Разработка экспресс-метода спектроскопии в ближней инфракрасной области для определения влажности, белка и количества клейковины

Производство зерна составляет основу агропромышленного комплекса Российской Федерации и является наиболее крупной подотраслью сельского хозяйства, от развития которой в значительной степени зависит продовольственная безопасность страны [17], обеспеченность населения продуктами питания, его уровень жизни, а также финансовое состояние сельскохозяйственных товаропроизводителей, предприятий элеваторно-складского хозяйства и мукомольно-крупяной промышленности..

При производстве и переработке зерна для оценки его качества применяются стандартизованные показатели, основными среди которых являются влажность, массовая доля белка и количество клейковины [11].

Важнейшим показателем качества зерна и продуктов его переработки является влажность зерна, которая играет решающую роль в сохранности зерна, а также влияет на переработку зерна. От уровня влажности зависит выход и качество готовой продукции, а также затраты энергии на её производство. В этой связи необходим систематический контроль за влажностью зерна на всех этапах его хранения и переработки. Различают 4 состояния зерна по влажности: сухое, средней сухости, влажное и сырое. Согласно действующим стандартам, в зависимости от вида и класса зерна, этот показатель варьирует от 13,5 до 15%.

Одним из наиболее важных показателей качества зерна также является массовая доля белка, которая определяет биологическую ценность и пищевое достоинство зерна. Массовая доля белка варьируется от 5 до 26%, в зависимости от вида зерновой культуры. Также будет различным и аминокислотный состав белка, что непосредственно влияет на его питательную ценность. От массовой доли белка, в частности, пшеницы, зависит класс зерна. Этот показатель является показателем мукомольных и хлебопекарных свойств пшеницы.

Количество клейковины – основной классообразующий показатель для зерна пшеницы и пшеничной муки в России, он характеризуется количеством клейковинных белков в зерне (глютенины и глиадины), которые составляют около 80% всех белков и концентрируются большей частью в эндосперме зерна. Данный показатель может колебаться в очень широких пределах – от 18 до 40% и более. Наличие и свойства клейковины обуславливают газоудерживающую способность теста и определяют структуру выпеченного хлеба [1].

Определение влажности, белка, количества клейковины методом спектроскопии в ближней инфракрасной области с применением ИК-анализаторов для оценки качества зерна выявило необходимость его стандартизации в целях массового использования на элеваторах, хлебоприёмных предприятиях и испытательных лабораториях.

До настоящего времени в РФ отсутствовала нормативно-правовая база в сфере обеспечения сохранности зерна в и механизмы прослеживаемости партий зерна от производителей до конечных потребителей (от организации-переработчика до страны-импортёра), необходимые для более объективного мониторинга ситуации с качеством и количеством производимого зерна и отслеживания характеристик зерна пшеницы (массовая доля белка, количество клейковины, натура и др.), реализуемой на рынке, согласующихся с потребностями потребителей и имеющих достаточную точность.

В 2022 г. вступили в силу положения Федерального закона от 30.12.2020 г. № 520‑ФЗ «О внесении изменений в Закон РФ «О зерне» и в статью 14 ФЗ «О развитии сельского хозяйства» [18], а также введена в действие Федеральная государственная информационная система прослеживаемости зерна и продуктов переработки зерна (ФГИС «Зерно»). С введением новых требований повысилась актуальность оперативного и достоверного контроля показателей качества зерна. Применение стандартизованных методов для оперативного контроля является трудоёмким и длительным процессом. Поэтому на практике успешно применяются инструментальные экспресс-методы. Одним из наиболее распространённых инструментальных методов является метод спектроскопии в ближней инфракрасной области спектра [10].

Сущность экспресс-метода заключается в измерении интенсивности оптического излучения, диффузно отражённого от исследуемой пробы зерна, и определении показателей влажности, массовой доли белка и количества клейковины, выражаемых в процентах.

В 2022 г. в План национальной стандартизации ТК 002 «Зерно, продукты его переработки и маслосемена» была включена разработка национального стандарта ГОСТ Р «Зерно. Определение влажности, белка и количества клейковины методом спектроскопии в ближней инфракрасной области», разработчиками которого выступили: «Всероссийский научно-исследовательский институт зерна и продуктов его переработки» (ВНИИЗ) – филиал ФГБНУ «Федеральный научный центр пищевых систем им. В. М. Горбатова» РАН, ООО «ЭКАН» и «Уральский научно-исследовательский институт метрологии» – филиал ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева». Разрабатываемый проект ГОСТа Р будет распространяться на экспресс-методы определения основных классообразующих показателей качества зерна, необходимых в процессе массовой приёмки зерна на хлебоприёмных предприятиях.

