XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Введение. Согласно исследованию, проведенного в работе научно-исследовательского финансового института Минфина, каждая вторая пачка масла, четвертая бутылка молока и каждое пятое мороженное являются контрафактными. В процентном соотношении доля незаконного оборота питьевого молока и сливок достигает 24,56%, сливочного и топленого масла, а также спредов — 44,13%, мороженого — 21,51%. Учитывая данную статистику, можно смело утверждать, что проблема контрафакта на прилавках магазинов являются актуальными. Следовательно, необходимо разработать новый метод контроля за качеством молочной продукции. [1]

Цель исследования. Целью данного исследования является рассмотрение существующих методов идентификации молочной продукции, а также разработка нового экспресс-метода для оценки качества молока и молочной продукции.

Материал и методы исследования. Для установления того факта, что была произведена фальсификация молока или молочной продукции, должны быть проведены исследования по следующим показателям для идентификации некачественного продукта:

1) содержанию в готовом молочном продукте, молочном составном продукте или молокосодержащем продукте сухих веществ молока (сухого молочного остатка - СОМО), их массовой доле в готовом продукте в процентах (за исключением молочной продукции, содержащей сливочное масло); 

2) наличию и содержанию жиров немолочного происхождения, их массовой доле в молоке и молочной продукции в процентах; 

3) жирнокислотному составу жировой фазы молока и молочной продукции (за исключением молочной продукции, массовая доля жира в которых составляет менее чем 1,5 процента, и мороженого, массовая доля жира в котором составляет не более чем 8 процентов); 

4) содержанию белка в сухом обезжиренном молочном остатке в молочных консервах и молокосодержащих консервах, его массовой доле в процентах; 

5) соотношению сывороточных белков и казеина в молочных консервах и молокосодержащих консервах.

Наиболее пригодными и чаще всего применяемыми методами являются органолептические и отдельные физико-химические показатели. К общим органолептическим показателям относят внешний вид, консистенцию, вкус и запах, а к общим физико-химическим — определение жирности, кислотности, плотности, влаги и сухого вещества. [2]

Органолептический метод является одним из основных методов определения качества молока. Оценку запаха и вкуса молока проводит комиссия, состоящая не менее чем из трех отобранных испытателей или экспертов, специально обученных и аттестованных. Органолептическую оценку проводят в специальных помещениях. Температуру воздуха и относительную влажность в помещениях следует поддерживать соответственно (20±2)°С и (60±20)%. За окончательный результат испытания принимают среднеарифметическое значение результатов оценок, присужденных экспертами. Результат округляют до целого числа. [3]

Для определения плотности молока в основном пользуются ареометрическим методом. Цилиндр с анализируемой пробой устанавливают на ровной горизонтальной поверхности и измеряют температуру пробы. Отсчет показаний температуры проводят не ранее чем через 2-4 мин после опускания термометра в пробу. Проводят первый отсчет показаний плотности по шкале ареометра через 3 мин после установления его в неподвижном положении. После этого ареометр осторожно приподнимают на высоту уровня балласта в нем и снова опускают, оставляя его в свободно плавающем состоянии. После установления его в неподвижном состоянии проводят второй отсчет показаний плотности. При отсчете показаний плотности глаза оператора должны находиться на уровне мениска. Отсчет показаний проводят по верхнему краю мениска. При возникновении разногласий по результатам определения плотности проводят повторное определение. [4]

Данные способы достаточно просты, но имеют существенные недостатки: необходимость изъятия товара из партии и вскрытие его упаковки, погрешность измерений, соблюдение особых условий, применение специального оборудования и реагентов.

Чтобы решить поставленную проблему и оптимизировать процесс контроля была разработана модель мобильного автоматизированного комплекса на основе применения метода весовой импедансной электрометрии.

О пределение необходимых параметров выполняется с помощью измерителя иммитанса Е7–25 (рис.1) – прецизионного прибора класса точности 0,1 с широким диапазоном рабочих частот 25 Гц – 1 МГц и высокой скоростью измерений до 25 измерений/сек., благодаря использованию микропроцессоров. Измеряемые параметры: индуктивность, емкость, сопротивление, проводимость, фактор потерь, добротность, модуль комплексного сопротивления, реактивное сопротивление, угол фазового сдвига, ток утечки (на постоянном токе) [5]

Рис. 1 - Измеритель иммитанса Е7-25

Как следует из метода весовой электрометрии, измерения двух емкостей и двух тангенсов угла потерь позволяют вычислить среднее значение относительной диэлектрической проницаемости молочной продукции, и при наличии данных эталона - определить динамическую вязкость образца молока через вычисление его микроскопического и макроскопического времён релаксации [6]

Измерения с помощью «вставляемого» сдвоенного коаксиального датчика двух емкостей (Сдн и Сдв) и двух тангенсов угла потерь (tgδ_дн, tgδ_дв), позволяют вычислить среднее значение относительной диэлектрической проницаемости (ε) молока, и при наличии данных эталона (τ_э,η_э), - определить динамическую вязкость образца (η_о), через вычисление его микроскопического (τ_о) и макроскопического времён релаксации (τ) [7-9]:

(1)

(2)

(3)

(4)

где C₀ – емкость датчика в воздухе; С_изм – емкость датчика крепким алкогольным напитком; η₀ – динамическая вязкость; τ и τ₀ – макроскопическое и микроскопическое время релаксации; ω – циклическая частота; η_э и τ_э – табличные данные воздуха, загруженные в компьютер.

Определение необходимых параметров выполняется с помощью измерителей иммитанса Е7–29 (в САК) и Е7-25 (в ПАК), обладающих требуемыми классами точности и диапазонами частот, с высокой скоростью измерений (до 25 измерений/сек), благодаря использованию микропроцессоров [5,10].

Сущность способа определения рода жидкостей для молочной продукции заключается в следующем: измеряют удельные активные электропроводности жидкости в диапазоне частот от 1 кГц до 10 МГц для двух разных температур в интервале от точки кипения до точки замерзания жидкости и по пересечению зависимостей удельных активных электропроводностей от частоты электромагнитных колебаний поля находят характеристическую частоту колебаний, которую, помимо перечисленных выше параметров, используют в качестве одного из основных критериев определения рода и качества жидкости в разрабатываемой модели системы [8,11].

Приборы LQtest 2.8 и Уликор применяются в ходе испытания макетов САК и ПАК, для верификации диэлектрической проницаемости и плотности образцов [12,13].

Портативный прибор безопасности LQtest 2.8 для обнаружения опасных жидкостей в закрытых сосудах, предназначенный для проверки содержимого различных сосудов, таких как пластиковые и стеклянные бутылки, картонные пакеты и другие неметаллические емкости [12].

Также для проведений измерений без нарушения целостности тары, можно использовать ультразвуковой измеритель концентраций растворов Уликор. Данный прибор использует способ УЗ-идентификации, основанный на измерении скоростей распространения ультразвуковых колебаний в зависимости от массовых долей вещества (спирта, жира, сухого обезжиренного молочного остатка и т.д.) в исследуемой жидкости, определенных при температурах пробы t₁ и t₂, которые (на примере молока) связаны между собой следующими соотношениями:

(5)

(6)

Где V и v — скорости ультразвука в молоке и воде; С_ж, С_сомо — массовая доля жира и СОМО в молочном продукте; а и b — коэффициенты.

Таким образом, измеряя скорость распространения ультразвука в одной и той же пробе молока при температурах t₁ и t₂ и, решая систему уравнений относительно С_ж и С_сомо, получают данные о массовой доле компонентов. Скорость распространения ультразвука в молоке определяется рядом факторов, рекомендуемые в литературе значения t₁ = 41°С и t₂= 65°С. [13]

Зависимость скорости УЗ от концентрации вещества различны и крайне чувствительна к используемой частоте, температуре и свойствам объекта. Если ограничится рассмотрением только водных растворов (эмульсий) органических и неорганических веществ, в целом при определённой частоте и температуре, как правило, такая зависимость от нуля до определённой концентрации имеет линейный участок, после чего становится нелинейной. Что и следует ожидать с учетом того, что скорость УЗ теоретически зависит не от концентрации веществ, а от их молярности, и дополнительно от адиабатической сжимаемости, которая априори не может быть постоянной во всем диапазоне концентраций. [13] Это «тонкости», которые сознательно не рассматриваются, но всегда учитываются. С учетом этого упрощения можно представить формулу расчета концентрации в следующем виде:

(7)

Для определения концентрации, достаточно при градуировке установить коэффициент «а» и если зависимость линейная, то считая константной скорость распространения УЗ в воде при данной температуре, можно пользоваться уравнением 4. 

(8)

 Аналогичная зависимость может быть рассчитана для любой другой температуры.

  (9)

 Необходимо учитывать второе и последующее уравнение при расчете конечной концентрации, причем желательно создать общую градуировочную зависимость, по которой концентрация будет рассчитываться как:

(10)

 Такая градуировка является более устойчивой, два (или несколько) в целом равнозначных члена взаимокомпенсируют возможные изменения внешних и внутренних условий единичного измерения. Параметры измеряемые в процессе измерения характеристик УЗ состоят не только из скорости распространения ультразвука, но из ряда других (к примеру затухание УЗ), более того некоторые из них напрямую не относятся к УЗ (к примеру теплоемкость). При использовании затухания УЗ выраженного через амплитуду сигнала (А) уравнение расчета концентрации может быть следующее:

  (11)

 Комбинация формул 8 и 11 позволяет решить систему уравнений типа 1-2 для двух составляющих в образце, даже в случае если их УЗ характеристики скорости близки, но при этом характеристики затухания УЗ резко отличаются. [13]

Модель системы сплошного контроля молочной продукции [5,8,11] (рис.2) можно представить, как совокупность следующих подсистем:

Рис. 2. Модель ПАК системы сплошного контроля (САК отличается применением Е7-29 и ПЭВМ)

- подсистемы потребителей (реализаторов) фасованной молочной продукции, состоящей из переносного автоматизированного комплекса (ПАК) с соответствующим программным обеспечением, включающего в себя: ноутбук, измеритель иммитанса и электронные весы с контактной площадкой под различные крышки тары (со встроенными коаксиальными датчиками с выводами наружу), которыми закупоривают алкогольную продукцию;

- подсистемы производителя молока и молочной продукции, который для обеспечения качества и защиты выпускаемой продукции от подделки, разработал и применил крышку со встроенным в неё емкостным датчиком с выводами наружу, и организовал сплошной контроль выпускаемой фасованной продукции после укупорки, с помощью стационарного автоматизированного комплекса (САК) и размещением в сети Интернет «образов эталонов» молока и молочной продукции, которые «скачиваются» в ПАК [8].

Результаты исследования и их обсуждение. Чтобы получить данные с измерителя иммитанса, необходимо встроить емкостный датчик в крышку тары и вывести контакты наружу. Определенные с помощью измерителя данные и физические параметры фасованного молочного продукта позволят с высокой точностью идентифицировать продукт, сравнив полученные величины с - эталонными.

Методика экспресс-контроля молока и молочных продуктов ультразвуковым методом предполагает выполнение измерений массовой доли жира, массовой доли белка, массовой доли сухого обезжиренного молочного остатка (СОМО) в молоке, сливках и мороженом, а также плотности молока ультразвуковым методом. Методика распространяется на заготавливаемое сырое, цельное, нормализованное молоко, молоко, прошедшее тепловую обработку, нормализованное, восстановленное, сухое, консервированное, обезжиренное и концентрированное молоко.

Заключение. Были рассмотрены методы идентификации молока и молочной продукции. Также были приведены примеры методов идентификации, способные распознать фальсификат без вскрытия тары. Предложена адаптация метода идентификации жидкости методом весовой импедансной электрометрии, защищенной патентом РФ № 2696810, совместно с патентом РФ № 2383010, с применением у производителя измерителя иммитанса E7-29, а в ПАК – Е7-25, при верификации диэлектрической проницаемости прибором безопасности LQtest 2.8, а плотности - анализатором жидких сред Уликор.

Источники

1. Контрафакт на рынке сливочного масла составляет 50% [Электронный ресурс] - URL:

https://iz.ru/1125999/2021-02-17/eksperty-nazvali-doliu-kontrafakta-moloka-i-masla (дата обращения: 24.12.2021)

2. Идентификация молока [Электронный ресурс] - URL: https://studbooks.net/961759/marketing/identifikatsiya_moloka (дата обращения: 24.12.2021)

3. ГОСТ 28283-2015 Молоко коровье. Метод органолептической оценки вкуса и запаха. -М.: Стандартинформ, 2019, -5c.

4. ГОСТ Р 54758-2011 Молоко и продукты переработки молока. Методы определения плотности. - М.: Стандартинформ, 2012, -11с.

5. Измеритель иммитанса Е7-25. Руководство по эксплуатации – Минск: МНИПИ, 2017. - 30 с.

6. Белозеров В.В., Батшев А.С., Любавский А.Ю. — Об автоматизации идентификации жидких фасованных продуктов // Электроника и электротехника.– 2016. – № 1. – С. 135 - 145. DOI: 10.7256/2453-8884.2016.1.20924

7. Белозеров В.В., Лукьянов А.Д., Обухов П.С., Абросимов Д.В., Любавский А.Ю., Белозеров В.В. Способ экспресс-анализа жидких фасованных продуктов и установка для его осуществления // Патент на изобретение RU 2696810 C1, 06.08.2019. Заявка № 2018147515 от 29.12.2018.

8. Усиков С.В., Астратьева Н. В., Васильева Л. К., Карташов Ю. И., Усиков А. С., Фоменко В. В. Способ определения рода жидкости. //Патент на изобретение RU 2383010 C2, 27.02.2010. Заявка № 2008117920/28 от 04.05.2008.

9. Белозеров В.В., Царев А.М. Автоматизация идентификации алкогольной продукции //Студенческий научный форум 2020. [Электронный ресурс] - URL: https://scienceforum.ru/2020/article/2018022590 (дата обращения: 23.12.2021).

10. Анализатор иммитанса широкополосный Е7-29 [Электронный ресурс] - Минск: ОАО «МНИПИ» - https://www.mnipi.ru/products.php?group=6&device=5 (дата обращения: 13.12.2021).

11. Троицкий В.М., Белозеров В.В. Модель системы защиты от подделки жидких пищевых фасованных продуктов // Студенческий научный форум [Электронный ресурс] – URL: http://www.scienceforum.ru/2016/1963/23412. (дата обращения: 23.12.2021).

12. Прибор для дистанционного обнаружения огнеопасных жидкостей в закрытых емкостях /Руководство по эксплуатации РЭ 4215-001-80708641- – М.:AVK,2007. - 14с.

13. БИОМЕР [Электронный ресурс] - URL: – Режим доступа: URL http://www.biomer.ru/index.php?part=library&article_id=150 (дата обращения: 14.12.2021)

Код для цитирования: Скопировать