ИК-спектроскопия для выявления фальсификатов при входном контроле сельскохозяйственного сырья

Современные тенденции в области контроля качества сельскохозяйственной продукции обусловлены использованием пищевых добавок, химических и биологических средств защиты растений, что негативно сказывается на здоровье человека. Интенсификация производства и развитие рынков стимулируют применение методов и измерительных приборов для контроля качества и безопасности продуктов. Средства измерения, предоставляя объективную оценку качества, играют ключевую роль в обеспечении здоровой конкуренции. Особое внимание стоит уделить методам своевременного выявления фальсификатов сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов.

Рис. 1. Принципиальная схема выявления фальсификатов пищевых продуктов и кормов.

Традиционные химические методы анализа достаточно трудоемки, так как требуют много времени, специальных реактивов и высокой квалификации персонала. Поэтому инструментальные (физико-химические) методы анализа вытесняют их. К ним относятся: высокоэффективная жидкостная хроматография, основанная на последних достижениях науки и позволяющая проводить многокомпонентный анализ, ИК-спектрометрия, титриметрия.

Инструментальные методы анализа значимо важны при выявлении фальсификатов для:

• идентификации аутентичности сырья и продуктов — позволяют подтвердить идентичность сырья и выявить подмену более дорогих компонентов дешёвыми аналогами, например, добавлением мочевины в корма для повышения содержания протеина, для обнаружения фальсификации гранатового сока виноградным, оливкового масла — подсолнечным, мёда — кукурузным сиропом;
• обнаружения добавок — можно выявить наличие незаявленных компонентов, таких как консерванты, синтетические красители, ароматизаторы, что особенно важно для контроля соответствия маркировки стандартам качества;
• контроля состава продуктов питания и сырья — методы позволяют количественно определять содержание основных компонентов пищевой ценности (белка, жира, влаги, сырой клетчатки, сахара), что важно для проверки соответствия заявленной рецептуре; отклонения от эталонных значений могут указывать на фальсификацию;
• выявления структурных изменений — могут фиксировать изменения в молекулярных структурах, например, в полисахаридах и белках, что критически важно при анализе обработанных продуктов.

Инструментальные методы анализа являются мощным инструментом в борьбе с фальсификацией пищевых продуктов и сельскохозяйственного сырья, обеспечивая быстрый, точный и объективный контроль качества и подлинности.

В контексте все более строгого контроля за охраной окружающей среды и безопасности для здоровья человека роль инструментальных методов в анализе пищевых продуктов приобретает еще большее значение. Способность специализированного анализатора быстро и точно выявлять широкий спектр соединений, включая потенциально опасные добавки и примеси, делает его незаменимым инструментом для выявления фальсификатов. Это открывает новые возможности для разработки более совершенных систем и более эффективных методов контроля в соответствии с экологическими стандартами.

Кроме того, дальнейшее развитие компьютерных технологий и алгоритмов машинного обучения значительно расширяет аналитические возможности инструментальных методов анализа. Интеграция современных аппаратных решений с продвинутым ПО позволяет создавать комплексные системы, способные не только идентифицировать отдельные компоненты, но и предсказывать свойства и поведение сложных смесей на основе их спектральных характеристик.

Дальнейшая интеграция ИК-спектрометрии с другими аналитическими методами, такими как масс-спектрометрия или газовая хроматография, позволяет создавать гибридные системы, обладающие синергетическим эффектом. Такая комбинация обеспечивает не только превосходную идентификацию компонентов, но и высокую точность количественного определения, что необходимо для тонкой настройки технологических процессов.

Разработка портативных анализаторов, оснащенных интуитивно понятным программным обеспечением и возможностью подключения к облачным базам данных, делает этот мощный аналитический инструмент доступным для полевых исследований и оперативного контроля непосредственно «в поле». Это снижает затраты на логистику и ускоряет принятие решений.

Перспективно развитие ИК-камер с возможностью динамического изменения спектрального разрешения и полосы пропускания, что позволяет оптимизировать сбор данных для конкретных задач, будь то точное количественное определение или качественная идентификация. Алгоритмы машинного обучения и искусственного интеллекта играют ключевую роль в обработке огромных объемов данных, получаемых с мультиспектральных камер, извлекая полезную информацию и выявляя закономерности, часто скрытые от глаза человека.