В настоящее время разработаны и внедрены в производство различные модели анализаторов – ИНФРАСКАН-1050, ИНФРАСКАН-3150 и ИНФРАСКАН-4200 (выпускаемые ООО «ЭКАН»), которые составляют основу приборной базы ФБГУ «Россельхозцентр». Общее количество успешно работающих анализаторов в РФ и ближнем зарубежье насчитывает более 2000 единиц. В целом ряде филиалов ФБГУ «Россельхозцентр» и в крупнейших агрохолдингах страны внедрены информационные сети на платформе «ЭКАНЕТ», которая позволяет отслеживать техническое состояние оборудования и осуществлять его методическую поддержку, архивировать результаты измерений и оперативно передавать информацию [14].

Наши предложения нашли отражение в Плане мероприятий по реализации «Долгосрочной стратегии развития зернового комплекса Российской Федерации до 2035 г.». В частности, появилась необходимость существенно сократить продолжительность исследования качества зерна, осуществляя этот процесс в поле. В этом случае можно использовать компактные лаборатории на колёсах, так называемые мобильные лаборатории. ИК-анализаторы выступают в качестве основного инструмента при комплектовании таких лабораторий [13].

В этой связи при разработке проекта национального стандарта в качестве инструментальной базы был выбран отечественный ИК-анализатор «ИНФРАСКАН», сравнительные испытания которого осуществляли в ряде лабораторий как государственных структур, так и частных сельскохозяйственных предприятий и холдингов.

В ходе исследований проведена оценка показателей прецизионности (повторяемости и воспроизводимости), а также показателей точности и правильности. Экспериментальные работы проводили в производственных и испытательных лабораториях в разных регионах России с применением специально изготовленных в УНИИМ стандартных образцов зерна и продуктов его переработки для определения в них состава (ГСО 9734–2010) и стандартных образцов – массовой доли клейковины в зерне (ГСО 10887–2017). Аттестованные значения влажности установлены на Государственном первичном эталоне единиц массовой доли и массовой (молярной) концентрации воды в твёрдых и жидких веществах и материалах (ГЭТ 173–2017), а аттестованные значения массовой доли белка – на Государственном вторичном эталоне единиц массовой доли и массовой (молярной) концентрации компонентов в твёрдых и жидких веществах и материалах на основе объёмного титриметрического метода анализа (ГВЭТ 176–1–2010) [9]. Аттестованные значения массовой доли клейковины устанавливали на основании межлабораторного эксперимента [12].

В каждую лабораторию было направлено по 6 образцов пшеницы и по 3 образца ячменя с разными значениями определяемых показателей. В каждой лаборатории было получено n = 3 результатов наблюдений в условиях повторяемости.

Обработку полученных результатов проводили с учётом положений [2–5] и [16].

В соответствии с [16] использовали метод оценки показателей качества с помощью набора стандартных образцов в условиях получения экспериментальных данных в нескольких лабораториях. Полученные значения показателей повторяемости, воспроизводимости, правильности и точности приведены в таблице.

В проекте стандарта также предусмотрена процедура контроля точности измерений в соответствии с [15] как с применением стандартных образцов утверждённого типа, так и стандартизованных методик (методики сравнения): для влажности – по 6; для массовой доли белка – по 7 и для количества клейковины – по 8.

В настоящее время разработан проект первой редакции ГОСТ Р «Зерно. Определение влажности, белка, количества клейковины методом спектроскопии в ближней инфракрасной области», который включает 14 разделов и 1 приложение.

В области применения проекта стандарта указано, что он распространяется на зерно пшеницы, ячменя и устанавливает определение влажности, массовой доли белка, количества клейковины методом спектроскопии в ближней инфракрасной области в следующих диапазонах:
● влажность – от 5 до 25%;
● массовую долю белка в пересчёте на сухое вещество (СВ) – от 5 до 20%;
● количество клейковины (для пшеницы) – от 17 до 40%.

В проекте стандарта представлены разделы по подготовке к проведению измерений, которые включают отбор и подготовку проб, подготовку ИК-анализатора, а также проведение измерений.

В проекте стандарта за окончательный результат измерений каждого показателя принимают среднеарифметическое значение трёх независимых результатов измерений каждого показателя, выполненных в условиях повторяемости.

