СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ПАЛЬМОВОГО ЖИРА В СПРЕДЕ СО СЛИВОЧНЫМ ЖИРОМ
METHOD FOR DETERMINING THE CONTENT OF PALM OIL IN A SPREAD WITH BUTTER FAT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к молочной промышленности, в частности к способу определения содержания пальмового жира в спреде со сливочным жиром.
Уровень техники
Известен способ идентификации сливочного масла (т.е. соответствия исследуемого продукта Государственному стандарту, согласно которому он должен содержать только молочный жир без примесей жиров немолочного происхождения), включающий взвешивание навески анализируемого продукта, экстрагирование немолочного жира смесью спиртов и эфиров, смешивание полученного жира с растворителем, термостатирование до 90°С, разгонку полученной смеси на капиллярной колонке при длине волны 150-300 нм и температуре нагрева колонки до 90°С для разделения жирных кислот и идентификации с помощью жидкостного хроматографа (ГОСТ Р 51471-99 «Жир молочный. Метод обнаружения растительных жиров газожидкостной хроматографией стеринов» и ГОСТ 31979-2012 «Масло сливочное. Технические условия Межгосударственного стандарта»). При экстрагировании молочного жира он претерпевает химические изменения.
Недостатками данного способа являются:
- сложность исполнения, т.к. данный метод требует специальной квалификации персонала;
- использование сложного и дорогостоящего оборудования;
- трудоемкость и длительность по исполнению (временные затраты составляют от 1,5 до 2,0 часов);
- необходимость использования большого количества химических реактивов (по ассортименту более 8).
Известен способ определения содержания растительного жира в сливочном, основанный на спектральном анализе раствора жировой фракции в УФ-диапазоне. (Коваленко Д.Н. Фальсификация молока и молочных продуктов. «Переработка молока», 2011, №3. с. 7-8). Метод основан на специфическом поглощении фосфолипидных оболочек молочного жира и его отсутствии при наличии в продукте растительного жира. Образец вносят в пробирку и доливают гексаном до 50 мл, интенсивно встряхивая. Смесь центрифугируют при 8000 об./мин в течение 10 мин. Полученную смесь заливают в кварцевую кювету и снимают спектр на спектрофотометре (программа SCAN) в диапазоне от 200 до 400 нм. Натуральный сливочный жир должен иметь определенный подъем оптической плотности в области 200-250 нм. Метод прост, быстр и надежен в качестве «первой ступени обороны» от фальсификаций растительными жирами. Указанный способ позволяет сделать заключение о наличии пальмового масла, однако количественное измерение его содержания затруднительно.
Известен способ определения жиров немолочного происхождения в молочном жире (патент РФ №2279071, опубл. 27.06.2006). Этот способ предусматривает взвешивание навески анализируемого продукта, выделение жировой фракции, осуществляемое в результате термостатирования при температуре 58-60°С в течение 8-12 минут, фильтрование, осуществляемое при температуре 58-60°С, фотоколориметрирование при длине волны 430-450 нм в кювете с рабочей длиной 5 мм, определение оптической плотности исследуемого образца и определение количественного содержания немолочного жира с помощью формулы:
мж
см
нж
где Д - оптическая плотность молочного жира, Д - оптическая плотность смеси, Д - оптическая плотность немолочного жира.
мж
нж
Недостатком этого способа является необходимость иметь образцы молочного и немолочного жира для определения оптической плотности Д и Д, чтобы определять количественное содержание немолочного жира в смеси по формуле (1). Известно, что оптические свойства жира могут существенно меняться в зависимости от потребляемого коровами корма: цвет летнего масла - желтый, зимнего - белый. Поэтому требуется знать оптические свойства компонент смеси (спреда), чтобы проводить количественный анализ. Это усложняет и замедляет реализацию способа.
пальмового
1
2
1
1
2
2
Наиболее близким аналогом является способ определения жиров немолочного происхождения в молочном жире (патент РФ №2645083, опубл. 15.02.2018). Способ предусматривает получение эмульсии спреда при растворении навески образца в гексане с последующим измерением функции распределения размеров коллоидных частиц методом динамического рассеяния света. Количественное содержание пальмового жира определяют по формуле: С=(A/A - 0,55) / 0,021, где A -площадь под пиком, определяемая измеренным распределением размеров капель эмульсии для радиусов R капли, соответствующих интервалу 100-250 нм, а А - площадь под пиком, определяемая распределением размеров капель эмульсии для радиусов R капли, соответствующих интервалу 400-1000 нм.
