способ экспресс контроля качества спиртоводочных изделий для их идентификации

Формула изобретения

Способ контроля качества спиртоводочных изделий для их идентификации, заключающийся в проведении двухканальной корреляционной спектроскопии путем направления на исследуемый образец лазерного светового потока с последующей регистрацией сигналов рассеяния этого потока по двум направлениям, симметрично расположенным относительно оси источника света, перемножением этих сигналов и определением первичной спектральной характеристической функции в полосе частот 1 - 120 Гц путем вычисления автокорреляционной функции и ее Фурье-преобразования, выделением спектрального ядра и определением его интенсивности, полуширины и частотного положения максимума и сравнением их с соответствующими значениями эталонных образцов, а качество спиртоводочных жидкостей устанавливают по результату сравнения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к пищевой промышленности и может найти применение в системах контроля качества спиртоводочных изделий для их идентификации. Способ может быть также использован для контроля и других пищевых жидкостей.

Известно, что наиболее точным и достоверным способом получения данных о развернутом химическом составе образцов спиртоводочной продукции, позволяющем судить о ее качестве, является комплексное применение методов хроматографии, масс- и ЭПР-спектроскопии.

Основным недостатком этого способа является очень высокая стоимость основного оборудования и расходных материалов, а также большая продолжительность выполнения анализа одного образца, что делает практически невозможным его применение для решения задач массового контроля качества и идентификации спиртоводочной продукции, поставляемой в торговую сеть как отечественными, так и зарубежными производителями.

В настоящее время оценка качества водок осуществляется в соответствии с ГОСТ 5363-93, в основном, по содержанию вредных примесей: массовой концентрации альдегидов, сивушного масла, сложных эфиров, объемной доли метилового спирта и т.д. с последующим сравнением полученных значений с предельно-допустимыми значениями.

При получении неудовлетворительных результатов испытаний хотя бы по одному из показателей всю партию спиртоводочной продукции бракуют (Межгосударственный стандарт, "Водка. Правила приемки и методы анализа", Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. Издательство стандартов, М., 1994).

Основным недостатком приведенных в ГОСТе методик по определению количества вредных примесей в исследуемой спиртоводочной продукции является достаточно большая трудоемкость по их реализации (6-10 анализов в смену), а также низкая точность получаемых результатов измерений, обусловленная, в основном, низкой разрешающей способностью используемых фотоэлектроколориметров ФЭК-56М, КФК-2 по интенсивностям окраса исследуемого и образцового растворов, получаемых в результате химических реакций.

Известен оптический метод оценки химического состава спиртоводочной продукции по характеристическим спектрам ингредиентного поглощения света на различных длинах волн при его прохождении сквозь исследуемый образец. В качестве примера можно привести известный способ определения концентрации этилового спирта в водных растворах, основанный на измерении поглощения света, прошедшего через кювету с исследуемым раствором, на предварительно определенных характеристических длинах волн ₁= 920,8 нм и _o (являющейся точкой максимального поглощения света этиловым спиртом), затем определяют концентрацию спирта по расчетной формуле, основанной на априорных экспериментальных данных о характеристической спектральной зависимости поглощения света водой, спиртом и водно-спиртовыми растворами (RU, 2082967, G 01 N 33/14, 1997).

Недостатком этого способа является сложность и высокая стоимость аппаратуры, а также большая продолжительность выполнения анализа одного образца, обусловленная необходимостью проведения анализа по каждому ингредиенту исследуемого раствора, как минимум на двух длинах волн, соответствующих каждому ингредиенту, что делает практически невозможным его широкое применение.

Известен также оптический амплитудный метод исследования растворов пищевых жидкостей (соки, молоко, напитки, вина и т.п.), основанный на релеевском статистическом рассеянии падающего света (А.Д.Зимон, Н.Ф.Лещенко. Коллоидная химия. М.: Химия, 1995, с. 131-142).

Физическая сущность данного метода состоит в следующем.

Согласно Релею интенсивность рассеянного света I_р относительно падающего света I_о определяется по формуле

I_p= 24³(_чV²/⁴)[(n²₁-n²₂)/(n²₁+2n²₂)]I_o, (1)

где _ч - численная концентрация дисперсной фазы,

V - объем рассеивателей,

- длина волны падающего света,

n₁, n₂ - показатели преломления дисперсной фазы и дисперсной среды.

Если числитель и знаменатель уравнения (1) умножить на (плотность "материала" рассеивателей дисперсной фазы), то для случая шарообразных рассеивателей при всех прочих равных условиях уравнение (1) принимает вид

I_p= k_1чV²I_o(/) = k_1м(4/3r³/)I_o, (2)

где k₁ - коэффициент пропорциональности, который означает, что другие члены уравнения Релея остаются неизменными,

_м= _чV_p - соответствует массе дисперсной фазы в единице объема, т.е. массовой концентрации _м.

Это означает, что интенсивность рассеянного света пропорциональна массовой концентрации и размеру частиц дисперсной фазы.

В общем виде данный метод представляет собой последовательное применение операций амплитудной одноканальной нефелометрии и сравнения получаемых значений интенсивностей рассеянного света исследуемых жидкостей с соответствующими значениями эталонных образцов с известными характеристическими параметрами.

Основным недостатком данного метода является узкая область практического применения, пригодная только для исследования монодисперсных жидкостей, содержащих относительно крупные рассеивающие частицы, а также низкая точность измерений, обусловленная тем, что амплитудные измерения интенсивности рассеянного света, выполняемые во временной области, не учитывают флуктуации оптической плотности в рассеивающем объеме, порождаемые внутренней молекулярной динамикой под воздействием тепловой энергии КТ.

Известен также метод лазерной корреляционной спектроскопии растворов, существенно исключающий указанные недостатки, основанный на динамическом рассеянии света, учитывающем молекулярную динамику раствора (Лебедев А.Д. Лазерная корреляционная спектроскопия в биологии. Киев, 1987, с. 50-101).

Физическая сущность этого способа заключается в следующем.

В простейшем случае раствора малых по сравнению с длиной волны падающего света оптически изотропных тождественных частиц автокорреляционная функция и спектральная плотность сигнала динамического рассеяния имеет вид



= D_tq² - диффузионное уширение,

D_t - коэффициент трансляционной диффузии,

- радиус корреляции,

q = 4(n_o/)sin(/2) - волновой вектор,

n_о - показатель преломления растворителя,

- длина волны падающего света,

- соответствующая ей частота,

/2 - угол наблюдения рассеянного света (=90^o),

qV - доплеровское смещение длины волны падающего света на частицах, перемещающихся в процессе трансляционной диффузии,

A - амплитуда (интенсивность) флуктуаций светорассеяния, соответствующая диффузному уширению .

При этом коэффициент трансляционной диффузии D_t связан с гидродинамическим радиусом R_h рассеивающих частиц соотношением Стокса-Эйнштейна

= [KT]/[6R_h], (5)

где K - постоянная Больцмана,

T - абсолютная температура,

- вязкость раствора.

Исходя из этого, оценка распределения рассеивателей по размерам в исследуемом растворе производится в соответствии с соотношением

N(R_h) = (A(R_h)]/[R⁽_h^2m+2)], (6)

где N(R_h) - количество молекул с гидродинамическим радиусом R_h,

A(R_h) - амплитуда (интенсивность) флуктуаций динамического рассеяния света, соответствующая диффузному уширению (R_h),

m - параметр, учитывающий форм-фактор рассеивателей в растворе: = 3 для "глобулярных кластеров",

= 2 для "сфер и гауссова клубка ассоциатов".

Исследование жидкостей по данному методу основано на сравнении распределений по размерам частиц исследуемых жидкостей и их эталонных образцов. В общем виде данный метод представляет собой последовательное применение операций спектральной одноканальной нефелометрии, включающей применение преобразования Фурье, предварительно вычисляемой автокорреляционной функции наблюдаемого сигнала светорассеяния, и сравнения получаемых спектральных характеристических функций исследуемых жидкостей с соответствующими спектральными функциями эталонных образцов с известными параметрами.

Этот способ может быть использован для исследования полидисперсных растворов: молоко, соки и т.п., содержащих светорассеивающие частицы относительно больших размеров, удовлетворяющих условию длины волны падающего света 0,1 < R_h .

Однако существенным недостатком этого метода является его крайне низкая точность при исследовании спиртоводочных жидкостей из-за явного отсутствия в них дисперсной фазы и обусловленная крайне низким отношением сигнал/шум наблюдаемого сигнала на выходе первичного измерительного преобразователя, воспринимающего флуктуации оптической плотности в рассеивающем объеме исследуемых образцов.

Оценка по размеру частиц является информативной только при наличии явной дисперсной фазы, поэтому для спиртоводочных жидкостей необходимо исследовать тонкую спектральную структуру молекулярной динамики, которая может быть представлена, исходя из фундаментального уравнения мутности для разбавленных растворов

Hc/R = [(1/M)+2Bc][1+(16²n²_or²_э)/(3²_o)], (7)

где R - показатель рассеяния света Релея, определяемый экспериментально при угле рассеяния 90^o [см^-1],

c - концентрация частиц в растворе (объемная концентрация в 1% соответствует массовой концентрации 0,01 г/см³),

M - молекулярная масса рассеивателей в дальтонах (1 дальтон - 1,660510^-27 кг),

B - второй вириальный коэффициент в уравнении состояния реального газа, значения которого зависят от межмолекулярных взаимодействий рассеивающих частиц [см³/г],

n_о - показатель преломления воды,

_o - длина волны лазерного источника света,

r_э - эффективный радиус вращающейся молекулы,

H - постоянная прибора.

При этом спектральная плотность флуктуаций интенсивности светорассеяния принимает вид



где D_t и D_r - коэффициенты соответственно трансляционной и вращательной диффузии, оценка которых может быть получена из полуширины спектра



а B_о и B₂ в ряде случаев могут быть апроксимированы соотношениями

B_о1/[1+(qL)²; В₂ [0,2³]/[0,2²+(qL-9)²],(B_о>B₂),

где L - линейные размеры ассоциатов и кластеров, которые возможно оценить по экспериментальным данным. Измеряя спектр деполяризованного света, по его полуширине, когда 6D_r можно отдельно получить оценку коэффициента вращательной диффузии D_r.

Очевидно, что выражение (8) по сравнению с выражением (4) отражает более тонкую частотную структуру молекулярной динамики в тестируемых растворах.

Таким образом, метод динамического рассеяния, в принципе, позволяет получить корреляционные зависимости флуктуаций оптической плотности (флуктуаций численной концентрации рассеивателей) в рассеивающем объеме тестируемого образца от молекулярных физических параметров тестируемого раствора, в том числе в присутствии третьей компоненты.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении точности измерений за счет повышения отношения сигнал- шум и одновременного использования нескольких характеристических параметров идентификации, при одновременном уменьшении времени тестирования одного образца.

Сущность изобретения заключается в достижении упомянутого технического результата в способе контроля качества спиртоводочных жидкостей для их идентификации, в котором проводят двухканальную корреляционную спектроскопию путем направления на исследуемый образец лазерного светового потока с последующей регистрацией сигналов рассеяния этого потока по двум направлениям, симметрично расположенным относительно оси источника света, перемножением этих сигналов и определением первичной спектральной характеристической функции в полосе частот 1-120 Гц методом вычисления автокорреляционной функции и ее Фурье-преобразования, выделением спектрального ядра и определением его интенсивности, полуширины и частотного положения максимума, и сравнением их с соответствующими значениями эталонных образцов спиртоводочных жидкостей, а качество спиртоводочных жидкостей устанавливают по результату сравнения.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1-3 приведены графики автонормированных характеристических спектральных функций образцов спиртоводочной продукции.

Способ осуществляют следующим образом.

Стандартный нефелометр с лазерным источником света добавляют вторым каналом регистрации светорассеяния. Оба приемника расположены симметрично относительно оси лазерного источника света. В кювету нефелометра помещают исследуемый образец. Затем проводят определение первичной спектральной характеристической функции в полосе частот 1-120 Гц методом вычисления автокорреляционной функции и ее Фурье-преобразования. Для определения качества спиртоводочных жидкостей в характеристической функции выделяют спектральное ядро и определяют его интенсивность, полуширину и частотное положение максимума, которые затем сравнивают с соответствующими значениями эталонных образцов.

По сути дела, способ согласно изобретению представляет собой разновидность лазерной корреляционной спектроскопии, сущность которой описана выше, с той разницей, что в качестве характеристических показателей используют интенсивность спектрального ядра, его полуширину и частотное положение максимума.

Вычисление характеристических показателей возможно провести с помощью персональной ЭВМ, что значительно сократит время анализа.

Введение операции регистрации светорассеяния вторым приемником, расположенным перпендикулярно первому, а также введение операции перемножения зарегистрированных на двух приемниках сигналов, т.е. введение операций регистрации сигнала светорассеяния двумя измерительными каналами с одним и тем же полезным сигналом и некоррелированными внутренними шумами, образует дополнительную макро-операцию двухканального корреляционного детектирования полезного сигнала, что обеспечивает улучшение соотношения сигнал/шум до 2 раз, что, в свою очередь, повышает точность оценок характеристических параметров исследуемого образца.

Одновременно с этим улучшение соотношения сигнал/шум позволяет существенно сократить время тестирования одного образца за счет сокращения времени накопления наблюдаемого сигнала. ("Поиск, обнаружение и измерение параметров сигналов в навигационных системах". М.: Советское радио, 1975, с. 40-41).

В изобретении качество тестируемых образцов спиртоводочной продукции осуществляется на основе получаемых первичных спектральных характеристических функций динамического светорассеяния способом выделения спектрального ядра и определения значений его специфических характеристических параметров; интенсивности, полуширины и частотного положения максимума, которые затем сравнивают с соответствующими значениями эталонных образцов с известными параметрами вредных примесей. При значениях характеристических показателей ниже соответствующих пороговых уровней принимают решение о том, что содержание вредных примесей в тестируемом образце не превышает уровня предельно допустимых норм (ПДК). В противном случае принимается решение о том, что содержание вредных примесей в тестируемом образце превышает уровень ПДК.

Зависимость надежности оценок качества и идентификации (апостериорная вероятность правильного тестирования) от количества одновременно используемых характеристических параметров имеет вид (по Байесу):



и т.д. до m.,

A - события, когда на тестирование предъявляются образцы продукции, истинно соответствующие предельно допустимым нормам качества,

B - события, когда на тестирование предъявляются образцы продукции, истинно не соответствующие предельно допустимым нормам качества,

PA_m и PB_m - апостериорные вероятности правильности тестирования для событий A и B одновременно по m признакам, i=1,2,...m,

P(A) и P(B) - априорные вероятности наблюдения событий A и B,

и априорные условия вероятности правильности результатов тестирования по i-му признаку для событий A и B,

априорная условная вероятность ложно-отрицательных результатов тестирования по i-му признаку для события A,

априорная условная вероятность ложно-положительных результатов тестирования по i-му признаку для события B,

и значительно возрастает с увеличением количества слабо коррелированных признаков, поэтому одновременное использование в изобретении нескольких признаков существенным образом повышает вероятность правильного тестирования (Г.Г.Абезгауз и др. "Справочник по вероятностным расчетам", изд. Мин. обор., М., 1970).

При тестировании нескольких проб одной и той же продукции надежность тестирования повышается в соответствии с выражением

P_нмд=[1-(1-P_нод)ⁿ], (10)

где P_нод - надежность тестирования при одной пробе (n=1),

P_нмд - надежность тестировании при множестве проб,

n - количество проб одного образца продукции.

Способ согласно изобретению характеризуется возможностью высокой автоматизации процесса тестирования, экспрессностью, не требует применения дорогостоящего оборудования и препаративного обеспечения, может обслуживаться одним оператором средней квалификации и может быть использован как самостоятельно, так и в составе комплексов аппаратуры в качестве первичного звена, принимающего на себя первичный поток требований по оценке качества и идентификации спиртоводочной продукции на всех этапах ее производства и реализации.

Для каждой конкретной ситуации оптимальное количество приборов, реализующих способ согласно изобретению, определяется в соответствии с теорией массового обслуживания, позволяющей определить потребность в приборах.

Способ поясняется следующими примерами.

С помощью способа согласно изобретению проводили тестирование водки "Богородская" -фиг. 1, водки "Смирнов 21" - фиг. 2, водки "Русская" - фиг. 3.

На каждом из рисунков приведены по два графика зависимостей автонормированных значений интенсивностей динамического светорассеяния частотного параметра fk, где f - полоса пропускания парциального цифрового фильтра, k - порядковый номер фильтра.

В таблице приведены качественные показатели вредных примесей в тестируемых водках (содержание вредных примесей), которые определялись одновременно по стандартной методике (согласно ГОСТ 5363-93) и газовым хроматографом, совмещенным с масс-спектрометром SATURN 2000/GC/MS (США), а также характеристические показатели: F - полуширина спектрального ядра, I_n - интенсивность спектрального ядра, max - положение спектрального максимума и норма этих показателей для тех же образцов водок.

Анализ данных таблицы показывает, что при сравнении полученных характеристических параметров с контрольными значениями водки 1а, 2а, 2б - соответствуют данным контрольным нормам.

При анализе фиг. 1, 2 видно, что существует достаточно сильная корреляционная зависимость характера первичной спектральной характеристической функции и ее специфических характеристических параметров: частотного положения максимума, интенсивности и полуширины выделяемого спектрального ядра - от количественных показателей содержания композиции вредных примесей и рецептуры вкусовых добавок. При практическом совпадении последних графики практически налагаются друг на друга (см. фиг. 3). Общей закономерностью при увеличении количества вредных примесей в тестируемом образце спиртоводочной продукции является относительное увеличение интенсивности спектрального ядра и увеличение его полуширины, а также относительно большой сдвиг максимума спектрального ядра в более высокочастотную область (более чем в 3 раза). При этом предварительные значения априорных вероятностей наблюдения данных признаков идентификации соответственно составляют не хуже: 0,8 и 0,2, 0,8 и 0,2, 0,7 и 0,3. В этом случае зависимость значений апостериорных вероятностей (9) - правильности контроля качества для идентификации имеет вид по одному признаку - 0,8, по двум признакам одновременно - 0,94, по трем признакам одновременно - 0,97.

Метод прошел испытания в Государственном центре агрохимической службы "Московский" (Аттестация Госстандарта РФ N РОСС RU. 0001.11ПР88 от 9 июня 1998 г.) в лаборатории физико-химических методов анализа пищевой продукции и кормов.

Испытания показали следующее.

1. Характеристическая спектральная функция несет в себе всю полноту информации о тестируемом образце. При этом эффективность идентификации представленных на испытания образцов спиртоводочной продукции на лазерном компьютерном анализаторе жидкости, реализующем способ согласно изобретению, примерно 100%.

2. Испытания показали принципиальную возможность применения лазерного анализатора жидкости, реализующего способ согласно изобретению для оценки качества спиртоводочной продукции, при этом представляется возможным создание и ведение компьютерной базы данных (базы данных характеристических функций) по всей номенклатуре спиртоводочной продукции как отечественных, так и зарубежных производителей, а также выработка электронного эталона на всю номенклатуру продукции при накоплении достаточного статистического материала.