СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МАТРИЦЫ СЕНСОРОВ "СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРОННОГО НОСА" ДЛЯ АССОРТИМЕНТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ И УСТАНОВЛЕНИЯ ФАЛЬСИФИКАЦИИ ЯБЛОЧНЫХ СОКОВ, НЕКТАРОВ И НАПИТКОВ ДОБАВЛЕНИЕМ ИСКУССТВЕННЫХ АРОМАТИЗАТОРОВ
METHOD OF FORMING MATRIX SENSORS FOR "STATIC ELECTRONIC NOSE" FOR ASSORTMENT AND FALSIFICATIONS IDENTIFICATION OF APPLE JUICE, NECTARS AND DRINKS WITH ARTIFICIAL FLAVORS ADDITION

Изобретение относится к аналитической химии пищевых продуктов и может быть использовано для установления фальсификации яблочных соков разбавлением водой, нектаров и напитков добавлением искусственных ароматизаторов с применением матрицы пьезокварцевых резонаторов с предварительной модификацией их электродов сорбентами различной природы (система «статический электронный нос»).
Известен способ различения запахов фруктов (яблоки, бананы, апельсины и др.) с помощью матрицы 12 пьезоэлектрических акустических сенсоров со сдвигом по толщине с покрытием различными жидкими сорбентами (Cao Zh., Xu D., Jiang Jian-Hui, Wang Ji-Hong, Lin H., Xu Cheng-Jiang, Zhang Xiao-Bing, Yu Ru-Qin. Minicking the ol factory system by a thickness-shear-mode acoustic sensor array // Anal. Chim. Acta, 1997. V.335, №1-2, P.117-125). Пары фруктов сорбируются на жидких покрытиях, изменяя частотные характеристики сенсоров. Отклики отдельных сенсоров обрабатываются с применением математического алгоритма искусственных нейронных сетей. Матрица из 12 сенсоров с различными покрытиями позволяет различить аромат фруктов.
Недостатком способа является применение большого числа пленок и сенсоров, сложной математической программы для обработки сигналов и принятия решения, продолжительность анализа.
Технической задачей изобретения является разработка способа формирования матрицы масс-чувствительных сенсоров «статического электронного носа» для ассортиментной идентификации и установления фальсификации яблочных соков, нектаров и напитков, позволяющего повысить точность, надежность, экспрессность и воспроизводимость результатов за счет уменьшения числа сенсоров, произвольного расположения сенсоров в матрице и простоты определения без сложных математических алгоритмов и дорогостоящих реактивов.
Техническая задача изобретения достигается тем, что в способе формирования матрицы сенсоров «статического электронного носа» для ассортиментной идентификации и установления фальсификации яблочных соков, нектаров и напитков добавлением искусственных ароматизаторов, включающем формирование матрицы пьезокварцевых резонаторов, электроды которых модифицированы сорбентами, опрос сенсоров, обработку откликов сенсоров, отличающемся тем, что матрицу формируют из 8-ми масс-чувствительных сенсоров объемных акустических волн, на электроды которых нанесены пленки сорбентов массой 8-13 мкг из растворов пчелиного клея, пчелиного воска, поливинилпирролидона, краун-эфира, апиезона L, апиезона N, смесей триоктилфосфиноксида с полистиролом и триоктилфосфиноксида с пчелиным клеем, сенсоры располагают в матрице произвольно, отклики отдельных сенсоров фиксируют одновременно и формируют в виде визуального суммарного сигнала матрицы в кинетическую масс-ароматограмму.
Технический результат заключается в повышении точности, надежности, экспрессности и воспроизводимости результатов, достигаемых за счет произвольного расположения сенсоров в матрице и простоты определения без сложных математических алгоритмов и дорогостоящих реактивов.
Способ реализуется следующим образом.