Интеграция с другими аналитическими методами, создание интеллектуальных систем анализа и расширение функциональных возможностей приборов позволят решать все более сложные задачи в таких областях, как контроль качества, безопасность, идентификация фальсификатов, экологический мониторинг.

Титриметрические методы и приборы

В молочной промышленности для определения кислотности, массовой доли белка и ряда других критических параметров стандартом эффективности являются электрохимические методы. В частности, потенциометрическое титрование. Базовым критерием оценки качества сырья здесь выступает уровень pH, позволяющий контролировать биохимические процессы при переработке и хранении. Исходная кислотность молочных продуктов, обусловленная концентрацией кислых солей, белков и растворенной углекислоты, служит ключевым индикатором свежести и технологической пригодности.

Повышение кислотности в процессе хранения обусловлено развитием микрофлоры, сбраживающей лактозу. Мониторинг данного параметра регламентируется стандартом ГОСТ 3624-92 (распространяется на молоко, молочные и молокосодержащие продукты). Этот стандарт устанавливает потенциометрический способ определения кислотности методом титрования.

Ключевые характеристики метода.

• Единицы измерения: градусы Тернера (Т) и величина кислотности (pH) при температуре 20 °C.
• Область применения: определение высоких и средних концентраций веществ в растворах (до 10 мг/л).
• Точность: средняя относительная погрешность не превышает 2% (лимитируется классом точности мерной посуды).
• Универсальность: качественное определение концентрации большинства неорганических и низкомолекулярных органических соединений.
• По способу индикации конечной точки титрования (КТТ) объемные методы классифицируются на: потенциометрические; амперометрические; кондуктометрические; фотометрические; турбидиметрические.

В современной лабораторной практике для автоматизации аналитического процесса применяются автоматические и полуавтоматические титраторы. Это минимизирует влияние человеческого фактора на результаты измерений.

Принцип метода Спектроскопии в ближней инфракрасной области (БИК-спектрометрия)

ИК-спектроскопический метод, основанный на поглощении электромагнитного излучения ИК- диапазона (инфракрасного диапазона) молекулами вещества, является перспективным инструментом для обнаружения фальсификатов при проверке поступающего сельскохозяйственного сырья.

Анализ основан на способности молекул поглощать ИК-излучение, что вызывает их колебательные и вращательные движения. Каждый уникальный состав формирует свой специфический спектр, подобный отпечатку пальца. Интенсивность определенных участков спектра находится в прямой зависимости от концентрации анализируемого вещества. Для количественных оценок требуется проведение калибровочных процедур, устанавливающих эту зависимость.

Идентификация неизвестного компонента осуществляется путем сопоставления его спектра с эталонным образцом. Полное совпадение спектральных кривых подтверждает идентичность веществ. Отличия, проявляющиеся в наличии или отсутствии определенных полос поглощения, указывают на различие составов или на фальсификации.

Ближняя ИК-область (от 780 до 2500 нм) эффективна для анализа органических соединений, содержащих связи C-H, N-H, O-H. Средняя ИК-область (от 2500 до 25000 нм) используется для более подробного изучения молекулярной структуры.

Рис. 2. Диапазоны длин волн ИК-спектроскопии.

Применение для контроля сельскохозяйственного сырья

Применение в агропромышленном комплексе:

• зерновые культуры и корма — контролируется содержание влаги, белка, жира, клетчатки, углеводов, а также физические свойства зерна, например, твердость;
• лекарственное растительное сырье — проводится идентификация видов растений на основе уникальных спектральных характеристик, обусловленных химическим составом и морфологией;
• молочное сырье — выявляются фальсификаты по основным качественным показателям (жир, белок, сухое вещество) и технологическим параметрам (термоустойчивость, кислотность);
• аминокислоты в кормах — осуществляется контроль качества и выявление фальсификации, включая анализ оптических изомеров.

Рис. 3. Инфракрасный луч проникает сквозь образец для снятия и анализа спектра.

Преимущества метода

• Скорость — получение результатов занимает от 30 до 60 с, что критически важно для входного контроля;
• неразрушающий характер — анализ не повреждает образец;
• многокомпонентность — одно измерение позволяет оценить содержание нескольких качественных параметров;
• минимальная подготовка проб — твёрдые и жидкие образцы часто анализируются без пробоподготовки и разбавления.

Контроль качества молока и молочной продукции

При контроле параметров качества и безопасности молочной продукции есть остарая необходимость выявлять фальсификацию молока и сырья, поскольку подделываются не только базовые качественные характеристики (жир, белок, сухие вещества), но и технологические показатели. Поэтому постоянно разрабатываются новые аппаратные методы анализа, позволяющие повысить чувствительность и производительность контроля, например, тест-наборы и системы. В последние годы все более широкое распространение для контроля молока-сырья получили инструментальные методы ИК-спектроскопии в ближней области, ИК-Фурье-спектроскопии, а также ультразвуковой анализ.

Расширенная оценка молока-сырья включает определение не только нормируемых законодательством показателей, но и идентификационных параметров, например: белковый состав (общий белок, небелковый азот, мочевина), концентрацию свободных жирных кислот и минеральный состав (кальций, фосфор, фосфаты), процент добавленной воды.

Нормативно-правовая и методическая база контроля продукции животноводства

Нормативно-технический стандарт оценки качества и безопасности товаров сектора животноводства формируют технические регламенты Таможенного и Евразийского экономического союзов (ТР ТС / ТР ЕАЭС), а также государственные (ГОСТ) и международные стандарты. Данная документация жестко задает целевые показатели готовых изделий и способы подтверждения их соответствия установленным критериям. Все применяемые в ходе испытаний варианты измерений (за исключением прямых методов) с нормированными метрологическими характеристиками подлежат обязательной аттестации. Это требование содержится в документе ГОСТ Р 8.563.

Ультразвуковой метод проверки качества молока

Ультразвуковые анализаторы обеспечивают экспресс-определение массовой доли жира, сухого обезжиренного молочного остатка (СОМО), белка, плотности, температуры и процента добавленной воды. Анализ занимает около 2 минут, выполняется без использования химических реактивов и относится к категории неразрушающего теста, что позволяет повторно использовать исследуемый образец. Точность измерений физико-химических показателей достигает 0,1%.

Физический принцип базируется на регистрации скорости распространения ультразвуковых волн. Эта скорость напрямую зависит от компонентного состава жидкой среды. Измерительный цикл реализуется в два этапа.

При температуре 14 °C по скорости прохождения ультразвука определяется концентрация СОМО. При температуре 50 °C регистрируется скорость волны для расчета содержания жира (вычисляется автоматически с внесением поправки на ранее полученное значение СОМО).

На основе ультразвуковых технологий разработаны отечественные лабораторные анализаторы, широко применяемые в индустрии. Среди них выделяются приборы серии «Клевер-2М» (усовершенствованная модификация базовой модели) и линейка приборов «Лактан 1-4», включая модификацию «Лактан 1-4М» исп. 600 УЛЬТРАМАКС.

В свою очередь, зарубежный сегмент измерительных систем традиционно возглавляет датская компания Foss. Она выпускает приборы для комплексного тестирования физико-химических показателей молока и готовой продукции. И специализируется на производстве высокоточного оборудования экспертного класса.

Рис. 4. Анализатор молока и молочных продуктов MilkoScan FT3, Foss

ИК-анализатор мяса, сыра, йогуртов, комбикормов, шротов, жмыхов, муки, зерна на пищевую ценность, DA7250, Perten

DA7250 предназначен для анализа всех типов образцов — от порошка до гранул, жидкостей, паст и суспензий, сочетает в себе высокую точность и скорость измерений (время измерений — 6 с), простоту в эксплуатации и износоустойчивость.

DA7250 предварительно откалиброван для широкого применения. Все молочные продукты, кроме сыров, которые требуют измельчения, могут быть проанализированы без предварительной пробоподготовки. Используется система одноразовых чашек: образец помещают в пластиковую чашку, которая удаляется после анализа, что делает анализатор чрезвычайно простым в использовании. Экспресс-анализатор DA7250 компании Perten Instruments зарегистрирован в Госреестре CИ РФ за No 63204-16.

Анализаторы мочевины в сыром молоке

Для подтверждения подлинности молока проводится комплексная оценка его качества. Фальсификация затрагивает основные показатели: белок, кислотность, плотность и жир. Распространенный способ подделки — добавление аммонийных соединений мочевины для увеличения доли белка. Это снижает кислотность, замедляет развитие молочнокислых бактерий и свертывание. Поэтому определение небелкового азота является критически важным, существуют специализированные анализаторы для измерения содержания мочевины в молоке.

Рис. 5. Процент фальсификации мясной продукции.

Инструментальные методы проверки качества мясного продукта

Базовый комплекс физико-химических показателей включает массовую долю влаги, сырого жира и протеина, а также уровень активной кислотности (pH). Именно они определяют качество и технологическую пригодность мясного сырья. При расширенной экспертизе состава и свежести мяса дополнительно оценивают органолептические свойства (цвет, запах), содержание золы, общего азота, а также концентрацию летучих продуктов распада белка (аммиака и сероводорода).

Для автоматизации этих анализов активно внедряются физико-химические методики, обеспечивающие высокую пропускную способность лабораторий. Признанным стандартом в области разработки и производства систем для контроля мясной индустрии является аналитическое оборудование датской компании Foss.

Измерение концентрации соматических клеток в молоке

Количество соматических клеток (КСК) выступает ключевым индикатором санитарно-гигиенической безопасности и качественных характеристик молочного сырья. Повышенное значение данного параметра свидетельствует о наличии воспалительных процессов в железе коров (маститов). И указывает на неудовлетворительное состояние здоровья поголовья. Избыточная концентрация соматических клеток негативно влияет на безопасность исходного ресурса. А также ухудшает технологические свойства продуктов переработки, в первую очередь, сыров и кисломолочной продукции.

Нормативные требования к данному показателю жестко регламентированы ТР ТС 033/2013 «О безопасности молока и молочной продукции» (стандарт действует с 01.07.2017). Согласно документу, в сыром молоке высшего сорта, предназначенном для выработки стерилизованных продуктов и сыров, предельно допустимая концентрация составляет не более 500 тыс. клеток в 1 см³.

Для определения количества соматических клеток в сырье применяются два основных аналитических подхода.

Вискозиметрический подход. Это косвенная методика, основанная на измерении динамической вязкости смеси молока со специализированным поверхностно-активным препаратом. Реагент разрушает оболочки клеток, а высвободившаяся ДНК повышает вязкость раствора пропорционально их исходной концентрации. Ключевым недостатком является уязвимость к умышленной фальсификации. Термическая обработка сырья или введение маскирующих химических агентов нивелируют этот эффект, позволяя скрывать истинное санитарное состояние исходного материала. Автоматический флуоресцентный подсчет — прямой и более надежный метод, исключающий риски ложноположительных результатов. Клетки селективно связываются со специфическим флуорохромом (красителем) и регистрируются оптической системой. На этом принципе функционируют, например, модели серии DCC, в которых маркированные клетки светятся под воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения, после чего встроенный счетчик фиксирует единичные световые импульсы.

Для обеспечения метрологической прослеживаемости и точности флуоресцентных систем их калибровку выполняют с использованием сертифицированных стандартных образцов.

Способы мониторинга содержания остаточных количеств антибиотиков

Наличие остаточных количеств ветеринарных препаратов в сыром молоке и мясном сырье представляет серьезную угрозу для перерабатывающей промышленности и здоровья потребителей. Попадание антибиотиков (пенициллина, стрептомицина и др.) в готовую продукцию обусловлено рядом факторов, в том числе, нарушением сроков вывода лекарственных средств из организма животных после проведения терапевтических мероприятий. В заводских условиях данные вещества ингибируют активность стартовых заквасочных культур. Это приводит к срыву технологических процессов сбраживания и порче партий товаров.

Согласно нормативным требованиям, мониторинг присутствия ветеринарных препаратов обязателен для следующих групп.

• Тетрациклиновая группа: молоко, молочная продукция, мясо, субпродукты, мясные изделия, яйца, мед.
• Левомицетин (хлорамфеникол): мясо, мясные продукты, молоко, молочная продукция, яйца, мед.
• Стрептомицин: молоко, молочные продукты, яйца.
• Пенициллин: молоко и продукты его переработки.
• Цинкбацитрацин: мясо, мясная продукция, субпродукты.

По статистическим данным, остаточные количества ветеринарных препаратов обнаруживаются в 15-26% поступающего исходного сырьевого ресурса животноводства и птицеводства. Высокая частота выявления рисков обуславливает необходимость внедрения на предприятиях систем периодического выборочного и сплошного систематического входного контроля. Подавление заквасочной микрофлоры антибиотиками полностью блокирует регламентированный процесс ферментации. Это делает невозможным выпуск качественных сыров и кисломолочной продукции, что неизбежно приводит к производственному браку и прямым финансовым убыткам предприятия.

См. также:

Ниже вы можете задать вопрос или оставить запрос в свободной форме: