2 Методы и методики экспериментальных исследований
2.1 Объекты исследований
Схема исследований представлена на рисунке 3. Объектами исследований являлись: натуральная подсырная сыворотка по ГОСТ Р 53438 – 2009, микропартикулят сывороточных белков и их ароматобразующие вещества. В работе использовали ряд компонентов, являющихся необходимыми рецептурными ингредиентами в производстве нового продукта: вода питьевая (СанПиН 2.1.4.1074 – 01), сыр свежий «Адыгейский» (ОСТ 10-088-95), соль-плавитель (ГОСТ 512196-2003), молоко сухое обезжиренное (ГОСТ 10970-87), микропартикулят сывороточных белков, соль диетическая с лизином и пониженным содержанием натрия (ТУ 9192-003-51711263-04) По показателям безопасности и микробиологическим показателям все сырье соответствует требованиям СанПиН 2.3.2.1078 – 2001.
Экспериментальная часть работы выполнялась в лабораториях кафедры технологии молока и молочных продуктов, неорганической химии и химической технологии, испытательной лаборатории Роспотребнадзора по Воронежской области, испытательной лаборатории автономного научно-технического центра «Комбикорм», центре стратегического развития научных исследований Воронежской государственной технологической академии.
A
C
Идентификация и количественное
определение индивидуальных ароматобразующих
веществ подсырной сыворотки с применением
метода газовой хроматографии
Изучение закономерностей сорбций
ароматобразующих веществ подсырной
сыворотки на пленках модификаторов
электродов пьезокварцевых резонаторов
Формирование мультисенсорной системы
Определение
качества подсырной сыворотки и
микропартикулята сывороточных белков
Рисунок 3 - Схема исследования
2.2 Материально-техническое обеспечение
Выработку УФ-концентрата подсырной сыворотки проводили на лабораторной ультрафильтрационной установке кафедры молока и молочных продуктов (Рис. 4). Основными ее узлами являются два модуля плоской камерной конструкции и центробежный насос. Ультрафильтрационный модуль типа фильтр-пресс состоит из двух пластмассовых и двух металлических прижимных фланцев. На нижнем пластмассовом фланце расположен коллекторный канал со штуцером для подвода исходной смеси, на верхнем пластмассовом фланце - сборный коллекторный канал со штуцером для отвода концентрата. Нами были использованы мембраны УПМ – 450 С на основе полиамидов, которые укладывались по обе стороны дренажной пластины, одновременно выполняющей роль опоры (табл. 9). Каждая пластина имеет канал для отвода фильтрата в коллекторную щель для концентрата. Высота мембранного канала обеспечивается резиновой прокладкой толщиной 2,5x10-3 м [17].
Таблица 9 - Основные характеристики мембран УПМ – 450С
Показатели |
Значение |
Активная кислотность, ед. рН |
1 – 13 |
Температура среды, ºС |
0 – 80 |
Давление, МПа |
До 0,7 |
Селективность, % по белкам по лактозе |
90 8 |
Средняя проницаемость мембран при ультрафильтрации молочного сырья, л/м2хч при 10ºС при 50ºС |
8 – 10 35 – 40 |
Срок службы, месяцев |
12 |
Рисунок 1 – Ультрафильтрационная установка
а) модуль; б) фильтрующий элемент
а) модуль; б) фильтрующий элемент
а) модуль; б) фильтрующий элемент
Рисунок 4 – Схема ультрафильтрационной установки
Каждая пластина имеет канал для отвода фильтрата в коллекторную щель для концентрата. Высота мембранного канала обеспечивается резиновой прокладкой толщиной 2,5x10-3м. Процесс мембранного разделения сыворотки осуществляется следующим образом [39]. Однородный продукт подается в коллектор снизу, равномерно распределяется коллекторной сетью в надмембранных каналах и белковая фракция концентрируется по мере проникновения через мембрану. Прошедший через мембрану пермеат по дренажным каналам по нижней поверхности опорной пластины поступает в общий коллектор сбора пермеата. Производительность установки варьируется количеством мембранных элементов с мембранами в зависимости от условий эксперимента. Перед проведением эксперимента проводили усадку мембран с использованием в качестве рабочей жидкости умягченной воды в закольцованном режиме.
Для получения микропартикулята сывороточных белков применяли лабораторный гомогенизатор.
Сенсорометрический анализ равновесных паровых фаз легколетучих ароматобразующих веществ подсырной сыворотки и микропартикулята сывороточных белков проводили в статическом режиме с инжекторным вводом пробы, что обеспечивает независимость получаемых данных от скорости продвижения пробы в ячейке детектирования.
Применяли пьезоэлектрический кварцевый резонатор АТ-среза (колебания «сдвиг по толщине»). Поверхность Аl-электродов модифицировали тонкой пленкой раствора сорбента, что обеспечивало получение стабильных результатов и адгезию модификатора на поверхности электродов. АТ-срез кварца [срез под углом (35,15 1)] минимизирует влияние температуры [8]. Пьезорезонаторы с колебаниями «сдвиг по толщине» характеризуются наибольшей масс-чувствительностью, а также минимальной зависимостью частоты колебаний от упругих свойств наносимого пленочного покрытия.
В качестве трансдьюсеров пьезокварцевых резонаторов применяли пластины a-кварца (SiO2), характеризующиеся механической и термической прочностью, малым внутренним трением, стабильностью электрофизических параметров. Это обеспечивает надежные метрологические характеристики датчиков на основе пьезоэлектрических кварцевых резонаторов.
Поверхность немодифицированных Al-электродов пьезокварцевого резонатора практически не сорбирует объекты исследования, изменения аналитического сигнала незначительны и соответствуют уровню шумов. Нанесение тонкой пленки сорбента на тензочувствительную область электродов пьезосенсора повышает его чувствительность вследствие увеличения концентрации активных центров сорбента. В результате повышается энергия сорбции по сравнению с немодифицированным сенсором, аналитический сигнал многократно возрастает [8].
Пьезосенсор характеризуется предельной нагрузкой, превышение которой приводит к срыву или неустойчивости генерации его колебаний. Общая нагрузка учитывает массы электродов пьезосенсора и модификатора, сорбированного из газовой фазы сорбата, а также давление потока воздуха.
Избирательность и чувствительность пьезосенсоров определяются свойствами модификаторов его электродов.
В качестве модификаторов электродов пьезокварцевых резонаторов применяли стандартные неподвижные газохроматографические фазы, различающиеся полярностью, а также специфические сорбенты. Модификаторы образуют на поверхности электродов тонкие и однородные по толщине пленки, устойчивые на воздухе (не окисляются и не разлагаются), характеризующиеся малой летучестью, высоким сродством к сорбатам, механической стабильностью (необходимо для проведения большого числа экспериментов на одной пленке) [15]. Малые акустические потери, вносимые модификатором в резонансную систему сенсора, обеспечивают образование на поверхности электродов пьезокварцевого резонатора тонких и однородных по толщине пленок с высоким модулем упругости.
Мультисенсорная экспериментальная установка
Мультисенсорная экспериментальная установка для газового анализа в статическом режиме с инжекторным вводом пробы включает следующие основные блоки: 1 – насос для прокачки воздуха при регенерации сорбента; 2 – систему осушки воздуха; 3 – мультисенсорную ячейку детектирования; 4 – генераторы колебаний в защитном кожухе; 5 – частотомер; 6 – компьютер с соответствующим программным обеспечением (рис. 5). Установка регистрирует и записывает в виде файлов частоты всех модифицированных пьезо-кварцевых резонаторов одновременно.
1
6
4
2
2
5
3
Рисунок 5 - Мультисенсорная экспериментальная установка: 1 – насос для прокачки воздуха при регенерации сорбента; 2 – система осушки воздуха; 3 – мультисенсорная ячейка детектирования; 4 – генераторы колебаний в защитном кожухе; 5 – частотомер; 6 – компьютер с соответствующим программным обеспечением.
Для осушки и улавливания из лабораторного воздуха паров примесей органических и неорганических веществ разных классов применяли трубку с зернами силикагеля (SiO2nH2O) диаметром 0,25 – 0,50 мм, на поверхности которых находятся беспорядочно распределенные силанольные ОН-группы, что обусловливает его повышенную адсорбционную активность по отношению к полярным соединениям. Силикагель (1г), почти полностью насыщенный парами воды после пропускания 10 – 20л воздуха, регенерировали прокаливанием при 600 0С. Для дополнительного улавливания паров воды устанавливали хлоркальциевую трубку [15].
Мультисенсорная ячейка детектирования (рис. 6) изготовлена из нержавеющей стали в виде цилиндрического сосуда (1) с герметично завинчивающейся крышкой (2) (по кругу расположены панели для 9 сенсоров, (3) – отверстия под панели) и съемным основанием (4). Герметичность резьбового соединения крышки и основания с цилиндром обеспечивают два резиновых кольца (5). Корпус ячейки снабжен тремя патрубками: один предназначен для ввода анализируемой пробы (6), второй (7) – для ввода газа-носителя (воздух) при регенерации сорбента (приведение сенсоров в рабочее состояние и удаления следов веществ от предыдущих измерений), третий – для вывода газа-носителя (8). Патрубки герметично закрываются полиуретановыми прокладками (9) и прижимными заглушками (10 – 12) с резьбовыми соединениями. При проведении анализа патрубки 7 и 8 герметично закрывают прижимными заглушками (11, 12), при регенерации системы эти заглушки открывают.
2
3
6
10
11
4
5
12
9
7
Рисунок 6 - Ячейка детектирования: 1 – цилиндрический сосуд ячейки детектирования; 2 – герметично завинчивающаяся крышка; 3 – отверстия под панели для 9 сенсоров; 4 – съемное основание; 5 – резиновое кольцо; 6 – патрубок для ввода анализируемой пробы; 7 – патрубок для ввода газа-носителя при регенерации сорбента; 8 – патрубок для вывода газа-носителя; 9 – полиуретановая прокладка; 10 – прижимная заглушками с отверстием для ввода пробы; 11, 12 – прижимные заглушки.
Схема автогенератора колебаний должна характеризоваться стабильностью частоты колебаний, изменения которой зависят только от модулирующего воздействия, и высоким уровнем обеспечения надежности (устойчивостью колебаний заданной частоты, мягким режимом возбуждения колебаний, устранением возможности генерации мешающих колебаний, вызванных температурными шумами резисторов и скачками напряжения в проводах питания).
Применяли кварцевый автогенератор с цифровой микросхемой на элементах ТТЛ–логики и триггерами Шмитта на входе [16].
Для измерения и обработки аналитических сигналов пьезосенсоров применяли 9-канальный цифровой измерительный комплекс. Частотомер подключали к компьютеру через последовательный интерфейс RS–232 С. Промежутки между фиксированием сигналов сенсоров составляли 1 с, данные выводились на дисплей монитора. В частотомере предусмотрен выбор выдержек измерения от 1 до 60 с (рис. 7).
|
|
Рисунок 7 - Канальный цифровой измерительный комплекс
Частотомер функционировал на базе микроконтроллера PIC16F628 фирмы MICROCHIP, который имел встроенную память программ, несколько таймеров-счетчиков и последовательный интерфейс [15]. Микроконтроллер уменьшает габариты частотомера, что позволяет применять его как портативное переносное устройство (табл. 10).
Таблица 10 - Основные технические характеристики частотомера
Параметр |
Значение |
Параметр |
Значение |
диапазон измеряемых частот, МГц |
0 – 50 |
погрешность измерения частоты, Гц |
|
уровень входного сигнала |
ТТЛ |
напряжение питания, В |
5 |
время измерения частоты, с |
1 |
ток потребления, мА |
<10 |
1Данные в компьютер передавались четырьмя байтами после каждого цикла измерений. Дальнейшую их обработку и хранение осуществляли под управлением программы компьютера.