СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗАТОР ФАЛЬСИФИКАЦИИ МОЛОЧНОГО ЖИРА В ЖИРО-МАСЛЯНЫХ СМЕСЯХ

Спектрометрический экспресс-анализатор фальсификации молочного жира в жиро-масляных смесях относится к устройствам для анализа молочных материалов, в частности, к приборам для определения содержания характерных компонентов молочного жира в условиях применения на малых и средних предприятиях молочной и других отраслей.
Известен способ обнаружения растительных жиров в жировой фазе продукта с применением газожидкостного хроматографа по ГОСТ 51471-99 по содержанию β-ситостеринов, но метод не оперативен и дорогостоящ. В работе тем же методом [G.Contarini, et al., "Quantitative analysis of sterols in dairy products: experiences and remarks", International Dairy Journal, 12, 2002, pp.573-578] показано, что холестерин является характерным признаком молочного жира, а его наличие на уровне 0.24% вес и выше есть показатель отсутствия растительных масел в смесях.
Известно определение холестерина спектрометрическим (в диапазоне длин волн 1.25-2,5 мкм) способом в молочных продуктах и в сливочном масле, выполненное в работе [M.Paradcar and J.Irudayraj (2002) "Determination of cholesterol in dairy products by infrared techniques: 2. FT-NIR method", International Journal of Diary Technology, v.55, N 3, pp.132-138] с многоступенчатой пробоподготовкой, включающей экстракцию жиров, отделение их от холестерина омылением и растворение выделенного холестерина в хлороформе. Данный метод оперативнее хроматографического, но содержит вредные для оператора процедуры.
Известно другое вещество - масляная кислота - характерное для молочного жира, предлагаемое в качестве его меры в масложировых смесях. [«Методические указания по оценке подлинности и выявлению фальсификации молочной продукции». М.: Федеральный Центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, МУ 4.1./4.2.2484-09, Москва, 2009, 26 с.], Ее содержание в молочном жире составляет массовую долю не менее 2% вес, следовательно, для ее регистрации требуется индикатор с меньшей чувствительностью, чем для регистрации содержания холестерина.
Известен спектрометрический способ прямого (без пробоподготовки) определения свободных жирных кислот в жире по спектру поглощения в области длин волн 5.40-6.33 мкм [А.А.Ismail, et al., J. of Am. Oil Chem. Soc., V 70, N 4, (1993), pp.335-341], сопряженный с применением Фурье-спектрометра среднего инфракрасного (ИК) диапазона.
Известно, что для идентификации масла камелии, а также для определения его содержания в исследуемом образце, был применен волокно - оптический спектрометр коэффициента диффузного отражения в ближней инфракрасной (БИК) области (1.6-1.85 мкм) [Li Wang et al., Food Chemistry, V 95, Is 3, 2006, pp.529-536], с использованием алгоритма проекций на латентные структуры (ПЛС).
Более близким к предлагаемому является обнаружение, идентификация и определение фальсификации оливкового масла кукурузным, ореховым, соевым и подсолнечным выполненое посредством БИК фурье-спектрометра в режиме пропускания в области 800-2200 нм и ПЛС калибровки в работе [S.Kasemsumran et al., Spectroscopy Letters: An International Journal for Rapid Communication, V 38, Is 6, 2005, p p.839-851].
В патенте РФ 2316755 описывается инфракрасный (ИК) спектрометр для определения компонента в образце, основанный на внесении поправки в относительное значение отклика в имеющийся интерфейс оператора.
Также известен способ и устройство для количественного анализа продуктов с помощью БИК спектрометра.
(см. патент РФ 2395073).
Известно изобретение, относящееся к области количественных методов и устройств анализа по инфракрасным спектрам, основанное на множественной регрессии. Но в нем не решены проблемы пробоподготовки и выбора «толщины» образца, необходимых для требуемой точности определения.
(см. Патент CN 102135496)
Общие недостатки спектрометрической диагностики состава жиров и масел: недостаточная оперативность и чувствительность, громоздкое и дорогое оборудование, опасные реактивы. Кроме того, вышеперечисленные аналоги не определяют показатели, пригодные для идентификации молочного жира.
Наиболее близким к предлагаемому по совокупности существенных признаков является коротковолновый БИК анализатор для определения содержания различных фракций молока, содержащий расположенные на одной оптической оси источник света, коллиматор, бокс с кюветой образца, спектрометр коротковолнового БИК диапазона с многоканальным фотоприемником, процессор с программами управления спектрометром и регрессионного анализа и банк калибровочных моделей..
(см. Патент РФ 2410671)
Калибровочная ПЛС модель, построенная на стандартных образцах, используется для определения содержания измеряемого показателя в неизвестном образце по его спектрам экстинкции. Анализатор определяет лишь суммарное содержание жиров и потому непригоден для проверки состава жиров, он также имеет общие недостатки спектрометрической диагностики состава жиров и масел: недостаточную оперативность и чувствительность.
Задачей полезной модели является создание спектрометрического экспресс-анализатора фальсификации молочного жира в жиро-масляных смесях, обеспечивающего оперативное обнаружение фальсификации молочного жира с достаточной чувствительностью к содержанию характерного параметра с помощью компактного, недорогого и простого в эксплуатации прибора.
Основу сливочного масла (до 85%) составляет молочный жир. Он состоит из зфиров жирных кислот (более 40 видов) и, так называемой, неомыляемой части, составляющей около 75 мг%. Характерными для молочного жира являются низкомолекулярные летучие жирные кислоты (масляная, капроновая, каприловая), составляющие около 8% от общего состава жирных кислот, а также, следуя МУ - уровни минорных (пентадекановой, пальмитолеиновой и маргариновой) кислот и трансизомеров ненасыщенных кислот (элаидиновой и линолэлаидиновой). Среди них наибольшее содержание имеет масляная кислота (2-4,2% вес), однако на фоне других кислот с большими концентрациями (пальмитиновой - 22-33% вес., олеиновой - 22-32% вес., стеариновой - 9-13% вес.) для обнаружения вариаций масляной кислоты требуется прибор с достаточной чувствительностью и селективностью.
Задача решена путем создания спектрометрического экспресс-анализатора фальсификации молочного жира в жиро - масляных смесях, содержащего расположенные на одной оптической оси источник света, коллиматор, кюветный блок для образцов, спектрометр, а также процессор для многокомпонентного анализа по методу проекции на латентные структуры (ПЛС) и банк калибровочных моделей для определения содержания характерных компонент, отличием которого, согласно изобретению, является то, что снабжен индикатором фальсификаций, содержащим память, процессор решений, устройство визуализации, а в качестве спектрометра он содержит спектрометр, обеспечивающий регистрацию спектров поглощения образцом излучения в диапазоне длин волн 1,1-1,7 мкм со спектральным разрешением не менее 8 нм.
Целесообразно, чтобы кюветный блок для образцов включал в себя адаптированную к лучу спектрометра (по материалу и геометрии) кювету для жидких образцов толщиной 2-3 см и термостат, поддерживающий температуру в диапазоне 56-58°С.
Целесообразно, чтобы банк калибровочных моделей для определения содержания характерных компонентов состоял из моделей для определения массовых долей компонентов молочного жира: масляной, пентадекановой, маргариновой, элаидиновой жирных кислот, а также воды и белка.
Желательно, в одной из возможных реализации, чтобы кюветный блок был выполнен в виде выносного оптоволоконного зонда с термостатом в диапазоне 56-58°С.
При использовании заявленного спектрометрического экспресс-анализатора фальсификации молочного жира в жиро - масляных смесях, достигается технический результат заключающийся в том, что позволяет уверенно различать вариации, связанные с масляной и другими характерными кислотами, обеспечивая повышение оперативности обнаружения фальсификации причем без операций пробоподготовки и использования опасных реактивов.
Сопоставительный с прототипом анализ указывает на отличия в дополнительных узлах, их выполнении и размещении, что обеспечивает предложению ожидаемые положительные свойства и новизну. Промышленная применимость обеспечивается серийностью основных узлов, программным обеспечением, созданием и проверкой опытного образца.
Рассмотрим, как каждый из отличительных признаков и их совокупность влияют на достижение поставленных целей.
2
2
Выбранный спектральный диапазон позволяет регистрировать полосы поглощения вблизи 1.2 и 1.4 мкм, отнесенные к молекулярным связям (1211 нм - 2 обертон связи «С-Н растяжение», в функциональной группе -СН-, и 1414 нм - связи «2С-Н растяжение» и «С-Н деформация», в -СН-), характерным для жиров и масел, а спектральное разрешение от 8 нм позволяет уверенно различать вариации, связанные с масляной и другими характерными кислотами, что было подтверждено экспериментально. В банке калибровочных моделей можно хранить несколько моделей для различных типов жиро-масляных смесей. Работа в БИК диапазоне благодаря отсутствию пробоподготовки позволяет сократить время проведения анализа, облегчает труд лаборанта, повышает его безопасность и удобство обслуживания прибора, что является добавочным эффектом.
Индикатор повышает оперативность обнаружения фальсификации, т.к. в его алгоритм решений заложена информация о содержании необходимых для испытуемой смеси характерных компонент.
Термостабилизация кюветного отделения позволяет избежать искажения результатов измерений из-за температурных скачков и гарантирует единство условий эксперимента.
Дополнительным преимуществом анализатора является возможность реализации кюветного отделения в виде выносного оптоволоконного зонда. Подобная модификация позволяет встроить прибор непосредственно в процесс контроля в качестве составного элемента, что расширяет возможности его применения.
На Фиг.1 - представлена блок-схема спектрометрического экспресс-анализатора фальсификации молочного жира в жиро-масляных смесях, на Фиг.2 - показаны спектры поглощения калибровочных образцов, полученные с помощью БИК спектрометра, на Фиг 3 - показан график соотношения измеренных (по оси Y) и арбитражных (по оси X) значений масляной кислоты для 10-ти калибровочных образцов по данным программы регрессионного анализа ISCAP: Коэффициент корреляции R=99.47%, среднеквадратичное отклонение 0.11%, при числе факторов 4, на Фиг.4 приведен внешний вид спектрометрического экспресс - анализатора фальсификации молочного жира.
Спектрометрический экспресс-анализатор фальсификации молочного жира в жиро-масляных смесях содержит (см. Фиг.1) источник излучения 1, коллиматор 2, кюветный блок 3 с термостатом, ближний инфракрасный спектрометр 4, процессор 5, банк моделей 6, индикатор 7, устройство визуализации 8.
Устройство работает следующим образом. Свет от излучателя 1 через коллиматор 2 проходит сквозь кювету 3 с подогретым до 58°С образцом и попадает в спектрометр 4. Прошедший сигнал преобразуется в спектр, оцифровывается спектрометром и поступает в процессор 5, где по нему и по одной или нескольким имеющимся в банке 6 калибровочным моделям определяется содержание характерных компонент. Значения компонент поступают в индикатор 7, который по заданному оператором типу смеси и значениям характерных компонент устанавливает наличие и количество фальсификата, рассчитывает погрешность и доверительные вероятности и выводит для оператора эту информацию на устройство визуализации 8.
Спектрометрический экспресс-анализатор фальсификации молочного жира относится к приборам для определения содержания характерных компонент молочного жира в условиях применения па малых и средних предприятиях молочной и других отраслей.
Принцип действия спектрометрического экспресс-анализатора основан на том, что с его помощью регистрируются спектры поглощения излучения БИК диапазона длин волн для образцов, затем по ним методом регрессионного ПЛС (проекция на латентные структуры) анализа с применением калибровочной модели определяют содержание характерных компонент молочного жира, значения которых поступают в индикатор, где используют вместе с введенным оператором типом смеси для определения и вывода на монитор наличия и количества фальсификата, погрешности и доверительной вероятности определения.
При испытании возможности реализации были приготовлены партии калибровочных образцов путем внесения масляной кислоты (х.ч.) в весовых долях в смесь молочного жира и ненасыщенных жирных кислот. После нагревания до 58°С и встряхивания в течение 10 минут получены прозрачные образцы для диапазоне концентраций масляной кислоты 0.4-4.5% вес., что достаточно для построения калибровочной модели для прямого определения содержания масляной кислоты в жировой фазе образца.
Затем с помощью БИК спектрометра, оборудованного кюветой с оптическим зазором 2 см, поддерживаемой при температуре 58°С (см. Фиг.4) было выполнено измерение спектров поглощения излучения в области длин волн 1.1-1.7 мкм 10-ти калибровочных образцов и 6-ти тестируемых образцов жира.
На Фиг.3 отчетливо видны вариации, пригодные для построения на них калибровки.
По спектрам калибровочных образцов после их сглаживания и дифференцирования была построена калибровочная ПЛС модель с использованием программы ISCAP (свидетельство гос. Регистрации №2007613444 от 21 июня 2007 г).
Испытания модели и оценка погрешности прибора были выполнены на 6 образцах жиро-масляной продукции, выработанной рядом производителей (см. Табл.1) и измеренные по составу жирных кислот и сертифицированные в испытательной лаборатории «Молоко» ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии методом газовой хроматографии.
Спектры тестирующих образцов, измеренные БИК спектрометром, были загружены в программу ISCAP, подвергнуты сглаживанию и дифференцированию и с помощью калибровки по ним определено содержание масляной кислоты. Результат представлен в Табл. 1.
Таблица 1.
№ и наименование образцов
Содержание масляной кислоты, % по настоящему методу
Содержание масляной кислоты, % по методу газовой хроматографии
Разность результатов
Идентификация образца: содержание более 5% растительных компонентов
1 масло «Крестьянское»
0.45
0.42
-0.02
да
2 масло «Valio»
2.5
2.45
-0.05
нет
3 маргарин
<0.4
0.36
0
да
4 спред «Экстра»
0.52
0.51
-0.1
да
5 жир из молока-сырья
2.6
2.6
0
нет
6 маргарин «Сливочный»
0.49
0.47
-0.02
да
По показаниям Спектрометрического экспресс-анализатора фальсификации молочного жира о содержании масляной кислоты в масле, маргарине и смесях можно сделать вывод, что в образцах 1, 3, 4 и 6 содержание растительных масел более 5%, а в образцах 2 и 5 растительных масел практически нет, что совпадает с данными хроматографии.
Из представленных результатов можно заключить, что спектрометрический экспресс-анализатор фальсификации молочного жира в жиро - масляных смесях пригоден для индикации фальсификатов молочного жира, причем:
- повышена безопасность анализа за счет отказа от токсичных и летучих растворителей масел и жиров - хлороформа (для средней ИК области) и 4-х хлористого углерода (для БИК области);
- повышена оперативность измерения за счет отсутствия пробоподготовки исследуемого образца;
- БИК спектрометр портативен (масса - до 5 кг без ноутбука) и транспортируем.