СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗАТОР ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА МОЛОКА И МОЛОЧНОГО НАПИТКА

Полезная модель относится к анализу материалов, в частности молока и молочного напитка, и, конкретнее, к приборам, предназначенным для массовых анализов при определении качества молока одновременно по нескольким показателям, среди которых жир, белок, казеин, сухой обезжиренный молочный остаток, вода, лактоза. Область применения полезной модели: фермы производителей молока - сырья, молокоприемные пункты, лаборатории молочных предприятий пищевой, а также консервной промышленности.
Уровень техники
Известен экспресс-анализатор MilkoScan FT120, FossElectric, Дания, [1] принцип действия которого основан на регистрации поглощения компонентами молока в тонкой (50 мкм) проточной кювете с помощью фурье-спектрометра среднего инфракрасного диапазона. Прибор отличается сложностью конструкции, в том числе, устройств для промывки кюветы от остаточных жиров, высокой стоимостью приобретения, обслуживания и эксплуатации, невысокой воспроизводимостью при массовых анализах, доступен только специализированным лабораториям.
Известен также AfiLab - Спектроскопический анализатор жидкостей фирмы AfiMilk, Израиль, [2], основанный на измерении спектров коротковолнового ближнего инфракрасного (КВБИК) диапазона в режимах пропускания и рассеяния под различными фиксированными углами при использовании набора диодных излучателей, различных по спектру. Характеризуется, как недорогой оперативный, но недостаточно точный, особенно в отношении белков молока, прибор.
Известен также легкий в управлении экспресс-анализатор MilkoScan-3 КВБИК диапазона для композиционного анализа молока, в том числе содержания соматических клеток, представляющий собой композицию из малогабаритного прибора "Fruit Tester 20", FANTEC, Kosai-city, Япония, и бокса с образцом в пробирке, соединенного со спектрометром и источником света волоконными световодами [3].
Известен также Молочный анализатор NIT-38, фирмы NIRTech, Австралия, который служит средством определения содержания компонентов, таких как жир, белок и лактоза для жидких молочных продуктов. NIT-38 является КВБИК трансмиссионным спектрофотометром, основанным на использовании линейки кремниевых фотодиодов. Анализатор регистрирует спектр пропущенного сквозь образец излучения в КВБИК диапазоне. В пределах этой области жир, белок, вода и другие компоненты молочных продуктов в различной степени поглощают энергию излучения. Для установления корреляции спектров с концентрацией белка, жира и других компонент в образцах необходимо построить калибровку по образцам со стандартизованными показателями. Для калибровки анализатора NIT-38 используется регрессионный метод проекций на латентные структуры (ПЛС). Модели калибровки затем загружаются в микропроцессор анализатора NIT-38. Процедура анализа образцов состоит в загрузке образца в кювету и регистрации спектра пропускания, выборе калибровочной модели по типу продукта и получении результата определения на мониторе. Определение до 4 показателей происходит в течение 60 секунд.
Описанный анализатор наиболее близок к заявляемому и принят за прототип. Общими недостатками известных спектрометрических инфракрасных экспресс-анализаторов молока являются:
недостаточная чувствительность к слабопоглощающим компонентам, таким как белок, выражающаяся либо в невысокой точности, либо в сложности калибровочной модели, т.е. малой достоверности определения белков;
отсутствие в показаниях данных, пригодных для идентификации молочного напитка, т.е. продукта, восстановленного из сухого молочного порошка, например, мицеллированного казеина, окиси холестерина или типичных для молока соматических клеток и бактерий;
недостаточный динамический диапазон определения жиров в партиях образцов со значительной вариацией их массовой доли и размеров глобул, выражающийся в снижении точности определения жира по калибровочным моделям с широкой вариацией содержания жира.
Целью полезной модели является расширение функциональных возможностей анализатора для определения содержания тонкой дисперсной фазы - мицеллированного казеина в молоке и молочном напитке, увеличение диапазона определения грубых фракций, таких как жиры, соматические клетки и бактерии, а также повышение достоверности и точности определения слабопоглощающих фракций молока, таких как полный белок, окись холестерина и другие.
Сущность полезной модели
Молоко представляет собой многофазную дисперсию. Дисперсная фаза молока состоит из грубых фракций: жировых глобул (размером 0,5-10 мкм), соматических клеток (10-50 мкм) и бактерий (0,5-2 мкм) и других частиц в меньших количествах, тонких фракций: мицелл казеина (100-300 нм), агрегатов лактоглобулина и лактоальбумина (15-40 нм) (если молоко имеет естественную кислотность). Водная среда молока содержит растворенные сахара, в основном лактозу, влияющие на вязкость и показатель преломления, ферменты, витамины. На оптические свойства молока из последних оказывает влияние рибофлавин. Спектрометрические методы анализа должны учитывать основные процессы взаимодействия всех компонентов молока с излучением и по возможности сочетать использование и спектров поглощения, и рассеяния для оперативной и эффективной регистрации содержания дисперсных и растворенных компонентов. Интенсивность рассеяния излучения светового и КВБИК диапазона на частицах дисперсной фазы существенно (как степенная функция с показателем от 6 до 3 в различных участках спектра) зависит от размера частиц и слабее - от плотности числа частиц. Именно поэтому для определения массовой доли жира в партии образцов со значительной вариацией содержания (и связанной с ней вариацией среднего размера глобул) требуется прибор с отношением сигнал/шум более 40000, что недостижимо в спектрометрах рутинного класса.
Поставленная цель достигается тем, что анализатор дополнительно снабжен приемником обратного диффузного рассеяния в виде полой зеркальной камеры, установленной вплотную к кювете образца, с отверстиями для входа и выхода излучения и волоконным световодом, собирающим и направляющим поток рассеянного света в спектрометр через двух позиционный коммутатор, установленный в одной из двух позиций.
Другим отличием является второй световод, направляющий поток прошедшего образец излучения ко входной щели спектрометра посредством двух позиционного коммутатора в другой из двух позиций. Установленный перед входной щелью спектрометра и направляющий в него либо поток обратного рассеянного образцом излучения, либо поток прошедшего образец излучения коммутатор может управляться вручную оператором или по команде микропроцессора исполнительным механизмом.
Еще одним отличием является конструктивное объединение кюветы образца, эталонного образца и заглушки в одном держателе, перемещаемом по вертикали в направляющих и фиксируемом в трех положениях, что предоставляет оператору возможность выполнения измерения спектра измеряемого образца, эталона или темнового тока фотоприемников без дополнительных манипуляций.
Предпочтительный вариант осуществления настоящей полезной модели
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.
Объединение указанных элементов в общий кюветный блок, соединенный со спектрометром световодами и двух позиционным коммутатором, например, в виде двух позиционной заслонки-зеркала, позволяет осуществлять либо регистрацию спектра диффузного рассеяния, либо спектра пропускания в режиме малоугловой апертуры. В частности, для определения содержания грубой фракции молока - глобул жира и поглощающих компонент - воды и рибофлавина, используется спектр малоуглового пропускания, для определения содержания тонкой фракции молока - мицелл казеина, комплексов сывороточных белков или холестерина, используется спектр обратного диффузного рассеяния (отражения), который, в соответствии с теорией рассеяния Релея, содержит больший сигнал от мелких частиц (казеина, сывороточных белков) и меньшую долю сигнала - от больших частиц (глобул жира, соматических клеток и других) по сравнению со спектрами пропускания. Таким образом, конструкция бокса образца с камерой позволяет выбрать наилучший тип спектра для каждой из дисперсных фракций молока и тем самым существенно повысить чувствительность и точность определения белка на фоне различных количеств жира В этом состоит расширение функциональных возможностей анализатора.
Конструктивное объединение кюветы образца, эталонного образца и заглушки в одном держателе, перемещаемом по направляющим и фиксируемом в трех положениях, позволяет легко и быстро подставлять под освещающее излучение образец, или эталон, или заглушку, что сокращает время проведения анализа, облегчает труд лаборанта и повышает удобство обслуживания, что является добавочным эффектом.
Дополнительным преимуществом предлагаемого анализатора является его портативность. Незначительный вес - 6 кг, отсутствие движущихся частей и устойчивость показаний при сотрясении позволяют легко транспортировать прибор и приводить в действие в минимальных условиях молокоприемных пунктов и в условиях малых производств.
На Фиг.1 изображена структурная схема анализатора; на Фиг.2 -схема взаимного расположения камеры диффузного отражения, бокса образца и световодов излучения в аксонометрии.
Предлагаемый экспресс-анализатор содержит источник 1 света, коллиматор 2, полую зеркальную камеру 3 с входным и выходным отверстиями, бокс 4 образцов, держатель 5 кюветы 6 молока или молочного напитка и эталонного образца 7, волоконный световод 8 диффузно отраженного излучения с входной линзой, волоконный световод 9 прошедшего излучения с входной линзой, двух позиционную заслонку-зеркало 10 на входе спектрографа 11 коротковолнового ближнего инфракрасного диапазона, линейку 12 фотоприемников, блок 13 питания и компьютер 14 с монитором и клавиатурой. Все детали, включая компьютер 14, конструктивно объединены в общий корпус, обозначенный на чертеже пунктиром.
Анализатор работает следующим образом. Свет от источника 1 света проходит через коллиматор 2 и сквозь отверстия полой камеры 3 падает нормально на боковую грань кюветы 6 с образцом молока или молочного напитка, диффузно рассеиваясь и проходя сквозь образец одновременно. Диффузно отраженное излучение после многократного отражения от стенок камеры собирается на входной линзе волоконного световода 8, а прошедшее образец излучение собирается входной линзой световода 9. Оператор, устанавливая двух позиционную заслонку-зеркало 10 в одно из двух положений, регистрирует спектрометром на длинах волн в диапазоне 800-1070 нм либо спектр диффузного отражения, либо спектр ослабления (экстинкции) в режиме пропускания при малоугловой апертуре, задаваемой расстоянием от кюветы 6 до входной линзы световода 9.
2
3
На Фиг.2 изображен вертикальный разрез бокса 4 образца с молоком или молочным напитком. Держатель 5 кюветы 6 образца с молоком или молочным напитком, эталонного образца 7 и глухой заслонки (корпус держателя) устанавливают вертикальным возвратно-поступательным перемещением в одном из трех фиксированных положениях. В упомянутом держателе 5 эталонный образец 7 выполнен из керамики АlO толщиной 0,6 мм и расположен под кюветой 6 образца с молоком или молочным напитком, а ниже его - глухой корпус держателя 5, выполняющий роль заслонки для измерения темнового тока линейки фотоприемников спектрометра. Установленная под глухой заслонкой пружина 15 стремится вытолкнуть держатель вверх, а трех позиционный фиксатор препятствует этому. Оператор имеет возможность легким нажатием на держатель выбрать одно из трех положений для выполнения измерения темнового тока, спектра эталона или измеряемого образца, соответственно.
Анализатор снабжен микро-ЭВМ с монитором и клавиатурой, содержащей программы управления спектрометром, регрессионного анализа и банком калибровочных моделей.
В программе управления спектрометром 11 оператор задает режим считывания и накопления сигналов линейки 12 фотоприемников, представляющих собой спектр пропускания (или диффузного отражения) образца молока или молочного напитка или эталонного образца, а также выбирает один из предусмотренных способов преобразования спектра для программы регрессионного анализа. Затем оператор командой загружает преобразованные спектры в программу регрессионного анализа и запускает один из двух режимов: построения калибровочной модели или определения искомых показателей по одной из калибровочных моделей, хранящихся в памяти микро-ЭВМ. Отчет о полученном результате выводится на монитор микро-ЭВМ.
Спектрометрический экспресс-анализатор показателей качества молока и молочного напитка относится к приборам для определения содержания основных компонент молока и молочного напитка в условиях применения на малых и средних предприятиях молочной и других отраслей.
Принцип действия спектрометрического экспресс-анализатора основан на том, что сначала в экспресс-анализаторе регистрируются спектры пропускания излучения ближнего инфракрасного диапазона длин волн для набора образцов с известным содержанием требуемых компонент, а затем методом регрессионного анализа устанавливается калибровочная модель, т.е. корреляция между спектрами и содержанием компонент, которая в дальнейшем используется для определения содержания измеряемого показателя в неизвестном образце.
Сущность предлагаемого спектрометрического экспресс-анализатора заключается в том, что наряду с регистрацией спектров пропускания образца молочного продукта в нем с помощью дополнительной зеркальной полой камеры, волоконного световода и двух позиционного коммутатора осуществляется регистрация спектров диффузного отражения образца в той же области спектра. Измерительный цикл построен на последовательном измерении спектров диффузного отражения и пропускания образца и определении содержания тонкой дисперсной фракции по отраженному излучению, а содержания поглощающих и грубых рассеивающих фракций - по спектрам пропускания (экстинкции). Конструктивное объединение кюветы образца, эталонного образца и заглушки в одном держателе, перемещаемом по вертикали в направляющих и фиксируемом в трех положениях, предоставляет оператору возможность выполнения измерения спектров измеряемого образца, эталона и темнового тока фотоприемников без дополнительных манипуляций.
В зависимости от анализируемого продукта и компонента на приборе может быть построен и сохранен в памяти компьютера любой набор калибровочных моделей для определения 6 показателей качества. Предел основной погрешности измерения по белку гомогенизированного молока составляет 0,08%, по жиру - 0.06%, по казеину - 0.08%. Время определения показателей в образце не более 1 мин. Анализатор по указанным параметрам превосходит серийные анализаторы AfiMilk, Израиль и Молочный анализатор NIT-38, фирмы NIRTech, Австралия.
Список используемой литературы:
1.
2. Патент EP 1 444 501 B1 от 08.11.2001
3. Journal of Near Infrared Spectroscopy, Volume 16 Issue 4, Pages 389-398 (2008)
4. http://www.nirtech.net/DairyAnalyser.htm
5. Твердохлеб Г.В., Раманаускас Р.И. Химия и физика молока и молочных продуктов - М.: ДеЛи принт, 2006. - 360 с.