Недостатком данного способа является двумодальный характер функции распределения эмульсионных частиц по размерам, имеющей два ярко выраженных пика. Процедура деконволюции измеренной корреляционной функции, необходимая для вычисления функции распределения частиц по размерам, не всегда дает единственное решение, что существенно уменьшает точность и достоверность получаемых результатов.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в преодолении недостатков ближайшего аналога и достижении технического результата в виде увеличения точности количественного определения содержания пальмового и сливочного жира в спреде.
пальм
Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в настоящем изобретении предложен способ определения содержания пальмового жира в спреде со сливочным жиром, заключающийся в том, что: формируют эмульсию спреда с массовой концентрацией 5±1% в этиловом спирте 96% при температуре 40±5°С; обеспечивают перемешивание сформированной эмульсии; осуществляют десятикратное по объему разведение перемешанной смеси в обеспыленной посуде этиловым спиртом 96% с добавлением 2,5±0,5% воды; освещают сформированную эмульсию лазером с длиной волны излучения в диапазоне 630-700 нм; на основе метода динамического рассеяния света измеряют радиусы rp частиц в сформированной эмульсии в спирто-водной смеси как средний по 3-5 измерениям радиус коллоидной частицы в нанометрах; определяют содержание С(%) пальмового жира в спреде согласно выражению:
Особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что перемешивание сформированной эмульсии могут осуществлять, выполняя следующие действия: обрабатывают полученную смесь ультразвуком мощностью 30±10 Ватт в водяной ванне в течение 50-60 секунд; перемешивают обработанную ультразвуком смесь вращающейся лопаткой со скоростью ~100±10 оборотов в минуту в течение 30±10 секунд; повторяют упомянутую обработку смеси ультразвуком.
p
p
p
Другая особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что для оценки содержания пальмового жира в спреде неизвестного состава во всем диапазоне возможных концентраций после упомянутого измерения радиуса r частиц: готовят образец из смеси исследуемого спреда с добавлением чистого сливочного масла в соотношении 1:1; измеряют радиус  частиц в приготовленном образце аналогично измерению в исследуемом спреде; если величина , принимают значение r в качестве окончательного; если величина , умножают найденное значение r на 2.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение иллюстрируется приложенными графиками.
На Фиг. 1 представлена в двойном логарифмическом масштабе автокорреляционная функция света, рассеянного в эмульсии спреда из 80% сливочного масла и 20% пальмового жира.
На Фиг. 2 показано распределение интенсивности рассеянного света по радиусам капель жира в образце эмульсии спреда по Фиг. 1.
На Фиг. 3 приведена зависимость радиуса коллоидных образований спреда в эмульсии от содержания пальмового жира в этом спреде.
Подробное описание вариантов осуществления
Описание способа по настоящему изобретению дано ниже на конкретных примерах осуществления.
Для реализации способа по настоящему изобретению важное значение имеет формирование эмульсии. Простое разведение спреда в спирте или воде не приводит к образованию эмульсии с измеряемыми размерами капель. Поэтому в настоящем изобретении разработана специальная методика приготовления образцов эмульсий с каплями жира, размеры которых и их концентрация легко измеряются методом динамического рассеяния света (далее - ДРС), что обеспечивает режим однократного рассеяния, а также отсутствие пыли, искажающей результаты измерения размеров капель в эмульсии.
Для приготовления спреда использовались пальмовое масло марки «Крымская роза» ГОСТ 52343-2005 и сливочное масло «Масло сливочное Вологодское из Вологды» 82,5% жирности, произведенное в АО «Учебно-опытный молочный завод» ВГМХА им. Верещагина, г. Вологда, которое гарантированно не содержит добавок пальмового жира. Спред приготавливался в химический чистой, обеспыленной посуде. Компоненты спреда тщательно перемешивались до однородной массы лопаткой из нержавеющей стали.
Использовались спреды следующих композиций: чистое сливочное масло и масло с добавлением 10, 20, 35, 50 и 65% пальмового жира (по массе). Спред разводился в 96% этиловом спирте при температуре 40±5°С, массовая концентрация спреда в спирте составляла 5%. Смесь обрабатывалась ультразвуком в водяной ванне при мощности 30±10 Вт в течение 50-60 секунд, затем перемешивалась вращающейся лопаткой со скоростью ~100±10 оборотов в минуту 30±5 секунд, после чего повторялась УЗ обработка. В результате образовывалась однородная, мутная эмульсия. Один миллилитр полученной эмульсии помещался в чистую, обеспыленную посуду и разводился в 10 раз по объему этиловым спиртом 96% с добавлением 2,5±0,5% воды. Добавление воды в указанных количествах производится по объему. Добавление воды является существенным признаком, без чего не образуется эмульсия, в которой возможно проведение измерения размеров частиц методом ДРС. Раствор перемешивался встряхиванием и центрифугировался при 3000±300 об./мин в течение 8±1 минут. Отбиралась фракция из верхней части центрифугированной суспензии в объеме 3 мл и помещалась в обеспыленную кювету для оптических измерений. Указанный выше интервал температур является существенным, так как при выходе за его пределы не всегда обеспечивается формирование эмульсии с размерами капель, которые могут быть надежно определены методом ДРС.
Регистрация автокорреляционной функции (далее - АКФ) рассеянного света производилась на установке ДРС [K.V. Kovalenko, S.V. Krivokhizha, A.V. Masalov, L.L. Chaikov "Correlation Spectroscopy Measurements of Particle Size Using an Optical Fiber Probe" // Bulletin of the Lebe-dev Physics Institute, 2009, Vol. 36, No. 4, pp. 95-103] для света, рассеянного в образце под углами 30-60°. Регистрация каждой автокорреляционной функции занимала от 20 до 100 секунд. При измерениях в слабо рассеивающих образцах применялся режим циклов [Particle size analyzers of the Photocor series. User's manual. LLC "Photocor" www.photocor.ru], позволяющий избавиться от помех, связанных с присутствием некоторого количества пыли в образце. Полученные АКФ обрабатывались коммерческой программой DynaLS, разлагающей АКФ по экспонентам и строящей распределение интенсивности рассеяния по временам релаксации и по радиусам частиц [Программа обработки данных фотонной корреляционной спектроскопии DYNALS DYNALS Photon Correlation Spectroscopy Data Processing Program http://www.softscientific.com/science/WhitePapers/dynalsl/dynals100.htm]. Также проводилась аппроксимация АКФ методом моментов. Как правило, для спектров одиночного (однократного) накопления уровень автокорреляционной функции составлял 0,25-0,45 (Фиг. 1). При прохождении пылинок через поле зрения во время накопления функции амплитуда автокорреляционной функции резко увеличивается. Поэтому АКФ с амплитудой больше 0,5 не учитывались при обработке результатов.
На Фиг. 1 представлен пример АКФ рассеянного света и результата ее обработки программой DynaLS для спреда, содержащего 80% сливочного масла и 20% пальмового жира. Функция копилась в режиме «Multiple Tau», когда время задержки каждых следующих 8 каналов коррелятора в 2 раза больше, чем 8 предыдущих, т.е. на Фиг. 1 АКФ оказывается представлена в двойном логарифмическом масштабе. Амплитуда приведенной функции 0,4 укладывается в допустимый интервал. Более тонкая кривая представляет результат разложения АКФ по временам релаксации, а более толстая - аппроксимацию АКФ методом моментов (до второго момента) [Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов. Под ред. Г. Камминса и Э. Пайка. (М., Мир, 1978). Перевод с: Photon correlation and light beating spectroscopy. Ed. by H. Z. Cummins and E. R. Pike, (Plenum Press, New York - London, 1974), B.J. Berne, R. Pecora Dynamic light scattering (Krieger, Malabar, Florida, 1990)]. Видно, что обе эти кривые хорошо описывают основной релаксационный процесс, связанный с диффузионной релаксацией флуктуаций концентрации капель жира в эмульсии.
5
6
На Фиг. 2 представлено распределение интенсивности рассеянного света по радиусам частиц (КО) в том же образце эмульсии спреда. Самый большой по высоте пик соответствует радиусам капель жира в эмульсии со средним значением 509 нм. Отметим, что в распределении иногда появляется пик в области 10-10 нм. Этот пик не следует принимать во внимание, так как таких больших частиц, диаметром 0,2-2 мм, в образце нет (их было бы видно невооруженным глазом), и появление пика связано не с броуновским движением частиц, а с эффектом входа и выхода больших частиц из объема рассеяния.
Отметим, что в отличие от ближайшего аналога, имеется одномодальная функция распределения эмульсионных частиц (один пик, в отличие от двух пиков в способе ближайшего аналога), что существенно облегчает процесс разложения автокорреляционной функции на соответствующие экспоненты и повышает точность и устойчивость математической процедуры определения радиуса эмульсионной частицы. Возможная причина получения одномодальной функции распределения при вышеописанном способе пробоподготовки является переэтерификация жира в спиртоводной среде, в отличие от эмульсии молочного и пальмового жира в гексане (как это имеет место в ближайшем аналоге).
p
p
p
Зависимость среднего по 3-5 измерениям радиуса r капель (частиц) в эмульсиях, приготовленных вышеописанным способом, от доли пальмового жира в спредах, представлена на Фиг. 3. Величина r в каждом измерении определялась как среднее значение положения (Mean) основного пика распределения интенсивности рассеянного света по радиусам капель (Фиг. 2). Видно, что в эмульсии 100% сливочного масла r ≈ 425 нм. По мере роста содержания пальмового жира радиус коллоидных образований растет, и при 65%) достигает 710 нм. При дальнейшем росте содержания пальмового жира в спреде размер коллоидных образований резко уменьшается и становится почти таким же, как в эмульсии, приготовленной из спреда с 20% содержанием пальмового жира.
пальм
Аппроксимация полиномом второй степени зависимости радиуса капель (коллоидных образований) от содержания С(%) пальмового жира в спреде в диапазоне 0-67%) (весовых) дает выражение:
пальм
Отсюда содержание С(%) пальмового жира в спреде определяется выражением
p
где r - средний по 3-5 измерениям радиус коллоидной частицы в эмульсии спреда в спирто-водной смеси в нанометрах.
пальм
Однако при больших (>68%) концентрациях пальмового жира в спреде происходит, как уже упоминалось, уменьшение радиуса коллоидных образований (капель). Это связано с тем, что чистый пальмовый жир практически не растворяется в спирте. При попытке растворить пальмовый жир в спирте капли не образуются, а весь пальмовый жир остается в осадке на дне кюветы. Никакие механические воздействия на смесь пальмового жира со спиртом не приводят к образованию эмульсии. Соответственно, спред с большим количеством пальмового жира не дает нужного количества и размера коллоидных образований в эмульсии, а сливочного жира в нем недостаточно для образования эмульсии с размерами капель, соответствующими продолжению зависимости (1) в область С(%)>70%.
p
С этим связано и зафиксированное в эксперименте уменьшение в 1,5 раза интенсивности рассеяния при увеличении концентрации пальмового жира в спреде с 20 до 67%, хотя r растет в 1,7 раза. Грубые оценки интенсивности рассеяния в приближении Релея-Ганса-Дебая [К. Борен, Д. Хафмен, "Поглощение и рассеяние света малыми частицами" (М., Мир, 1986, 660 стр. ); K.F. Boren, P.R. Hafrnen, Absorption and Scattering of Light by Small Particles (Wiley, New York, 1983); Г. Ван де Хюлст, Рассеяние света малыми частицами, (Изд-во иностр. литер., 1961, 536 стр. ) Van de Hulst Н. С, Light Scattering by Small Particles, (Dover, New York 1981)] показывают, что для того, чтобы это произошло, концентрация эмульгированного жира в эмульсии должна была упасть примерно в 7 раз. Вместе с тем, добавление сливочного масла (жира) к такой смеси приводит к образованию капель, которые содержат и пальмовый жир, и сливочный.
Определить концентрацию пальмового жира непосредственно из формулы (2) по величине радиуса коллоидных частиц удается только при его содержании до 70%). Для определения более высокого процента содержания пальмового жира в спреде (или при заранее неизвестном его содержании) требуются дополнительные операции.
p
p
p
p
p
Для определения содержания пальмового жира в спреде неизвестного состава во всем диапазоне возможных концентраций следует использовать следующую процедуру. Измеряют величину r в двух образцах, приготовленных по описанной методике: первый из исследуемого спреда, второй - из смеси исследуемого спреда с добавлением чистого сливочного масла в соотношении 1:1. Если в образце эмульсии спреда с добавкой чистого сливочного масла (1:1) измеренная величина r уменьшится по сравнению с r образца исходного спреда в соответствии с кривой на Фиг. 3, то можно заключить, что изначальное содержание пальмового жира лежит в диапазоне 0-70%. Если же в образце с добавкой в исходный спред чистого сливочного масла величина rp увеличится относительно r исходного спреда, то это означает, что в исследуемом спреде пальмового жира содержится более 70%, и для определения содержания пальмового жира нужно полученное из второго измерения r значение Спальм (%) (по Фиг. 3 и формуле (2)) умножить на 2.
Таким образом, в способе по настоящему изобретению обеспечивается достижение технического результата в виде увеличения точности количественного определения содержания пальмового и сливочного жира в спреде.