При этом отмечено, что при разногласиях контрольные определения показателей проводят:
● влажность – по ГОСТ 13586.5–2015;
● массовую долю белка в пересчёте на сухое вещество (СВ) – по ГОСТ 10846–1991;
● количество клейковины (для пшеницы) – по ГОСТ Р 54478–2011.

В разделе «Прецизионность» приведены результаты межлабораторных испытаний, на основании которых получены значения пределов повторяемости и воспроизводимости, а также показатель точности.

Таким образом, разработка и внедрение в практику стандартизованного экспресс-метода определения влажности, массовой доли белка и количества клейковины, основанного на методе спектроскопии в ближней инфракрасной области, позволит использовать ИК-анализаторы как в сфере производства и переработки зерна, так и в сфере государственного регулирования.

1. Бундина, О. И. О проекте национального стандарта ГОСТ Р «Зерно. Определение влажности, белка, количества клейковины методом спектроскопии в ближней инфракрасной области» / В сб. Технологии. Метрология. Стандартизация. Материалы II ежегодной международной научно-практической конференции. Группа компаний «ЭКАН». – Санкт-Петербург, 2022. – С. 47–49..
2.  ГОСТ Р ИСО 5725–1–2002. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Ч. 1. Основные положения и определения. – М.: Госстандарт России. 2002. – 37 с.
3.  ГОСТ Р ИСО 5725–2–2002. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Ч. 2. Основной метод определения повторяемости и воспроизводимости стандартного метода измерений. – М.: Госстандарт России. 2002. – 51 с.
4.  ГОСТ Р ИСО 5725–4–2002. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Ч. 4. Основные методы определения правильности стандартного метода измерений. – М.: Госстандарт России. 2002. – 32 с.
5. ГОСТ Р ИСО 5725–6–2002. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Ч. 6. Использование значений точности на практике. – М.: Госстандарт России, 2002. – 51 с.
6. ГОСТ 13586.5–2015. Зерно. Метод определения влажности. – М.: Стандартинформ. – 2019. – 24 с.
7. ГОСТ 10846–91. Зерно и продукты его переработки. Метод определения белка. – М.: Стандартинформ. – 2009. – 8 с.
8. ГОСТ Р 54478–2011. Зерно. Методы определения количества и качества клейковины в пшенице. – М.: Стандартинформ. – 2012. – 23 с.
9. Коряков, В. И. Разработка стандартных образцов массовой доли влаги и белка в зерне и зернопродуктах / В. И. Коряков [и др.] // Измерительная техника. – 2011. – № 10. – С. 62–65.
10. Крищенко, В. П. Ближняя инфракрасная спектроскопия. – М.: Изд. дом «КРОН-пресс», 1997. – 638 с..
11. Мелешкина, Е. П. О совершенствовании метода определения количества и качества клейковины в зерне и муке из пшеницы / Е. П. Мелешкина // Международная научно-практическая конференция, посвящённая памяти В. М. Горбатова. – 2016. – № 1. – С. 216–218.
12. Парфёнова, Е. Г. Разработка стандартных образцов массовой доли клейковины в зерне пшеницы / Е. Г. Парфёнова, М. И. Баклыков, А. С. Запорожец, С. Н. Молодых // Молодежь и наука. Международный аграрный научный журнал. – 2017. – № 3. – С. – 43.
13. Петров, Г. П. Комплекс оборудования ГК «ЭКАН» для мобильных лабораторий / Г. П. Петров, В. Н. Бойцова, Т. С. Рутковская // Хлебопродукты. – 2023. – № 3. – С. 28–31.
14. Петров, Г. П. ЭКАН – 15 лет успеха: продолжаем движение // Хлебопродукты. – 2020. – № 6. – С. 18–19.
15. РМГ 76–2014 ГСИ. Внутренний контроль качества результатов количественного химического анализа. – М.: Стандартинформ. – 2015. – 114 с.
16. РМГ 61–2010 ГСИ. Показатели точности, правильности, прецизионности методик количественного химического анализа. Методы оценки. – М.: Стандартинформ. – 2012. – 62 с.
17. Указ Президента Российской Федерации от 21.01.2020 г. № 20 «Об утверждении Доктрины продовольственной безопасности Российской Федерации». URL: https:// docs.cntd.ru/document/564161398 (дата обращения: 20.01.2023).
18. Федеральный закон от 30.12.2020 г. № 520‑ФЗ «О внесении изменений в Закон РФ «О зерне» и статью 14 ФЗ «О развитии сельского хозяйства». URL: http://publication.pravo.gov.ru/Document/View/0001202212190007 (дата обращения: 20.01.2023). 2022, с. 3.

Скачать в формате PDF