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 излучения среднего инфракрасного диапазона компонентами молока в тонкой (50 мкм) проточной кювете. 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 несколькими фиксированными углами при использовании набора различных по спектру диодных излучателей. 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 анализа содержания компонент молока, в том числе 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 [4], который служит средством определения содержания компонент, таких как жир, белок и лактоза в жидких молочных продуктах. NIT-3 8 является КВБИК спектрофотометром с линейкой кремниевых фотодиодов в качестве фотоприемного устройства. Анализатор регистрирует спектр прошедшего сквозь образец излучения в КВБИК диапазоне. В пределах этой области спектра 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 для прибора NIT-38 построена калибровка по 10-ти образцам со стандартизованными показателями методом проекций на латентные структуры (ПЛС). Модели калибровки затем загружены в компьютер анализатора NIT-38. Процедура анализа образцов состоит в загрузке образца в кювету, регистрации спектра пропускания, выборе калибровочной модели по типу продукта и получении результата определения на мониторе. Определение до 4 показателей происходит в течение 60 секунд.
В спектрометрическом анализаторе [5] определение до 5 показателей качества молока достигается тем, что анализатор дополнительно снабжен приемником обратного диффузного рассеяния, состоящего из полой зеркальной камеры, установленной вплотную к кювете образца, и волоконного световода, направляющего поток рассеянного света в дифракционный спектрометр через 2-х позиционный коммутатор, установленный в 1-й позиции, а прошедшее образец излучение собирается и направляется в тот же спектрометр другим волоконным световодом через 2-х позиционный коммутатор, установленный во 2-й позиции. Спектры пропускания и обратного рассеяния последовательно регистрируют и сохраняют в памяти компьютера. Затем они, а также выбранные оператором калибровочные модели по определяемым показателям, хранящиеся в памяти компьютера (банке калибровочных моделей), загружают в программу регрессионного анализа, которая выдает значения определяемых показателей на монитор. Описанный анализатор наиболее близок к заявляемому и принят за прототип. Недостатком вышеописанного способа является последовательная регистрация сигналов каналов пропускания и обратного рассеяния одним спектрометром, увеличивающая необходимое время регистрации и приводящая к невозможности оптимизировать режимы регистрации в обоих каналах.
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, а также малой достоверности определения белков;
отсутствие в составе показателей таких, как, например, мицеллированный казеин или типичные для молока соматические клетки и бактерии, которые пригодны для дискриминации молока и молочного напитка (т.е. продукта, восстановленного из сухого молочного порошка);
невозможность оптимизировать анализатор к различным компонентам.
Целью полезной модели является повышение оперативности определения, расширение функциональных возможностей анализатора для определения содержания тонкой дисперсной фазы - мицеллированного казеина и грубых фракций, таких как соматические клетки и бактерии, а также повышение достоверности и точности определения показателей качества молока и молочного напитка, таких, как содержание жира, белка, сухих веществ и других.
Сущность полезной модели
Молоко представляет собой многофазную дисперсию [6]. 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 спектров рассеяния для оперативной регистрации содержания дисперсных и растворенных компонентов. Интенсивность рассеяния излучения видимого 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 динамическим диапазоном, который недостижим в спектрометрах рутинного класса.
В настоящем предложении поставленная цель достигается тем, что канал обратного диффузного рассеяния образуется световодом, установленном под углом 30 градусов к оси падающего луча и дополнительным спектрометром, по типу подобным первому, но допускающему выбор другого спектрального диапазона и другого референса.
2
5
Другим отличием является блок образцов, в котором жидкий образец помешен в стандартную химическую пробирку типа ПХ 12, а референсный образец - пластина керамики АlO - выполнен в виде вставки.
Еще одним отличием является светонепроницаемая заслонка которая пружиной устанавливается в положение, автоматически перекрывающее падающий луч при вынутых пробирке или вставке-держателе референса.
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.
Исследование других источников информации в данной области техники показали отсутствие в них всей предлагаемой совокупности признаков и неочевидность решения для специалиста, что обеспечивает предложению соответствие изобретательскому уровню.
Рассмотрим, как каждый из отличительных признаков и их совокупность влияют на достижение поставленных целей.
Двухканальная схема позволяет регистрировать спектры пропускания и обратного рассеяния образцом одновременно, что повышает оперативность определения, по крайней мере вдвое.
