Применение масс-чувствительных сенсоров для анализа качества кофе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт Цветных металлов и материаловедения

Кафедра аналитической химии

РЕФЕРАТ

Применение масс-чувствительных сенсоров для анализа качества кофе

Студент

П.В. Артюшенко

Преподаватель

С.Н. Калякин

Красноярск 2017

Содержание

Введение

1. «Электронный нос»

2. Применение массочувстительных пьезорезонансных химических сенсоров для определения ароматобразующих компонентов кофе

Заключение

Список литературы

Введение

Контроль качества пищевых продуктов - одна из составляющих проблемы здорового питания. Значительное расширение ассортимента продуктов питания на потребительском рынке не обходится без стремления выпускать под видом известных товарных марок явные подделки или продукцию заведомо заниженного качества. В связи с этим особую актуальность приобретает идентификация пищевых продуктов, которая включает ряд процедур по установлению их соответствия стандартам.

В последние годы наметилась устойчивая тенденция к увеличению нецентрализованных закупок кофе коммерческими структурами. На российский рынок все чаще попадает некачественный кофе, возрос объем фальсифицированной кофейной продукции отечественного производства [1]. Подделка может осуществляться, путем замены натурального кофе его зерновыми или иными суррогатами, либо искусственными, например, пластмассовыми или другими, окрашенными в кофейный цвет компонентами. Такие грубые приемы применяются в основном для реализации кофе непосредственно покупателю. Основными критериями органолептической проверки продукта являются окраска и строение зерен, а также аромат. Отсутствие специфического кофейного аромата с большой вероятностью указывает на подделку. В то же время следует иметь в виду, что современные аромат заторы способны придать характерный для кофе аромат и тем самым ввести в заблуждение нетренированного дегустатора, так что проблема установления фальсификации кофе достаточно сложна.

В свете решения задач идентификации и установления факта фальсификации пищевых продуктов особое значение приобретает разработка экспресс-методик, основанных, например, на применении сенсорных устройств, характеризующихся селективностью, низкими пределами обнаружения, компактностью, надежностью и простотой эксплуатации. Для создания сенсорных устройств, предназначаемых для анализа пищевых продуктов, широко используется принцип обнаружения ароматобразующих веществ

1. «Электронный нос»

«Электронный нос» - это анализатор паров на основе матрицы разнородных (неравнозначных) сенсоров, имитирующий работу органа обоняния человека [2, 3]. Система обеспечивает получение узнаваемого образа специфической смеси паров (пахучих веществ), которая может содержать сотни различных химических соединений. Основа «электронного носа» - сенсорная матрица, состоящая из газовых сенсоров, которые подбираются по их химическому сродству к отдельным компонентам анализируемой смеси газов и паров. Каждый сенсор в матрице первичных приемников обладает различными парциальными чувствительностями к анализируемым запахам и имеет свой специфический профиль откликов в ответ на тестируемые запахи. Результирующая картина откликов всех сенсоров достаточно сложная, идентификация и описание запаха в понятной для человека общепринятой терминологии возможны только с применением современных электронных вычислительных средств[4].

По аппаратурному исполнению «электронный нос» - комплексная система, состоящая из трех функциональных узлов, работающих в режиме периодического восприятия пахучих проб: системы проботбора и пробподготовки, матрицы (линейки) сенсоров с заданными свойствами и блока процессорной обработки сигналов матрицы сенсоров (рис.1 ).

Рисунок 1. Схема устройства «электронного носа».

Анализируемая проба через входной патрубок поступает в термостатируемое кюветное отделение с установленной в нем матрицей сенсоров. Сенсоры экспонируются в парах веществ, обусловливающих запах, при этом пары воздействуют на поверхность сенсора, либо проникают в объем пленочного покрытия сенсора (для модификации поверхность сенсоров покрывают пленкой из хемо сорбирующих полимеров), в результате формируется суммарный отклик системы. В течение измерительного интервала времени отклик сенсорной матрицы анализируется и передается на процессорный модуль. Для перехода к следующему измерительному циклу через систему пропускают промывочный агент (например, пары этилового спирта) с целью удаления пахучего вещества с поверхности или из объема активной части материала сенсора, затем в ячейку подают газ-носитель, и таким образом достигается полная регенерация системы и подготовка прибора к новому измерительному циклу [3,4]

массочувстительный пьезорезонансный сенсор ароматобразующий

2. Применение массочувстительных пьезорезонансных химических сенсоров для определения ароматобразующих компонентов кофе

Для придания товарного вида сухие кофейные бобы (зерна) подвергают ферментации, сушке и обжариванию при180-200 °С в течение25-30 мин в специальных аппаратах[1]. Именно при обжаривании образуются вещества, придающие характерный аромат и вкус зернам, молотому кофе и напитку. В состав, обусловливающий запах жареного кофе(кафель), входят около 70 легколетучих и окисляющихся на воздух е ароматических соединений[5].

Большая часть ароматобразующих веществ кофе относится к II и III классам полярности (систематизация Эвелла), поэтому в качестве матрицы используются полярные сорбенты: группы А - полиэтиленгликоль ПЭГ-2000, поливинилпирролидон, группы Б - Тритон Х-100, полиэтиленгликоль адипинат и группы В - динонилфталат, метилсиликоновое масло. Малополярные соединения IV и V классов в основном удерживаются сорбентами группы Г, в качестве таких сорбентов используются полистирол и прополис. Для повышения селективности определения, фенольных составляющих аромата электроды модифицировали 4-аминоантипирином, не являющимся хромато графической фазой, но применяемым в аналитической практике в качестве высокочувствительного фотометрического реагента на фенол.

На рис.2 представлена схема процесса детектирования качества кофе с применением пьезосорбционного матричного сенсора. Стационарной матрицей служит система с инжекторным вводом равновесной газовой фазы (кофе)

Рисунок 2. Схема детектирования качества кофе с применением пьезосорбционного матричного сенсора.

В качестве критериев селективности анализа используются такие параметры, как время максимального отклика датчика, удельная сорбционная емкость, чувствительность, выраженная в Гц•дм3/моль, измеряемые при экспонировании пьезодатчиков в парах анализируемого продукта. За удельную сорбционную емкость (фомула (1)) принимало условную величину - отношение изменений частот колебаний резонатора при сорбции вещества в парах и при нанесении пленки:

где Fо, Fпл - абсолютная частота колебаний резонатора без пленки и с пленкой сорбента, соответственно, Гц; Fc - частота колебаний резонатора (с пленкой) при сорбции вещества, Гц.

С увеличением массы пленки на электродах пьезокварцевого резонатора от 0 до15 мкг для всех изученных сорбентов закономерно возрастают аналитический сигнал датчика и сорбционная емкость пленки. При этом для сорбентов групп полярности А, Б и В изменение площади сорбирующей поверхности при увеличении массы пленки приводит к существенному возрастанию количественных параметров взаимодействия. В случае средне и малополярных сорбентов (полистирол, прополис) влияние массы пленки на чувствительность датчика к парам ароматобразующих веществ кофе незначительно. Дальнейший прирост массы пленки (до15 - 30 мкг) практически не изменяет сорбционную емкость пленок большинства изученных сорбентов. Установлено, что для высоковязких фаз (ПЭГ-2000, динонилфталат, метилсиликоновое масло) характерно уменьшение аналитического сигнала сенсора, вызываемое не снижением массы сорбата, а затуханием колебаний объемной акустической волны в пленке. Примеры «ароматограмм» паров проб кофе, построенные по величинам аналитического сигнала и сорбционной емкости, представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Примеры «ароматограмм» кофе, полученные по сигналам в шестисенсорной матрице. Над осью по кругу указаны номера фиксированных откликов ?Fс пьезодатчиков в матрице.

Путем сопоставления «ароматограмм» тестируемых продуктов и стандартов можно получать первую оценку качества (уровень возможной фальсификации).

Заключение

Масс-чувстительные пьезорезонансные химические мультисенсоры находят широкое применение при экспрессном анализе качества продуктов питания.

При мультисенсорном подходе можно получать с известной точностью информацию как о составе, так и о концентрации отдельных составляющих многокомпонентных смесей.

Мультисенсорные системы позволяют анализировать как газовые смеси («электронный нос»), так и жидкие (электронный язык).

Список литературы

1. Нахмедов Ф.Г. Технология кофепродуктов. М.: Легкая и пище-вая пром-ть, 1984, 184 с.

2. Gardner J., Bartlett P.Electronic Noses: Principles and Applications Oxford University Press, 1998.

3. Nagle H.T., Schiffman S., Guitierrez-Osuna R.IEEE Spectrum, 1998. №9, p. 22-33.

4. Craven M.A., Gardner J.W., Bartlett P.N. TRAC: Trends Anal. Chem., 1996, v. 15, №9, p. 486-493.

5. Чаховский И.А. Культура питания. Минск: Белорусская энцик-лопедия, 1993, 416 с.

6. Коренман Я. И., Кучменко Т. А.. Рос хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2002, т. XLVI, №4

Размещено на Allbest.ru