика» состоит из следующих операций: предварительное высушивание сернокислого аммония при температуре 60 °С до постоянной массы; взвешивание высушенного сернокислого аммония массой 0,236 г; растворение отмеренного сернокислого аммония в 5 00 см3 воды; разбавление растворенного раствора; отбор стандартных растворов объемами 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5; 5,0; растворение отобранных стандартных растворов проводится до метки в мерных колбах вместимостью 100 см3; отбор 1 см3 рабочего раствора; отбор 5 см3 реактива 1; отбор 5 см3 реактива 2; отбор 1 см3 воды; определение оптической плотности.
Все взвешивания проводят на весах с погрешностью не более ±0,001 г. Для растворения отбор воды проводится мерным цилиндром вместимостью 500 см3, допускаемая погрешность которого от номинальной вместимости составляет 2,5 см3. При разбавлении используется тот же цилиндр.
2
Отбор 71, 72.1, ^
^12, ^13, ^15
Фильтрация
Растворение У22, У8У1
11
Разбавление710,, У14
РастворениеУ6
температура
повторя емость
калибровка
повторя емость
степень фильтрации
считываемость т1, т3, тс, _ _^
нелинейность чу вствительность
калибровка
повто
ряе-
мость
считываемость
т 8
нелинеи-ность
чувствительность
повторяемость
степень чистоты
калибровка
температура повторяемость
повторяемость ->1
калибровка ^г
степень чистоты
считываемость
/
1.
Реактив 1 — т2,т4
повто-
ряе-
мость
нелинейность чувствительность
калибровка
считываемость _^
повто-
ряе-
мость
Шб, т7,
нелинейность
чувствительность
калибровка
Масса
1 1 Г
V.т1
повторя- калиб-емость ровка
повторяемость смещение
Установление конечной точки
температура
повторяемость
калибровка
температура
повторяемость смещение
Установление конечной точки
Титрование
Рисунок 2 - Диаграмма «причина - следствие» на операции «приготовление гипохлорита натрия»
Отбор стандартных растворов, рабочего раствора, реактива 1, реактива 2, воды проводится пипеткой вместимостью 25 см3, предел допускаемой погрешности которого составляет 0,1 см3.
Измерение оптической плотности проводится на спектрофотометре «иК1С0-2100», точность составляет 0,003.
Выявление и анализ источников неопределенности на стадии «построение градуировочного графика»
На подобных предыдущим стадиям операциях имеем следующие источники неопределенности: температура, повторяемость, калибровка весов, калибровка мерной посуды, нелинейность, считываемость, чувствительность, степень чистоты.
Кроме того, при построении градуировочной характеристики появляются новые источники неопределенности, продиктованные самой методикой, т.е. «готовят три серии рабочих растворов, начиная каждый раз с приготовления стандартного раствора сернокислого аммония из нового сернокислого аммония» (ГОСТ 25011).
В данном случае имеем ряд многократных измерений. Следовательно, появляется составляющая неопределенности «прецизионность измерений» на операции «определение оптической плотности». Кроме того, определение оптической плотности проводится на спектрофотометре «и№С0-2100». На данном этапе источниками неопределенности будут чистота кювет, точность установления длины волны, погрешность спектрофотометра, влияние оператора. Следовательно, составляющими неопределенности являются прозрачность кювет, калибровка, включающая калибровку длин волн, и повторяемость.
Таким образом на этой стадии выявлены следующие источники неопределенности: температура, повторяемость, калибровка весов, калибровка мерной посуды, нелинейность, счи-тываемость, чувствительность, степень чистоты, прецизионность измерений, прозрачность кювет; калибровка, включающая калибровку длин волн и повторяемость.
Описание стадии «проведение анализа»
Стадия «проведение анализа» состоит из следующих операций: отбор пробы; взвешивание пробы массой около 2 г на беззольной фильтровальной бумаге; взвешивание беззольной фильтровальной бумаги без пробы; перенос пробы вместе с бумагой в колбу Кьельдаля 1; помещение фильтровальной бумаги в контрольную колбу Кьельдаля 2; отбор 10 см3 концентрированной серной кислоты; добавление концентрированных серных кислот в колбы Кьель-даля 1 и Кьельдаля 2; взвешивание (1-2) г сернокислого калия; добавление сернокислого калия в колбы Кьельдаля 1 и Кьельдаля 2; отбор (1-2) см3 перекиси водорода; добавление перекиси водорода в колбы с пробой и без пробы; охлаждение колб Кьельделя; перенос содержимого колб Кьельдаля в мерные колбы вместимостью 250 см3; разбавление содержимого мерных колб до метки; отбор 1 см3 разбавленного минерализата и перенос в пробирки; отбор 5 см3 реактива 1; отбор 5 см3 реактива 2; перенос реактивов в пробирки с разбавленным минерализа-том; выдержка; измерение оптической плотности растворов Т относительно контрольного раствора; определение концентрации азота.
Отбор пробы проводится методом случайной выборки с целью исключения источников неопределенности. Все взвешивания проводятся на весах с погрешностью не более ±0,001 г. Отбор концентрированной серной кислоты, перекиси водорода, минерализата, разбавленного минерализата, реактива 1, реактива 2 проводятся пипеткой вместимостью 25 см3, предел допускаемой погрешности которой составляет 0,1 см3. При растворении используются мерные колбы вместимостью 250 см3, с допускаемой погрешностью от номинальной вместимости 0,25 см3. Измерение оптической плотности растворов относительно контрольного раствора проводится на спектрофотометре «иК1С0-2100», точность измерения которого составляет 0,003 при длине волны (625±2) нм в стеклянной кювете с толщиной поглощающего свет слоя 10 мм.
На стадии «проведение анализа» все операции подобны операциям, приведенным на стадии «подготовка к анализу». Поэтому на этой стадии имеем следующие источники неопреде-
ленности: температура, повторяемость, калибровка весов, калибровка мерной посуды, нелинейность, считываемость, чувствительность, степень чистоты, прецизионность измерений, прозрачность кювет; калибровка, включающая калибровку длин волн и повторяемость.
Заключение
На основании комплексного изучения процедуры определения массовой доли белка на каждом этапе измерения проанализированы:
- метрологические характеристики средств измерений;
- источники неопределенности как степень чистоты реактивов, температура, повторяемость, калибровка мерной посуды, считываемость, нелинейность весов, чувствительность весов, калибровка весов, повторяемость при отборе проб, растворении и разбавлении, средняя степень фильтрации, повторяемость при фильтрации, установление конечной точки титрования, смещение; прецизионность измерений, прозрачность кювет; калибровка спектрофотометра, включающая калибровку длин волн и повторяемость.
Таким образом, проведенный анализ методики определения массовой доли белка в мясных полуфабрикатах свидетельствует о наличии более десяти источников неопределенности измерения.
Библиография
1. Зандраев А.Б., Хамханова Д.Н. Оценивание неопределенности измерений при поверке весов электронных ET-1200-E // Качество как условие повышения конкурентоспособности и путь к устойчивому развитию: материалы регион. науч.-практ. конф. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2018. - С. 68-74.
2. Кадис Р.Л. Неопределенность измерений и химический анализ // Журнал аналитической химии. - 2008. - Т. 63, № 1. - С. 95-100.
3. Количественное описание неопределенности в аналитических измерениях. Quantifying Uncertainty in Analytical Measurement: Руководство ЕВРАХИМ / СИТАК. - 3-е изд., 2000. - СПб.: Изд-во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, 2002. - 149 с.
4. Руководство по выражению неопределенности измерения. - СПб.: Изд-во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, 1999. - 135 с.
5. Хамхановa Д.Н., Дамдинсурэн Э. Оценивание неопределенности калибровки металлических мерников в Монголии // Образование и наука: материалы нац. конф. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2019. - С. 277-280.
6. Хамханова Д.Н., Сундарон Э.М. Источники неопределенности при поверке мерной стеклянной колбы // Advances in Science and Technology: сб. ст. XXVI Междунар. науч.-практ. конф. Ч. I. - М.: Науч.-изд. центр «Актуальность. РФ», 2020. - С. 157-158.
Bibliography
1. Zandraev A.B., Khamkhanova D.N. Evaluation of measurement uncertainty when verifying electronic scales ET-1200-E // Quality as a condition for increasing competitiveness and the path to sustainable development: materials of the regional scientific and practical conference. - Ulan-Ude: VSGUTU Publishing House, 2018. - P. 68-74.
2. Kadiz R.L. Uncertainty of measurements and chemical analysis // Journal of Analytical Chemistry. -2008. - Vol. 63, N 1. - P. 95-100.
3. Management of EURACHEM / SITAK. Quantifying uncertainty in analytical measurements. Quantifying Uncertainty in Analytical Measurement. - 3rd edition, 2000. - SPb: VNIIM im. D.I. Mendeleev, 2002.
- 149 p.
4. Guidelines for the expression of measurement uncertainty. - SPb.: VNIIM im. D.I. Mendeleev, 1999.
- 135 p.
5. Khamkhanova D.N, Damdinsuren E. Evaluation of the uncertainty of the calibration of metal gauges in Mongolia // Collection: Education and Science. Materials ofthe national conference. - Ulan-Ude: VSGUTU Publishing House, 2019. - P. 277-280.
6. Khamkhanova D.N., Sundaron E.M. Sources of uncertainty in the verification of a volumetric glass flask // Advances in Science and Technology. Collection of articles of the XXVI international scientific-practical conference. P. I. - M.: "Research and Publishing Center" Relevance. RF, 2020. - P. 157-158.
