Спектрометрический экспресс-анализатор показателей качества молока и молочного напитка

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 с его помощью регистрируют спектры пропускания и обратного рассеяния излучения ближнего инфракрасного диапазона длин волн для набора образцов с известным содержанием определяемых компонент, а затем методом регрессионного анализа устанавливают многомерную калибровочную модель, которая используется для определения показателей компонент в неизвестном образце по его спектрам пропускания и обратного рассеяния, измеренным с помощью спектрометрического экспресс-анализатора. Сущность предлагаемого спектрометрического экспресс-анализатора заключается в том, что регистрация спектра пропускания производится в проходящем образец потоке излучения через входную щель дифракционного спектрометра ближнего инфракрасного диапазона длин волн на основе линейки фотодиодов, а спектра обратного рассеяния - через световод дополнительного спектрометра того же типа, но допускающего другой спектральный диапазон. Измерительный цикл построен на параллельном измерении спектров диффузного отражения и пропускания образца с помощью двух спектрометров и одного микропроцессора, построении многомерной калибровки по комбинированным спектрам и определении содержания тонких дисперсных фракций по отраженному излучению, а содержания поглощающих и грубых рассеивающих фракций - по спектрам пропускания (экстинкции). 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

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.

Другим отличием является блок образцов, в котором жидкий образец помешен в стандартную химическую пробирку типа ПХ 12, а референсный образец - пластина керамики Аl₂O₅ - 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.

1. Спектрометрический экспресс-анализатор показателей качества молока и молочного напитка, содержащий расположенные на одной оптической оси источник света, объектив, бокс с кюветой образца молока или молочного напитка и выдвижным эталонным образцом, входное отверстие спектрометра коротковолнового ближнего инфракрасного диапазона с многоканальным фотоприемником, образующие канал пропускания, и микропроцессором, содержащим программы управления спектрометром, регрессионного анализа и банк калибровочных моделей, отличающийся тем, что дополнительно содержит волоконный световод и дополнительный спектрометр коротковолнового ближнего инфракрасного диапазона, образующие канал обратного рассеяния, при этом упомянутый волоконный световод установлен перед упомянутой кюветой образца и направляет диффузно рассеянное излучение от образца молока или молочного напитка на входную щель упомянутого дополнительного спектрометра коротковолнового ближнего инфракрасного диапазона.

2. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве кюветы образца используют цилиндрическую пробирку.

3. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что для каждого из двух каналов используют различные эталонные образцы.

4. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит светонепроницаемую заслонку, которая автоматически перекрывает оба канала при вынутых пробирке или держателе эталонного образца.

5. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что волоконный световод устанавливают под углом 30º к оси падающего луча.