Термисторный криоскопический метод

Точка замерзания – величина (°С), посредством которой определяют наличие посторонней воды в молоке.

Сущность метода. Пробу молока охлаждают до заданной темпера­туры (в зависимости от прибора), механической вибрацией вызывают кристаллизацию, после чего температуру быстро повышают до плато, которое соответствует точке замерзания пробы.

Прибор калибруют двумя стандартными растворами по той же ме­тодике, что и для проб молока. В этих условиях плато показывает точ­ку замерзания молока в градусах Цельсия (°С).

Аппаратура и материалы. Криоскоп. Криоскоп состоит из термически контролируемой охлаждающей ванны, термисторного зонда (полупро­водникового терморезистора) с заданным контуром и гальванометром или цифровым индикатором, мешалки для пробы и устройства вызова кристаллизации, а также пробирок для проб (приложение 7).

Охлаждающая ванна. Применяют охлаждающие ванны иммерсион­ного и циркулярного типа. Охлаждающей жидкостью является 33%-ный (объем/объем) водный раствор 1,2-этандиола (этиленгликоль).

Ванна иммерсионного типа – хорошо изолированная ванна с охлаж­дающей жидкостью, которую перемешивают так, чтобы температур­ный перепад между любыми двумя точками в жидкости не превы­шал 0,2 °С. Температура жидкости не должна колебаться более чем на ± 0,5 С от номинального значения, установленного изготовителем.

Важно поддерживать постоянный уровень жидкости в ванне. Вся поверхность пробирки с образцом под отметкой уровня должна быть покрыта охлаждающей жидкостью.

В ванне циркулярного типа непрерывный поток охлаждающей жид­кости циркулирует вокруг пробирки с образцом. Температура жидкости не должна колебаться более чем на ± 0,5 °С от номинального зна­чения, установленного изготовителем.

Термистор и сопровождающий контур. Термистор – стеклянный зонд диаметром не более (1,8 ± 0,2) мм и шарик диаметром не более 0,31 мм. Постоянное время работы термистора должно быть менее 2 с, а значение ß должно быть высоким. Рабочее напряжение, мощность тока и константа рассеяния должны быть таковы, чтобы температура термистора повышалась не более чем на 0,0005 °С по сравнению с тем­пературой окружающей среды (минус 0,512 °С). Максимальный допуск на сопротивление составляет ±5%.

Когда зонд находится в криоскопе в рабочей позиции, кончик сте­клянного шарика должен лежать на оси пробирки с пробой (рис. 5), при этом должны быть соблюдены все размеры.

Характеристику «сопротивление – температура» термистора (β/T²) определяют по формуле:

β/T²=-(dR/dT)•(I/R),

где T – температура по Кельвину, град; R – сопротивление при тем­пературе Т, Ом; (-(dR/dT)•(I/R) – температурный коэффициент; β – значение, которое зависит от используемого материала термистора (обычно свыше 3000).

Принцип измерения. Прибор работает по принципу поиска первого «плато» на кривой температуры замерзания. Плато – часть кривой, где температура остается постоянной не менее 20 с, с допускаемым откло­нением ± 0,001 °С. Применяют устройства ручного и автоматического контроля.

Ручной контроль. Сопротивление термистора балансируют с помо­щью моста Уитстона или аналогичного устройства, используя стабиль­ные резисторы высочайшего качества, отклонение которых не более ± 10 %, а температурный коэффициент не более 2 • 10⁵ °С^-1.

Нелинейность балансирующего резистора во всем диапазоне не должна превышать 0,3 % максимального значения. Это имеет значе­ние при применении резисторов в целях калибровки. Измерительная шкала должна быть градуирована с интервалами не более 0,001 °С.

Автоматический контроль. Цифровой индикатор в диапазоне от 0 до минус 1 °С должен иметь различия в показаниях не более 0,001 °С.

Стабильность цифрового индикатора и его сопровождающего кон­тура должна быть такой, чтобы последовательные показания одной и той же температуры изменялись не более чем на 0,001 °С.

Линейность контура при правильной эксплуатации в любой точке должна быть от минус 0,400 до минус 0,600 °С, при этом ошибка не должна превышать ± 0,001 °С.

Проволока для перемешивания. Для перемешивания пробы молока ис­пользуют проволоку диаметром 1–1,5 мм из металла, инертного к мо­локу.

Амплитуда перемешивания должна быть отрегулирована; проволоку устанавливают вертикально так, чтобы ее нижний конец был на одном уровне с шариком термисторного зонда. Допускается отклонение от 1,5 мм и выше, но ни в коем случае не ниже шарика зонда.

Рис. 5. Термистор: 1 – шарик термистора; 2– проволока для помешивания; 3 – пробирка для пробы; 4 – оправка; 5 – стеклянный зонд

Проволока должна вибрировать горизонтально с амплитудой (око­ло ± 1,5 мм), обеспечивающей равномерность температуры пробы во время измерения. При перемешивании проволока не должна касаться термисторного зонда или стенок пробирки.

Устройство вызова кристаллизации. Это может быть любое устрой­ство, вызывающее кристаллизацию пробы и тем самым повышение температуры до точки замерзания. Может быть применена проволока для перемешивания: следует увеличить амплитуду вибрации в течение 1–2 с так, чтобы проволока ударяла о стенки прибора с пробой.

Пробирки для проб. Пробирки для проб (рис. 5) изготовляют из стекла, они должны иметь следующие параметры: длину (50,8 ± 0,1) мм, наруж­ный диаметр (16,0 ± 0,1) мм, внутренний диаметр (13,5 ± 0,1) мм.

Пробирки должны иметь метку на уровне 29,8 мм ниже верх­ней части (21 мм от дна пробирки), что соответствует объему пробы (2,5 ± 0,1) мм.

Электропитание. Сетевое напряжение стабилизируют (внутри при­бора или снаружи) таким образом, чтобы отклонение не превышало ±1 % от номинального значения, когда питание в сети колеблется на ±6%.

Вспомогательная аппаратура и материалы:

• аналитические весы с точностью взвешивания до 0,1 мг.;
• мерные колбы с одной отметкой вместимостью 1000 см³;
• сушильный шкаф с хорошей вентиляцией и контролируемой температурой (130 ± 1) °С или электрическая печь с вентиляцией и контролируемой температурой (300 ± 25) °С;
• эксикатор;
• дистиллированная вода в аппарате боросиликатного стекла свежевскипяченная и охлажденная до (20 ± 2) °С;
• натрий хлористый по ГОСТ 4233, химически чистый, тон­ко измельченный, высушенный в течение 5 ч при температуре (300 ± 25) °С в электропечи или в сушильном шкафу при темпе­ратуре (130 ± 1) °С в течение 24 ч и охлажденный до комнатной температуры в эксикаторе.

Приготовление стандартного раствора. Взвешивают в бюксе соответ­ствующее количество (табл. 29) сухого хлористого натрия. Растворяют в дистиллированной воде, переносят количественно в мерную кол­бу вместимостью 1000 см³ и разбавляют до метки дистиллированной водой температурой (20 ± 2) °С. Хранят раствор при температуре 5 °С в хорошо закупоренных полиэтиленовых бутылках вместимостью не более 250 см³.

Калибровку криоскопа (по Хортвету) проводят с раствором сахаро­зы. Если известен метод калибровки, можно результаты, полученные одним методом, откорректировать с другим следующим образом:

T_c = 0,9656 T_н и Т_н = 1,03567 T_c,

где Т_с – точка замерзания по Цельсию, ºС; Т_н – точка замерзания по Хортвету, °Н.

Таблица 29.
Точка замерзания стандартных растворов

* По Хортвету.

Перед употреблением стандартного раствора следует мягко пере­вернуть и вращать бутылку несколько раз, тщательно перемешивая ее содержимое. Стандартный раствор нельзя встряхивать, так как это мо­жет привести к попаданию воздуха.

Порцию стандартного раствора выливают из бутылки без примене­ния пипетки.

Растворы не могут быть использованы, если в бутылке остается 1/4 ее содержимого, а также при хранении более 2 мес без консервации фунгицидом (например, раствором тиомерсала 10 г/дм³).

Калибровка термисторного криоскопа. Включают криоскоп не менее чем за 12 ч до калибровки, убедившись при этом, что он находится в рабочем состоянии согласно инструкции изготовителя. Проверяют положение зонда, амплитуду вибрации проволоки для помешивания и температуру охлаждающей жидкости.

Выбирают два стандартных раствора из табл. 29, точки замерзания которых близки к ожидаемой точке замерзания исследуемого молока. Разница температур в точках замерзания двух растворов должна быть не менее 0,100 °С.

Наливают 2,5 см³ стандартного раствора в чистую сухую пробирку[1] для пробы и проводят измерение.

Согласно инструкции изготовителя, регулировку проводят до тех пор, пока показание криоскопа не будет соответствовать точке замер­зания стандартного раствора. Повторяют процедуру с другим стандартным раствором и продолжают это чередование, пока последова­тельные показания на каждом растворе не дадут правильное значение точки замерзания каждого без дальнейшей регулировки. После этого криоскоп подготовлен к работе.

Отбор и подготовка проб к анализу. Отбор проб молока – по ГОСТ 13928 и ГОСТ 26809.

Предпочтительно пробы анализировать сразу же после отбора. При необходимости их можно хранить при температуре ниже 5 °С. Про­бы можно хранить до 12 недель при температуре минус 18 °С. Либо их можно сохранять более короткое время, применяя изотонический рас­твор бактериостатического реагента.

Молоко для испытаний может иметь температуру хранения или комнатную. Однако желательно, чтобы стандартные растворы и про­бы молока при измерениях имели одинаковую температуру.

Титруемую кислотность молока определяют, по возможности, одно­временно с измерением точки замерзания.

Проведение анализа. Предварительные проверки. Перед включением криоскопа проверяют, соответствует ли уровень охлаждающей жидко­сти, а также положение термисторного зонда в пустой пробирке для пробы инструкции изготовителя. Включают криоскоп и убеждаются, что охлаждающая жидкость хорошо перемешивается или циркулирует. После 12-часового включения проверяют температуру охлаждающей жидкости, а также положение и амплитуду вибрации проволоки для помешивания.

Рабочая калибровочная проверка. Перед каждой серией опытов опре­деляют точку замерзания стандартного раствора хлористого натрия (на­пример, раствор с точкой замерзания минус 0,512 °С), пока разница в двух последовательных измерениях не будет превышать 0,002 °С. Если среднее значение отличается от точки замерзания стандартного раство­ра более чем на 0,002 °С, криоскоп повторно калибруют. Если криоскоп работает непрерывно, калибровку проводят не реже 1 раза в час.

Измерение. Контейнер с пробой осторожно перевертывают и враща­ют несколько раз, перемешивая содержимое.

Выливают или переносят пипеткой пробу молока в количестве (2,5 ± 0,1) см³ в чистую сухую пробирку для проб. Убеждаются, что зонд и проволока для помешивания чистые и сухие (при необходимо­сти их вытирают мягкой, чистой, не волокнистой тканью).

Вставляют пробирку в откалиброванный криоскоп. Молоко охлаж­дают и вызывают кристаллизацию при установленной температуре с точностью 0,1ºС. (В некоторых автоматических приборах темпера­туру можно наблюдать на цифровой шкале; в других приборах необхо­димая точность вызова кристаллизации обеспечивается, когда стрелка гальванометра совпадает с соответствующей отметкой.)

Если по какой-то причине кристаллизация начинается до установ­ленной температуры, измерение прекращают и опыт повторяют с дру­гой порцией молока. Если и вторая проба преждевременно кристалли­зуется, порцию пробы подогревают до 45 °С и выдерживают при этой температуре 5 мин для расплавления кристаллического жира. Затем снова охлаждают до (20 ± 2) °С и сразу проводят измерение. После на­чала кристаллизации температура молока быстро повышается и не­которое время сохраняется фактически постоянной до ее понижения. Точкой замерзания является наивысшая, достигнутая в данный период температура и это значение должно быть зарегистрировано[2].

После завершения измерения пробирку вынимают, термисторный зонд и проволоку для помешивания ополаскивают водой, затем вы­тирают мягким чистым не волокнистым материалом и проводят па­раллельное измерение с другой порцией того же молока. Если разница в параллельных измерениях более, чем сходимость (0,004 °С), результа­ты отбрасывают и выполняют еще два последовательных измерения.

Охлаждение проб. После использования прибора вставляют пустую пробирку и опускают рабочий шарик для охлаждения зонда. В неко­торых конструкциях криоскопа этого достигнуть невозможно, тогда следует обеспечить охлаждение зонда перед измерением, проведя не­сколько холостых измерений до достижения постоянных результа­тов.

Обработка результатов. Среднее значение. Если рабочая калибровка проведена правильно, за результат принимают среднеарифметическое значение двух параллельных измерений, округленных до третьего де­сятичного знака (приложение 6).

Точность результатов. Сходимость и воспроизводимость при досто­верности 95 % установлены в результате различных межлабораторных исследований в ряде стран.

Сходимость: разница между параллельными измерениями, следую­щими один за другим, выполняемыми одним оператором на одном и том же приборе, не должна превышать 0,004 °С.

Воспроизводимость: разница между параллельными измерениями, полученными в двух разных лабораториях одной и той же пробы моло­ка, не должна превышать 0,006 °С.

Отчет о результатах измерений. Отчет должен включать следующую информацию: полную идентификацию лабораторного образца, вклю­чая информацию об условиях хранения и консервантах, если таковые применялись; точку замерзания; титруемую кислотность; все наблю­дения, предполагающие, что результат может быть ненадежным; дату получения результатов и дату анализа; обозначение настоящего стан­дарта.

Метод определения точки замерзания (2 способ)

Метод предназначен для исследовательских испытаний.

Точка замерзания натурального молока колеблется от минус 0,505 до минус 0,575 °С.

Отбор проб молока и подготовку их к испытанию проводят по ГОСТ 3622, ГОСТ 26809 и ГОСТ 13928.

Сущность метода. Точка замерзания молока – это выраженная в гра­дусах Цельсия разность между точкой замерзания бидистиллированной воды и точкой замерзания молока, определенная установленным методом.

Точка замерзания молока определяется ручным криоскопом. При определении точки замерзания молока применяется принцип пере­охлаждения. В молоко, находящееся в состоянии переохлаждения на 1–1,1 °С ниже предполагаемой точки замерзания, вводят кристаллики льда и после остановки столбика ртути отсчитывают показания.

Точка замерзания молока обуславливается числом истинно раство­римых составных частей молока (молочного сахара и минеральных солей), содержание которых в молоке колеблется незначительно. При добавлении воды концентрация водорастворимых веществ снижается, вследствие чего изменяется и точка замерзания молока. Данное из­менение происходит пропорционально массовой доле добавленной воды.

Аппаратура, материалы, реактивы. Для проведения анализа исполь­зуют следующие аппаратуру, материалы и реактивы:

• криоскоп ручной, предназначенный для определения точки за­мерзания (см. приложение 7), состоящий из сосуда (изолирован­ного) вместимостью не менее 1,5 дм³ или широкогорлого термоса вместимостью не менее 1 дм³, наполненного льдосоляной смесью температурой минус 4 °С. Сосуд закрывается крышкой с отвер­стиями: в центре – для пробирки с пробой, справа – для кон­трольного термометра и мешалки, слева – для пробирки с кри­сталликами льда;
• пробирки для пробы по ГОСТ 23932 исполнения П1 диаметром (30 ± 1) мм, высотой 250 или 270 мм из стекла группы ХСЗ. Про­бирки укорачивают до (160 ± 2) мм и наносят кольцевую метку, показывающую 45 см³;
• пробирки для приготовления кристалликов льда по ГОСТ 23932 ис­полнения П2 диаметром 10 мм, высотой 90 мм. В пробирку встав­ляют металлическую проволоку с петлей диаметром 1,6–2,0 мм по ГОСТ 2246, на которой подготавливают кристаллики льда;
• пробки для пробирки с пробой, изготовленные из изоляционного материала (эбонита) по ГОСТ 2748 с отверстиями: в центре диа­метром 13 мм – для метастатического термометра, справа диаме­тром 4 мм – для мешалки и слева диаметром 4–6 мм – для введе­ния кристалликов льда;
• термометр метастатический типа ТЛ-1 с ценой деления шкалы 0,01 °С (тип Бекмана);
• лупа с линейным увеличением в 4–7 раз по ГОСТ 25706, прикре­пленная подвижно к метастатическому термометру типа ТЛ-1;
• мешалка для пробирки с пробой, изготовленная из проволоки диаметром 1,6–2,0 мм по ГОСТ 2246. Проволоку изолируют труб­кой из поливинилхлоридного пластиката марки ТВ-40 рецепту­ры 230 диаметром 1,75–2,0 мм по ГОСТ 19034. Мешалка закан­чивается горизонтальной петлей вокруг термометра диаметром 20–25 мм и имеет манжет, расположенный на расстоянии около 80 мм выше горизонтальной петли;
• мешалка для охлаждающей смеси, изготовленная из проволоки диаметром 1,6–2,0 мм по ГОСТ 2246. Проволока изолируется трубкой из поливинилхлоридного пластиката марки ТВ-40 ре­цептуры 230 диаметром 1,75–2,0 мм по ГОСТ 19034. Мешалка за­канчивается горизонтальной петлей диаметром около 60 мм;
• термометр стеклянный технический по ГОСТ 28498 с ценой де­ления шкалы 0,5 или 1 °С от минус 30 до плюс 50 °С с длиной нижней части не менее 103 мм;
• сосуд первичного охлаждения (изолированный), наполненный охлаждающей смесью температурой от 0 до 1 °С и предназначен­ный для охлаждения проб до 1–1,5 °С. Сосуд закрывается крыш­кой с необходимым количеством отверстий для пробирок с про­бами и для контрольного термометра;
• секундомер;
• вода бидистиллированная свежевскипяченная и охлажденная до комнатной температуры;
• лед измельченный;
• соль поваренная по ГОСТ 13830;
• натрий хлористый по ГОСТ 4233, х. ч.;
• колбы мерные вместимостью 100 см³ по ГОСТ 1770;
• эксикатор по ГОСТ 25336;
• весы лабораторные рычажные 1 или 2-го класса точности, с наи­большим пределом взвешивания 200 г, поверочной ценой деле­ния не более 0,1 мг по ГОСТ 24104;
• шкаф сушильный;
• бутылки полиэтиленовые для хранения градуировочных раство­ров вместимостью не более 250 см³;
• электроплитка.

Подготовка к анализу. Приготовление льдосоляной смеси температу­рой минус 4 °С. Смешивают 1,5 кг льда, 1 дм³ воды и около 100 г пова­ренной соли до получения температуры смеси минус 4 °С.

Приготовление градуировочных растворов. Хлористый натрий перед приготовлением градуировочных растворов высушивают при темпера­туре 300 ºС в течение 1 ч или при 130 °С в течение 24 ч и охлаждают до комнатной температуры в эксикаторе.

Растворяют 0,6892 г хлористого натрия в 100 г бидистиллированной воды или 0,6861 г хлористого натрия вносят в мерную колбу вместимо­стью 100 см³ и объем доводят до метки бидистиллированной водой тем­пературой 20 °С. Теоретическая точка замерзания раствора –0,422 °С.

Растворяют 1,0206 г хлористого натрия в 100 г бидистиллирован­ной воды или 1,0152 г хлористого натрия вносят в мерную колбу вме­стимостью 100 см³ и объем доводят до метки бидистиллированной водой температурой 20 °С. Теоретическая точка замерзания раство­ра -0,621 °С.

Градуировочные растворы хранят в герметически закрывающихся полиэтиленовых бутылках, заполненных доверху, при температуре 5-8 °С не более двух месяцев. Перед употреблением градуировочный раствор перемешивают осторожным перевертыванием и вращением бу­тылки. Порцию градуировочного раствора вливают прямо в пробирку.

Подготовка пробы молока: Точка замерзания молока должна опреде­ляться не ранее чем через 3 ч после дойки при кислотности молока не выше 19–20 °Т. В консервированных пробах молока точку замерзания не определяют.

Подготовка и эксплуатация метастатического термометра типа ТЛ-1. Метастатический термометр вставляют в пробирку и при помощи манжета фиксируют на расстоянии 13–15 мм от конца термометра до дна пробирки. Нулевую точку термометра настраивают переливанием ртути из запасного резервуара в основной, погружая нижний основной резервуар в пробирку с бидистиллированной водой температурой 0 °С и руководствуясь инструкцией, приложенной к метастатическому тер­мометру. Мениск столбика ртути при 0 °С должен находиться в средней части шкалы, в пределах делений от 2 до 4. Нулевая точка термометра определяется ежедневно в начале и по окончании работы по точке за­мерзания бидистиллированной свежевскипяченной и охлажденной воды, термометр рекомендуется держать в вертикальном положении, погруженным в пробирку с дистиллированной водой температурой 0–10 °С, а перед работой его необходимо выдерживать не менее 1 ч в тающем льду. Мыть термометр следует в пробирке с дистиллирован­ной водой температурой от 0 до 2 °С. Во время перенесения термометра в следующую пробу столбик ртути не должен подниматься выше деле­ний, а на мешалке и термометре не должно быть кристалликов льда.

Градуировка метастатического термометра типа ТЛ-1. Для градуи­ровки термометров применяют растворы хлористого натрия с теоре­тическими точками замерзания –0,422 и –0,621 °С и в соответствии с методикой проведения анализа устанавливают их точки замерза­ния T₁, и Т₂, которые применяются для расчета уточненного значения точки замерзания молока по формуле приведенной ниже. Термометр градуируют один раз в пять-шесть месяцев для данной нулевой точки термометра.

Проведение анализа. Подготовленную пробу молока, градуиро­вочные растворы хлористого натрия или бидистиллированную воду наливают в пробирку до метки и охлаждают в сосуде первичного охлаждения до 1–1,5 °С. Пробирку с пробой и вставленным (точно вертикально!) метастатическим термометром помещают в охлажда­ющий сосуд с постоянно поддерживаемой во время испытания тем­пературой минус 4 °С. В течение всего времени определения следует помешивать пробу перемещением мешалки вверх- вниз со скоростью одно перемещение в секунду. Горизонтальная петля мешалки не долж­на подниматься выше пробы. При падении столбика ртути термоме­тра на 1–1,1 °С ниже предполагаемой точки замерзания в пробирку с пробой через отверстие вводятся кристаллики льда, после чего по­мешивание приостанавливают на 4–5 с. Когда столбик ртути начнет подниматься, продолжают помешивание пробы в течение 25 с, а за­тем – на 60 с прекращают. Спустя 90 с после введения кристалликов льда, когда столбик ртути обычно останавливается, пробу три раза помешивают, затем слегка постукивают по термометру около точки остановки столбика ртути, после чего с помощью лупы отсчитывают показания на шкале. При этом глаз наблюдателя должен находиться на уровне горизонтальной касательной к мениску столбика ртути так, чтобы штрих шкалы в точке отсчитывания был виден прямолинейно. После первого отсчета все операции (помешивание, постукивание и отсчет) повторяют еще два раза через 20 с каждую. Показания на мета­статическом термометре отсчитывают при помощи лупы с точностью 0,001 °С. Разность в показаниях второго и третьего отсчетов не должна превышать 0,003 °С.

За результат показания термометра принимают среднеарифметиче­ское результатов второго и третьего отсчетов.

Разность между показаниями на метастатическом термометре точек замерзания бидистиллированной воды и градуировочных растворов (или молока) составляет точку замерзания пробы.[3]

Обработка результатов. За результат анализа принимают средне­арифметическое результатов двух параллельных определений, допускае­мые расхождения между которыми не должны превышать 0,005 °С. Если расхождения превышают установленные, то анализ следует повторить.

Уточненное значение точки замерзания молока Т, °С, вычисляют по формуле:

где T_м – установленная точка замерзания молока, °С; Т₁ – установ­ленная точка замерзания раствора хлористого натрия с теоретической точкой замерзания минус 0,422, °С; Т₂ – установленная точка замер­зания раствора хлористого натрия с теоретической точкой замерзания минус 0,621, °С.

Массовую долю добавленной в молоко воды X, %, вычисляют по формуле:

где Т – уточненное значение точки замерзания исследуемого моло­ка, °С; Т₃ – значение точки замерзания натурального молока или точ­ка замерзания сравнительной пробы, ºС.

В среднем точка замерзания молока повышается от добавления в него 1% воды на 0,005 °С (см. приложение 8).

В настоящее время кроме вышеперечисленных методов активно используется экспресс-метод ультразвукового анализа, позволяющий всего за несколько минут получать данные об основных параметрах качества молока: массовой доли жира, белка, сомо, добавленной воды, плотности и точки замерзания молока. Анализаторы «Лактан 1-4», ре­ализующие ультразвуковой метод производятся компанией ООО ВПК «Сибагроприбор». Подробную информацию можно узнать на сайте: http://www.sibagropribor.ru[4]