Способ определения содержания жира и белка в молоке и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области анализа пищевых продуктов и может быть использовано в пищевой и молочной промышленности сельского хозяйства. В способе, заключающемся в облучении пробы точечным источником света, измерении интенсивности рассеянного в обратных направления света и установлении содержания компонентов по этой интенсивности, дополнительно измеряют интенсивность рассеянного света, падающего на границу раздела с молоком под углами полного внутреннего отражения. Устройство для осуществления способа включает источник и приемник света, расположенные планарно и отделенные от исследуемой пробы тонким слоем прозрачного диэлектрика. Один из источников света установлен таким образом, что излучение от него падает на границу раздела с молоком под углами полного внутреннего отражения. 2 с. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области анализа пищевых продуктов, в частности к способам и устройствам для определения содержания жира и белка в молоке, и может быть использовано как в пищевой, так и в молочной промышленности сельского хозяйства.

Известен способ определения состава молока, основанный на облучении пробы молока светом и измерении рассеянного светового потока под различными углами. В этом случае предварительно определяют индикатрисы рассеяния света в пределах от 0 до 360 градусов для каждого компонента молока, а содержание компонентов молока определяют по величине рассеянного света, измеренного под оптимальными углами для каждого компонента [2] Одним из основных недостатков данной методики является необходимость предварительной подготовки пробы путем ее разбавления, поскольку при определении индикатрисы рассеяния света предполагается его однократное рассеяние.

Эти же недостатки характерны для большинства других оптических способов [1] Кроме того, при реализации данной методики необходим всесторонний доступ к пробе.

Известен способ, заключающийся в облучении контролируемой пробы точечным источником света, измерении интенсивности рассеянного в обратных направлениях света и установлении содержания жира по этой интенсивности (заявка СССР N 4879523, кл. G 01 N 33/04, 5.11.90 г).

Устройство для реализации этого способа (прототип) выполнено в виде погружаемого в молоко щупа, содержащего источник и приемник света, расположенные планарно и отделенные от исследуемой пробы тонким слоем прозрачного диэлектрика (заявка СССР N 4879523, кл. G 01 N 33/04, 5.11.90 г).

К недостаткам этих способа и устройства относятся возможность определения только одного компонента молока жира и некоторое влияние белкового состава на показания прибора.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение точности.

Цель достигается тем, что в известном способе, заключающемся в облучении контролируемой пробы точечным источником света, измерении интенсивности рассеянного в обратных направлениях света и установлении содержания компонентов по этой интенсивности, дополнительно измеряют интенсивность рассеянного света, падающего на границу раздела с молоком под углами полного внутреннего отражения при нарушении полного внутреннего отражения.

Цель достигается тем, что известное устройство для осуществления способа, включающее источник и приемник света, расположенные планарно и отделенные от контролируемой пробы тонким слоем прозрачного диэлектрика, содержит дополнительный источник света, установленный таким образом, что излучение от него падает на границу раздела с молоком под углами полного внутреннего отражения.

На фиг. 1 показан эксперимент, частицы жира отталкиваются от поверхности большинства материалов (металлы, стекло, полимеры и др.) и находятся на расстоянии порядка нескольких мкм от границы раздела. В этом легко убедиться, если посмотреть на каплю молока, находящуюся на стекле, через стекло в микроскоп. Частицы жира в этом случае будут видны только по границе капли. Если смотреть на молоко в микроскоп сверху и погрузить туда какой-либо предмет, то частицы жира также отойдут от этого предмета на некоторое расстояние. Это явление имеет электростатическую природу ту же самую, благодаря которой коллоидные растворы, содержащие электролит, к которым относится молоко, является устойчивыми. Возникновение зарядов объясняется адсорбцией жировыми частицами ионов, находящихся в растворе. Эти же ионы адсорбируются поверхностью погружаемого в молоко материала, например, окна датчика. Толщина слоя в этом случае должна быть порядка расстояния между частицами жира в молоке и в зависимости от жирности молока может составлять несколько мкм. Таким образом, тонкий приповерхностный слой на границе раздела диэлектрика, закрывающего датчик, не содержит жировых частиц, а содержит только белковые молекулы, размер которых значительно меньше.

Для определения содержания белка в тонком приповерхностном слое молока предлагается использовать явление нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО). Это явление заключается в том, что при полном внутреннем отражении света на границе раздела двух сред происходит проникновение световой волны из оптически более плотной среды в оптически менее плотную на глубину порядка длины волны и взаимодействие с этой средой (фиг. 1). Это взаимодействие может проявляться либо в поглощении излучения, либо в его рассеянии. О свойствах тонкого приповерхностного слоя можно судить по интенсивности отраженного 11 или рассеянного 12 света.

Конструкция устройства для определения содержания жира и белка в молоке приведена на фиг. 2.

Устройство состоит из корпуса 1, двух источников 2 и 3 света (светодиодов) (2 дополнительный), трех фотоприемников (фотодиодов) 4, 5, 6 (4 и 6 вспомогательные), слоя 7 прозрачного диэлектрика, светопоглощающего 8 и отражающего 9 покрытий. Устройство выполнено в виде герметичного щупа.

Содержание жира и белка в молоке определяют следующим образом. Датчик погружают в молоко так, чтобы его окно находилось на расстоянии не менее 3 см от поверхности и стенок сосуда. Источник 2 света, служащий для определения содержания белка в молоке, освещает границу раздела прозрачного диэлектрика и молока. Поскольку он расположен так, что свет от него падает на границу раздела с молоком под углами больше критического, определяемого формулой sinQ n 1/n2, (Q критический угол, n1 коэффициент преломления молока, n2 коэффициент преломления прозрачного диэлектрика; для использованного материала критический угол составлял 60 градусов), все лучи полностью отражаются от этой границы. При этом лучи проникают в молоко на расстояние порядка длины волны и будут на этом участке пути рассеиваться и поглощаться частицами молока. Поскольку в приповерхностном слое содержатся только белковые молекулы и молекулы растворителя, влияние жира на отраженный свет исключено. Длина волны источника 2 выбирается в области максимума рассеяния света на белке и лежит в диапазоне 500-600 нм. Рассеянный тонким приповерхностным слоем молока свет регистрируется фотоприемником 5, а отраженный фотоприемником 6. Второй источник 3 света служит для определения содержания жира. Излучение этого источника выходит в молоко, рассеивается на частицах жира, и рассеянное в обратных направлениях излучение регистрируется фотоприемником 5. Длина волны второго источника выбирается в области 800-900 нм, где рассеяние на частицах жира возрастает, а на белке уменьшается. Влияние белкового состава на величину рассеянного света в этом диапазоне можно учесть, если содержание белка известно, что и дает возможность повысить точность определения содержания жира по сравнению с прототипом. Фотоприемники 4 и 6 служат для регистрации рассеянного света от отражающих покрытий 9 и служат для нормировки измеряемых сигналов, благодаря чему также достигается повышение точности.

Блок-схема прибора приведена на фиг. 3 и работает следующим образом. Сигнал с задающего генератора 10 через ключ 11, управляемый блоком 12 синхронизации подается поочередно на светодиоды 13 и 14. Сигнал с фотоприемника 15, пропорциональный содержанию белка, если работает светодиод 13, или жира, если работает светодиод 14, подается на блок 16 усиления. На этот же блок подаются опорные сигналы фотоприемников 17 и 18, пропорциональные интенсивности излученного света соответственно светодиодами 13 и 14. Усиленные сигналы с фотоприемников 15 и 17 в период работы светодиода 13 подаются на измеритель 19 отношений, откуда поступают на блок 21 индикации в цифровом виде, пропорциональном содержанию белка. Усиленные сигналы с фотоприемников 15 и 18 в период работы светодиода 14 подаются на измеритель 20 отношений, откуда поступают на блок 21 индикации в цифровом виде, пропорциональном содержанию жира. Предварительно проводится градуировка прибора на наборе эталонных проб с различным содержанием жира и белка.

Определение содержания жира и белка в молоке производится непосредственно погружением датчика в молоко, которое может находиться в бидонах, цистернах или других емкостях. Датчик может быть встроен в молокопровод или доильный аппарат.

Формула изобретения

1. Способ определения содержания жира и белка в молоке, заключающийся в облучении контролируемой пробы световым потоком, измерении интенсивности рассеянного излучения при оптимальных для каждого компонента углах и установлении содержания компонента по интенсивности измеренного излучения, отличающийся тем, что облучение осуществляют неколлимированным источником света через тонкий прозрачный слой диэлектрика, измеряют интенсивность света, рассеянного в обратных направлениях, и содержание жира устанавливают по интенсивности света, рассеянного в обратных направлениях при углах падения света на границу раздела диэлектрик молоко, меньших угла полного внутреннего отражения, а содержание белка при углах падения больше угла полного внутреннего отражения.

2. Устройство определения содержания жира и белка в молоке, включающее источник света, кювету с контролируемой пробой, приемники света, расположенные под определенными углами, отличающееся тем, что источник и приемники света расположены планарно и отделены от исследуемой пробы тонким слоем прозрачного диэлектрика.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3