Испытание нового метода идентификации многокомпонентных жидкостей на основе технологии высыхающей капли для оценки качества продуктов питания

средствам регулирования параметров и режимов работы технических систем;

При решении экологических проблем сельскохозяйственного производства к приоритетным исследованиям стоит отнести работы по созданию интеллектуальных систем проектирования и оценки машинных технологий утилизации органических отход

сельскохозяйственного производства.

Необходимо продолжить исследования в области оценки диффузной нагрузки на основные компоненты окружающей среды с разработкой соответствующих технологий допустимого воздействия на окружающую среду.

УДК637.053+ 532:663.81 Б01 10.24411/0131-5226-2019-10145

ИСПЫТАНИЕ НОВОГО МЕТОДА ИДЕНТИФИКАЦИИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫСЫХАЮЩЕЙ КАПЛИ ДЛЯ ОЦЕНКИ

КАЧЕСТВА ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ

С. С. Морунова; А. А. Гаврилова, канд. биол. наук

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия» (Нижегородская ГСХА),Нижний Новгород, Россия

В статье приводятся результаты применения в качестве экспресс-метода технологии высыхающей капли, основанной на акусто-механическом импедансе, измерении динамики изменения механических свойств высыхающей капельки жидкости, построении импеданс-годографа и сравнение его с полученными ранее данными стандартного образца продукта. В работе рассматривается возможность применения метода ТВК для анализа качества продуктов питания. При наличии достаточно хорошей базы данных эти измерения не займут много времени и достаточно точно позволят определить качество продукции. В отделе радиофизических методов в медицине ИПФ РАН (г. Нижний Новгород) разработан прототип прибора, который силами студентов НГСХА был испытан при измерении акусто-механических характеристик молочной продукции и соков разных производителей, при различной степени разбавлении их водой, моделировании фальсификации продукции. Продукты отличались по составу и пищевой ценности. Всего было проделано 5 серий опытов с молочными продуктами и одна серия опытов с соком и нектарами. В первом случае было 7 вариантов разбавления водой, во втором - 3 варианта. В результате измерений были получены импеданс-годографы, показывающие динамику изменяющихся в процессе высыхания капли механических свойств жидкости, которые отражают зависимость изменяющихся параметров от состава жидкости. Полученные в ходе выполнения работы результаты показали, что данная технология позволяет определять степень разбавления продукта водой, многокомпонентность состава продукции, несоответствие этого состава натуральному продукту.

Ключевые слова: контроль качества продуктов питания, соки, нектары, молоко, молочные продукты, акусто-механический импеданс.

Для цитирования: Морунова С.С., Гаврилова А.А. Испытание нового метода идентификации многокомпонентных жидкостей на основе технологии высыхающей капли для оценки качества

продуктов питания // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 1(98). С. 268-274

TESTING A NEW IDENTIFICATION METHOD OF MULTICOMPONENT LIQUIDS BASED ON DRYING DROP TECHNOLOGY FOR FOOD QUALITY ASSESSMENT

S.S. Morunova; A.A. Gavrilova, Cand. Sc.

Federal State Budgetary Institution of Higher Education "Nizhny Novgorod State Agricultural Academy" (NNSAA), Nizhny Novgorod, Russia

The authors propose to use a drying drop technology as a rapid test method, which is based on acousto-mechanical impedance. In this method, the dynamics of changes in the mechanical properties of a drying liquid droplet are measured, an impedance hodograph is constructed and compared with the previously obtained data on a standard product sample. The paper considers the possibility of using this method for food quality analysis. In case a sufficiently good database is available, the measurements will not take much time and will accurately estimate the product quality. In the department of medical application of radiophysical methods of Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences (Nizhny Novgorod) a prototype was designed, which was tested by the students of NNSAA to measure the acoustic and mechanical characteristics of dairy products and juices of different manufacturers under varying degree of dilution with water, and to simulate the product falsification. Products differed in composition and nutritional value. Five series of experiments with dairy products and one series of experiments with juice and nectars were carried out overall. In the first case, there were seven variants of dilution with water, in the second - three variants. Impedance hodographs were constructed by the measurement results, showing the dynamics of the mechanical properties of the liquid changing during the droplet drying and demonstrating the dependence of the changing parameters on the composition of the liquid. The work outcomes proved the ability of this technology to determine the dilution degree of the product with water, the multiple components of the product composition, and the discrepancy between this composition and the natural product.

Keywords: food quality control, juice, nectar, milk, dairy product, acousto-mechanical impedance.

For citation: Morunova S.S., Gavrilova A.A. Testing a new identification method of multicomponent liquids based on drying drop technology for food quality assessment. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2019. 1

Введение изменений в отдельные законодательные

В настоящее время проблема акты Российской Федерации" [1], продовольственной безопасности встает недобросовестные производители порой очень остро и является одним из выпускают фальсифицированную

приоритетных направлений инновационных продукцию, допускают попадание на технологий в сельском хозяйстве. Несмотря прилавки магазинов продуктов питания с на то, что производство экологически чистой несоответствующим указанным на этикетке сельскохозяйственной продукции составом, несоблюдение Госстандартов. В

регулируется принятым Государственной первую очередь, это касается молока и Думой в июле этого года проектом молочной продукции, что особенно важно, федерального закона № 372830-7 " Об поскольку дело касается продуктов детского органической продукции и о внесении и диетического питания. По данным НИИ

269

питания РАМН, 30-50% всех болезней россиян связано с некачественным питанием [3]. «Мониторинг качества пищевой продукции, проводимый Росконтролем на протяжении последних трех лет, показывает отсутствие стабильности даже у крупных производителей», -сообщает М. Н. Рудаков, директор экспертного департамента «Росконтроль» [2].

Традиционные биохимические методы измерения [4, 5] показателей качества продуктов, применяемые в лабораториях контролирующих органов, требуют специально оборудованного помещения, обученного персонала, дорогостоящей измерительной техники, реактивов и расходного материала, а также предусматривает дополнительную

подготовку исследуемого образца: измельчение, растирание,

центрифугирование, фильтрование и т. д., что удлиняет время анализа. Иногда требуется достаточно быстро определить фальсификаты в исследуемых образцах продуктов [6]. В этой связи более эффективны экспресс-методы, основанные на измерении физических,

электрофизиологических и физико-химических характеристик биологических жидкостей.

Цель исследования

Проведение испытаний нового метода идентификации многокомпонентных

жидкостей на основе технологии высыхающей капли для оценки качества продуктов питания.

Материалы и методы

В качестве образцов для исследования брали молоко 3,2%-ной жирности (производство ЗАО «Молоко», г. Городец, Нижегородской области), раствор сухого молока, содержащее сухое цельное молоко с массовой долей жира 26% (изготовитель ООО «Распак», г. Москва) и заменителя сухого молока с массовой долей жира 28%, в

состав которого входило сухое обезжиренное молоко, молочная сывортока, крахмальная патока, заменитель молочного жира, эмульгаторы и стабилизаторы (изготовитель «Уральский маслозавод», Челябинская область, г. Озёрск), морковный сок «Морсок» (производитель: ООО РАДУГА, КБР, Прохладненский район) и нектары «Теди Морковь» (производитель: ООО СМП "Марк-ГУ", Калужская область, г.Обнинск) и «Спелёнок» (производитель: ОАО «Сады Придонья, Волгоградская обл., Городищенский район). В состав сока и нектаров входили морковное пюре, сахар, лимонная кислота и вода). Сок и нектары разбавляли водой (3 варианта разбавления): 100%-ный исходный раствор без разбавления, 2:1, 1:2. С молочными продуктами производили различные модели фальсификации: 5 серий измерений: заменитель сухого молока, сухое молоко, молоко, заменитель сухого молока + молоко и сухое молоко + молоко. И 7 вариантов разбавления в каждой серии: 100%-ный исходный р-р без разбавления (молоко или раствор сухого молока согласно способу приготовления, указанному на этикетке), 10%-ный раствор, 20%-ный раствор, 30%-ный раствор, 40%-ный раствор, 50%-ный раствор, 60%-ный раствор. Каждое измерение проводили в трёх повторностях.

Для анализа продуктов использовали лабораторный прототип «Аппаратно-программный комплекс анализа жидкостей при помощи технологии «высыхающей капли» ТВК-1», разработанный в отделе «Радиофизические методы в медицине» ИПФ РАН [7]. Ранее аппарат для измерения акусто-механического импеданса был с успехом применен для анализа алкогольной продукции [8]. Метод основан на изменении механических свойств высыхающей капли жидкости [9], которые регистрируются с помощью акустической импедансометриии являются паспортными характеристиками

многокомпонентной жидкости [10]. Аппарат для измерения имеет небольшие габаритные размеры и массу, оснащен USB-портом для подключения к компьютеру (ноутбуку) и флеш-подобным сенсорным датчиком с кварцевой пластинкой, частота колебаний которого лежит в пределах 1000 Гц. На поверхность кварцевой пластины капают капельку объемом 3 мкл. Процесс высыхания капли зависит от свойств жидкости и влажности окружающего воздуха,и занимает от 15 до 30 минут. В процессе высыхания капли на экране отражается динамика регистрируемых параметров (реальная и мнимая компоненты акустического импеданса), критичные к составу жидкости. Последовательность фазовых переходов компонентов жидкости в процессе высыхания капли сопровождается изменением ее комплексных механических свойств, связанных с изменением массы высыхающего вещества, вязкостью, эластичностью и др. и которые регистрируются с помощью акустической импедансометрии. Полученные сигналы анализируются программным обеспечением, визиализируются в форме импеданс-годографа и сравниваются с соответствующими данными эталонного образца, полученного заранее.

Результаты и обсуждение

В результате проведенных исследований были получены импеданс-годографы для молочных продуктов (рис. 1а) и соков (рис. 1б), где ось Х - реальная часть Re, ось Y -мнимая часть Im измеряемого механического напряжения (в относительных единицах). На рисунке 1а показано, что заменитель сухого молока с многокомпонентным составом, без содержания цельного молока, имеет существенные отличия от сухого цельного молока и жидкого цельного молока. Это дает основание полагать возможное применение данного метода при выявлении фальсификатов молока. Такую же высокую

чувствительность метод показал и при исследовании образцов соков и нектаров. Для исследования были взяты нектар «Спеленок» с составом: морковное пюре, вода, сахар (данные о составе указаны по этикетке, дополнительных биохимических исследований не проводилось), сок «Морсок» с составом: морковь, питьевая вода, сахар, лимонная кислота, и нектар «Теди», включающий кроме лимонной кислоты аскорбиновую (витамин С). При этом количество углеводов в образцах было примерно одинаковым 11,2-12,6 г. на 100 г. продукта, бета-каротин - чуть более 2 мг. Форма кривой годографа имела отличия в зависимости от состава продукта. При этом «Морсок», как указано на этикетке, содержит не менее 30 мг витамина С без указания введения аскорбиновой кислоты в состав продукта, столько же его содержится в нектаре «Теди», где этот компонент указан в составе. Такие же различия показаны при растворении напитков и молока водой. Выявленные различия имеют особенную важность при исследовании продуктов функционального назначения (детское и диетическое питание).

Приведенные графики молочных продуктов показывают, что кривые исследуемой жидкости с содержанием цельного продукта (молоко и сок) располагаются по шкале Y ниже, чем те, которые представляют собой

многокомпонентные смеси, и, особенно, если этот исследуемый образец практически не имеет в своем составе натурального продукта (заменитель молока). Очевидно, что состав капли влияет на изменение физических характеристик -вязкости, эластичности и плотности исследуемой жидкости. Импеданс-годографы сока и нектаров различались также и по реальной части механического напряжения (ось X). Что, возможно связано с различным

содержанием морковного пюре в составе продукта.

Рис. 1. Импеданс-годографы молока (а; красным цветом (1) отмечен заменитель сухого молока,

синим

В настоящий момент проводится накопление баз данных по молочным продуктам для калибровки прибора и проведения количественного анализа исследуемых образцов.

Выводы

Проведенные серии экспериментов показали перспективность продолжения исследований, простоту и высокую чувствительность метода, процесс измерения не затрачивает много времени, позволяет измерять образец без предварительной подготовки, не нарушая его целостности и структуры, в дальнейшем позволит производить контроль качества продукции на поточной линии производства, на складах, в полевых условиях.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Федеральный закон № 280 ФЗ от 3 августа 2018 «Об органической продукции и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». [Электронный ресурс]. URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_L AW 304017/ (дата обращения 19.10.2018).

2. Какие молочные продукты самые безопасные и качественные? / Союз потребителей «Росконтроль».[Москва], 2014. URL:

https://roscontrol.com/journal/articles/analiziruy -eto-roskontrol-opredelil-kakie-molochnie-produkti-samie-bezopasnie-i-kachestvennie/ (дата обращения: 19.10.2018).

3. Современные технологии производства здоровой пищи. URL: http//www.ion.ru/index.php/2016-03-05-07-07-36/424. (дата обращения: 20.10.2018).

4. Ермаков А. И. Методы биохимического исследования растений. М.: Агропромиздат, 1987. с.21-23.

5. Шиповская А. Б. Методы выделения и физико-химические свойства природных полисахаридов / А. Б. Шиповская. Саратов: СГУ им. Н. Г. Чернышевского, 2015. 64 с.

6. Кокшаров А.А. Роль и место систем качества на предприятиях общественного питания. Пищевые продукты и здоровье человека: материалы IV Всероссийской конференции с международным участием студентов, аспирантов и молодых ученых. Кемерово, 2011. 323-324 с.

7. Способ исследования многокомпонентной жидкости [Текст]: пат. 2232384 Российская Федерация: МПК7 G01N 29/02, G01N 33/487. /Яхно ТА., Яхно В.Г., Шмелев И.И., Санин А.Г., Кротов Е.В.; заявитель и патентообладатель Яхно Татьяна

Анатольевна. - 2001101946/28, 23.01.2001; опубл. 10.07.2004.

8. Yakhno Tatiana et al. Uncoated Quartz Resonator as a Universal Biosensor / Intelligent and Biosensors (Vernon S. Somerset (Ed.). Vulkovar, Croatia: INTECH, 2010. pp. 345362.

9. Yakhno Tatiana et al. Drying Drop Technology in Wine and Hard Drinks Quality Control. //Handbook of food bioengineering: Food control and biosecurity (Alexandru

Grumezescu, Alina-Maria Holban (Eds.). Elsevier-Academic Press. 2018. Vol.16. pp. 451-480.

10. Яхно. Т.А., Санин А.Г., Санина О.А., Яхно В.Г. Динамика механических свойств капель биологических жидкостей в процессе высыхания как отражение особенностей самосборки их компонентов от нано- до микроуровня. // Биофизика. 2011. Т. 56. № 6. 1016-1022.

REFERENCES

1.Federal Law No. 280 FZ of August 3, 2018 "On Organic Products and on Amendments to Certain Legislative Acts of the Russian Federation". Available at: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_L AW_304017/

2.Kakie molochnye produkty samye bezopasnye i kachestvennye? / Soyuz potrebitelei «Roskontrol' [Which dairy products are the safest and highest quality? Consumer Union "Roskontrol"]. Available at: https://roscontrol.com/journal/articles/analiziruy -eto-roskontrol-opredelil-kakie-molochnie-produkti-samie-bezopasnie-i-kachestvennie/

5.Shipovskaya A. B. Metody vydeleniya i fiziko-khimicheskie svoistva prirodnykh polisakharidov [Methods of isolation and physico-chemical properties of natural polysaccharides]. Saratov: SGU named after N. G. Chernyshevsky. 2015: 64.

6.Koksharov A.A. Rol' i mesto sistem kachestva na predpriyatiyakh obshchestvennogo pitaniya [The role and place of quality systems in catering]. Pishchevye produkty i zdorov'e cheloveka: materialy IV Vserossiiskoi konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem studentov, aspirantov i molodykh uchenykh. Proc. IV All-Rus. Conf. "Food products and human health"]. Kemerovo, 2011: 323-324.

7.Yakhno T.A., Yakhno V.G., Shmelev I.I., Sanin A.G., Krotov E.V. Sposob issledovaniya mnogokomponentnoi zhidkosti [Method of investigation of multicomponent liquid]: Patent for an invention of the Russian Federation No. 2232384. 2001

8.Yakhno Tatiana et al. Uncoated Quartz Resonator as a Universal Biosensor. Intelligent and Biosensors

9.Tatiana Yakhno. Drying Drop Technology in Wine and Hard Drinks Quality Control. Handbook of food bioengineering: Food control and biosecurity

10.Yakhno T.A., Sanin A.G., Sanina O.A., Yakhno V.G.. Dinamika mekhanicheskikh svoistv kapel' biologicheskikh zhidkostei v protsesse vysykhaniya kak otrazhenie

osobennostei samosborki ikh komponentov ot nano- do mikrourovnya [The dynamics of the mechanical properties of droplets of biological fluids in the drying process as a reflection of the

features of the self-assembly of their components from the nano to the micro level]. Biofizika. 2011. vol. 56. No. 6: 1016-1022.