СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МАТРИЦЫ СЕНСОРОВ "СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРОННОГО НОСА" ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ МУСКАТНОГО АРОМАТА ВИНОГРАДА, ВИНОГРАДНОГО СЫРЬЯ И СОКА
METHOD OF FORMING MATRIX SENSORS OF "STATIC ELECTRONIC NOSE" TO IDENTIFY MUSCAT AROMA OF  GRAPE, GRAPE JUICE AND RAW MATERIALS

Изобретение относится к аналитической химии пищевых продуктов и может быть использовано для идентификации мускатного аромата и установления органолептических показателей винограда, виноградного сока и виноматериалов с применением матрицы пьезокварцевых резонаторов с предварительной модификацией их электродов сорбентами различной природы (система «статический электронный нос»).
Наиболее близким по технической сущности и достоверности результатов является способ распознавания искусственного и натурального апельсинового аромата в соках и напитках с помощью матрицы 6 пьезосенсоров объемных акустических волн, на электроды которых нанесены селекторные пленки из растворов пчелиного клея в этаноле, пчелиного воска в хлороформе, поливинилпирролидона, краун-эфира и полистирола в толуоле [патент РФ 2267780 С1, кл. G01N 33/02, опубл. 10.01.2006]. Отклики отдельных сенсоров обрабатываются с применением математического алгоритма с последовательным опросом сенсоров при формировании «визуального отпечатка» аромата. Матрица из 6 сенсоров с различными покрытиями позволяет различить искусственный и натуральный аромат апельсина.
Недостатком способа является применение большого числа пленок и сенсоров, определенная заданная последовательность опроса сенсоров при формировании «визуального отпечатка», что увеличивает время анализа и усложняет алгоритм обработки результатов.
Технической задачей изобретения является разработка способа формирования матрицы масс-чувствительных сенсоров «статического электронного носа» для идентификации мускатного аромата винограда, виноградного сырья и сока, позволяющего повысить экпрессность, воспроизводимость, надежность и точность результатов, обеспечить простоту определения без сложных математических алгоритмов.
Техническая задача изобретения достигается тем, что в способе формирования матрицы сенсоров «статического электронного носа» для идентификации мускатного аромата винограда, виноградного сырья и сока, включающем формирование матрицы пьезокварцевых резонаторов, электроды которых модифицированы сорбентами, опрос сенсоров, обработку откликов сенсоров с применением программного обеспечения прибора с методологией «электронный нос», формирование «визуального отпечатка», отличающемся тем, что матрицу формируют из 4 масс-чувствительных пьезорезонаторов объемных акустических волн, электроды которых модифицированы пленками сорбентов массой 9-13 мкг из растворов пчелиного воска в хлороформе, поливинилпирролидона в ацетоне, краун-эфира и триоктилфосфиноксида в толуоле, сенсоры располагают в матрице произвольно, отклики отдельных сенсоров по индивидуальному алгоритму для данного типа сырья фиксируют одновременно в течение 1 мин и формируют в виде визуального сигнала в кинетическую масс-ароматограмму.
Технический результат заключается в повышении точности, экспрессности, надежности и воспроизводимости результатов, достигаемых за счет уменьшения числа сенсоров, произвольного их расположения в матрице и простоты определения без сложных математических алгоритмов. Произвольные расположение сенсоров в матрице и последовательность их опроса дают возможность различного сочетания их откликов в компьютерной программе для наглядного изображения в виде масс-ароматограммы.
На фиг.1 представлены кинетические масс-ароматограммы откликов 4-сенсорного «статического электронного носа» (ПВП, ТОФО, КрЭ, ПчВ) в аромате винограда мускатного сорта (стандарт 1) и винограда столового сорта, не содержащего мускатного тона (стандарт 2).
На фиг.2 представлены кинетические масс-ароматограммы откликов 4-сенсорного «статического электронного носа» (ПВП, ТОФО, КрЭ, ПчВ) в аромате винограда различных сортов: столовый сорт винограда, красная ягода (проба 1), столовый сорт виноград, зеленая ягода (проба 2), бессемянный виноград сортов кишмиш (пробы 3-5), бессемянный сорт столового винограда (проба 6), универсальные сорта винограда (пробы 7 и 8).
Способ реализуется следующим образом.
1. Подготовка детектирующего устройства «статический электронный нос». Формируют матрицу из 4 масс-чувствительных пьезокварцевых резонаторов (ПКР) с собственной частотой колебаний 10 МГц. На электроды ПКР микрошприцем равномерно наносят определенные объемы растворов следующих сорбентов: пчелиного воска в хлороформе (ПчВ), поливинилпирролидона в ацетоне (ПВП), краун-эфира (КрЭ) и триоктилфосфиноксида (ТОФО) в толуоле с последующим статическим испарением свободных растворителей в сушильном шкафу или эксикаторе над слоем осушителя, причем в качестве селекторных слоев выбраны пленки сорбентов с устойчивым «нулевым» сигналом и высоким сорбционным сродством к легколетучим компонентам мускатного аромата винограда. Сенсоры (ПКР с пленкой сорбента) охлаждают в эксикаторе над слоем осушителя до 20±2°С. Полноту удаления растворителя подтверждает постоянство частоты колебания ПКР. Сенсоры неподвижно закрепляют в держателях ячейки детектирующего устройства «статический электронный нос».
