К вопросу применения инфракрасных термогравиметрических влагомеров для измерения влажности пищевых продуктов

УДК 664:543.275.1:537.312.51

К вопросу применения инфракрасных термогравиметрических влагомеров для измерения влажности пищевых продуктов

Сергеева А.С.

ФГУП «Уральский научно-исследовательский институт метрологии»

620000, Российская Федерация, г. Екатеринбург, ул. Красноармейская, д.4

тел: + 7 343 350-60-63 е-mail: lab241@uniim.ru

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 устойчивость продукта при хранении. В связи с этим, требования к значению влажности пищевых продуктах 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, существенным недостатком которого является длительность и трудоемкость проведения измерений. Поэтому в практике для оперативной оценки влажности растет число применяемых типов экспрессных анализаторов, основанных на различных физико-химических методах: диэлькометрический, кондуктометрический, СВЧ-метод, ИК спектроскопия, термогравиметрический и другие. Среди них все большую популярность приобретают инфракрасные термогравиметрические (ИК ТГ) влагомеры, основанные на обезвоживании объекта измерений ИК излучением с автоматическим взвешиванием в процессе сушки. Термогравиметрический метод определения влажности, реализованный в ИК ТГ влагомерах, не требуют 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, происходит нагревание сначала 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 способами генерирования излучения, 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 составляет не более 1000 °С, а видимое излучение в спектре составляет доли процента. Диапазон спектральной области источников ИК-излучения составляет 0,8 – 2,5 мкм [4].

Воздействие поглощенного ИК излучения проявляется в нагреве, удалении влаги и физико-химических превращениях, возникающих внутри облучаемых веществ. Так как продукты питания и продовольственное сырье относятся к веществам с низким коэффициент пропускания, то при их облучении глубина проникновения излучения достигает всего несколько миллиметров. Проникновение в более глубокие слои материала является несущественным, 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 обуславливает сложность определения их влажности. С одной стороны, используя нагрев, практически невозможно удалить всю влагу из материала без аддитивного 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.

Таким образом, специфика конструкции ИК ТГ влагомеров и воздействия ИК излучения на вещество такова, что правильность результатов измерений и их хорошая воспроизводимость обеспечивается 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.

Одним из наиболее популярных экспрессных анализаторов является влагомер термогравиметрический инфракрасный МА 150, выпускаемый фирмой «Sartorius», 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 обезвоживании образца анализируемого вещества – 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 программного обеспечения. Процесс измерения включает следующие операции: оператор размещает пробу анализируемого материала (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 МА-150 представлен на рис. 1.

Рис.1 – Внешний вид влагомера МА-150

Таблица 1 − Перечень разработанных методик для МА 150

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), характеристики которых представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Метрологические характеристики ГСО 9734-2010 и ГСО 9563-2010

Особенностью ИК ТГ влагомеров является изменение спектральных характеристик нагревательного элемента в процессе продолжительной и достаточно интенсивной эксплуатации, что приводит к получению ошибочных результатов измерения, т.к. температура сушки, выдаваемая влагомером, перестает соответствовать температуре, установленной при разработке и аттестации методики. В связи с этим, необходимым условием обеспечения правильности измерений влажности с использованием ИК ТГ влагомеров является 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 влагомеры и разработанные для них методики измерений. В качестве примера можно привести процедуру поверки ИК ТГ влагомеров МА 150 фирмы «Sartorius». Она включает в себя 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 является 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 МА 150 фирмы «Sartorius», уже более пяти лет успешно применяемый на российских предприятиях, в том числе в сфере государственного регулирования в области обеспечения единства измерений [10].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

• ФЗ от 12 июня 2008 г. N 88-33 «Технический регламент на молоко и молочную продукцию»
• ФЗ от 24 июня 2008 г. N 90-ФЗ «Технический регламент на масложировую продукцию»
• Романов В.Г. Поверка влагомеров твердых веществ. М.: Изд-во стандартов, 1983. 176 с.
• Sartorius A.G. Thermogravimetric Moisture Analysis of Materials. Principles and practical applications. 2002.
• Секанов Ю.П. Влагометрия сельскохозяйственных материалов. М.: Агропромиздат, 1985. 160 с.
• Медведевских С.В. Термогравиметрические установки в системах контроля влажности твердых веществ. Дис.канд.техн.наук. Челябинск, 2001. 132 с.
• Горшков В.В., Коряков В.И., Медведевских М.Ю., Медведевских С.В. Государственный первичный эталон единиц массовой доли и массовой концентрации влаги в твердых веществах и материалах / Измерительная техника. 2010. № 4. С. 24–27.
• ГОСТ Р 8.681–2009 Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений содержания влаги в твердых веществах и материалах.
• ГОСТ Р 8.563–2009 Государственная система обеспечения единства измерений. Методики (методы) измерений
• Федеральный закон от 26 июня 2008 г. № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений».