РАЗРАБОТКА СПОСОБА И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕВЫШЕНИЯ НОРМЫ СОДЕРЖАНИЯ САХАРОЗЫ В МЁДЕ
Журнал Научные высказывания

РАЗРАБОТКА СПОСОБА И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕВЫШЕНИЯ НОРМЫ СОДЕРЖАНИЯ САХАРОЗЫ В МЁДЕ

В статье описывается математическая модель по определению концентрации сахарозы в мёде на основе оптического вращения плоскости поляризации растворов. Получены зависимости дисперсии удельного вращения основных полисахаридов, входящих в состав меда: сахарозы, глюкозы и фруктозы. Выдвинута и экспериментально проверена рабочая гипотеза об определении угла поворота плоскости поляризации света, прошедшего через кювету с медом, как суммы углов поворота плоскости поляризации света, прошедшего через отдельные компоненты меда. Разработан и изготовлен опытный образец устройства для экспресс-анализа меда, позволяющий определять превышение концентрации сахарозы над ее значением в меде естественного происхождения.     

глюкоза
фруктоза
дисперсия удельного вращения
электрооптическая активность сахаров
анализатор
сахароза

Мёд представляет собой продукт, содержащий много полезных веществ, оказывающих лечебный эффект. В его состав входят около 300 различных веществ, основными из которых являются углеводы (в настоящий момент найдено 42 углевода). Полезность меда в значительной степени зависит от концентрации содержащейся в нем сахарозы, так как превышение ее содержания над некоторым уровнем вредно для организма и приводит к развитию у человека диабета.

Поскольку все полисахариды и, в частности, сахароза обладают электрооптической активностью, существует большое количество способов и устройств по определению концентрации сахара в растворе, однако все они применяются при условии наличия в растворе только сахарозы и отсутствии  других сахаров. В связи с этим задача определения концентрации сахарозы в растворе, содержащем другие сахара (например, глюкозу и фруктозу) является актуальной.

Теоретическая часть.

Основными компонентами, входящими в состав различных медов, являются сахароза, глюкоза, фруктоза, мальтоза, декстрины (см. таблицу № 1).

Таблица № 1.

Продукт

Глюкоза и фруктоза

Сахароза

Азотистые вещества

Минеральные вещества

Декстрины

Вода

Цветочный мед в среднем

75,3

1,2

0,42

0,22

3,6

18-21

Гречишный мед

75

1,1

0,97

0,04

1,5

18-21

Липовый мед

73,6

-

0,21

0,2

7,9

18-21

Падевый мед

65,2

4,8

0,82

0,96

10

18-21

Сахарный мед

65,7

4,9

-

-

8,2

18-21

 

Как следует из приведенных данных, во всех медах естественного происхождения концентрация сахарозы не превышает 5 %, а глюкозы и фруктозы 80 %, остальные компоненты содержатся в малых концентрациях.

Известно, что угол поворота плоскости поляризации в растворах при постоянной температуре и длине волны пропорционален концентрации раствора (1):

θ0  – величина, называемая постоянной удельного вращения, с – концентрация вещества, l – путь, проходимый светом в растворе (длина кюветы в поляриметре).

Мёд представляет собой раствор оптически активных веществ, поэтому логичным является предположение, что угол поворота плоскости поляризации в меде является суммой углов поворота плоскости поляризации света каждым из входящих в него веществ:

где ψсах.  – угол поворота плоскости поляризации сахарозы на определенной длине волны;

ψгл.  - угол поворота плоскости поляризации глюкозы на определенной длине волны;

ψфр.  - угол поворота плоскости поляризации фруктозы на определенной длине волны;

ψмеда  - угол поворота плоскости поляризации меда на определенной длине волны.

Необходимо измерить угол поворота плоскости поляризации сахарозы, глюкозы, фруктозы на определенных длинах волн (λ1 =480 нм, λ2 =519 нм, λ3 =605 нм) в зависимости от их концентрации, а потом посчитать угол поворота плоскости поляризации чистых полисахаридов (ψчист.)  на каждой длине волны по формуле:

Составить смесь из фруктозы и глюкозы с постоянной концентрацией 38% и 32% соответственно, а также сахарозы с различной концентрацией от 1% до 6%. И определить угол поворота плоскости поляризации смеси на «Поляриметре» (ψсм.) . Сравнить результаты ψчист. с  ψсм. .

Далее вычислить дисперсию удельного вращения на каждой длине волны из формулы:

Измерить угол поворота плоскости поляризации мёда и рассчитать концентрацию сахарозы, фруктозы и глюкозы в нём, решив систему уравнений:

Для решения системы уравнений (6) была написана программа, которая легла в основу работы микроконтроллера.

Результаты эксперимента и их обсуждение.

Проведенные экспериментальные исследования содержали ряд этапов:

  1. Определение дисперсии удельного вращения отдельных сахаров
  2. Проверка рабочей гипотезы на основе моделирования состава меда.
  3. Проверка рабочей гипотезы на образцах меда различных сортов.
  4. Проектирование электронного анализатора и его испытание.

Экспериментальное исследование проводилось на поляриметре с использованием света длиной волны 480 нм, 519 нм и 605 нм. Вначале были определены углы вращения глюкозы (концентрацией 32%), фруктозы (концентрацией 38%) и сахарозы (концентрацией от 1% до 6%). Потом составлялась смесь в тех же пропорциях. Измерялись углы вращения плоскости поляризации смеси на разных длинах волн. Экспериментальные данные представлены в таблицах № 2-4:

Таблица № 2

λ, нм

сгл.,%

𝝍гл.

сфр, %

𝝍фр.

ссах., %

𝝍сах.

∑ 𝝍чист.

𝝍см.

480

32

 

 

15

38

 

 

-19

1

1,5

-2,5

-3

32

38

2

2

-2

-2,5

32

38

3

3

-1

-1,5

32

38

4

4

0

0,5

32

38

5

7

2

1

32

38

6

9,6

5,6

5,5

Таблица № 3.

λ, нм

сгл., %

𝝍гл.

сфр., %

𝝍фр.

ссах., %

𝝍сах.

∑ 𝝍чист.

𝝍см.

519

32

 

 

14

38

 

 

-18

1

0,55

-3,45

-3

32

38

2

1,5

-2,5

-2,5

32

38

3

2,5

-1,5

-2

32

38

4

4,5

0,5

-0,5

32

38

5

7,7

3,7

2

32

38

6

10,5

6,5

5

Таблица № 4.

λ, нм

сгл., %

𝝍гл.

сфр., %

𝝍фр.

ссах., %

𝝍сах.

∑ 𝝍чист.

𝝍см.

605

32

 

 

12

38

 

 

-15

1

0,5

-2,5

-3

32

38

2

1,5

-1,5

-2

32

38

3

2

-1

-1,5

32

38

4

3

0

0

32

38

5

4

1

1,5

32

38

6

7

4

3

 

По формулам (5) была вычислена дисперсия углового вращения сахарозы, фруктозы и глюкозы на разных длинах волн. Потом измерялся угол поворота плоскости поляризации различного меда с использованием той же кюветы. По формулам (6) была вычислена концентрация полисахаридов в образцах меда. Полученные данные представлены в таблице № 5.

Таблица № 5.

Образец меда

λ, нм

𝝍меда

сгл., %

сфр., %

ссах., %

 

Солодка

 

480

-2.5

 

32

 

38

 

1

519

-3

605

-3

 

Лох

 

480

-3,5

 

32

 

38

 

1

519

-3

605

-3

 

Цветочный

 

480

-2.5

 

32

 

38

 

1

519

-2

605

-1,5

 

365 дней (лента)

480

11

 

30

 

35

 

7

519

10

605

10,5

 

Из экспериментальных данных следует, что концентрация сахара в меде «365 дней» превышена, что говорит о некачественном продукте.

Рассмотренный метод определения концентрации сахара в мёде позволяет создать электронный анализатор для проверки качества мёда. Принципиальная схема данного устройства следующая:

  

Где: 1 - Широкополосный источник электромагнитного излучения оптического диапазона, а именно, лампа накаливания H10-0605 6V.

2 - Узкополосные светофильтры в форме кругов, симметрично закрепленных на легком металлическом или полимерным диске.

3 - Конденсор.

4 - Поляризатор.

5 - Кювета с образцом меда.

6 - Анализатор.

7 - Малоинерционный фотоприемник.

8 - Микроконтроллер на базе Arduino Nano V3 с микропроцессором Atmega328.

9 - Регистрирующее устройство

Внешний вид устройства представлен на рисунке № 1.

Рис. 1. Электронный анализатор для проверки качества мёда

На данное устройство был получен патент.

Электронный анализатор относится к области пищевой промышленности и используется для определения качества меда. Наиболее близким, принятым за прототип, является «Способ контроля качества меда» (RU 2477469 от 10.03.2013). Недостатками объекта-аналога является то, что все измерения проводятся химическим путем, то есть образец, подвергнутый такому испытанию, в дальнейшем не подлежит использованию и кроме того, данный способ не может быть применен для оперативного определения качества меда не в лабораторных условиях, так как для проведения таких исследований понадобится химическая лаборатория.

Задача, на решение которой направлено создание электронного анализатора, – точное определение качества меда, не прибегая к использованию химической обработки исследуемого образца.

Технический результат – повышение оперативности определения качества меда по соотношению между концентрациями входящих в его состав полисахаридов (сахарозы, глюкозы, фруктозы).

Указанный технический результат достигается тем, что в электронный поляриметр со встроенным набором светофильтров и программируемым микроконтроллером помещается кювета с образцом меда. Последовательно, меняя светофильтры на пути электромагнитного излучения, выделяем различные длины волн, для которых заранее известны величины удельного вращения света различными полисахаридами, и измеряем суммарный угол поворота плоскости поляризации света. С помощью фотоэлемента и программируемого микроконтроллера определяется подлинность меда, помещенного в кювету, по соотношению между концентрациями отдельных полисахаридов, входящих в его состав (сахарозы, глюкозы, фруктозы). Используется тот факт, что в натуральном качественном меде содержание сахарозы по отношению к другим полисахаридам не должно превышать определенную величину в зависимости от разновидности меда (цветочный, горный, липовый, каштановый и т.д.).

Выводы

Полученные результаты позволили сделать выводы о правильности разработанной математической модели для определения концентраций полисахаридов, входящих в состав меда.

Предлагаемое устройство позволяет определять качество меда также точно, как и объект-прототип, но в отличии от прототипа, не прибегая к использованию химической обработки исследуемого образца и, в результате, является более оперативным.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволит снизить затраты на проверку качества меда, повысить оперативность и точность результатов измерений.

Список литературы
  1. ГОСТ Р 54644-2011: Мед натуральный. Технические условия. [http://standartgost.ru/g/ГОСТ_Р_54644-2011], 2013. 
  2. Optical detection of glucose concentration in samples with scattering particles. Department of Mechanical Engineering, National Cheng Kung University (NCKU), No. 1, University Road, Tainan- 701, Taiwan. Published- 9 December -2015.
  3. Заикин, С. Ф. Оптическая активность. Исследование поворота плоскости поляризации [Текст] : метод.указания к лабораторной работе / С. Ф. Заикин. – Ухта : УГТУ, 2017. – 10 с.
  4. Чепурной, И. П. Экспертиза качества меда [Электронный ресурс] / И. П. Чепурной // Журнал "Пчеловодство". – 2015. – Режим доступа: http:// beejournal.ru/med/2448-ekspertiza-kachestva-meda