Применение инфракрасных термогравиметрических влагомеров для измерения влажности пищевых продуктов

Ключевые слова: пищевая промышленность; измерение влажности; инфракрасный термогравиметрический метод.

УДК 664:543.275.1:537.312.51

Применение инфракрасных

термогравиметрических

влагомеров

для измерения влажности пищевых продуктов

А.С. Сергеева

Уральский научно-исследовательский институт метрологии Д.Л. Московкин

ООО «Сарторос»

Вода - важнейшая составляющая пищевых продуктов и продовольственного сырья. Она присутствует в разнообразных растительных и животных продуктах как клеточный и внеклеточный компонент, как диспергирующая среда и растворитель, обусловливая консистенцию и структуру. Влагосодержание пищевых продуктов влияет на их внешний вид, вкус и стабильность продукта при хранении. Требования к значению влажности пищевых продуктов устанавливаются в соответствующих нормативных документах, а также в ряде технических регламентов, в частности в Технических регламентах на молочную продукцию и масложировую промышленность [1, 2].

Действующие нормативные документы по определению влажности пищевых продуктов описывают, как правило, воздушно-тепловой метод, существенный недостаток которого - длительность и трудоемкость проведения измерений. Поэтому в практике для оперативной оценки влажности применяют разные типы экспрессных анализаторов, основанных на использовании различных физико-химических методов: диэлькометрического, кондукто-метрического, СВЧ-метода, ИК-спектро-скопии, термогравиметрического и др. Среди них все большую популярность приобретают инфракрасные термогравиметрические (ИК ТГ) влагомеры, принцип действия которых основан на высушивании объекта измерений ИК-излучением с автоматическим взвешиванием в процессе

Key words: food industry; moisture measurement; infrared thermal gravimetric method.

Влагомер Sartorius МА150

сушки. Термогравиметрический метод определения влажности, реализованный в ИК-ТГ влагомерах, не требует градуировки в отличие, например, от метода ИК-спектроскопии. Он значительно в меньшей степени, чем другие методы, подвержен влиянию изменчивости вещества и поэтому более универсален по отношению к веществам различных групп.

Время анализа при использовании ИК-ТГ влагомера в несколько раз меньше по сравнению с методом воздушно-тепловой сушки. Это обусловлено тем, что при проведении измерений стандартным методом сушки подвод тепла к материалу осуществляется воздухом камеры сушильного шкафа, и соответственно сначала происходит нагревание поверхности материала, а далее процессы тепломассопереноса зависят от физико-химических характеристик высушиваемого материала. В то время как при сушке ИК-излучением (спектр от 760 нм и до примерно 1 мм) эффективный нагрев материала достигается при совпадении максимума спектральной плотности падающего излучения с полосой наибольшего поглощения облучаемого материала. Таким образом, при использовании ИК-ТГ влагомеров важной задачей является выбор источника ИК-излучения, приемлемого для сушки каждого конкретного материала.

ИК-источники отличаются диапазоном спектра, материалом, температурой и формой нагревателя

[3]. По температуре нагревателя источники ИК-излучения разделяют на светлые и темные. К светлым относят те, у которых температура выше 1000 °С, а в испускаемом спектре значительную долю составляет видимое излучение. Это лампы накаливания, ламповые излучатели, газоразрядные дуговые лампы, электрические излучатели (зеркальные лампы). У темных ИК-излучателей, среди которых наиболее распространены электрические излучатели с керамической или металлической оболочкой, температура достигает не более 1000 °С, а видимое излучение в спектре составляет доли процента. Диапазон спектральной области источников ИК-излучения - 0,82,5 мкм [4].

Воздействие поглощенного ИК-излуче-ния проявляется в нагреве, испарении влаги и физико-химических превращениях, возникающих внутри облучаемых веществ. Так как продукты питания и продовольственное сырье относят к веществам с низким коэффициент пропускания, то при их облучении глубина проникновения излучения достигает всего несколько миллиметров. Проникновение в более глубокие слои материала несущественно, что приводит к их меньшему нагреву и существенному снижению интенсивности выделения влаги из нижних слоев образца. Таким образом, к важнейшим факторам правильности измерения влажности с использованием ИК-ТГ влагомеров относится небольшая толщина слоя материала образца при анализе, равномерность распределения исследуемого образца, а также оптические свойства материала кюветы в случаях, когда образец полностью не покрывает ее поверхность. Первостепенное значение имеет также равномерность распределения влаги в самом материале, что достигается благодаря тонкому измельчению и тщательному перемешиванию пробы перед проведением измерений.

Пищевые продукты и продовольственное сырье относятся к веществам со сложным химическим составом, что обусловливает сложность определения их влажности. С одной стороны, используя нагрев, практически невозможно удалить всю влагу из материала без сопутствующего выделения некоторых количеств иных летучих веществ и (или) без разложения с образованием и выделением влаги. С другой стороны, прекращение уменьшения массы образца при нагреве не всегда отражает полное удаление влаги из него. При достаточно низком давлении паров воды, соответствующим температурам материала на данном этапе сушки, значительное количество воды может остаться в исследуемом материале [5, 6]. С повышением температуры давление паров растет, в результате чего выделяется дополнительное количество воды. Поэтому использование ИК-излучения для нагрева вещества при реализации ИК-ТГ метода измерений влажности требует оценки влияния ИК-излучения на материал конкретного образца.

TECHNICAL SUPPLY OF INDUSTRY

Перечень разработанных методик для МА150

Обозначение документа Наименование документа

ГОСТ Р 8.626-2006 Государственная система обеспечения единства измерений. Изделия кондитерские сахаристые. Инфракрасный термогравиметрический метод определения влажности

ГОСТ Р 8.633-2007 Государственная система обеспечения единства измерений. Зерно и зернопродукты. Инфракрасный термогравиметрический метод определения влажности

ГОСТ Р 8.634-2007 Государственная система обеспечения единства измерений. Семена масличных культур и продукты их переработки. Инфракрасный термогравиметрический метод определения влажности

№241.0095/01.00258/2010, внесена в Федеральный реестр методик №ФР.1.31.2011.11308 Масло сливочное, маргарины, спреды растительно-сливочные и растительно-жировые. Методика измерений массовой доли влаги с помощью влагомера термогравиметрического инфракрасного МА150

№241.0061/01.00258/2012, ФР.1.29.2012.12469 Хлебобулочные, кондитерские изделия и их полуфабрикаты. Методика измерений влажности с использованием инфракрасных термогравиметрических влагомеров серии МА фирмы БаИюпиэ

№241.0062/01.00258/2012, ФР.1.29.2012.12468 Сырье для хлебобулочных и кондитерских изделий. Методика измерений влажности с использованием инфракрасных термогравиметрических влагомеров серии МА фирмы БаИюпиэ

№241.0438/01.00258/2011, ФР.1.31.2011.11302 Молочные продукты и добавки при их производстве. Методика измерений влажности с помощью инфракрасного термогравиметрического влагомера МА150 фирмы БаИюпиэ

Специфика конструкции ИК-ТГ влагомеров и воздействия ИК-излучения на вещество такова, что правильность результатов измерений и их хорошая воспроизводимость обеспечиваются при соблюдении оптимальных параметров высушивания

пробы, определяемых экспериментально для каждого конкретного вещества и типа влагомера: количество пробы, критерий окончания анализа (через заданное время или автоматически по стабилизации массы сухого вещества) и температура.

Таблица 1 Один из наиболее популярных экспрессных анализаторов - влагомер термогравиметрический инфракрасный МА150, выпускаемый фирмой Батоги (Германия). Влагомер предназначен для экспрессного измерения влажности монолитных, листовых, сыпучих, пастообразных материалов, водных суспензий и неводных жидкостей, а также сухого остатка по специально разработанным методикам измерений, регламентированным нормативными документами. Влагомер внесен в Государственный реестр средств измерений Российской Федерации под № 35148-12.

Принцип действия влагомера основан на испарении влаги из анализируемого образца - объекта измерений под действием ИК-излучения с автоматическим непрерывным взвешиванием его массы в процессе сушки и индикацией результата измерения. Конструктивно влагомер состоит из: нагревательного элемента - керамического источника ИК-излучения, встроенного в крышку сушильной камеры; взвешивающего устройства; блока управления, обработки и отображения.

Анализ выполняется автоматически под управлением встроенного программного обеспечения. Процесс измерения включает

ЛАБОРАТОРНЫЕ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗАТОРЫ ВЛАЖНОСТИ

• ••• ••• • <   •••

sartorius

ВЫГОДНАЯ ЗАМЕНА СУШИЛЬНОГО ШКАФА

Анализ длится 5-15 мину , а результаты сравнимы с арбитражным методом.

• ПРОСТ В ОБРАЩЕНИИ

Разместите образец на кювете, закройте крышку и ждите оповещения об окончании анализа.

СЕРТИФИЦИРОВАН, ПОВЕРЯЕТСЯ

и обеспечен Методиками Измерения на разнообразные вещества.

• ДОСТУПНЫЙ

Всегда есть на складе в России.

+7 (495) 921-22-41 • ma@sartoros.ru

ИТЦ «Сарториус» — официальный представитель и сервисный центр БаИюпде Ав в России. +7 495 921-2241 • info@sartoros.ru • www.sartoros.ru

Таблица 2 рологического обеспе-Метрологические характеристики ГСО9734-2010 и ГСО 9563-201 чения, разработанный

лабораторией 241 ФГУП «УНИИМ». Лаборатория является хранителем Государственного первичного эталона массовой доли и массовой концентрации влаги в твердых веществах и материалах ГЭТ 173-2008 [7] и разработчиком стандарта на Государственную поверочную схему для средств измерений содержания влаги [8].

В табл. 1 представлены перечень разработанных методик, диапазон измерений и характеристики абсолютной погрешности измерений. Все методики измерений аттестованы, оформлены в соответствии с [9] и внесены в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений.

Перечисленные методики отвечают всем требованиям, устанавливаемым к методикам, применяемым в сфере технического регулирования в области обеспечения единства измерений [10] и соответственно могут быть использованы при внесении измерений влажности и влагомера в область аккредитации лаборатории. Методики содержат полную информацию о порядке и особенностях подготовки пробы, проведения измерений и контроле получаемых на влагомере результатов измерений. Для контроля правильности измерений влажности разработаны и утверждены ГСО 9734-2010 «Стандартный образец состава зерновых, зернобобовых культур и продуктов их переработки» и ГСО 9563-2010 «Стандартный образец состава молока сухого (АСМ-1)» (табл. 2).

Особенность ИК-ТГ влагомеров - изменение спектральных характеристик нагревательного элемента в процессе продолжительной и достаточно интенсивной эксплуатации, что приводит к получению ошибочных результатов измерения, так как температура сушки, выдаваемая влагомером, перестает соответствовать температуре, установленной при разработке и аттестации методики. Данный эффект в особенности проявляется при применении галогенной лампы в качестве источника ИК-излучения. В связи с этим необходимое условие обеспечения правильности измерений влажности с использованием ИК-ТГ влагомеров - поддержание настройки его температурного тракта. Поэтому ежегодная поверка ИК-ТГ влагомеров обязательно должна сопровождаться контролем, и при необходимости, настройкой температурного тракта. Лишь в этом случае будут эффективно применяться ИК-ТГ

Аттестуемые характеристики Диапазон аттестованных значений стандартных образцов, абс.% Абсолютная погрешность аттестованного значения СО (Р=0,95), % Используемые методы измерений

ГСО 9563-2010 «Государственный стандартный образец состава молока сухого (АСМ-1)»

Массовая доля азота* От 2 до 6 0,03 Титриметри-ческий

Массовая доля влаги От 2 до 5 0,15 Термогравиметрический

ГСО 9734-2010 «Стандартный образец состава зерновых, зернобобовых культур и продуктов их переработки»

Массовая доля азота* От 1,0 до 2,5 Св. 2,5 до 5,0 Св. 5,0 до 8,0 ООО 000 СП Ln Титриметри-ческий

Массовая доля белка* От 5,0 до 16,0 Св.16,0 до 31,0 Св. 31,0 до 50,0 0,25 0,30 0,35 Титриметри-ческий

Массовая доля влаги От 7,0 до 18,0% Св. 18,0 до 25,0% 0,2 0,3 Термогравиметрический

* Значения приведены в пересчете на сухое вещество.

следующие операции: оператор размещает пробу анализируемого материала (как правило в диапазоне от 1,5 до 20 г), равномерно распределенную в кювете (диаметром не более 100 мм), в сушильную камеру, после чего происходит взвешивание, а затем автоматическое определение потери массы под действием ИК-излучения и пересчет в единицы содержания влаги с учетом начальной массы пробы. Результаты анализа выводятся на дисплей и могут быть переданы на периферийные устройства - принтер, компьютер. Внешний вид влагомера МА150 представлен на рисунке.

ИК-термогравиметрический метод измерения влажности - косвенный метод, позволяющий из определения потери массы при нагревании установить влажность вещества. Основной закон, регламентирующий порядок проведения измерений и осуществление контроля над ними, 102-ФЗ «Об Обеспечении Единства Измерений». Этот закон непосредственно указывает, что при реализации косвенных методов необходимо не только применение сертифицированных и поверенных средств измерений, но и соблюдение утвержденных методов измерения, т. е. использование аттестованных методик измерений или гостированных методов. Это означает, что при проведении официальных измерений с помощью сертифицированного и поверенного ИК-анализатора влажности необходимо применять аттестованную методику измерений влажности.

Кроме того, учитывая сложные физико-химические процессы, индуцируемые в пробе пищевых веществ при воздействии ИК-излучения и их значительную зависимость от температуры образца и скорости нагрева, возникает необходимость разработки методик измерений для каждого конкретного типа продукта питания или продовольственного сырья. Для влагомера МА150 имеется полный комплекс мет-

влагомеры и разработанные для них методики измерений. В качестве примера можно привести процедуру поверки ИК-ТГ влагомеров МА150 фирмы БаИюгшБ. Она включает проверку и, при необходимости, настройку температурного тракта, проверку погрешности взвешивающего устройства, и, наконец, поверку по натуральному веществу либо с использованием стандартных образцов утвержденного типа, либо проведением контроля погрешности аттестованной методики, сопровождающей ИК-ТГ влагомер.

Таким образом, гарантией правильности измерений влажности с использованием экспрессных влагомеров служит применение аттестованной методики измерений, разработанной для конкретного типа влагомера и конкретного анализируемого продукта, а также ежегодная всесторонняя поверка и техническое обслуживание влагомера. Среди существующих на рынке РФ экспрессных анализаторов влажности особый интерес для производителей пищевой продукции и продовольственного сырья представляет ИК-ТГ влагомер МА150 фирмы БаИюгшБ, уже более пяти лет успешно применяемый на российских предприятиях, в том числе в сфере государственного регулирования в области обеспечения единства измерений [10].

ЛИТЕРАТУРА

1. ФЗ от 12 июня 2008 г. № 88-33 «Технический регламент на молоко и молочную продукцию».

2. ФЗ от 24 июня 2008 г. № 90-ФЗ «Технический регламент на масложировую продукцию».

3. Романов, В.Г. Поверка влагомеров твердых веществ/В.Г. Романов. - М.: Изд-во стандартов, 1983. - 176 с.

4. Sartorius, A.G. Thermogravimetric Moisture Analysis of Materials/A.G. Sartorius/ /Principles and practical applications. - 2002.

5. Секанов, Ю.П. Влагометрия сельскохозяйственных материалов/Ю.П. Сека-нов. - М.: Агропромиздат, 1985. - 160 с.

6. Медведевских, С.В. Термогравиметрические установки в системах контроля влажности твердых веществ: дис. ... канд. техн. наук. - Челябинск, 2001. - 132 с.

7. Государственный первичный эталон единиц массовой доли и массовой концентрации влаги в твердых веществах и мате-риалах/В.В. Горшков [и др.]//Измеритель-ная техника. - 2010. - № 4. - С. 24-27.

8. ГОСТ Р 8.681-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений содержания влаги в твердых веществах и материалах».

9. ГОСТ Р 8.563-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Методики (методы) измерений».

10. Федеральный закон от 26 июня 2008 г. № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений».