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.
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:
- Определение дисперсии удельного вращения отдельных сахаров
- Проверка рабочей гипотезы на основе моделирования состава меда.
- Проверка рабочей гипотезы на образцах меда различных сортов.
- 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.
- ГОСТ Р 54644-2011: Мед натуральный. Технические условия. [http://standartgost.ru/g/ГОСТ_Р_54644-2011], 2013.
- 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.
- Заикин, С. Ф. Оптическая активность. Исследование поворота плоскости поляризации [Текст] : метод.указания к лабораторной работе / С. Ф. Заикин. – Ухта : УГТУ, 2017. – 10 с.
- Чепурной, И. П. Экспертиза качества меда [Электронный ресурс] / И. П. Чепурной // Журнал "Пчеловодство". – 2015. – Режим доступа: http:// beejournal.ru/med/2448-ekspertiza-kachestva-meda
Научные высказывания #63
