Разработка МВИ влажности, стекловидности, белка, количества и качества клейковины пшеницы методом спектроскопии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка МВИ влажности, стекловидности, белка, количества и качества клейковины пшеницы методом спектроскопии

Введение

измерение клейковина зерно пшеница

Метрология - наука об измерениях, методах достижения их единства и требуемой точности.

Бурное развитие науки, техники и технологии в ХХ веке потребовало развития метрологии как науки. Метрология росла по мере индустриализации и роста оборонно-промышленного комплекса. Зарубежная метрология отталкивалась от требований практики, но эти требования исходили в основном от частных фирм. Косвенным следствием такого подхода оказалось государственное регулирование различных понятий, относящихся к метрологии, то есть ГОСТирование всего, что необходимо стандартизовать. За рубежом эту задачу взяли на себя негосударственные организации, например ASTM.

К основным проблемам метрологи относятся:

а) общая теория измерений;

б) образование единиц физических величин и их систем;

в) методы и средства измерений;

г) методы определения точности измерений (теория погрешностей измерений);

д) основы обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений;

е) создание эталонов и образцовых средств измерений;

ж) методы передачи размеров единиц от эталонов образцовым и далее -- рабочим средствам измерений.

Общая теория измерений окончательно ещё не сложилась, в неё входят сведения и обобщения, полученные в результате анализа и изучения измерений и их элементов: физических величин, их единиц, средств и методов измерений, получаемых результатов измерений.

Методика выполнения измерений (МВИ) - совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с известной точностью. Методики разрабатывают и используют для выполнения измерений с погрешностью, характеристики которой не хуже гарантированной в научно-технической документации на МВИ.

Повышение результатов измерений с известной погрешностью или с погрешностью, не превышающей допустимых пределов, является одним из важнейших условий обеспечения единства измерений. С этой целью разрабатываются методики выполнения измерений (МВИ).

Выбор метода и средств измерений осуществляют в соответствии с действующим нормативным документом, регламентирующими этот выбор для данного вида измерений, либо при отсутствии таковых, на основе расчета характеристик погрешностей измерений или их экспериментального исследования. Общие рекомендации по выбору метода и средств измерений даны в МНИ 1967-89. В документах регламентирующие типовые МВИ указывают назначение МВИ, норму погрешности измерения, требования к средствам измерений, методы измерений, требования к квалификации операторов, требования безопасности и условий измерений. Кроме того, в них приводят сведения о том, как был проведен контроль погрешности МВИ и сведения об обработке и оформлению результатов измерений.

Цель моей курсовой работы - разработка МВИ влажности, стекловидности, белка, количества и качества клейковины пшеницы методом спектроскопии.

1. Описание области применения и характеристика измеряемой величины ФВ

Зерно играет большую роль для Республики Казахстан, особенно для нашей Северо-Казахстанской области.

Клейковина (глютен) -- понятие, объединяющее группу запасающих белков, обнаруженных в семенах злаковых растений, в особенности пшеницы, ржи, овса и ячменя. Термин «Клейковина» обозначает белки фракции проламинов и глютелинов, причём большая часть клейковины приходится на долю первых. Содержание клейковины в пшенице, проламины которой получили название глиадина, доходит до 80 %.

Измерение содержания клейковины является важным параметром качества зерна пшеницы.

На протяжении последних нескольких лет в силу сложившихся сложных обстоятельств у сельхозпроизводителя не было возможности уделять должное внимание обработке земли (вносить необходимое количество удобрений и гербицидов) и неблагоприятные погодные условия. Это привело к тому, что качество получаемого зерна в отношении содержания клейковины заметно снизилось, а, следовательно, снизилось и качество муки. Эту ситуацию можно исправить путем введения сухой пшеничной клейковины.

Сухая клейковина является натуральным ингредиентом, поэтому не существует пределов, ограничивающих ее количество при использовании в качестве добавки. Сухая клейковина традиционно используется при производстве муки и хлебобулочных изделий. Более того, данные зарубежных публикаций и отечественные исследования показывают, что сухая клейковина по сравнению с другими белковыми продуктами обладает более широким спектром функциональных свойств (таблица 1), что создает возможности ее разнообразного использования.

Таблица 1. Сравнительная характеристика функциональных свойств белковых продуктов

Продукт	Растворимость, %	ВСС, г/г	ЖСС, г/г	ЖЭС, г/г	СЭ, г/г	ПОС, %	СП, %
Пшеничная клейковина	5,4	1,2	1,9	68	69	67	47
Соевая необезжиренная мука	72,1	4,4	2,1	46	52	27	36
Соевый изолят	38	-	-	74	65	113	7
Белковая мука из пшеничных отрубей	16,0	3,9	4,2	39	97	99	83
Яичный порошок	86,0	2,4	0,4	12	46	15	5
Сухое молоко	78,4	1,8	1,9	32	22	10	0

В таблице 2 приведены возможные пути использования сухой клейковины в связи с разнообразием ее функциональных свойств.

Таблица 2. Возможные пути использования сухой клейковины в связи с разнообразием ее функциональных свойств

Функциональное свойство	Способ действия	Продукты, в которых используется свойство
Растворимость	Растворимость белков в зависимости от pH	Хлебопродукты, мучные кондитерские изделия, пищеконцентраты
Жироэмульгирующая способность	Образование и стабильность эмульсий	Колбасные, мучные кондитерские, хлебобулочные изделия, конфетные массы, майонез
Водосвязывающая способность, гидратация	Удержание воды	Колбасные, кондитерские, хлебобулочные изделия, торты, пирожные
Жиросвязывающая способность	Связывание свободных жиров	Колбасные изделия, пончики, пирожки
Пленообразующая способность	Образование пленок для удержания газа	Бисквиты, вбитые кремы, десерты
Гелеобразующая способность	Образования геля	Аналоги мясопродуктов, морепродуктов
Текстурирование	Образование фибрилл, пленок, листов	«Синтетические» пищевые продукты, оболочка для сыра, сосисок, пицца

Основными направлениями применения клейковины остаются мукомольная и хлебопекарная отрасли. В последние двадцать пять - тридцать лет использование сухой клейковины выросло в десятки раз, особенно в передовых странах с развитой агропромышленной индустрией. Вместе с тем, потребление клейковины связано главным образом с необходимостью корректировки хлебопекарных свойств пшеничной муки с пониженным содержанием клейковины или со слабой клейковиной.

В мукомольном производстве сухая клейковина добавляется к муке низкого качества для получения муки, удовлетворяющей требованиям стандарта.

В странах ЕС считается целесообразным добавление к муке европейских сортов пшеницы (среднее содержание в ней сухого белка порядка 10%) от 1 до 2% сухой клейковины. При этом улучшаются физические и реологические свойства теста и качество хлеба, а выпекаемый хлеб получается таким, что его качество соответствует хлебу, приготовленного из сортов пшеницы с содержанием белка 14-15%.

Таким образом, добавление клейковины к муке обеспечивает получение муки по заданными содержанием белка и хлебопекарными свойствами.

При выработке специальных сортов хлеба сухая клейковина применяется в количестве до 10 % к массе муки. Наиболее широко клейковина используется при производстве хлебобулочных изделий, предназначенных, в первую очередь, для людей, страдающих диабетом.

Сухая клейковина как добавка способна нивелировать отклонения в качестве хлеба из пшеничной муки с высоким содержанием клетчатки, вносимой с соевой отрубной мукой, пшеничными отрубями, а также такими компонентами, как побочные продукты переработки кукурузы, кокосовые орехи. Например, качество хлеба из 85 % пшеничной муки и 15 % пшеничных отрубей может быть улучшено при добавлении клейковины.

Макаронная промышленность предъявляет особые требования к качеству сырья, Обычно для производства макаронной муки используется зерно твердой пшеницы и мягкой высокобелковой пшеницы. Использование сухой клейковины может расширить возможность применения обычной хлебопекарной муки и повысить качество макаронных изделий. Так добавление клейковины к муке обеспечивает высокую прочность макаронным изделиям, усиливает сопротивление к разрушению и повышает их устойчивость при тепловой обработке.

Сухая клейковина и различные смеси, полученные с ее использованием, находят широкое применение при выработке мучных кондитерских изделий.

При приготовлении печенья сухая клейковина в количестве от 2 до 20 % предварительно смешивается с мукой, затем осуществляется замес теста с остальными компонентами печенья.

От 5 до 50 % сухой клейковины можно вводить в состав начинок для мучных кондитерских изделий. При этом получается начинка с влажностью 5-20 %, что позволяет сохранить хрустящие свойства покровных слоев из вафель или бисквитов.

Сухая клейковина используется также для панировки и глазировки некоторых пищевых продуктов, т. к. применение жидкой и сухой панировки для жареных продуктов связано с рядом трудностей, особенно в случае выработки замороженных продуктов. Введение клейковины в состав смесей для обсыпки таких продуктов значительно повышает прилипание, уменьшает потери при приготовлении и улучшает внешний вид. При добавлении клейковины в жидкую панировку образуется пленка, уменьшающая потери жидкости и способствующая созданию хрустящей вкусной поверхности. Сухая клейковина используется и для глазировки жареных орехов с солью и другими приправами.

Добавка 1-2 % клейковины при изготовлении пиццы улучшает консистенцию, уменьшает проникновение влаги из начинки в корку.

Еще одно направление применения клейковины - приготовление готовых к употреблению зерновых завтраков, в состав которых входят пшеничные или овсяные отруби, жир, сушеные фрукты, орехи, витамины, минеральные добавки. Для обогащения готовых завтраков белком используется пшеничная клейковина или соевая мука. Введение клейковины не только обогащает их белком, но и способствует связыванию витаминов и минеральных веществ.

Сухая клейковина используется как добавка в количестве от 2 до 6% в мясной и сосисочный фарши и другие мясные эмульсионные продукты. Изделия, содержащие клейковину, по вкусовым свойствам превосходили изделия, приготовленные с использованием казеината натрия, а также изделия без белковых добавок.

Гидролизованная клейковина, подвергнутая экструзии, может использоваться при разработке новых продуктов питания - аналогов мяса, крабов и даже искусственной икры.

Вязкоупругие свойства клейковины позволяют применять ее при изготовлении аналогов сыра, имеющих текстуру и вкусовые качества натурального сыра. Сухая пшеничная клейковина в сочетании с соевым белком могут быть использованы для замены до 30 % казеината натрия при изготовлении сыров.

Сухая клейковина может быть использована в количестве 3-6 % от массы компонентов смеси в производстве плавленых сыров. Наиболее высокая консистенция плавленых сыров отмечается при введении в рецептуру 3,0 % клейковины во всем исследуемом диапазоне массовой доли влаги в готовом продукте 46-48 %.

Пшеничная клейковина применяется при производстве кормов в рыбном хозяйстве, повышая их питательную ценность. Адгезивные свойства клейковины обеспечивают связывание, необходимое для шариков и гранул корма, ее нерастворимость в воде уменьшает разрушение гранул и шариков. Вязкоупругие свойства клейковины улучшают жевательные свойства корма. Для этого клейковина экструдируется, насыщается воздухом, и на ее основе получается в зависимости от требований - либо плавающий, либо погружающийся на дно корм.

Пшеничная клейковина применяется как основа жевательной резинки, а также в косметических изделиях, таких как тушь для ресниц, и в фармацевтической промышленности для таблетирования.

Результаты прогноза специалистов, работающих с клейковиной, свидетельствуют о том, что в ближайшие 10 лет содержание клейковины в пшенице будет постепенно уменьшаться, что повлечет за собой резкое увеличение спроса на сухую клейковину.

Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что:

1. В мукомольной промышленности добавление сухой пшеничной клейковины рекомендуется для корректировки качества муки путем ввода на стадии получения готовой продукции или на складе готовой продукции в количестве от 1-2%. При этом введение добавки осуществляется дозатором в подающий на склад шнековый транспортер или барабанное устройство для смешения. Если введение клейковины осуществляется на складе готовой продукции, то мукомольное предприятие может производить муку, удовлетворяющую специфическим требованиям потребителя под конкретный заказ для определенного хлебобулочного изделия, при этом количество клейковины и ее качество задается заказчиком.

2. В хлебопекарной промышленности добавление клейковины рекомендуется для улучшения физических и реологических свойств теста, вкусовых качеств и внешнего вида хлебобулочных и других видов изделий в количестве 1-2%. Кроме того, для выпечки диетического хлеба, который просто необходим людям, страдающим диабетом, рекомендуется добавление клейковины в количестве от 20% до 30% от веса муки.

2. Описание метода измерений

Спектр - распределение значений физической величины (обычно энергии, частоты или массы). Графическое представление такого распределения называется спектральной диаграммой. Обычно под спектром подразумевается электромагнитный спектр -- спектр частот (или то же самое, что энергий квантов) электромагнитного излучения.

По характеру распределения значений физической величины спектры могут быть дискретными (линейчатыми), непрерывными (сплошными), а также представлять комбинацию (наложение) дискретных и непрерывных спектров.

Другим критерием типизации спектров служат физические процессы, лежащие в основе их получения. Так, по типу взаимодействия излучения с материей, спектры делятся на эмиссионные (спектры излучения), адсорбционные (спектры поглощения) и спектры рассеивания.

Сущность метода спектроскопии заключается в измерении спектра пропускания исследуемого образца в ближней инфракрасной области и последующем количественном расчете определяемых показателей по ранее созданным градуировочным моделям.

Диапазоны измерения определяемых показателей приведены в таблице 3.

Таблица 3. Диапазоны измерения определяемых показателей

Наименование показателя	Диапазон измерения
Белок, % масс.	9,0-18,0
Влажность, % масс.	9,0-18,0
Клейковина, %масс	15,0-30,0
ИДВ(оценка),ед.	15-115

Достоинства метода:

· Экспрессность (одновременное определение всех нормируемых показателей менее чем за 2 минуты)

· Отсутствие пробоподготовки

· Простота выполнения измерений

· Низкая себестоимость одного анализа (не требуются реактивы и иные расходные материалы)

· Не требуется высокая квалификация персонала

· Возможность оперативного обновления градуировок

При выполнении измерений применяются следующие оборудование и программные продукты:

· Анализатор ИнфраЛЮМ ФТ-10 (ФТ-40)

Анализатор ИнфраЛЮМ ФТ-10 - стационарный лабораторный прибор, который может быстро определить состав и качество таких продуктов, как: пшеница, ячмень, рожь, овес, пшеничная и ржаная мука, сухое молоко, кукуруза, соя, соевая мука, соевый шрот, подсолнечный жмых и шрот, мясокостная мука, рыбная мука, кормовые дрожжи, комбикорма.

Отличительные особенности:

* одновременное определение нормируемых показателей за минуты

* высокая точность и простота анализа

* анализ проводится без реактивов, для большинства типов - без пробоподготовки

* надежные калибровки, возможность их обновления

* возможность создания региональных градуировок

* возможность создания индивидуальных градуировок

* русскоязычная программа

* аттестованные методики анализа

Технические характеристики:

Модель - ИнфраЛЮМ ФТ-10

Характеристика - ИнфраЛЮМ ФТ-10

Время измерения - 1,5 мин

Толщина кюветы - 1,5 - 27 мм

Объем пробы в кювете - 4 - 40 см3

Рабочий спектральный диапазон - 12500 - 8600 см-1

(800-1160 нм)

Разрешение - 1, 2, 4, 8, 16 см-1

Габариты и масса - 580 х 515 х 295 мм, 37 кг

Потребляемая мощность - 160 Вт

Питание - ~220 В, 50 Гц

Периодичность проверки - 1 раз в год

Градуировка анализатора ИнфраЛЮМ ФТ-10 осуществляется с помощью программы СпектраЛЮМ/Про. Для выбора лучших параметров градуировочной модели используется программа Envelope. Обе программы разработаны фирмой “Люмэкс” при участии автора.

Для вычисления параметров ГМ используется программа для автоматизации расчетов Envelope. Эта программа включает мультивариантные математические методы Partial Least Squares (PLS) и Principal Components Regression (PCR), рекомендованные Американским институтом по стандартизации и материалам (ASTM) для обработки спектров, полученных методом фурье-спектроскопии. Мультивариантные математические методы позволяют обрабатывать наборы спектральных данных путем изменения статистических параметров, используя различные варианты предобработки исходных спектров и варьируя спектральный диапазон.

Блок-схема разработки градуировочных моделей приведена на рисунке 1. Все операции делятся на 4 основные этапа:

I. Подготовка и ввод исходных данных.

II. Предварительная выбраковка данных и поиск параметров ГМ.

III. Уточнение параметров ГМ.

IV. Установление окончательных параметров ГМ и их включение в ПО анализатора.

В соответствии с указанными этапами выполняются следующие операции:

1. Отбор и подготовка набора образцов зерна для градуировки.

2. Определение показателей качества градуировочных образцов зерна традиционными методами (референтные данные).

3. Измерение спектров пропускания образцов с использованием БИК-анализатора.

4. Предварительный выбор спектрального диапазона и числа факторов ГМ. Осуществляется на персональном компьютере (ПК) путем сравнения результатов автоматического перебора программой Envelope заданных вариантов спектрального диапазона и числа факторов по следующим критериям: минимум стандартной ошибки градуировки (SEC), минимум стандартной ошибки кросс-валидации (SECV), минимум отношения SECV/SEC, минимальное число факторов при близких значениях предыдущих критериев. Указанные критерии используются и на всех последующих этапах разработки градуировочной модели.

При предварительном выборе спектрального диапазона для ускорения расчета применяется шаг 128 см-1. На этом этапе и далее используется шаг, кратный спектральному разрешению, т.е. 16 см-1.

4.1 Выявление выпадающих образцов. Данная стадия введена для поиска образцов с величиной отклонения предсказания от референтного значения более чем на 3*SEC (ошибка в референтных данных, случайное измерение образца, не принадлежащего данной группе измерений, несоблюдение условий измерения). Если такие образцы обнаружены, их спектры должны быть удалены из ГМ. После удаления необходимо повторить алгоритм, начиная с п. 4.

5. Выбор предобработки. Осуществляется путем сравнения результатов автоматического перебора программой Envelope заданных вариантов предобработок по указанным выше критериям. При первичном выполнении пункта 4 используется предобработка BNM. Если найдена другая предобработка, то необходимо повторить алгоритм, начиная с п. 4 с использованием найденной.

6. Уточнение спектрального диапазона и числа факторов ГМ. Шаг при переборе спектрального диапазона 64 см-1.

6.1 Выявление аномальных образцов. Критерий поиска: статистическое расстояние Махаланобиса. Значение этого показателя для всех образцов в ГМ должно быть менее 3. Спектры всех других образцов считаются аномальными и удаляются из градуировочного набора. Если аномальные образцы найдены, то алгоритм повторяется, начиная с пункта 6.

6.2 Выявление выпадающих образцов. Данная стадия введена для поиска образцов с величиной отклонения предсказания от референтного значения более чем на 2,5*SEC. Если такие образцы обнаружены, их спектры должны быть удалены, либо для них должен быть повторно проведен референтный анализ, и повторное измерение спектра. После этого необходимо повторить алгоритм, начиная с пункта 5.

7. Определение “точного” спектрального диапазона. Осуществляется с шагом, равным спектральному разрешению при измерении спектров образцов (для ИнфраЛЮМ ФТ-10 - 16 см-1).

7.1 Выявление аномальных образцов. Аналогично п. 6.1.

8. Разработка ГМ закончена. ГМ с найденными параметрами включается в программное обеспечение анализатора.



Рисунок 1. Блок-схема разработки градуировочных моделей

Кювета с длиной оптического пути 18 мм

Измерение образцов продукции с использованием БИК-анализатора ИнфраЛЮМ ФТ-10 проводится с использованием кювет с разной длиной оптического пути . Этот параметр может варьироваться от 1,5 до 27 мм , что позволяет анализировать весь спектр пищевой и сельскохозяйственной продукции.

Для измерения спектров зерна с максимальной точностью необходимо было подобрать кювету с оптимальной длиной оптического пути , так, чтобы интенсивность излучения, прошедшего через образец, находилась в рабочем диапазоне фотоприемника, т.е. не вызывала, с одной стороны, превышения максимально-допустимого уровня для фотоприемника, а с другой - увеличения уровня шумов в спектре. Поскольку сам сигнал, поступающий с фотоприемника, является величиной не постоянной и зависит от настроек электроники, использовать его как критерий выбора оптимального оптического пути не удобно. В качестве более удобного и наглядного критерия было выбрано сравнение величины пропускания в максимуме спектра измеряемого образца с величиной пропускания встроенного в прибор эталона. При измерении образцов в программе СпектраЛЮМ/Про величина пропускания автоматически приводится по отношению к встроенному эталону прибора, что упрощает использование данного критерия. Например, величина пропускания 200% в спектре означает, что образец на данной длине волны в два раза более прозрачен, чем встроенный эталон.

Экспериментально было установлено, что для детекторов, используемых в приборах ИнфраЛЮМ ФТ-10, при величине пропускания в максимуме спектра более 1000% возможно превышения максимально-допустимого уровня для фотоприемника. С другой стороны, в спектре с величиной пропускания в максимуме менее 30% становится заметным вклад шумовой составляющей, что влечет за собой ухудшение точности разрабатываемых ГМ.

Поскольку зерно является неоднородным продуктом, как по крупности отдельных зерен, так и по химическому составу, то для разных образцов величина максимума спектра пропускания может отличаться в 10-15 и более раз. Соответственно, поиск оптимальной длины оптического пути для кювет, используемых при измерении образцов цельного зерна пшеницы, сводился к сопоставлению диапазона варьирования максимума спектра пропускания различных образцов, и допустимых границ этого максимума (30-1000%).

Экспериментальным путем найдена оптимальная длина оптического пути кюветы (18 мм), позволяющая анализировать сильно отличающиеся образцы пшеницы и при этом удовлетворяющая указанным выше требованиям.

Длина оптического пути кюветы 18 мм

Еще одним крайне важным для обеспечения сходимости и воспроизводимости результатов фактором является процесс заполнения кюветы. Поскольку зерно неоднородно, то в зависимости от способа заполнения кюветы укладка зерна в кювете, а следовательно и степень ее заполнения, и, соответственно, величина оптического поглощения будут меняться. Одним из вариантов обеспечения воспроизводимости заполнения кюветы может быть стандартизованная процедура свободной засыпки зерна. В соответствии с такой процедурой зерно засыпается с небольшой одинаковой высоты равномерно по всей площади кюветы . Уплотнение зерна и встряхивание кюветы исключается. Улучшить воспроизводимость заполнения кюветы зерном можно с использованием специальной воронки.

Предложенная воронка представляет собой приспособление, предназначенное для стандартизации заполнения кюветы зерном, и состоит из двух плоских поверхностей: вертикальной и наклонной, соединенных по бокам вертикальными плоскостями, и образующих между собой щель, через которую просыпается зерно. Ширина щели выбрана минимальной, но не препятствующей свободному просыпанию зерна через воронку. Исходя из строения и возможных размеров зерна пшеницы, для обеспечения данного требования была выбрана ширина щели, равная 6 мм. Ширина воронки соответствует внутренней ширине кюветы. С внешней стороны вертикальной плоскости воронка имеет приспособление для крепления на кювету.

Угол наклона плоскости, на которую высыпается зерно, был выбран 450, для обеспечения беспрепятственного скольжения зерна по поверхности, а также удобства его засыпания.

Заполнение кюветы с использованием данной воронки производится следующим образом: зерно пшеницы с помощью шпателя отбирается небольшими порциями по 1,5-3 г и с одной и той же минимальной высоты равномерно высыпается по всей ширине наклонной поверхности кюветы. Заполнение производится до верхней кромки кюветы.

Преимущество этого метода по сравнению с заполнением кюветы без воронки подтверждено экспериментально. В экспериментах участвовало три оператора, каждый из которых проводил заполнение кюветы тремя образцами зерна пшеницы двумя способами в 10 повторностях для каждого образца. После каждого заполнения кюветы измерялся спектр образца. По измеренным спектрам производилось предсказание содержание белка и сырой клейковины в образце по ранее разработанным градуировочным моделям. При использовании воронки среднее квадратическое отклонение (СКО) параллельных измерений оказалось меньше в 17 случаях из 18 , СКО средних значений предсказаний для разных операторов меньше в 5 случаях из 6.

Отбор проб и выделение навесок проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 13586.3-83. Выделенную из средней пробы навеску зерна очищали от сорных примесей, за исключением испорченных зерен.

Условия окружающей среды во время проведения измерений также нормировали. Исходя из условий, указанных в ТУ на прибор, а также из опубликованных материалов, по влиянию условий окружающей среды на результаты, получаемые методом БИК-спектроскопии, были установлены следующие нормативы:

температура окружающего воздуха: 25-100 єC;

относительная влажность воздуха: не более 80% при температуре 250 єC;

атмосферное давление: 84…106,7 кПа;

напряжение питания сети переменного тока 198…242 В;

частота переменного тока: (50-1) Гц.

Температура анализируемых образцов зерна должна соответствовать комнатной температуре и укладываться в диапазон 25-100 єC.

Предложенная кювета с длиной оптического пути 18 мм, а также способ заполнения кюветы с помощью специальной воронки может использоваться при проведении анализа и других зерновых культур, в частности, ржи и ячменя. На рисунке 4 приведены примеры спектров пропускания цельного зерна пшеницы, ячменя и ржи, измеренные в кювете с длиной оптического пути 18 мм.

Таким образом, определены основные параметры и разработаны требования к условиям размещения пробы зерна при измерении.

Разработка метода контроля в зерне пшеницы массовой доли белка, влажности, стекловидности, количества и качества сырой клейковины методом спектроскопии в ближней инфракрасной области.

Для проведения работы было отобрано более 230 образцов зерна мягкой пшеницы из Краснодарского края, урожая 2002 и 2003 гг. Образцы были проанализированы традиционными методами в лаборатории ГХИ по Краснодарскому краю по показателям: белок, влажность, стекловидность, количество и качество сырой клейковины.

Для проведения исследований использовался БИК-анализатор «ИнфраЛЮМ ФТ-10», находящийся в лаборатории ГХИ по Краснодарскому краю (мастер-прибор).

С помощью мастер-прибора измерены спектры всех образцов. Для повышения точности и исключения возможности ошибок спектры всех градуировочных образцов и образцов для проверки измерялись в трех повторностях. Для приведенных выше показателей разработаны градуировочные модели.

Во всех случаях лучший результат получен при использовании математической модели PLS и предобработок BNM (предварительное выравнивание базовой линии (B), предварительное нормирование спектров по СКО (N), расчет средневзвешенных значений (M)). Основные параметры разработанных ГМ приведены в таблице 4.

Таблица 4. Основные параметры разработанных ГМ

Наименование параметра	Значение параметра
	Число параметров ГМ	Спектральный диапазон, см-1	SEC, %	SECV, %
Белок	4	9744-10784	0,331	0,334
Влажность	3	10292-12012	0,201	0,204
Сырая клейковина	4	8822-10170	0,936	0,944
ИДК	5	8848-10464	8,96	9,11
Стекловидность	3	10480-11720	2,56	2,74

Лучшие корреляции референтных данных, полученных традиционными методами, с предсказанными по методу БИК значениями, получены по показателям: белок, влажность и количество сырой клейковины.

Полученные в ходе разработки градуировочных моделей спектральные диапазоны согласуются с литературными данными по положению полос поглощения компонентов в ближней инфракрасной области. Спектральному диапазону, найденному для белка соответствует полоса поглощения белка с максимумом 9823 см-1(1018 нм) и, видимо, край полосы поглощения 11001 см-1(909 нм). Спектральному диапазону для сырой клейковины и ИДК соответствуют полосы поглощения белка с максимумом 9823 см-1 (1018 нм) и 8749 см-1(1143 нм). Спектральному диапазону для влажности соответствуют полосы поглощения влаги с максимумом 10438 см-1 (958 нм) и 11990 см-1 (834 нм). Указанные полосы поглощения имеют наибольшую интенсивность. Спектральным диапазонам разработанных градуировочных моделей соответствует также ряд менее интенсивных полос поглощения.

Полученные ГМ с использованием специальных методов были перенесены с мастер-прибора на анализаторы других хозяйств Краснодарского края. На 14 предприятиях проведена проверка работоспособности БИК-анализаторов с этими градуировочными моделями по 10 образцам зерна мягкой пшеницы, характерным для урожая 2004 г. в Краснодарском крае. Сведения об образцах и организациях, участвовавших в межлабораторных сличительных испытаниях, представлены в диссертационной работе. Результаты определения показателей качества образцов обработаны методами математической статистики. Основные метрологические характеристики приведены в таблице 5.

Таблица 5. Диапазоны значений показателей и характеристики погрешности измерений для зерна пшеницы при доверительной вероятности P = 0,95

Показатель качества пшеницы	Диапазон измерений	sr	sR	r	R	SEV	?
Белок, %	9-18	0,14	0,19	0,39	0,53	0,25	0,50
Влажность, %	9-18	0,049	0,076	0,14	0,21	0,27	0,54
Сырая клейковина, %	15-30	0,36	0,41	1,0	1,2	0,8	1,6
Стекловидность, %	35-60	0,50	0,59	1,4	1,6	2,2	4,3
ИДК	45-115	4,4	5,5	12	15	8,5	17

Для показателей “белок”, “влажность”, “клейковина” и “стекловидность” показатель точности ? соответствует или близок допустимым показателям точности стандартных по ГОСТ методов анализа. Для показателя “ИДК” данная величина существенно превышает допустимую для опорного метода, поэтому результат, полученный на анализаторе «ИнфраЛЮМ ФТ-10» по данному показателю, может использоваться только как оценочная величина.

На основании проведенных исследований и полученных результатов составлена методика: “Пшеница. Определение белка, влажности, стекловидности, количества и качества сырой клейковины методом спектроскопии в ближней инфракрасной области с использованием анализатора “ИнфраЛЮМ ФТ-10”, аттестованная во ФГУП “Уральский научно-исследовательский институт метрологии”, свидетельство № 224.04.05.056 / 2004, ФР.1.31.2004.01088.