1. Подготовка детектирующего устройства. Формируют матрицу из 8-ми масс-чувствительных сенсоров объемных акустических волн с собственной частотой колебания 10 МГц, на электроды которых равномерно нанесены микрошприцем определенные объемы растворов следующих сорбентов: смесей триоктилфосфиноксида с пчелиным клеем (ТОФО + ПчК) в толуоле и триоктилфосфиноксида с полистиролом (ТОФО + ПС) в толуоле, пчелиного клея (ПчК) в этаноле, пчелиного воска (ПчВ) в хлороформе, поливинилпирролидона (ПВП) в ацетоне, апиезона L (Ар L) в ацетоне, апиезона N (Ар N) в ацетоне, краун-эфира (КрЭ) в толуоле с последующим статическим испарением свободных растворителей в сушильном шкафу или эксикаторе над слоем осушителя, причем в качестве модификаторов электродов пьезосенсоров выбраны сорбенты и модифицированные пленки с устойчивым малым дрейфом «нулевого» сигнала, а также модификаторы с высоким сорбционным сродством к легколетучим компонентам яблочного аромата.
Оптимальный диапазон термической стабильности пленки модификатора 40-50°C, время термической обработки 20-30 мин. Модифицированные резонаторы (сенсоры) охлаждают в эксикаторе над слоем осушителя до 20±2°C. Полноту удаления растворителя подтверждает постоянство частоты колебания сенсора. Сенсоры неподвижно закрепляют в ячейке детектирующего устройства «статический электронный нос». Расположение сенсоров в матрице непринципиально.
2. Пробоподготовка. Пробоподготовку образцов соков и напитков осуществляют путем приготовления и отбора средней пробы, которую помещают в бюкс с притертой пробкой и полиуретановой мембраной. Сок в бюксе выдерживают 10-15 мин, после насыщения газовой фазы парами яблочного аромата через полиуретановую мембрану отбирают шприцем постоянный объем равновесной газовой фазы.
3. Измерение аналитического сигнала устройства «статический электронный нос». Пробу быстро инжектируют в ячейку детектирования. Одновременно фиксируют частоту колебания всех сенсоров с интервалом 5 с в течение 1 мин. Модификаторы регенерируют в сушильном шкафу при рабочей температуре сорбентов в течение 2-5 мин или выполняют продувку ячейки детектирующего устройства в течение 5-7 мин.
Суммарный сигнал «статического электронного носа» формируется в кинетическую масс-ароматограмму яблочного аромата, обсчитывается специальной компьютерной программой или сопоставляется со стандартом. Алгоритм считывания сигналов и формирования масс-ароматограмм, а также количество сенсоров в матрице оптимизированы для достижения максимального различия масс-ароматограмм для проб-стандартов.
В качестве проб-тестов выбраны следующие стандарты:
стандарт 1 - свежеприготовленный натуральный яблочный сок;
стандарт 2 - 100% восстановленный осветленный яблочный сок;
стандарт 3 - яблочный нектар с содержанием сока 30%;
стандарт 4 - искусственный ароматизатор «Яблоко».
Стандарты выбраны, исходя из разнообразия ассортимента яблочного сока (натуральный, восстановленный, нектар) и оценки качества и соответствия напитка Государственному стандарту (анализ проведен в аккредитованной лаборатории пищевых продуктов и продовольственного сырья ГОУ ВПО «ВГТА»).
Для проб-стандартов построены стандартные масс-ароматограммы откликов матрицы из 8-ми масс-чувствительных сенсоров, опрошенных в течение 30 с (фиг.1). В идентичных условиях анализируют пробы других соков и напитков. Их масс-ароматограммы (фиг.3) сравнивают со стандартными масс-ароматограммами. При несовпадении вида и площади масс-ароматограмм проба отклоняется, как несоответствующая требованиям нормативных документов.
Примеры осуществления способа.
Пример 1.
3
1. Подготовка детектирующего устройства. Электроды 8-ми пьезокварцевых резонаторов с собственной частотой колебания 10 МГц модифицируют равномерным нанесением микрошприцем 0,5-2,0 мкдм (в зависимости от концентрации и вязкости растворов) толуольных растворов ТОФО + ПчК, ТОФО + ПС и КрЭ, ацетоновых растворов ПВП, Ap L, Ap N, этанольного раствора ПчК, хлороформного раствора ПчВ для получения массы пленки 8-13 мкг с последующим статическим испарением свободных растворителей в сушильном шкафу или эксикаторе над слоем осушителя. В качестве растворителей для приготовления растворов модификаторов применяли толуол (ТОФО + ПчК, ТОФО + ПС и КрЭ), ацетон (ПВП, Ар L, Ар N), этанол (ПчК) и хлороформ (ПчВ). Замена растворителей приводит к снижению чувствительности сенсоров, нестабильности «нулевого» сигнала, а в ряде случаев невозможности приготовления растворов модификаторов.
Оптимальный диапазон термической стабильности пленки модификатора 50±1°C, время термической обработки 30 мин. Модифицированные резонаторы охлаждают в эксикаторе над слоем осушителя до 20±2°C.
Сенсоры неподвижно закрепляют в держателях ячейки детектирующего устройства «статический электронный нос». Расположение сенсоров в матрице непринципиально.
2. Пробоподготовка образцов соков заключалась в приготовлении и отборе средней пробы, взвешивании сока в бюксе с притертой полиуретановой пробкой для отбора равновесной газовой фазы. Сок в бюксе выдерживали 15 мин, после насыщения газовой фазы парами яблочного аромата через полиуретановую пробку отбирали шприцем постоянный объем 5 см равновесной газовой фазы.
3. Измерение аналитического сигнала «статического электронного носа». В ячейку детектирующего устройства «статический электронный нос» шприцем вводят равновесную газовую фазу образца стандарта (свежеприготовленного яблочного сока или искусственного ароматизатора) или анализируемой пробы. Отклики сенсоров регистрируют с помощью компьютера с интервалом 5 с в течение 30 с. Сигналы сенсоров формируются в кинетическую масс-ароматограмму (фиг.1, 3).
Модификаторы регенерируют в сушильном шкафу при рабочей температуре сорбентов в течение 5 мин или выполняют продувку ячейки детектирующего устройства в течение 5-7 мин. После охлаждения в эксикаторе до 20±2°C сенсоры применяются для последующих определений. Стабильность модификаторов при сорбции и десорбции паров позволяет многократно применять сенсоры (число циклов сорбции, возможных с применением одного модифицированного пьезорезонатора составляет 80-100). Параметр «уноса пленки» после 100 циклов сорбции не превышает 0,5%. Продолжительность анализа, включая модификацию электродов составляет 40 мин; повторное применение сенсоров снижает затраты времени до 15-20 мин.
Способ осуществим. Кинетические масс-ароматограммы натурального и восстановленного яблочного сока, яблочного нектара и искусственного ароматизатора «Яблоко» принципиально различимы (фиг.1).
Пример 2. Применяют матрицу, состоящую из 9-ти пьезокварцевых резонаторов с собственной частотой колебания 10 МГц. Увеличение числа сенсоров невозможно, т.к. устройство ячейки детектирующего устройства «статический электронный нос» не позволяет увеличить количество рабочих элементов матрицы. Способ неосуществим.
Пример 3. Электроды 7-ми пьезокварцевых резонаторов с собственной частотой колебания 10 МГц модифицируют, как указано в примере 1, но из матрицы исключен пьезорезонатор, модифицированный смесью ТОФО + ПчК. Отклики сенсоров регистрируют частотомером. Проводят кинетический опрос сенсоров с интервалом 5 с в течение 30 с, сигналы формируют в масс-ароматограмму (фиг.2).
Способ неосуществим, т.к. значительно уменьшается степень различия масс-ароматограмм, особенно натурального и восстановленного соков, а также стандартов и анализируемых проб, и, следовательно, снижается надежность принятия решения по ассортиментной идентификации проб.