2. Пробоподготовка. Подготовку образцов виноградного сока осуществляют путем приготовления и отбора средней пробы, которую помещают в бюкс с притертой пробкой или полиуретановой мембраной. Сок в бюксе выдерживают 10-15 мин, после насыщения газовой фазы парами виноградного аромата через полиуретановую мембрану отбирают шприцем постоянный объем равновесной газовой фазы.
3. Измерение аналитического сигнала «статического электронного носа». Пробу быстро инжектируют в ячейку детектирующего устройства. Одновременно повременно фиксируют частоту колебания сенсоров с интервалом 10 с в течение 1 мин. Регистрируют время достижения максимального сигнала при сорбции легколетучих компонентов аромата. Для восстановления модификаторов ПКР регенерируют в сушильном шкафу при рабочей температуре сорбентов в течение 2-5 мин или выполняют продувку ячейки детектирующего устройства в течение 5-7 мин.
Отклики отдельных сенсоров формируются в суммарный сигнал матрицы и обрабатываются компьютерной программой, сигнал визуализируется в виде кинетической масс-ароматограммы («визуальный отпечаток»). Масс-ароматограмма представляет собой лепестковую диаграмму изменения частоты колебания пьезокварцевых пластин сенсоров во времени при сорбции легколетучих соединений. Новым данный признак является для каждого вида образцов, не смотря на то, что применяется универсальная программа фиксирования откликов сенсоров, так как в соответствии с индивидуальным составом равновесной газовой фазы над пробой сока или сырья и природой пленок на электродах изменяется эффективность и селективность взаимодействия в системе и, как следствие, кинетика сорбции. После ее анализа выбирается временной интервал (10 с) для построения наиболее информативного «визуального отпечатка», характерного для данного вида виноградного сырья.
Алгоритм считывания сигналов и формирования масс-ароматограмм, а также количество сенсоров в матрице оптимизированы для достижения максимального различия и воспроизводимости аналитических сигналов (масс-ароматограмм) для проб-стандартов (тестов).
В качестве тестов выбраны следующие пробы-стандарты:
стандарт 1 - свежеприготовленный натуральный сок винограда мускатного сорта;
стандарт 2 - свежеприготовленный натуральный сок винограда столового сорта, не содержащего в аромате мускатного тона.
Для проб-стандартов построены стандартные кинетические масс-ароматограммы откликов матрицы из 4 масс-чувствительных сенсоров, полученных в течение 60 с (фиг.1). В идентичных условиях анализируют пробы сока других сортов винограда. Их масс-ароматограммы (фиг.2) сравнивают со стандартными масс-ароматограммами.
Способ поясняется следующим примером.
1. Подготовка детектирующего устройства «статический электронный нос». Формируют матрицу из 4 сенсоров «статического электронного носа». Электроды ПКР с собственной частотой колебания 10 МГц модифицируют равномерным нанесением микрошприцем растворов поливинилпирролидона в ацетоне, пчелиного воска в хлороформе, триоктилфосфиноксида и краун-эфира в толуоле для получения массы пленки 9-13 мкг с последующим статическим испарением свободных растворителей в эксикаторе над слоем осушителя или в сушильном шкафу при температуре 50±1°С в течение 20 мин. Модифицированные пьезорезонаторы охлаждают в эксикаторе над слоем осушителя до 20±2°С.
3
Сенсоры неподвижно закрепляют в держателях герметичной ячейки детектирующего устройства «статический электронный нос» объемом 50 см.
3
2. Пробоподготовку образцов соков осуществляют следующим образом: отбирают среднюю пробу сока, взвешивают на технических весах в бюксе с притертой полиуретановой пробкой, выдерживают 15 мин, через полиуретановую пробку отбирают шприцем 5 см равновесной газовой фазы.
3. Измерение аналитического сигнала «статического электронного носа». В ячейку детектирующего устройства шприцем вводят равновесную газовую фазу образца. Отклики матрицы сенсоров регистрируют частотомером или с помощью компьютера с интервалом 5 с в течение 60 с. Сигналы сенсоров формируют в кинетическую масс-ароматограмму.
Модификаторы ПКР регенерируют в сушильном шкафу при температуре 50±1°С в течение 5 мин. После охлаждения в эксикаторе до 20±2°С их применяют для последующих определений.
3
Равновесные газовые фазы различных образцов виноградного сока: проба 1 - столовый сорт винограда (красная ягода); проба 2 - столовый сорт винограда (бело-зеленая ягода); пробы 3-5 - бессемянный виноград сортов кишмиш; проба 6 - бессемянный столовый сорт винограда (зеленая ягода); проба 7, 8 - универсальные сорта винограда, объемом 5 см вводят последовательно в ячейку детектирования системы «статический электронный нос». Строят кинетические масс-ароматограммы ароматов анализируемых проб. Сопоставление масс-ароматограмм нескольких образцов виноградного сока позволяет быстро установить соответствие выбранным стандартам. Совпадение более чем на 75% свидетельствует об идентичности пробы натуральному виноградному соку с мускатным ароматом или натуральному виноградному соку без мускатного тона в аромате.
