ФИЗИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

 

Физические и физико-химические методы опираются на те или иные физические и физико-химические явления (поляризация света, рефракция и др.). Как правило, это приборные методы.

В данном разделе будут рассмотрены основные сведения о методах определения содержания влаги, белка, жира, калорийности пищевых продуктов, денсиметрии, рефрактометрии, поляриметрии, фотометрии, хроматографии и др.

 

Денсиметрия

Денсиметрическими методами определяют плотность веществ.

Плотностью ρ (в кг/м³) называется масса вещества, заключенная в единице объема, т.е.:

где m - масса вещества, кг;

V – объем вещества, м³.

Удельный вес γ (в Н/м³) определяется как отношение веса тела к его объему:

где G – вес тела, Н.

Так как вес тела и его масса связаны соотношением G=m∙g (g – ускорение свободного падения, м/с²), то плотность и удельный вес находятся в зависимости γ=ρ∙g.

Плотность и удельный вес изменяются с изменением температуры, поэтому в справочной литературе рядом с их значением помещают индекс с указанием температуры вещества при измерении.

Используется также безразмерная величина – относительная плотность (d), которая представляет собой отношение плотности исследуемого вещества к плотности другого (стандартного) вещества, измеренных при определенных условиях. Чаще всего относительную плотности жидких и твердых тел определяют по отношению к плотности дистиллированной воды, а относительную плотность газов – к плотности сухого воздуха или водорода.

Относительную плотность записывают с двумя индексами (верхнее число показывает температуру, при которой определена плотность исследуемого вещества, нижний – температуру стандартного вещества (например, дистиллированной воды) при определении.

Если значение относительной плотности жидкого вещества записано в виде d²⁰₄, т.е. плотность исследуемого жидкого вещества определена при нормальной температуре (20⁰С), а плотность дистиллированной воды определена при температуре 4⁰С (при температуре, при которой плотность дистиллированной воды максимальна), то такая величина называется истинной относительной плотностью. При определении истинной относительной плотности все измерения массы пересчитывают на значения массы в пустоте, т.е. без учета выталкивающей силы воздуха.

При обычных определениях удобно пользоваться видимой относительной плотностью, которую определяют к дистиллированной воде той же температуры, что и анализируемый раствор, т.е. при нормальной температуре 20⁰С (d²⁰₂₀). Причем все измерения массы проводят в воздухе и поправок для пересчета на измерение массы в пустоте не делают.

Для взаимного пересчета видимой и относительной плотности используют следующие формулы:

d²⁰₂₀=d²⁰₄∙1,0018 d²⁰₄=d²⁰₂₀∙0,9982

Если в процессе измерений меняется температура жидкости, то результаты измерений приводятся к нормальной температуре по формуле:

где ρ_t и ρ_t0- плотности соответственно при фактической температуре t во время определении и температуре t₀ =20 ⁰С, кг/м³;

β - температурный коэффициент объемного расширения.

Плотность веществ в лабораторных условиях определяют с помощью ареометров и пикнометров, реже – при помощи гидростатических весов.

Известно множество приборов для определения плотности жидкостей, основанных на различных принципах измерений, охватывающих широкий диапазон и обеспечивающих высокую точность измерения. По принципу действия плотномеры, применяемые для контроля различных жидкостей подразделяются на механические, радиоизотопные и акустические. Известны также приборы, основанные на использовании оптических, тепловых, гидродинамических свойств жидкостей, однако они не получили широкого распространения в пищевой промышленности.

Ареометр – прибор для измерения плотности, представляет собой полый запаянный цилиндрический сосуд с узкой трубкой сверху, снабженной градуированной шкалой. На дне ареометра находится балласт (дробь), масса которого рассчитана для измерения плотности в заданном диапазоне. Выпускаются также ареометры, со встроенными термометрами для контроля температуры анализируемого вещества (рисунок 1). Принцип действия ареометра основан на том, что он погружается в исследуемую жидкость до тех пор, пока масса вытесненной им жидкости не сравнится с его собственной массой (по закону Архимеда).

Ареометры выпускают в набора с различными диапазонами измерений и различной ценой деления (чем меньше цена деления ареометра, тем точнее измерение. Для измерения концентрации различных растворов применяют ареометры, которые называются и различаются по объекту измерения: сахарометры (для измерения массовой доли сахарозы в водных растворах сахара), спиртометры (для измерения объемной дли спирта в алкогольных напитках) и др.

Пикнометр – специальная колба точно известной вместимости, которая служит для определения плотности веществ. Сущность определения заключается в том, что пикнометр позволяет отобрать точно измеренный объем жидкости, а затем взвесить ее с точностью до 0,0001 г. Существует много разновидностей пикнометров, отличающихся формой, объемом, закрываемые притертой пробкой или пробкой с капилляром (рисунок 1).

а) б) в) г) д)

а) ареометр, б) ареометр со встроенным термометром,

в) пикнометр с длинной шейкой, г)пикнометр с пришлифованной пробкой, д) пикнометр с капилляром

Рисунок 1 – Ареометры и пикнометры

 

Гидростатические весы – прибор для определения плотности жидкостей.

Гидростатические весы (рисунок 2) имеют неравноплечее коромысло 4, правая сторона которого представляет шкалу 5, разделенную надрезами на десять равных частей. На левой стороне установлен противовес 3 и указатель 2 для установки равновесия коромысла (с зеркальной шкалой). На десятом делении шкалы 5 крепится поплавок 6. Первоначально уравновешивают коромысло с

Рисунок 2 – Гидростатические весы

поплавком в воздухе. Затем опускают поплавок 6 в цилиндр 8 с исследуемой жидкостью, установленный на подставке 9. При этом равновесие нарушается, и его восстанавливают, помещая на надрезы коромысла гири – рейтеры 1. Плотность определяют в соответствии с местом подвески и массой рейтеров, используемых для приведения весов в равновесие. Для измерения температуры в цилиндр с исследуемой жидкостью помещают термометр 7.

При осуществлении целого ряда технологических процессов возникает необходимость непрерывного контроля и регулирования плотности растворов. Приборы, предназначенные для этих целей, называют плотномерами. Имеется несколько типов плотномеров, в основу которых положены различные физические законы и принципы: поплавковые, весовые, гидростатические, вибрационные, радиоизотопные, ультразвуковые и др.

 

Рефрактометрия

Рефрактометрические методы анализа основаны на измерении показателя преломления. Сущность метода заключается в следующем. Если луч света переходит из одной среды в другую и оптическая плотность этих сред различна, то он частично отражается от поверхности раздела, а частично переходит во вторую среду, изменяя при этом свое первоначальной направление, т.е. преломляется. Показателем (коэффициентом) преломления называется отношение синусов угла падения и угла преломления луча света. Коэффициент преломления является одной из характерных констант вещества. он зависит от природы вещества, а также от длины волны падающею света и температуры окружающего воздуха.

Если на поверхность раздела двух сред падает сложный луч, то при входе во вторую среду он раскладывается на несколько монохроматических лучей. Поэтому на границе света и тени возникает радужная полоска – спектр. При определении показателя преломления он мешает, чтобы устранить это явление в оптическую систему приборов вводят специальные призмы (призмы Амичи), которые собирают спектр в один луч.

Рефрактометры (рисунок 3) – приборы, предназначенные для определения показателя преломления. Основными узлами рефрактометра являются осветительная и измерительная призмы. Современные приборы позволяют определять показатель преломления с точностью 10^-4-10^-5, количество вещества для определения мало (от 0,005 до 0,05 г), время определения также невелико – все это достоинства рефрактометрических методов.

 

Поляриметрия

Поляриметрический метод основан на измерении вращения плоскости поляризации света оптически активными веществами.

Свет представляет собой электромагнитные волны, колебания которых происходят во всех плоскостях, перпендикулярных направлению луча. Если такой луч света пропустить через пластинку поляроида или призму Николя, то каждая волна этого пучка разлагается на две составляющие, направленные в перпендикулярных осях, одна из составляющих поглощается, и колебания луча далее происходят только в одной плоскости. Луч света с колебаниями векторов в одной плоскости называется поляризованным, а плоскость, в которой колеблется вектор электромагнитной волны – плоскостью поляризации.

рефрактометр РПЛ-3 рефрактометр ИРФ 454Б2М

Рисунок 3 – Внешний вид рефрактометров

Некоторые вещества способны поворачивать плоскость поляризации на определенный угол, такие вещества называются оптически активными. Оптической активностью обладают некоторые органические вещества, имеющие в своей молекуле несимметричные углеродные атомы (например, глюкоза, фруктоза, сахароза и др.). Разные вещества по разному способны поворачивать плоскость поляризации. Если вещества вращают плоскость поляризации по часовой стрелке (при наблюдении навстречу лучу), их называют правовращающими и обозначают знаком «+» или «D», если – против часовой стрелки – левовращающими и обозначают знаком «-» или «L». Способность вещества вращать плоскость поляризации в ту или иную сторону является его характерной особенностью и при регламентированных условиях имеет строго определенную величину, которая называется его удельным вращением [α].

Угол поворота плоскости поляризации зависит от природы вещества, его концентрации в исследуемом растворе, толщины слоя исследуемого раствора, длины волны, температуры и природы растворителя.

Угол вращения плоскости поляризации свежеприготовленных растворов некоторых веществ с течение времени может изменяться и только затем приобретает равновесное значение. Это явление называется мутаратацией, причиной которой служит превращение одних форм вещества в другие, обладающие различными значения удельного вращения (например, превращение α-глюкозы в β-глюкозу). Чтобы ускорить мутаратацию, следует нагреть раствор в течение 15мин при температуре ≈100⁰С или прибавить небольшое количество аммиака.

Поляриметрию широко используют при определении содержания углеводов в пищевых продуктах.

Для измерения вращения плоскости поляризации используют приборы - поляриметры (рисунок 4).

Недостатком поляриметрического метода является необходимость использования сравнительно больших навесов анализируемых веществ, а также необходимость осветления исследуемых растворов.

 

 

Рисунок 4 – Внешний вид поляриметра

 

 

Фотометрия

Спектральные методы анализа, в зависимости от лежащих в их основе физических явлений, можно разделить на:

1) основанные на поглощении света (абсобрбция) – к ним относятся фотоэлектроколориметрию и спектрофотометрию;

2) основанные на излучении света (эмиссия) – к ним относятся люминесцентный анализ и фотометрия пламени;

3) основанные на рассеивании света - к ним относятся нефелометрия и турбидиметрия.

Абсорбционная фотометрия

При определении данным методом анализируемое вещество переводят в окрашенное или поглощающее свет соединение и количество продукта реакции определяют по поглощению света.

Поглощение излечения характеризуется величиной оптической плотности. Светопоглощение зависит от толщины поглощающего слоя и от концентрации поглощающего вещества в исследуемом растворе.

Для определения оптической плотности применяют приборы – фотоэлектроколориметры (рисунок 5) и спектрофотометры.

Для ограничения длин волн светового потока в фотоэлектроколориметрах применяют стеклянные фильтры, которые пропускают световой поток с определенным интервалом длин волн.

Спектрофотометры отличаются от фотоэлектроколориметров тем, что через исследуемый раствор образца можно пропустить световой поток любой нужной длины волны.

Колориметрические анализаторы используют для определения общих и редуцирующих сахаров в кондитерских изделиях и фруктовых соках, винной кислоты и инвертного сахара в сухих винах, высших спиртов в коньячных дистиллятах и др.

 

Колориметр КФК-2МП Колориметр КФК-2

Рисунок 5 – Внешний вид фотоэлектроколориметров

Эмиссионная фотометрия

Фотометрия пламени

Принцип действия пламенно-фотометрических анализаторов основан на измерении интенсивности характерного излучения анализируемого элемента жидкости, введенного в пламя в виде аэрозоли. Возбужденные в пламени атомы элементов излучают свет определенной длины волны, интенсивность которого фиксируется прибором.

Качественный анализ проводят по окраске перлов пламени и характерным спектральным линиям элементов. Количественный анализ основан на зависимости интенсивности спектральной линии определяемого элемента от его концентрации в пробе.

В настоящее время с помощью пламенной фотометрии возможно определение более 30 химических элементов (калия, натрия, лития, магния, кальция, меди и др.), содержащихся в анализируемых продуктах.

Люминесценция

Люминесценцией называют такое состояние вещества, при котором оно начинает светится без выделения теплоты.

При анализе пищевых продуктов используют, как правило, флуоресценцию – способность некоторых веществ светится при облучении их посторонним источником света. С прекращением облучения флуоресценция исчезает. Флуоресцентные анализаторы состоят из осветителя, от которого поток излучения падает на анализируемое вещество, вызывая его видимое свечение. Оценка флуоресцентного излучения может быть произведена как визуально, так и с помощью фотоэлектрических приборов.

Флуоресцентные анализаторы могут применятся для оценки доброкачественности сельскохозяйственного сырья (картофеля, лука, томатов и др.), обнаружения дефектов в них, в перспективе на базе таких устройств могут быть созданы бракеражные автоматы как для продуктов, так и для тары.

Нефелометрические и турбидиметрические анализаторы

Нефелометрические и турбидиметрические анализаторы применяют для контроля концентрации нерастворимых взвешенных частиц, находящихся в различных прозрачных жидких и газообразных средах. В пищевой промышленности эти приборы применяют для определения качества осветления и фильтрования вин и виноматериалов, пива, плодовых и фруктовых соков и др.

Определяемый компонент переводят в малорастворимое соединение, которое должно находится во взвешенном состоянии, и измеряют интенсивность потока прошедшего через исследуемый раствор (турбидиметрия) или интенсивность рассеянного им света (нефелометрия).