Содержание к диссертации
1. Введение 5
2. Обзор литературы 11
2.1. Обзор методов анализа качества зерна пшеницы 11
2.1.1. Методы определения белка 12
2.1.2. Методы определения влажности 13
2.1.3. Методы определения количества и качества клейковины 14
2.1.4. Методы определения стекловидности 15
2.1.5. Методы определения условной крахмалистости 16
2.2. Основы БИК-спектроскопии 18
2.2.1. Общая информация о методе 18
2.2.2. Основные принципы разработки градуировочных моделей 22
2.2.3. Основные требования к градуировочному набору образцов 23
2.3. Математические методы 25
2.3.1. Основные методы расчета градуировочных моделей 25
2.3.2. Проверка градуировочных моделей
2.4. Техническое устройство БИК-анализаторов 34
2.5. Обзор БИК-анализаторов
2.5.1. Зарубежные БИК-анализаторы 43
2.5.2. Российские БИК-анализаторы
2.6. Применение БИК-анализаторов для анализа зерновых культур и другой сельскохозяйственной продукции 62
2.7. Заключение по обзору литературы 64
3. Экспериментальная часть 65
3.1. Приборы, материалы и методы, применявшиеся при проведении исследований 67
3.1.1. Приборы и материалы 67
3.1.2. Методы математической обработки спектральных данных 69
3.1.3, Методология разработки градуировочных моделей 73
3.1.4. Методы оценки метрологических характеристик 77
3.2. Результаты исследований и их анализ 81
3.2.1. Выбор условий измерения цельного зерна пшеницы с помощью БИК-анализатора 81
3.2.2. Разработка метода контроля в зерне пшеницы массовой доли белка, влажности, стекловидности, количества и качества сырой клейковины методом спектроскопии в ближней инфракрасной области
3.2.2.1. Разработка градуировочных моделей для определения в зерне пшеницы массовой доли белка, влажности, стекловидности, количества и качества сырой клейковины 88
3.2.2.2. Сопоставление спектральных диапазонов разработанных градуировочных моделей с литературными данными по положению полос поглощения компонентов в БИК-области 94
3.2.2.3. Проведение межлабораторных сличительных испытаний 96
3.2.3. Практическое использование разработанного метода контроля качества зерна пшеницы 98
3.2.3.1. Роль БИК-анализаторов цельного зерна в системе контроля качества на хлебоприемном предприятии 98
3.2.3.2. Применение разработанного метода контроля качества цельного зерна в мукомольном производстве 101
3.2.4. Разработка метода контроля условной крахмалистости и влажности
зерна методом спектроскопии в ближней инфракрасной области 104
3,2.4.1. Разработка градуировочных моделей для определения в зерне пшеницы и ржи массовой доли условной крахмалистости и влажности 104
3.2.4.2. Сопоставление спектральных диапазонов разработанных градуировочных моделей с литературными данными по положению полос поглощения компонентов в БИК-области 109
3.2.4.3. Проведение межлабораторных сличительных испытаний
4. Выводы 114
5. Список использованной литературы 116
6. Приложения 129
Введение к работе
Актуальность темы
Современные рыночные условия развития сельского хозяйства требуют от заготовительных элеваторов оптимизации процесса приемки и распределения зерна внутри предприятия, минимизации возможных потерь, связанных с простоем машин и вагонов, а также приемкой некачественной продукции. Очень важен также аспект сохранения качества зерна, недопущения смешивания зерна разного качества. Для решения данных задач необходимо введение контроля качества всего потока продукции, что влечет за собой необходимость многократного увеличения количества проводимых анализов. При использовании классических трудоемких и длительных методов анализа, контроль входного потока зернового сырья на элеваторах и хлебоприемных предприятиях превращается в труднореализуемую задачу. Для предприятий необходимы методы экспресс-контроля, основанные на современных и быстрых методах анализа.
Таким постоянно развивающимся методом является ближняя инфракрасная (БИК) спектроскопия. Приборы, основанные на данном методе, позволяют проводить большое количество анализов (от нескольких десятков до сотен в день) при минимуме пробоподготовки.
За рубежом БИК-анализаторы используются весьма широко, в первую очередь для контроля качества зерновых культур. Результаты анализов, полученные на этих приборах, используются при взаимоотношениях производителей зерна с элеваторами, а также при торговых операциях. В России метод начали активно изучать и внедрять с конца семидесятых годов, но, тем не менее, масштабы внедрения БИК-анализаторов явно не соответствуют потребностям российского рынка и до сих пор значительная часть элеваторов и производителей зерна не оснащены такой техникой.
До недавнего времени в большинстве работ, посвященных применению БИК-анализаторов для контроля качества пищевой и сельскохозяйственной продукции, использовалась техника, основанная на отражательной спектроскопии. Соответственно и разработанное методическое обеспечение было предназначено для работы только с анализаторами, измеряющими спектр отражения только в пробах размолотого зерна.
С выпуском БИК-анализаторов, способных измерять спектры пропускания цельного зерна, а также их широким внедрением в России (в т.ч. российского производства), стало актуальным совершенствование метода с установлением его метрологических характеристик для оперативного контроля качества зерна в хлебоприемном и зерноперерабатывающем предприятии.
Цель и направления исследования
Диссертационная работа посвящена совершенствованию экспресс-контроля качества зерна с использованием метода БИК-спектроскопии (вариант с регистрацией спектров пропускания), а также конструкции прибора и условий подготовки проб к анализу, с установлением метрологических характеристик применительно к организации и технологии хлебоприемных и зерноперерабатывающих предприятий.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
Изучение и анализ существующего опыта по разработке и внедрению БИК-анализаторов для контроля качества зерна.
Усовершенствование конструкции БИК-анализатора "ИнфраЛЮМ ФТ-10" с выбором условий пробоподготовки и измерения проб цельного зерна.
Изучение связи спектров поглощения цельного зерна в ближней инфракрасной области с такими показателями качества зерна, как влажность, белок, количество сырой клейковины и разработка на ее основе градуировочных моделей.
Разработка и внедрение на хлебоприемных предприятиях методики экспрессного определения показателей качества цельного зерна пшеницы методом спектроскопии в ближней инфракрасной области с использованием анализатора "ИнфраЛЮМ ФТ-10".
Расширение сферы использования метода за счет решения задач технологического контроля входного сырья, промежуточных и готовых продуктов на зерноперерабатывающих и пищевых предприятиях, в т.ч. на мельницах и спиртзаводах.
Изучение связи спектров поглощения цельного зерна пшеницы и ржи в ближней инфракрасной области с показателем "условная крахмалистость" и разработка на ее основе градуировочных моделей.
Разработка и внедрение на спиртовых предприятиях методики экспрессного определения условной крахмалистое™ цельного зерна методом спектроскопии в ближней инфракрасной области с использованием анализатора "ИнфраЛЮМ ФТ-10".
Научная новизна
Установлены и количественно определены связи (градуировочные модели) таких показателей качества зерна, как белок, влажность, количество сырой клейковины со спектрами поглощения цельного зерна в ближней инфракрасной области, что существенно сократило время анализа (до 3-5 минут) и увеличило возможности хлебоприемных предприятий по приемке и формированию партий зерна по технологическим достоинствам.
Определены параметры и разработаны требования к условиям размещения пробы зерна при измерении на БИК-анализаторах серии "ИнфраЛЮМ".
Впервые установлены устойчивые корреляционные связи между БИК-спектрами пропускания цельного зерна пшеницы и ржи и показателем "условная крахмалистость", на базе которых показана возможность использования БИК-анализаторов для оценки данного показателя. Практическая значимость
Для отрасли хлебопродуктов разработана методика: "Пшеница. Определение белка, влажности, стекловидности, количества и качества сырой клейковины методом спектроскопии в ближней инфракрасной области с использованием анализатора "ИнфраЛЮМ ФТ-10", утвержденная во ФГУП "Уральский научно-исследовательский институт метрологии", свидетельство № 224.04.05.056/2004.
В настоящее время БИК-анализаторы марки "ИнфраЛЮМ ФТ-10" с разработанными градуировочными моделями и методикой эффективно применяются более чем на 100 предприятиях.
Предложены схемы эффективного применения БИК-анализаторов для оценки качества зерна не только при приемке, но и для управления качеством вырабатываемой продукции (акты о внедрении приведены в приложении 4).
Углубленное изучение физических основ метода БИК-спектроскопии, сходство структуры, свойств и химического состава зерна различных культур и зернопродуктов позволяют утверждать об универсальности этого метода и рекомендовать его широкое использование на различных зерноперерабатывающих предприятиях.
Разработана совместно с ГНУ «ВНИИ Пищевой Биотехнологии» РАСХН "Методика определения условной крахмалистости и влажности зерна методом спектроскопии в ближней инфракрасной области". Экспресс-метод определения условной крахмалистости прошел апробацию и применяется в производстве ОАО "Спиртовый комбинат" (г. Мариинск).
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались на международной конференции "Качество и безопасность пищевых продуктов. Контроль содержания токсичных металлов и микропримесей" (Москва, 2001), второй международной конференции "Качество зерна, муки и хлеба" (Москва, 2002), второй международной конференции "Хранение зерна" (Москва, 2003), международной конференции "Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности" (Москва, 2003), VI Съезде мукомольных и крупяных предприятий России (Москва, 2004), II международной конференции "Зерновая индустрия в XXI веке" (Москва, 2004), II международной конференции "Современное приборное обеспечение и методы анализа почв, кормов, растений и сельскохозяйственного сырья" (Москва, 2004), международной конференции "Технологии и продукты здорового питания" (Москва, 2004), международной конференции "Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности" (Москва, 2005), международной конференции "Технологии и продукты здорового питания" (Москва, 2005), III международной конференции "Современное приборное обеспечение и методы анализа почв, кормов, растений и сельскохозяйственного сырья" (Москва, 2005), международной конференции "Лаборатория для предприятий АПК" (Москва, 2006), международной конференции "Технологии и продукты здорового питания" (Москва, 2006), международной конференции "Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности" (Москва, 2006).
Методический материал, разработанный в процессе выполнения диссертационной работы отмечен серебряной (2004г.) и золотой (2005г.) медалями Международной выставки-конференции "Технологии и продукты здорового питания" (МГУПП, г.Москва).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 3 статьи и 2 методики. Структура и объем работы
Диссертационная работа изложена на 168 стр. машинописного текста, содержит 39 рисунков, 43 таблицы. Состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, экспериментальной части, выводов, списка использованной литературы из 127 наименований и 7 приложений.