Проба 1 соответствует стандарту 1, ее мускатный аромат явно выражен. Пробы 2, 4, 5 и 6 максимально соответствуют стандарту 1 на уровне относительной погрешности (5-10%), однако мускатный аромат выражен в разной степени (наиболее выражен в пробе 2, значительно слабее в пробах 4, 5 и 6, о чем свидетельствует величина суммарного аналитического сигнала «статического электронного носа»). Проба 3 условно соответствует стандарту 1, в аромате присутствует мускатный профиль, однако также присутствует аромат иного тона, данный сорт винограда является межвидовым гибридом, полученным от муската в том числе. Пробы 7 и 8 не соответствуют ни одному из стандартов. Способ осуществим.
Отсутствие сорбционного гистерезиса позволяет многократно применять модифицированные резонаторы (число циклов сорбции, возможных с применением одного модифицированного пьезорезонатора более 100). Потеря пленки по массе после 100 циклов сорбции не превышает 0,5%. Воспроизводимость измерений - 10%, продолжительность анализа, включая модификацию электродов, составляет 30 мин; повторные измерения для одной пробы - 10 мин, производительность - 8 измерений/ч.
Сопоставление характеристики матриц сенсоров по прототипу и заявленному решению представлено в таблице. По сравнению с прототипом разработанный способ позволяет повысить производительность и точность определения, экспрессность анализа в 2-2,5 раза.
Таблица
Характеристика
Прототип
Предлагаемое решение
Число сенсоров в матрице
6
4
Сорбенты-модификаторы
поливинилпирролидон, триоктилфосфиноксид, пчелиный воск, краун-эфир, пчелиный клей, полистирол
поливинилпирролидон, триоктилфосфиноксид, пчелиный воск, краун-эфир
Последовательность опроса сенсоров при формировании масс-ароматограммы запаха
Имеет значение
Непринципиальна, т.к. опрос сенсоров идет одновременно
Алгоритм опроса сенсоров в матрице
Одновременный опрос в течение всего времени контакта пробы и всех сенсоров матрицы
Одновременный опрос в течение всего времени контакта пробы и всех сенсоров матрицы
Масс-ароматограмма (число сигналов)
72-144
48-96
Экспрессность опроса сенсоров
2 мин
1 мин
Продолжительность анализа, включая модификацию электродов
60 мин
30 мин
Общее время принятия решения
15 мин
10 мин (однократное измерение)
Производительность (проб/ч)
4
8
Правильность для многокомпонентных смесей (до 500 легколетучих компонентов)
Натуральный сок и искусственный аромат различимы по «визуальным отпечаткам», но неразличимы близкие по природе соки (апельсиновые)
Близкие по природе соки, имеющие разный тон аромата, надежно различимы по масс-ароматограммам (фиг.2)
Приведенный пример, фиг.1, 2 и характеристики, приведенные в таблице, показывают, что решение поставленной задачи достигается тем, что матрица сенсоров детектирующего устройства «статический электронный нос» сформирована из 4 масс-чувствительных пьезорезонаторов, электроды которых модифицированы сорбентами с различным сродством к различным легколетучим компонентам виноградного аромата и применима для оценки аромата винограда. Идентификация мускатного аромата винограда, виноградного сырья и сока осуществима, если масс-ароматограммы получают с применением матрицы 4 масс-чувствительных сенсоров с устойчивым «нулевым» сигналом, кинетический опрос которых производят в течение 60 с одновременно, расположение сенсоров в матрице произвольно, а сигналы формируют в кинетическую масс-ароматограмму.
Изменение условий эксперимента: увеличение или уменьшение числа сенсоров, увеличение или уменьшение массы пленок-модификаторов, изменение природы чувствительного покрытия, алгоритма построения масс-ароматограмм приводит к уменьшению метрологической надежности и чувствительности измерений, похожести масс-ароматограмм с ароматом различного тона, снижению числа измерений без обновления покрытий резонаторов, а также к срыву автоколебаний сенсоров и невозможности осуществления способа.
Разработанная матрица сенсоров «статического электронного носа» для идентификации мускатного аромата винограда, виноградного сырья и сока позволяет:
1) объективно и однозначно идентифицировать мускатный аромат винограда, виноградного сырья и сока;
2) повысить экспрессность и производительность определения за счет уменьшения числа сенсоров в матрице;
3) повысить точность и правильность результатов анализа за счет отсутствия субъективных причин органометрии (возраст, привычки, опыт, моральный настрой, обонятельная память и база необходимых знаний дегустатора);
4) упростить процесс организации дегустации;
5) упростить стадию визуализации результатов в масс-ароматограмму откликов матрицы сенсоров за счет непринципиального расположения сенсоров в матрице и последовательности их опроса, что существенно сокращает стадию принятия решения о качестве пробы.