Разработанная методика применяется в ряде хозяйств Российской Федерации, в том числе, и в Краснодарском крае. Отзывы, полученные от организаций, приведены в диссертационной работе.

Практическое использование разработанного метода контроля качества зерна пшеницы

Основными потребителями разработанного метода контроля качества цельного зерна пшеницы предполагаются элеваторные хозяйства, производители зерна, а также сюрвейерские компании. Однако метод может быть использован и в других предприятиях, в первую очередь мукомольных.

Достоверность оценки показателей качества зерна пшеницы методом спектрального анализа.

При оценке достоверности измерений в качестве предмета исследований ограничимся зерном пшеницы.

Поскольку в прямой постановке вопрос использования ИК-анализаторов для оценки показателей качества зерна пшеницы все еще является дискуссионным, то результаты рассуждений могут послужить аргументами для принятия соответствующих решений.

Ограничим список оцениваемых показателей зерна пшеницы следующими: исходя из мировой практики: массовая доля белка, влажность зерна, и принимая во внимание "национальные особенности" массовая доля клейковины. Для ответа на поставленный вопрос, прежде всего, необходим маленький экскурс в суть используемого в ИК-анализаторах метода. Инфракрасный анализ основывается на измерении пропускания излучения анализируемой пробой или диффузного отражения от нее. Для решения химико-аналитических задач используют то, что положения полос поглощения в спектрах связаны с колебаниями определенных групп атомов в молекулах и могут служить для идентификации химических соединений. Измеряемая приборами интенсивность поглощения составляет основу количественного анализа. По градуировочным уравнениям приборы рассчитывают массовые доли компонентов в пробах зерна путем измерения оптических величин в ближней инфракрасной области спектра. Можно сказать, что ИК-анализатор осуществляет процедуру распознавания образа продукта по его спектру. Это означает, что любой ИК-анализатор осуществляет косвенный анализ показателей качества зерна.

Градуировочные уравнения получаются путем статистической обработки спектров, полученных в результате измерения большого массива проб зерна и сопоставления этих спектров с известными показателями качества продукта.

Отсюда следует, что, достоверность оценки показателей качества зерна пшеницы методом спектрального анализа во многом определяется корректностью составления градуировочных уравнений. Положив в основу определения коэффициентов градуировочных уравнений данные, полученные экспериментальным путем, мы не вправе рассчитывать решить обратную задачу, т.е. определить значения показателей качества зерна по градуировочным уравнениям с большей точностью, чем точность получения результатов с использованием применяемого стандартного метода.

Для численной оценки достоверности получаемых результатов при использовании инфракрасных анализаторов необходимо иметь точку отсчета - значение того или иного показателя качества зерна, которое мы будем считать истинным. Естественно будет оттолкнуться от значений, получаемых стандартными методами. Дадим их краткую характеристику для рассматриваемых показателей.

Массовая доля белка

В основу определения массовой доли белка по "ГОСТ 10846-91. Зерно и продукты его переработки. Метод определения белка" положен метод Къельдаля. Согласно этому нормативному документу за окончательный результат определения азота принимается среднее арифметическое результатов двух параллельных определений. Расхождение между ними не должно превышать следующей величины

0,051+0,014Х,

где X - среднее арифметическое параллельных измерений.

Умножив полученную величину на коэффициент К=5,7 (для пшеницы) мы получаем значение допускаемого расхождения в пересчете на белок.

Влажность зерна

За образцовый метод определения влажности принимается вакуумно-тепловой метод - ГОСТ 8.432-81. Применяемый на практике метод определения влажности изложен в ГОСТ 13586.5-93. Для зерна пшеницы в нем определена погрешность метода - ±0,5%, при этом систематическая составляющая погрешности метода может достигать +0,35%. Заметим, что систематическая погрешность введена для обеспечения единства определения влажности зерна с применением различных экземпляров СЭШ-3М, а также электровлагомеров зерна. Допускаемое расхождение двух параллельных определений не должно превышать 0,2%.

Массовая доля клейковины (количество клейковины)

Для определения количества клейковины применяется как ручной метод - ГОСТ 13586.1- 68. "Зерно. Метод определения количества и качества клейковины в пшенице", так и механизированный метод с применением системы МОК-1М. Механизированный метод стандартизирован для отмывания клейковины из муки - ГОСТ 27839-88 "Мука пшеничная методы определения количества и качества клейковины". Арбитражным является ручной метод отмывания клейковины, при этом допускаемые отклонения не должны превышать 2 %.

Размещено на Allbest.ru

...