Возможность регистрировать спектры пропускания и обратного рассеяния в различных спектральных диапазонах позволяет адаптировать анализатор к различным показателям молока путем оптимизации спектрального диапазона и типа эталонного образца для каждого из двух каналов и, тем самым, расширить функциональные возможности анализатора.
Возможность оптимизировать режимы регистрации спектров пропускания и обратного рассеяния в каждом спектрометре позволяет повысить качество спектров и, следовательно, точность и достоверность определения показателей.
На Фиг.1 изображена структурная схема анализатора. Предлагаемый экспресс-анализатор содержит источник света 1, объектив 2, светофильтр 3, кювету-пробирку 4, дифракционные решетки 5, поворотные зеркала 6, линейку фотоприемников спектрометра пропускания 7, микропроцессорный блок 8, компьютер с монитором и клавиатурой 9, волоконный световод 10, линейку фотоприемников спектрометра обратного рассеяния 11. Все детали, включая компьютер 9, конструктивно объединены в общий корпус.
Анализатор работает следующим образом. При вынутых из прибора пробирке и держателях эталонных образцов - пластинами материалов, адаптированными по оптическим свойствам к рассеянию и ослаблению молоком или молочным напитком, свет от источника 1 проходит через объектив 2 и светофильтр 3 и падает светонепроницаемую заслонку. Если вставить один из держателей эталонного образца то заслонка автоматически отодвигается и свет попадает на эталонный образец, отражаясь в канал обратного рассеяния и проходя в канал пропускания и регистрируется соответствующими спектрометрами. Если затем заменить держатель пробиркой с образцом молока или молочного напитка, то свет попадает на боковую поверхность пробирки 4, диффузно рассеиваясь в образце и частично проходя сквозь него. В режиме измерения спектров образца диффузно рассеянное назад излучение собирается волоконным световодом 10 и направляется на входную щель спектрометра обратного рассеяния, а излучение, прошедшее образец, попадает на входную щель спектрометра пропускания. Спектры пропускания и обратного рассеяния одновременно регистрируют и сохраняют в памяти компьютера. Затем они, а также выбранные оператором калибровочные модели по определяемым показателям, хранящиеся в памяти компьютера (банке калибровочных моделей), загружают в программу регрессионного анализа, которая выдает значения определяемых показателей на монитор. В другой реализации держатель с эталонным образцом вынимается и автоматически замещается заслонкой с закрепленном на ней вторым эталонным образцом, адаптированным по светоотражению к сигналу обратного рассеяния. В едином микропроцессоре 8 линейки фотоприемников обоих спектрометров опрашиваются и сформированные сигналы передаются в компьютер, где обрабатываются по программе, заданной оператором.
На Фиг.2 представлены фотографии спектрометрического анализатора молока САМ-03К - а) и вынутых из его корпуса двухканального спектрометра и кюветного блока - б), реализованные в соответствии с вышеприведенной схемой.
Анализатор снабжен нэтбуком Inspiron Mini 10, содержащим программы управления спектрометром, регрессионного анализа и интерфейса пользователя.
Показания массовых долей в процентах 5-ти определяемых параметров для измеренных образцов отображаются на мониторе нэтбука с точностью до 3-его знака после запятой.
В зависимости от анализируемого продукта и компонента на приборе может быть построен и сохранен в памяти компьютера любой набор калибровочных моделей для определения 5 показателей качества. Предел основной погрешности определения содержания в питьевом молоке белка составляет 0,08%, жира - 0.1%, сухого обезжиренного молочного остатка - 0.6%, казеина - 0.08%, числа соматических клеток - 12% при уровне до 500000. Время определения показателей в образце не более 10 сек. Анализатор имеет расширенный список определяемых показателей по сравнению с прототипом, и превосходит серийные анализаторы AfiMilk, Израиль и Молочный анализатор NIT-38, фирмы NIRTech, Австралия по указанным параметрам.
Список используемой литературы
1. http://www.foss.dk/Solutions/ProductsDirect/MilkoScanFT120.aspx
2. Патент ЕР 1444501 В1 от 08.11.2001
3. J. Near Infrared Spectroscopy, V 16, I 4, P 389-398 (2008)
4. http://www.nirtech.net/DairyAnalyser.htm
5. Патент РФ на полезную модель № 92191 с приоритетом от 16.11.2009.
6. Твердохлеб Г.В., Раманаускас Р.И. Химия и физика молока и молочных продуктов - М.: ДеЛи принт, 2006. - 360 с.