Применение фотометрии в пищевых производствах кратко

Обновлено: 05.07.2024

В зависимости от применяемых средств измерений методы подразделяются на измерительные, регистрационные, расчетные, социологические, экспертные и органолептические.

Измерительные методы базируются на информации, получаемой с использованием средств измерений и контроля. С помощью измерительных методов определяют такие показатели, как масса, размер, оптическая плотность, состав, структура и др.

Измерительные методы могут быть подразделены на физические, химические и биологические.

Физические методы применяют для определения физических свойств продукции - плотности, коэффициента рефракции, вязкости, липкости и др. К таким методам относятся микроскопия, поляриметрия, колориметрия, рефрактометрия, спектроскопия, реология, люминесцентный анализ и другие.

Химические методы применяют для определения состава и количества входящих в продукцию веществ. Они подразделяются на количественные и качественные - это методы аналитической, органической, физической и биологической химии.

Биологические методы используют для определения пищевой и биологической ценности продукции. Их подразделяют на физиологические и микробиологические. Физиологические применяют для установления степени усвоения и переваривания питательных веществ, безвредности, биологической ценности. Микробиологические методы применяют для определения степени обсемененности продукции различными микроорганизмами.

Регистрационные методы - это методы определения показателей качества продукции, осуществляемые на основе наблюдения и подсчета числа определенных событий, предметов и затрат. Эти методы основываются на информации, получаемой путем регистрации и подсчета определенных событий, например, подсчета числа дефектных изделий в партии и т.д.

Расчетные методы отражают использование теоретических и эмпирических зависимостей показателей качества продукции от ее параметров. Эти методы применяют в основном при проектировании продукции, когда последняя еще не может быть объектом экспериментального исследования. Этим же методом могут быть установлены зависимости между отдельными показателями качества продукции.

Социологические методы основаны на сборе и анализе мнений фактических и возможных потребителей продукции; осуществляется устным способом, с помощью опроса или распространения анкет-вопросников, путем проведения конференций, совещаний, выставок, дегустаций и т.п. Этот метод применяют для определения коэффициентов весомости.

Экспертные методы - это методы, осуществляемые на основе решения, принимаемого экспертами. Такие методы широко используют для оценки уровня качества (в баллах) при установлении номенклатуры показателей, учитываемых на различных стадиях управления, при определении обобщенных показателей на основе совокупности единичных и комплексных показателей качества, а также при аттестации качества продукции. Экспертные методы оценки качества продукции применяются при невозможности или нецелесообразности по конкретным условиям оценки использовать расчетные или измерительные методы. Их используют самостоятельно или в сочетании с другими методами при оценке нормативно-технической документации на продукцию и качество продукции, при выборе наилучших , реализуемых в управлении качеством продукции, а также для: классификации оцениваемой продукции и потребителей; определения номенклатуры и коэффициентов весомости показателей качества; выбора базовых образцов и определения значений базовых показателей; измерения и оценки показателей с помощью органов чувств; оценки единичных показателей, значения которых определены расчетным или измерительным методом; определения комплексных показателей качества и в других случаях.

Для оценки качества продукции с помощью экспертных методов создают экспертные комиссии (технические, дегустационные и др.). Экспертная комиссия состоит из двух групп: рабочей и экспертной. При формировании экспертной группы учитывают психофизиологические возможности эксперта и состояние его здоровья. Эксперт должен быть компетентным, деловитым и объективным.

Рабочая группа осуществляет подготовку и проведение экспертной оценки качества продукции и анализ ее результатов.

Оценка уровня качества продукции - это совокупность операций, включающая выбор номенклатуры показателей качества оцениваемой продукции, определение значений этих показателей и сопоставление их с базовыми. При проведении экспертной оценки качества продукции представляют в виде иерархической структуры.

Обобщенные показатели относят к самому высокому уровню, а групповые комплексные - к нижерасположенным. На нижнем уровне структурной схемы находятся единичные показатели. Число уровней иерархии определяется сложностью продукции, количеством показателей, целью и требуемой точностью.

Органолептические свойства - это свойства объектов, оцениваемые органами чувств человека (вкус, запах, консистенция, окраска, внешний вид и т.п.). Органолептический анализ пищевых и вкусовых продуктов проводится посредством дегустаций, т.е. исследований , осуществляемых с помощью органов чувств специалиста - дегустатора без применения измерительных приборов.