Пример 4. Применяют матрицу из 8-ми пьезокварцевых резонаторов с собственной частотой колебания 10 МГц. Модификацию электродов и пробоподготовку проводят аналогично примеру 1, но получают пленки модификаторов массой 7,0 мкг. Последующие операции проводят, как указано в примере 1.
Способ неосуществим вследствие низкой воспроизводимости результатов, чувствительности определения и снижения откликов на ряде сенсоров (ПВ, КрЭ, ПВП) на уровень шумов.
Пример 5. Электроды 8-ми пьезокварцевых резонаторов с собственной частотой колебания 10 МГц модифицируют, как указано в примере 1, но масса пленок-модификаторов составляет 15 мкг. Последующие операции проводят, как указано в примере 1.
Способ неосуществим вследствие срыва автоколебаний резонаторов с пленками ТОФО + ПчК, ТОФО + ПС, ПчК и невозможностью фиксирования откликов. Кроме того, нарушается стабильность пленок при десорбции и регенерации. Для сенсоров без срыва автоколебаний (ПчВ, ПВП, КрЭ, Ар L, Ар N) число циклов сорбции снижается (30-50 циклов). Значительное повышение массы сенсора при сорбции приводит к потере массы пленки после 10 циклов сорбции более чем на 5%.
С применением матрицы 8-ми сенсоров «статического электронного носа» в оптимальном режиме проведено тестирование различных образцов яблочного сока и напитка: проба 1 - в соответствии с декларированным описанием 100%-ный натуральный яблочный сок; проба 2 - 100%-ный яблочный сок прямого отжима; пробы 3, 4 и 5 - 100%-ный яблочный сок восстановленный осветленный; проба 6 - газированный напиток «Яблоко», в соответствии с декларированным описанием содержит не менее 10% натурального сока. Яблочные нектары не взяты в качестве анализируемых проб, однако стандарт 3 (стандарт яблочного нектара с содержанием яблочного сока 30%) путем сопоставления позволяет установить фальсификацию натуральных соков разбавлением водой. Построены кинетические масс-ароматограммы равновесных газовых фаз тестируемых проб. Сопоставление масс-ароматограмм нескольких образцов яблочного сока позволяет быстро установить соответствие выбранным стандартам. Пробы 1 и 2 максимально соответствуют стандарту 1 на уровне относительной погрешности (5-10%). Проба 4 соответствует максимально стандарту 2, проба 3 условно соответствует стандарту 2. Проба 5 не соответствует ни одному из стандартов более чем на 60%. Проба 6 не соответствует ни одному из стандартов и определена как фальсифицированная, не содержащая натурального яблочного сока, а напиток получен с добавлением искусственного ароматизатора (соответствует стандарту 4 более чем на 90% при увеличении масштаба). В пробах 1-5 искусственного ароматизатора не обнаружено.
Приведенные примеры и фиг.1-3 доказывают, что решение поставленной задачи достигается тем, что электроды пьезокварцевых резонаторов модифицируют сорбентами с различным сродством к различным легколетучим компонентам яблочного аромата. Большая часть компонентов яблочного аромата относится к полярным соединениям, поэтому применены сенсоры на основе полярных сорбентов, таких как ПВП, ТОФО, КрЭ, ПчК. Малополярные вещества удерживаются неполярными сорбентами, такими как ПчВ, Ap L, Ap N.
Ассортиментная идентификация и установление фальсификации яблочных соков, нектаров и напитков добавлением искусственных ароматизаторов осуществимы, если способ формирования матрицы сенсоров «статического электронного носа» включает формирование матрицы из 8-ми масс-чувствительных пьезокварцевых резонаторов объемных акустических волн, на электроды которых нанесены пленки сорбентов массой 8-13 мкг, сенсоры располагают в матрице произвольно, отклики отдельных сенсоров фиксируют одновременно и формируют в виде визуального суммарного сигнала матрицы в кинетическую масс-ароматограмму, а ассортиментную идентификацию и установление фальсификации яблочных соков, нектаров и напитков осуществляют путем сравнения масс-ароматограмм тестируемой пробы и пробы-стандарта.
Уменьшение числа сенсоров (пример 3) и массы пленок менее 8 мкг (пример 4) приводит к снижению чувствительности и степени различия масс-ароматограмм; увеличение числа сенсоров (пример 2) и массы пленок более 13 мкг (пример 5) приводит к невозможности осуществления способа и срыву автоколебаний сенсоров. Результаты работы матрицы сенсоров сведены в табл.1.
Сопоставление возможности анализа по прототипу и заявленному решению представлены в табл.2.
Таким образом, с применением матрицы разнородных сенсоров показана принципиальная возможность ассортиментной идентификации яблочных соков и напитков и экспрессной оценки фальсификации искусственными ароматизаторами натуральных и восстановленных яблочных соков и нектаров по кинетическим масс-ароматограммам.
По сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет:
1) повысить экспрессность определения за счет сокращения времени подготовки и регенерации сенсоров матрицы (8 - в заявленном способе, 12 - в прототипе);
2) упростить стадию обработки сигналов отдельных сенсоров и формирования аналитического сигнала матрицы;
3) визуализация результатов в виде кинетических масс-ароматограмм упрощает и существенно сокращает стадию принятия решения о качестве пробы без сложных математических алгоритмов и высококвалифицированного персонала;
4) с высокой степенью надежности быстро установить фальсификацию яблочных соков, нектаров и напитков путем их разбавления водой и введения искусственных ароматизаторов;
5) высокоэкспрессно осуществить ассортиментную идентификацию яблочных соков, нектаров и напитков.
Таблица 1
№ примера
Результаты анализа
Оценка возможности способа
№ анализируемой пробы
Соответствие стандарту
Вывод
1
1
соответствие стандарту 1
+
осуществим
2
соответствие стандарту 1
+
3
соответствие стандарту 2 условно
±
4
соответствие стандарту 2
+
5
не соответствие выбранным стандартам
-
6
соответствие стандарту 4
+
2
1
Уменьшилась степень различия масс-ароматограмм стандартов 1, 2 и 3, что не позволяет установить фальсификацию путем замены натурального сока восстановленным или путем разбавления водой.
-
не осуществим
2
-
3
-
4
-
5
-
6
-
3
-
-
-
не осущест.
4
-
-
-
не осущест.
5
-
-
-
не осущест.
Таблица 2
Возможности способа
Прототип
Заявленный способ
Анализ фруктов
осуществим
осуществим
Анализ свежевыжатых соков
осуществим
осуществим
Анализ разбавленных соков
не осуществим
осуществим
Анализ напитков и нектаров с содержанием натуральных соков менее 40%
не осуществим
осуществим
Анализ напитков, фальсифицированных искусственными ароматизаторами
не осуществим
осуществим
Аналогами предлагаемого технического решения являются патенты РФ:
1. RU 2208785 C2, опубл. 20.07.2003.
2. RU 2214591 С1, опубл. 20.03.2003.
3. RU 2267780 C1, опубл. 10.01.2006.
Сравнительная характеристика известных способов и заявляемого решения представлена в табл.3.
Отличительная особенность предлагаемого решения:
1. Применение в качестве сорбентов-модификаторов электродов пьезокварцевых резонаторов пленок на основе апиезонов (ApN, ApL) и смесей триоктилфосфиноксида с полистиролом (ТОФО + ПС) и триоктилфосфиноксида с пчелиным клеем (ТОФО + ПчК). Для распознавания яблочного аромата в составе равновесных газовых фаз необходимо определенное сочетание хроматографических фаз разной полярности и специфических сорбентов. В предлагаемом техническом решении такими фазами являются указанные сорбенты (неполярные ApN и ApL, полярный ПВП и специфические смешанные сорбенты на основе ТОФО). Только заданная совокупность сорбентов обеспечивает чувствительность к натуральному яблочному аромату (более 300 ароматических компонентов), позволяющая установить его тонкие отличия от аромата синтетических ароматизаторов. В сочетании с уже известными фазами (ПчК, ПчВ, КрЭ) данная матрица сенсоров позволяет идентифицировать ассортимент яблочных соков (сок прямого отжима, сок восстановленный, нектар, напиток).
2. В способах RU 2214591 С1, опубл. 20.03.2003 и RU 2208785 C2, опубл. 20.07.2003, матрица сенсоров формируется на основании индивидуальных кинетических параметров сорбции индивидуального сенсора, по результатам выбирают 1-2 сигнала с одного сенсора, снятых в определенное время при достижении максимального значения отклика (таким образом, получают 8-16 сигналов, из которых формируется суммарный «визуальный отпечаток»). В заявляемом решении принципиально новым является подход непрерывного опроса (через каждые 5 с) каждого сенсора в течение 60-120 с (получают 96-192 сигналов, из которых формируется кинетическая масс-ароматограмма). При таком опросе достигается высокая точность и чувствительность матрицы сенсоров к яблочному аромату.
4. Достижение технического результата возможно благодаря еще одному отличительному признаку: новый подход в фиксировании сигналов всех сенсоров одновременно в течение 1-2 минут и формировании кинетической масс-ароматограммы аромата. Кроме того, в заявляемом способе достигается более высокая точность и воспроизводимость за счет произвольного расположения сенсоров в матрице и возможность различного сочетания их откликов в компьютерной программе для более наглядного изображения в виде масс-ароматограммы.
Таблица 3
Характеристика
Известные приемы
Предлагаемое решение
RU 2208785 C2, опубл. 20.07.2003 RU 2214591 С1, опубл. 20.03.2003
RU 2267780 C1, опубл. 10.01.2006
Число сенсоров в матрице
8
6
8
Сорбенты-модификаторы
пчелиный клей, пчелиный воск, поливинилпирролидон, краун-эфир, полистирол, полиэтиленгликоль адипинат, тритон Х-100, ПЭГ-2000
пчелиный клей, пчелиный воск, поливинилпирролидон, краун-эфир, полистирол, триоктилфосфиноксид
пчелиный клей, пчелиный воск, поливинилпирролидон, краун-эфир апиезон L, апиезон N, смеси: триоктилфосфиноксид с полистиролом, триоктилфосфиноксид с пчелиным клеем
Последовательность опроса сенсоров при формировании «визуального отпечатка» запаха
Имеет существенное значение
Имеет принципиальное значение
Непринципиальна, т.к. опрос сенсоров идет одновременно
Алгоритм опроса сенсоров в матрице
Единичный опрос сенсоров на основании индивидуальных кинетических кривых сорбции по достижении максимального сигнала
Определенный последовательный опрос в течение всего времени контакта пробы и всех сенсоров матрицы
Одновременный опрос в течение всего времени контакта пробы и всех сенсоров матрицы
«Визуальный отпечаток» (число сигналов)
8-24
72-144
96-192
Экспрессность опроса сенсоров
15 мин
2 мин
1 мин
Продолжительность анализа, включая модификацию электродов
120 мин
40 мин
40 мин
Производительность (проб/час)
3
6
6
Правильность для многокомпонентных смесей (до 500 легколетучих компонентов)
Пробы неразличимы по масс-ароматограммам, соответствующим достижению максимального отклика
Натуральный сок и искусственный аромат различимы по масс-ароматограммам, но неразличимы близкие по природе соки (апельсиновые соки и нектары)
Близкие по природе соки (яблочные соки, нектары, напитки), надежно различимы по масс-ароматограммам (фиг.1)