THERMAL ANALYSIS OF FATS USING THE «TERMOSCAN» UNIT
Rubrics: FOOD PRODUCTION TECHNOLOGY
Authors:
1.
Siberian Research Institute of Cheese Making
Barnaul, Barkaul, Russian Federation
Barnaul, Barkaul, Russian Federation
2.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology (University)
Type:
Article
Pages:
from 55
to 60
Status:
Published
Received:
23.10.2017
Accepted:
23.10.2017
Published:
23.10.2017
Subject area:
UDK 637.133
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Temperature effect, thermoscanning, fat, extremum, deviation value, reliability factor
Abstract (English):
This article describes the installation of «Termoscan». This device allows us to study fats of different origin on thermal effects (in the temperature range from minus 9 °C to plus 60 °C) during their heating and cooling. Differential thermograms of heating and cooling of milk fat, pork fat and SOYUZ 71E fat mixture have been obtained. Two sections with extreme points in the heating and cooling processes have been determined. Exact data on the extrema obtained have been tabulated. The tables show the results of studies on temperature and temperature effect obtained from extremum No. 1 and extremum No. 2 (the mean, deviation from the mean and deviation from the mean in percentage). The data obtained are also presented graphically. Comparison of the data of the results in the study of the tested samples has been made. The reliability factor as the ratio of the difference in the temperatures of the two fats to the sum of the deviations in the measurements has been calculated. The results obtained during the series of experiments make it possible to judge the correctness and reliability of the research done. The advantage of the proposed technique has been revealed in contrast to the widespread methods of differential thermal analysis (DTA). Minor differences in the results are noted when repeating «heating-cooling» cycle of the same sample many times, but the general character is retained. Characteristic peaks are observed in repetitions. The ratio between the extremum values changes insignificantly. The preliminary conclusion has been made that the developed device and the method of thermoscanning can be used in laboratory studies of fats and fatty compositions on the fact that one type of fat can replace another one.
This article describes the installation of «Termoscan». This device allows us to study fats of different origin on thermal effects (in the temperature range from minus 9 °C to plus 60 °C) during their heating and cooling. Differential thermograms of heating and cooling of milk fat, pork fat and SOYUZ 71E fat mixture have been obtained. Two sections with extreme points in the heating and cooling processes have been determined. Exact data on the extrema obtained have been tabulated. The tables show the results of studies on temperature and temperature effect obtained from extremum No. 1 and extremum No. 2 (the mean, deviation from the mean and deviation from the mean in percentage). The data obtained are also presented graphically. Comparison of the data of the results in the study of the tested samples has been made. The reliability factor as the ratio of the difference in the temperatures of the two fats to the sum of the deviations in the measurements has been calculated. The results obtained during the series of experiments make it possible to judge the correctness and reliability of the research done. The advantage of the proposed technique has been revealed in contrast to the widespread methods of differential thermal analysis (DTA). Minor differences in the results are noted when repeating «heating-cooling» cycle of the same sample many times, but the general character is retained. Characteristic peaks are observed in repetitions. The ratio between the extremum values changes insignificantly. The preliminary conclusion has been made that the developed device and the method of thermoscanning can be used in laboratory studies of fats and fatty compositions on the fact that one type of fat can replace another one.
Keywords:
Temperature effect, thermoscanning, fat, extremum, deviation value, reliability factor
Temperature effect, thermoscanning, fat, extremum, deviation value, reliability factor
В практике пищевых производств все чаще применяют различные виды жиров, как животного, так и растительного происхождения. Доля замени- телей жиров нормируется ТР ТС 033/2013 «О без- опасности молока и молочной продукции», однако на практике эти нормативы не всегда соблюдаются, что приводит к выпуску недоброкачественной про- дукции [1, 2]. Отсутствие оперативных методов контроля и приборов для их реализации не всегда позволяет контролировать процент замены одного вида жира другим. В молочной промышленности актуален контроль замены молочного жира на рас- тительный (заменитель молочного жира - ЗМЖ). Жиры (как растительного, так и животного про- исхождения) характеризуются различным физичес- ким состоянием при различных температурах. Вы- явить это различие возможно при помощи терми- ческого анализа. Термический анализ - это совокупность мето- дов определения температур, при которых проис- ходят процессы, сопровождающиеся либо выделе- нием тепла (кристаллизация), либо его поглощени- ем (плавление). Методы термического анализа ис- пользуют для качественного и количественного анализа веществ, для построения диаграмм состоя- ния, а также для определения теплот фазовых пре- вращений и теплот реакций [3]. Все существующие методы термического ана- лиза объединяет то, что какое-либо свойство изуча- емой системы измеряется в зависимости от темпе- ратуры. Основой самостоятельного метода может стать любое измеряемое физическое свойство и число методов термического анализа непрерывно возрастает. В Сибирском НИИ сыроделия разработана ме- тодика и сконструирован специальный прибор «Термоскан», позволяющий проводить исследова- ния в диапазоне температур от минус 9 до плюс 60 ºС [4-7]. Прибор регистрирует термические эф- фекты при нагреве и охлаждении продуктов, поме- щаемых в специальную измерительную ячейку, вместимостью 0,8 мл. В зависимости от состава продукта (жира или смеси жиров) наблюдаются температуры. Величина отклонений и температура, на которой проявляется эффект, зависят от состава продукта. Измерительная ячейка представляла со- бой цилиндр из чистой меди, диаметром 40 мм и высотой 10 мм. В цилиндре симметрично относи- тельно центра расположены два сквозных отверс- тия диаметром 10 мм, в которые помещали иссле- дуемые продукты. Температура продуктов и корпу- са ячейки измерялась термопарами. Вся система термопар подключалась к многоканальному циф- ровому измерителю температуры и далее трансли- ровалась в ПЭВМ, где формировался файл в фор- мате «Excel». Обработка полученных данных про- водилась по специально разработанной методике. Общий вид установки приведен на рис. 1. Рис. 1. Общий вид установки для термосканирования Целью исследований было выявление различий в температурных эффектах при нагреве и охлажде- нии продуктов и определение воспроизводимости проведенных опытов термосканирования. Объекты и методы исследования При проведении серии опытов на установке «Термоскан» были получены и в дальнейшем изу- чены температурные эффекты при нагреве и охла- ждении образцов молочного, свиного жиров и ЗМЖ СОЮЗ 71Э, состоящего из природных и мо- дифицированных масел и жиров. Образцом молоч- ного жира являлось топленое коровье масло. Одновременно исследовали два одинаковых об- разца, помещенных в ячейку. Опыты по охлажде- нию проводили в шестикратной повторности по два образца в каждой повторности, опыты по нагреву в четырехкратной повторности, также по два образца. Результаты и их обсуждение На рис. 2 и 3 приведены графики охлаждения и нагрева свиного жира. Температурный эффект, град. С/10 с На представленных графиках наблюдаются два экстремальных участка (пика), координаты кото- рых являлись контрольными точками в серии опы- тов. Эти координаты считывались с протокола опыта и вносились в таблицу. Пики в области более высоких температур имели более четко выражен- ный экстремум. Результаты оформлялись в виде таблиц (табл. 1-6). -10 0 -1 0 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 10 20 30 40 50 60 Т емпература, град. С Рис. 2. Дифференциальная термограмма нагрева образца жира 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 -10 0 Температурный эффект, град. С/10 с Таблица 4 Температурные эффекты при нагреве свиного жира 10 20 30 40 50 60 № опыта Экстремум № 1 Экстремум № 2 Опыт 1 32,38 -0,903 8,36 -0,309 Опыт 2 31,73 -0,990 8,31 -0,357 Опыт 3 31,57 -0,901 8,65 -0,351 Опыт 4 32,61 -0,870 8,76 -0,323 Среднее 32,07 -0,920 8,52 -0,340 Отклон. 0,50 0,052 0,22 0,023 Откл. % 1,56 5,63 2,57 6,81 Температура, град. С Рис. 3. Дифференциальная термограмма охлаждения образца жира Таблица 1 Температурные эффекты при охлаждении ЗМЖ СОЮЗ 71Э Таблица 5 № опыта Экстремум № 1 Экстремум № 2 t, ºС dt, ºС t, ºС dt, ºС Опыт 1 20,38 0,079 4,29 0,052 Опыт 2 20,14 0,082 4,14 0,043 Опыт 3 20,06 0,073 4,44 0,050 Опыт 4 19,96 0,074 3,71 0,046 Опыт 5 20,03 0,070 4,20 0,043 Опыт 6 20,03 0,068 4,60 0,043 Среднее 20,10 0,074 4,23 0,046 Отклон. 0,15 0,005 0,31 0,004 Откл. % 0,74 6,85 7,20 8,25 Температурные эффекты при охлаждении молочного жира № опыта Экстремум № 1 Экстремум № 2 t, ºС dt, ºС t, ºС dt, ºС Опыт 1 18,41 0,069 12,42 0,060 Опыт 2 17,50 0,073 12,10 0,063 Опыт 3 17,92 0,069 12,79 0,056 Опыт 4 17,96 0,068 12,42 0,062 Опыт 5 17,84 0,059 12,89 0,056 Опыт 6 18,30 0,068 12,78 0,059 Среднее 17,99 0,068 12,57 0,059 Отклон. 0,33 0,005 0,30 0,003 Откл. % 1,83 6,85 2,42 4,96 Таблица 6 Температурные эффекты при нагреве ЗМЖ СОЮЗ 71Э Температурные эффекты при нагреве молочного жира № опыта Экстремум №1 Экстремум №2 t, ºС dt, ºС t, ºС dt, ºС Опыт 1 33,61 -0,704 6,77 -0,440 Опыт 2 32,96 -0,650 6,35 -0,450 Опыт 3 33,05 -0,714 6,50 -0,440 Опыт 4 32,69 -0,656 8,07 -0,410 Среднее 33,08 -0,681 6,92 -0,435 Отклон. 0,39 0,033 0,78 0,017 Откл. % 1,17 4,80 11,33 3,98 Таблица 2 Температурные эффекты Таблица 3 № опыта Экстремум № 1 Экстремум № 2 t, ºС dt, ºС t, ºС dt, ºС Опыт 1 31,20 -0,870 16,7 -0,550 Опыт 2 29,86 -0,893 17,8 -0,560 Опыт 3 30,65 -0,887 17,6 -0,587 Опыт 4 31,67 -0,944 18,02 -0,587 Среднее 30,85 -0,899 17,53 -0,571 Отклон. 0,78 0,032 0,58 0,019 Откл. % 2,52 -3,55 3,31 -3,31 Для более наглядного представления получен- ных данных по координатам экстремумов, они представлены на рис. 4-7 в виде графиков. На гра- фиках показаны температуры экстремальных точек - t, и величины отклонений от средних значений при измерениях - dt (погрешности измерений, ап- паратные и методические). 40,0 при охлаждении свиного жира Температура, град. С 35,0 № опыта Экстремум № 1 Экстремум № 2 t, ºС dt, ºС t, ºС dt, ºС Опыт 1 15,17 0,044 -4,96 0,020 Опыт 2 15,12 0,028 -5,86 0,014 Опыт 3 14,60 0,020 -6,27 0,016 Опыт 4 15,05 0,033 -4,80 0,016 Опыт 5 14,96 0,024 -4,49 0,018 Опыт 6 14,75 0,050 -6,30 0,016 Среднее 14,94 0,033 -5,45 0,017 Отклон. 0,22 0,012 0,80 0,002 Откл. % 1,49 35,55 14,57 13,27 30,0 25,0 20,0 0,78 0,50 0,39 33,08 15,0 10,0 5,0 0,0 30,85 32,07 Молочный жир t, град. С dt, град. С Свиной жир СОЮЗ 71Э Рис. 4. Координаты экстремума № 1 при нагреве жиров 20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 0,22 0,78 Молочный жир Свиной жир t, град. С dt, град. С 0,58 17,53 8,52 СОЮЗ 71Э Температура, град. С Рис. 5. Координаты экстремума № 2 при нагреве жиров Разница в температуре экстремума № 1 при нагреве жиров составила по отношению к молоч- ному жиру 1,22 ºС для свиного жира и 2,23 ºС для ЗМЖ СОЮЗ 71Э. Различие в температурах между свиным жиром и СОЮЗ 71Э для этого экстремума было значительно меньше и составило 1,01 ºС. 25,0 20,0 0,15 0,33 15,0 0,22 Различия в температуре для экстремума № 2 (с более низкой температурой плавления) были боль- ше. Они составили (по отношению к молочному жиру) 9,01 ºС для свиного жира и 10,61 ºС для сме- си СОЮЗ 71Э. Различия для свиного жира и смеси СОЮЗ 71Э составили 1,60 ºС. Из графиков (рис. 4-7) видно, что экстремаль- ные точки для исследуемых жиров достаточно хо- рошо различаются, за исключением экстремумов № 1 при нагреве. 6,92 Наиболее стабильные показания были харак- терны для опытов по охлаждению жиров. Отклоне- ния температур экстремальных точек в повторно- стях не превышали 0,27 ºС, что составляло не более 2,5 %. Экстремумы при охлаждении были более ярко выражены. Для оценки достоверности различий между ис- следуемыми видами жиров следует рассматривать диапазон варьирования показаний прибора по от- ношению к величине различий между ними. Его мы оценивали как отношение разницы в температурах двух жиров к сумме отклонений при измерениях: F = (t1-t2)/(dt1+dt2), (1) где F - фактор достоверности, ед.; t1 - температура первого образца, ºС; t2 - температура второго об- разца, ºС; dt1 - погрешность измерения первого образца, ºС; dt2 - погрешность измерения второго образца, ºС. Корректнее было бы использовать величину по- грешности прибора при оценке различий, но это предполагается сделать в дальнейшем, при разра- ботке методики с оценкой метрологических харак- теристик.По приведенной формуле фактор досто- верности различий, определенный в процессе нагрева по экстремуму № 1, составил: между молочным жиром и свиным: F = 1,75; между молочным жиром и ЗМЖ СОЮЗ 71Э: F = 1,92; между свиным жиром и ЗМЖ СОЮЗ 71Э: F = 1,13. По такой же формуле были определены все фак- торы достоверности различий по экстремумам № 1 и № 2 при нагреве и охлаждении жиров. Результаты расчетов приведены в табл. 7 и 8. t, град. С dt, град. С 10,0 20,10 18,00 14,94 5,0 0,0 Молочный жир Свиной жир СОЮЗ 71Э Температура, град. С Таблица 7 Рис. 6. Координаты экстремума № 1 при охлаждении жиров Факторы достоверности (F, ед.) различий температур при охлаждении жиров Температура, град. С t , град. С dt, град. С 15,0 10,0 5,0 0,0 0, 30 12, 57 0, 79 Вид жира Экстремум № 1 Экстремум № 2 Молочный жир 5,52 16,42 Свиной жир Молочный жир 4,42 13,71 ЗМЖ СОЮЗ 71Э Свиной жир 13,85 8,81 ЗМЖ СОЮЗ 71Э 0, 31 4, 23 Таблица 8 -5,0 -10,0 Молочный жир Свиной жир СОЮЗ 71Э -5, 45 Факторы достоверности (F, ед.) различий температур при нагреве жиров Вид жира Экстремум № 1 Экстремум № 2 Молочный жир 1,75 11,28 Свиной жир Молочный жир 1,92 7,78 ЗМЖ СОЮЗ 71Э Свиной жир 1,13 1,59 ЗМЖ СОЮЗ 71Э Рис. 7. Координаты экстремума № 2 при охлаждении жиров Из анализа представленных в табл. 7 и 8 сводных результатов расчетов, был сделан предварительный вывод о том, что методика термосканирования с ис- пользованием разработанного прибора может при- меняться в лабораторных исследованиях. Ее можно применять для выявления различий в составе жиро- вых смесей и идентификации составов. Достоинство предлагаемой методики в отличие от распространенных методов дифференциального термического анализа (ДТА) [8-10] является от- сутствие необходимости в применении контроль- ного образца жира, в качестве которого применяют силиконовое масло, вазелин и др. При необходи- мости разработанную методику можно применять при сравнительных испытаниях образцов различных жиров без каких-либо конструктивных и мето- дических изменений. Следует отметить, что опыты, проводимые на одних и тех же образцах, подвергаемых многократ- ному циклу «нагрев-охлаждение», несколько отли- чались друг от друга по результатам. Общий харак- тер сохранялся, характерные пики наблюдались при повторностях, но соотношение между величи- нами экстремумов на кривых менялось. Это может быть связано с подготовкой пробы, в которой могут быть включения воздуха, неравномерности состава пробы, нестабильности контакта пробы с корпусом ячейки. Это может быть вызвано также и измене- нием структуры или химического состава пробы под влиянием высокой температуры (более 60 ºС).
1. Topnikova, E.V. Trebovaniya k molokosoderzhaschey produkcii v svete sovremennyh trebovaniy / E.V. Topnikova // Pererabotka moloka. - 2016. - № 12. - S. 6-8.
2. Yurova, E.A. K voprosu podtverzhdeniya sootvetstviya trebovaniyam TR TS / E.A. Yurova // Pererabotka moloka. - 2016. - № 12. - S. 10-13.
3. Novozhenov, V. A. Termicheskiy analiz: uchebnoe posobie / V.A. Novozhenov. - Barnaul: AGU, 1983. - 74 s.
4. Mayorov, A.A. Razrabotka metodiki termicheskogo analiza produktov / A.A. Mayorov, D.A. Usatyuk // Aktual'nye problemy tehniki i tehnologii pererabotki moloka: sbornik nauchnyh trudov s mezhdunarodnym uchastiem. - Barnaul. - 2014. - Vyp. 11. - S. 20-24.
5. Mayorov, A.A. Pribor dlya provedeniya termicheskogo analiza produktov / A.A. Mayorov, V.I. Volkov // Aktual'nye problemy tehniki i tehnologii pererabotki moloka: sbornik nauchnyh trudov s mezhdunarodnym uchastiem. - Barnaul. - 2014. - Vyp. 11 - S. 16-20.
6. Mayorov, A.A. Issledovanie termicheskih effektov pri termoskanirovanii zhirov / A.A. Mayorov, D.A. Usatyuk, Yu.N. Reshetova // Aktual'nye problemy tehniki i tehnologii pererabotki moloka: sbornik nauch. trudov s mezhdunarodnym uchastiem. - Barnaul. - 2014. - Vyp. 11. - S. 13-16.
7. Mayorov, A.A. Issledovanie temperaturnyh effektov pri termoskanirovanii zhirov / A.A. Mayorov, D.A. Usatyuk // Vestnik Omskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2013. - № 4(12). - S. 52-54.
8. Mozhno li s pomosch'yu DTA obnaruzhit' minornye dobavki zameniteley molochnogo zhira v slivochnom masle? / O.B. Rudakov, K.K. Polyanskiy, A.Yu. Gribanov, V.I. Deyneka // Syrodelie i maslodelie. - 2015. - № 5. - S. 50-53.
9. Polyanskiy, K.K. Differencial'nyy termicheskiy analiz pischevyh zhirov: nauchnoe izdanie / K.K. Polyanskiy, S.A. Snegirev, O.B. Rudakov. - M.: DeLi print, 2004. - 85 s.
10. Akta, N. Detection of beef body fat and margarine in butter fat by differential scanning calorimetry / N. Akta, M. Kaya // Journal of Thermal Analysisa and Calorimetry. - 2001, Vol. 66, (№ 3). - P. 795-801.