Исследование любого пищевого продукта – сложная аналитическая задача из–за индивидуальности и многокомпонентности его состава. В связи с загрязнением окружающей среды одной из важнейших задач аналитической химии является определение малых содержаний следов тяжелых металлов, пестицидов, канцерогенов и т.д. Среди разнообразных физико–химических методов анализа широкое распространение получили фотометрические методы, которые используют для определения физико–химических показателей качества продовольственного сырья и готовых продуктов питания, их пищевой ценности и безопасности. Оптические методы используют для определения большинства химических элементов, сахаров, белков, витаминов, жиров, пектиновых веществ.

Фотометрический метод анализа – один из самых распространенных методов физико-химического анализа. Его распространению способствовали сравнительная простота необходимого оборудования, особенно для визуальных методов, высокая чувствительность и возможность применения для определения почти всех элементов периодической системы и большого количества органических веществ. Открытие новых реагентов, образующих окрашенные соединения с неорганическими ионами и органическими веществами, делает в настоящее время применение этого метода почти неограниченным.

Фотометрический метод анализа может применяться для большого диапазона определяемых концентраций. Его используют как для определения основных компонентов различных сложных технических объектов с содержанием до 20-30% определяемого компонента, так и для определения микропримесей в этих объектах при содержании их до 10 -3 – 10 -4 %. В фотометрических методах используют избирательное поглощение света молекулами анализируемого вещества. Согласно квантовой механике свет представляет собой поток частиц, называемых квантами или фотонами. Энергия каждого кванта определяется длиной волны излучения. В результате поглощения излучения молекула поглощающего вещества переходит из основного состояния с минимальной энергией в более высокое энергетическое состояние. Электронные переходы, вызванные поглощением строго определенных квантов световой энергии, характеризуются наличием строго определенных полос поглощения в электронных спектрах поглощающих молекул. Фотометрический метод включает визуальную фотометрию (колориметрию), фотоколориметрию и спектрофотометрию.

В основе количественного определения лежит закон Бугера – Ламберта – Бера, который устанавливает прямо пропорциональную зависимость между оптической плотностью и концентрацией вещества в исследуемом растворе [1]. Этапы количественного фотометрического анализа включают: перевод определяемого вещества в окрашенную форму; получение спектра поглощения исследуемого вещества и выбор спектральной области, соответствующей максимуму полосы поглощения определяемого компонента; получение зависимости оптической плотности раствора от концентрации вещества, взятого в качестве стандарта при длине волны λ_max; определение концентрации вещества. Оптическую плотность растворов измеряют с помощью фотоколориметров и спектрофотометров. Измерение оптической плотности производят по отношению к раствору сравнения.

Фотометрический анализ используется в виноградарстве и виноделии для определения разнообразных органических соединений и минеральных элементов. Разработаны методики фотометрического определения фенолов в колбасных изделиях, белков в молочных продуктах, суммарного содержания сахаров в кондитерских изделиях, крахмала в муке и зерне, β-каротина в соках, кофеина в кофе и чае и др. [2].

Васильев В.Т. Аналитическая химия. В 2 кн. Кн. 2. Физико-химические методы анализа. – М.: Дрофа, 2005. – 383 с.

Коренман Я.И. Практикум по аналитической химии. Анализ пищевых продуктов: В 4-х кн. - Кн.2. Оптические методы анализа. – М.: КолосС, 2005. – 288 с.

Задачей исследования состава пищевых продуктов является количественное и качественное определение содержащихся в них веществ, выявление соответствия нормам по питательной ценности и содержанию вредных компонентов.

Фотометрические методы с большой точностью выявляют различные концентрации веществ в сырье и готовой продукции, поэтому их повсеместно используют в учреждениях, определяющих качество и безопасность продовольствия.

Аналитические возможности фотометрии, доступность реактивов и оборудования, разработанные и стандартизованные методики помогают контролировать содержание пестицидов, тяжелых металлов, перекисных соединений и других токсичных элементов, с высокой точностью указывать содержание основных питательных веществ (сахаров, белков, жиров), а также витаминов, пигментов, сложных углеводов и др.

Чай, соки, вино, крупы, мука, полуфабрикаты и консервы, вода, различное сырье и другая продукция подвергается обязательному исследованию.

Особенности и преимущества метода

Современной аналитической химии известны реакции получения цветных растворов практически для всех известных элементов и соединений. Оптические методы измерения позволяют выявлять точную концентрацию определяемого вещества в обрабатываемых пробах и делать расчет их содержания в продукции - будь то 82,5% жира в сливочном масле или доли процента микропримесей гербицидов в муке.

Чем выше концентрация искомого вещества в растворе, тем больше его оптическая плотность. Ее сравнивают с оптической плотностью нулевого и стандартных растворов, затем вычисляют по правилу пропорции.

Измерение производится в выделенном диапазоне длин волн, в котором наблюдается максимум поглощения света для данного вещества.

Визуальные оптические методы все еще используются в отдельных лабораториях, главным образом, для экспресс-анализов. Оснащение современными спектрофотометрами типаВ 1200 или В 1100 значительно упрощает работу, сокращает время на расчеты, повышает точность измерений, так как эти приборы калибруются автоматически и выдают готовый результат вычисления концентрации в растворе.

Спектрофотометрический и фотоколориметрический методы анализа пищевых продуктов, их сущностная характеристика. Закон светопоглощения. Приборы и оптимальные условия для фотометрии. Пример определения цветного числа масел и содержания диоксида серы.

Рубрика	Химия
Вид	презентация
Язык	русский
Дата добавления	19.03.2015
Размер файла	4,2 M

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

HTML-версии работы пока нет.
Cкачать архив работы можно перейдя по ссылке, которая находятся ниже.

Подобные документы

Понятие об антиоксидантах, их классификация и методы исследования. Антиоксидантные свойства некоторых пищевых продуктов. Оценка показателей прецизионности (повторяемости и воспроизводимости) и точности методики анализа. Подготовка пробы чая к анализу.

дипломная работа [253,1 K], добавлен 13.05.2015

Загрязнение пищевых продуктов тяжелыми металлами. Токсическое действие соединений мышьяка. Методы идентификации и количественного определения йода в продуктах, продовольственном сырье и биологически активных добавках. Определение кислотности молока.

курсовая работа [160,7 K], добавлен 04.01.2013

Общая характеристика процесса хроматографии. Физико-химические основы тонкослойной хроматографии, классификация методов анализа. Варианты хроматографии по фазовым состояниям. Контроль качества пищевых продуктов посредством метода ТСХ, оборудование.

курсовая работа [371,8 K], добавлен 27.12.2009

Изучение химического состава пищевых продуктов, его полноценности и безопасности. Изменения основных пищевых веществ при технологической обработке. Концепция рационального и здорового питания. Применение полимерных материалов в пищевой промышленности.

курс лекций [1,8 M], добавлен 19.09.2014

Контроль качества пищевых продуктов как основная задача аналитической химии. Особенности применения атомно-абсорбционного метода определения свинца в кофе. Химические свойства свинца, его физиологическая роль. Пробоподготовка, методики определения свинца.

курсовая работа [195,2 K], добавлен 25.11.2014

Содержание пищевых кислот в продуктах питания и методы их определения. Характеристика некоторых из пищевых кислот. Обоснование титрования, определения и расчета количества аскорбиновой кислоты, динамика изменения её содержания при термообработке.

дипломная работа [1,3 M], добавлен 03.07.2015

Химическое строение, свойства и биологическое значение витамина С. Суточная потребность в нем. Экспериментальное йодометрическое определение, количественные и химические методы анализа содержания витамина в пищевых продуктах и витаминных препаратах.

Фотометрия - это широко используемый метод в лабораторной диагностике. Большинство показателей исследуемых в разделе "биохимия" измеряется при помощи фотометрии. Помимо биохимии фотометрия используется в ИФА, общем анализе мочи и крови и т.д.

В дальнейшем, для простоты в статье будет рассматриваться только горизонтальная фотометрия в проходящем свете (то есть измерение оптической плотности растворов).

Итак, все начинается с простейшей схемы прибора, который используется для фотометрической детекции.

Схема простейшего фотометра

В простейшем случае световой поток от источника света налетает на исследуемый раствор. После прохождения через раствор ослабленный световой поток попадает на фотодетектор. Поскольку условия, при которых проводится измерение подбираются так, что вся оптическая плотность раствора обусловлена присутствием одного вещества, то измеряя оптическую плотность мы можем, в конечном итоге, определять концентрацию этого вещества.

Физические основы фотометрии

Физический принцип, лежащий в основе данного процесса, называется законом Бугера-Ламберта-Берра.

I - интенсивность света прошедшего через раствор
I₀ - исходная интенсивность падающего на кювету с раствором света (ее можно измерить, просто убрав кювету с раствором так, чтобы свет от источника непосредственно падал на фотодетектор)
c - концентрация поглощающего вещества в растворе (ммоль/л)
l - толщина поглощающего слоя (см)
e_λ - молярный коэффициент поглощения (л×моль -1 ×см -1 ) величина индивидуальная для каждого вещества при определенной длине волны

Таким образом, если принять, что в условиях измерения которые мы можем стандартизировать величина e_λ известна, толщина поглощающего слоя известна и вообще то определяется нами, величины I и I₀ выясняются в процессе измерения, следовательно зная все эти показатели в конечном счете можно вычислить концентрацию исследуемого вещества.

Прологарифмировав нашу исходную формулу по основанию 10, получим:

Далее путем нехитрых преобразований получаем:

Величина lg I₀/I называется оптической плотностью и как правило обозначается буквами A или D или OD. Поскольку величины e_λ и l являются постоянными при каждом измерении, то оптическая плотность линейно зависит только от концентрации измеряемого вещества в растворе, следовательно измеряя оптическую плотность мы можем определить концентрацию.

Проведение калибровки

Как уже было сказано выше оптическая плотность и концентрация определяемого вещества связаны линейной зависимостью.

Отсюда следует, что, зная уравнение прямой для данной зависимости мы можем по любой известной оптической плотности узнать концентрацию интересующего нас вещества.

Для того, чтобы узнать это уравнения проводится процедура калибровки.

На практике если калибровка делается вручную процедура заключается в построении так называемой калибровочной кривой (которая в случае фотометрического измерения чаще всего является прямой линией :).

Для построения линейной зависимости требуется как минимум две точки.

Для начала берется раствор с известной концентрацией вещества (калибратор), которое мы собираемся измерять. После проведения соответствующей химической реакции измеряется оптическая плотность получившейся реакционной смеси, при этом на графике по оси абсцисс откладывается концентрация вещества в растворе, а по оси ординат получившаяся оптическая плотность. Таким образом мы получаем первую точку на графике. Для получения второй точки можно использовать раствор с другой концентрацией, но на практике исходят из предположения, что раствор с нулевой концентрацией обладает нулевой оптической плотностью и в качестве второй точки просто берется начало координат (на самом деле это не так, но это преодолевается при помощи специальных процедур настройки прибора), что позволяет проводить калибровку большинства показателей биохимии по калибратору только с одним уровнем концентрации.

Таким образом получается график, используя который, можно по известной оптической плотности определить концентрацию вещества в растворе.

Калибровочный график

В современный лабораториях калибровку как правило вручную не проводят, это делается автоматически биохимическими анализаторами или другими приборами с фотометрической детекцией на борту.

Суть остается той же за исключением того, что прибор делает расчет для нахождения функции, описывающей калибровочный график, и далее использует ее для расчета концентраций. Калибровочный график при этом строится исключительно для удобства пользователя.

В общем виде функция, описывающая прямую линию, выглядит следующим образом:

y - оптическая плотность
x - концентрация исследуемого вещества
a - тангенс угла наклона нашей прямой (фактор калибровки)
b - оптическая плотность при нулевой концентрации, как правило равна нулю

Поскольку значение b при помощи настроек прибора приводится к значению ноль, то вся процедура калибровки сводится к нахождению фактора калибровки, при умножении на него оптической плотности анализатор в дальнейшем вычисляет все концентрации интересующего нас вещества.

Выбор длинны волны

При проведении фотометрического измерения источник света как правило генерирует световой поток по всему видимому (и не только) спектру длин волн. Источники света современных биохимических анализаторов как правило охватывают диапазон от ближнего ультрафиолета и до всего видимого красного диапазона.

Как уже говорилось ранее молярный коэффициент поглощения является функцией от длинны волны и следовательно исследуемый раствор будет обладать разными коэффициентами поглощения на разных длинах волн. При этом на практике, в основном для того, чтобы избежать влияния неспецифических факторов, измерения проводится на какой-то одной определенной длине волны.

Для выбора длины волны на заре лабораторной диагностики существовало такое наивное эмпирическое правило: если мы видим, что раствор окрашен в какой-либо цвет, то нужно выбрать для измерения длину волны по цвету, отличающуюся от цвета раствора.

Помимо того, что данный подход слишком упрощен, он еще и не применим к ультрафиолетовой части спектра.

Более научный подход заключается в построении графика зависимости оптической плотности раствора от длинны волны.

Поскольку измеряемые биохимическими методами биологические вещества, как правило не обладают достаточной собственной оптической плотностью, для их детекции используются различные специфические химические реакции, которые в итоге и генерируют вещества обладающие достаточной оптической плотностью, в этом случае говорят, что реакция идет с увеличением оптической плотности. Либо в процессе реакции такие вещества расходуются, тогда реакция идет с уменьшением оптической плотности.

Для выбора длинны волны для конкретного метода проводится построение двух графиков зависимости оптической плотности раствора от длинны волны:

для субстрата (субстратов) химической реакции
и для продуктов (продукта) химической реакции

После построения графика берется длинна волны, на которой разность оптической плотности у субстратов и продуктов реакции максимальна.

Для примера можно взять так называемый оптический тест Варбурга.

Данная реакция широко используется как индикаторная многими производителями для определения ЛДГ, АЛТ, АСТ, КФК, КФК-МБ, мочевины и глюкозы (гексокиназным методом).

Данная реакция заключается в обратимом окислении никотинамидадениндинуклеотида (НАД) под действием какого-нибудь фермента из класса оксидоредуктаз.

В результате мы имеем два графика для окисленной и восстановленной формы НАД одна из которых играет роль субстрата, а другая продукта реакции в конкретных биохимических наборах.

Оптический тест Варбурга

В результате анализа данного графика видим, что наибольшая разница оптической плотности между этими двумя формами находится в районе 340 нм. Именно эта длинна волны и используется для определения перечисленных выше биохимических показателей.

Устройство, которое преобразует свет от источника в световой поток с какой-то одной определенной длинной волны называется монохроматор.

Основные типы монохроматоров:

Абсорбционный светофильтр - самый первый монохроматор, по большому счету представляющий из себя просто цветное стеклышко
Дифракционный светофильтр
Призма
Дифракционная решетка - в настоящее время у большинства лучших биохимических анализаторов монохроматор представляет из себя голографическую дифракционную решетку

Таким образом, если включить в нашу схему простейшего фотометра монохроматор (например призму), то она будет выглядеть следующим образом.

Фотометрия на определенной длинне волны

Бихроматическое измерение

В лабораторной диагностике зачастую возникают ситуации, когда нужно провести измерение оптической плотности на двух длинах волн. Такие измерения называются бихроматическими.

Теоретическое обоснование проведения такого измерения следующее: в биологических жидкостях присутствует огромное количество различных веществ, некоторые из которых могут обладать собственной оптической плотностью или вступать в неспецифические реакции с компонентами диагностический наборов, при этом зачастую биологические жидкости могут проявлять свойства коллоидных растворов и не только поглощать, но и рассеивать свет. Поэтому для того, чтобы учесть влияние этих интерферирующих факторов оптическая плотность рассчитывается как разность между оптической плотностью на основной длине волны (о ней уже шла речь выше) и другой длине волны, которая обычно называется опорной или отсекающей, оптическая плотность на которой, как считается, обусловлена неспецифическими факторами.

Приведенная в предыдущем разделе конструктивная схема фотометра называется монохроматической. Исторически она возникла первой, но в современных машинах практически не используется.

Монохроматической она называется потому, что в каждый конкретный момент времени считывание оптической плотности проводится только на одной длине волны и для того, чтобы провести бихроматическое измерение нужно, например, физически поменять светофильтр или изменить угол поворота призмы или дифракционной решетки. В некоторых вариантах проведения фотометрии это неприемлемо (например, кинетические измерения). Поэтому в дальнейшем была разработана полихроматическая схема детекции, которая позволяет считывать оптическую плотность раствора на нескольких длинах волн. Этого было достигнуто разложением полихроматического света в спектр уже после прохождения через поглощающий раствор (то есть перенесением монохроматора за кювету с образцом) и установкой сразу нескольких фотодетекторов для разных длин волн.

Полихроматическая схема детекции

Такая схема позволяет проводить измерение на нескольких длинах волн одновременно.

Методы расчета концентрации

Существует несколько способов расчета концентрации раствора по полученной оптической плотности.

Наиболее простым является метод расчета по конечной точке.

При таком методе график зависимости оптической плотности от концентрации измеряемого вещества выглядит следующим образом:

Конечная точка

При этом после небольшого времени задержки (lag-time), связанного с перемешиванием биоматериала с компонентами диагностического набора и их термостатированием происходит резкое возрастание оптической плотности до определенного уровня, пропорционального концентрации определяемого вещества, после выхода оптической плотности на "плато" дальше она уже практически не изменяется (достигает конечной точки).

Данный метод не пригоден для измерения активности ферментов, а биохимическими методами измеряется именно активность ферментов, а не их концентрация.

Для измерения активности ферментов используется кинетический метод расчета концентрации график которого выглядит примерно так:

Кинетика

После некоторого времени задержки, обусловленного теми же факторами, происходит непрерывное изменение оптической плотности (на графике нарастание) с постоянной скоростью, которая и определяет активность фермента. При этом скорость реакции определяется как тангенс угла наклона графика изменения оптической плотности. Чем круче изменяется оптическая плотность, тем больше активность фермента.

Данные два метода являются основными.

Помимо них так же еще существует турбидиметрический метод измерения, при помощи которого измеряются высокомолекулярные вещества, обладающие антигенной природой, но данный метод уже основан на других физических принципах и к фотометрии не относится.

Читайте также: