Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ТВЕРДОГО ЖИРА ПО ДАННЫМ ЯМР-РЕЛАКСАЦИИ

Изобретение относится к области пищевой (масложировой, кондитерской), микробиологической, фармацевтической промышленности, в частности к методам контроля качества сырья и готовой продукции, для быстрого определения процентного содержания твердой фазы в двухфазных жировых системах.

Содержание твердого жира (solid fat content, SFC) - важный параметр, влияющий на органолептические свойства готового продукта, зависящий от компонентного состава и температуры. В некоторых случаях он может служить индикатором замены натурального жира на более дешевый аналог. Производство высококачественной продукции как правило включает контроль этого параметра на той или иной стадии приготовления.

Известен способ определения содержания твердого жира ГОСТ Р 53158-2008 "Масла растительные, жиры животные и продукты их переработки. Определение содержания твердого жира методом импульсного ядерно-магнитного резонанса" ("косвенный метод"). Метод основан на сравнении уровней сигнала магнитной индукции, измеренных через 70 микросекунд после поляризующего импульса, для полностью расплавленного образца при 60°С и образца после процедуры темперирования (предусматривающей выдерживание образца в течение заданных промежутков времени при нескольких температурах в соответствии с протоколом измерений), а также эталонного вещества - триолеина при 60°С и после темперирования. Содержание твердого жира вычисляют по формуле 1.

Формула 1

где SFC - содержание твердого жира в процентах;

- сигнал S₂ триолеина при 60°С;

- сигнал S₂ триолеина после темперирования;

S₆₀ - сигнал S₂ образца при 60°С;

S_T - сигнал S₂ образца после темперирования.

Известен также способ определения содержания твердого жира [Авторское свидетельство СССР №649995], основанный на измерении амплитуд ЯМР сигналов при двух различных задержках между импульсами для полностью расплавленного образца, полностью затвердевшего образца, и образца при заданной температуре, при которой требуется определить содержание твердого жира. Содержание твердого жира вычисляют по формуле 2.

Формула 2

где А_жф(τ₁) - амплитуда эхо-сигнала полностью расплавленного образца и при задержке между импульсами τ₁;

А_жф(τ₂) - амплитуда эхо-сигнала полностью расплавленного образца и при задержке между импульсами τ₂;

А_см(τ₁) - амплитуда эхо-сигнала при заданной температуре и при задержке между импульсами τ₁;

А_см(τ₂) - амплитуда эхо-сигнала при заданной температуре и при задержке между импульсами τ₂;

А_тф(τ₁) - амплитуда эхо-сигнала при температуре затвердевания жира и при задержке между импульсами τ₁;

А_тф(τ₂) - амплитуда эхо-сигнала при температуре затвердевания жира и при задержке между импульсами τ₂.

Общим недостатком данных способов является то, что для получения одного значения содержания твердого жира требуется проведение не менее трех измерений, а в первом из упомянутых способов - еще и использование триолеина в качестве эталонного вещества.

Техническим результатом изобретения является упрощение процедуры измерений, исключение использования эталонного вещества.

Технический результат достигается путем применения следующего алгоритма: исследуемый образец помещают в ампулу для ЯМР измерений, выдерживают в термостате не менее 15 минут при заданной температуре измерений. Затем ампулу с образцом быстро перемещают в датчик ЯМР-анализатора, работающего в комплексе с персональным компьютером, и получают полную кривую спада магнитной индукции после поляризующего импульса, с заданным числом накоплений, которая в виде файла, содержащего пары чисел (время и соответствующее значение амплитуды в каждой точке) записывается на ПК. Затем осуществляют автоматизированный подбор параметров математической модели, описываемой формулой до наилучшего совпадения с формой полной кривой спада (минимальной суммы средних квадратичных отклонений). Процедуру повторяют при каждой из температур образца, при которых требуется определить содержание твердого жира, и в обязательном порядке - при температуре полного расплавления жира в образце (которая обычно не превышает 60°С). Содержание твердого жира в образце при каждой заданной температуре рассчитывают по формуле

где А_ЖР - значение амплитуды А_Ж полученное для полностью расплавленного образца.

Измерения обычно проводят сериями при нескольких температурах; верхняя граница диапазона обычно соответствует полному расплавлению образца. Полученные кривые, характеризующие поведение данной жировой смеси при различных температурах, называют «кривыми плавления».

Форма спада магнитной индукции в образце после поляризующего импульса во многих случаях может быть с высокой точностью описана при помощи математических моделей с не слишком большим количеством параметров.

Для автоматизированного анализа нами была выбрана модель в виде суммы трех функций:

Формула 3

где S(t) - наблюдаемая интенсивность сигнала;

t - время;

А_Ж, А_Г и А_А - амплитуды жидкой части, функций Гаусса и Абрагама;

Т_2Ж, Т_2Г и T_2a - соответствующие времена релаксации T₂;

Т_2Н - временной коэффициент для учета неоднородности поля;

b - характеристика осцилляции сигнала.

Первый член суммы А_Ж×exp(-t/Т_2Ж)×exp(-t/Т_2Н)² описывает релаксацию жидкой части образца. Для полностью жидких образцов характерны спады, по форме близкие к экспоненте А_Ж×exp(-t/Т_2Ж). Дополнительный множитель exp(-t/Т_2Н)² позволяет учесть влияние на форму спада неоднородности поля [Е. Trezza, А.М. Haiduc, G.J.W. Goudappel and J. P.М. van Duynhoven, Rapid phase-compositional assessment of lipid-based food products by time domain NMR, Magnetic Resonance in Chemistry 2006; 44:1023-1030].

Очень многие твердые аморфные вещества имеют форму спада, хорошо описывающуюся функцией Гаусса А_Г×exp(-t/Т_2Г)².

Форма спада у твердых веществ, имеющих признаки кристалличности структуры, часто имеет характерную волну, для описания которой удобно использовать функцию Абрагама [Abragam A. The Principles of Nuclear Magnetism, Oxford: London, 1961]

В данном случае точность описания формы той части спада, которая соответствует твердым компонентам, не играет существенной роли, так как содержание твердого жира вычисляется по разнице амплитуды жидкой компоненты в образце при заданной температуре, и в полностью расплавленном образце.

Согласно предлагаемому способу определение содержания твердого жира производится следующим образом:

- образец помещают в ампулу для ЯМР измерений, а ампулу - в термостат, и выдерживают при заданной температуре измерений не менее 15 минут;

- ампулу быстро перемещают в датчик ЯМР-анализатора, работающего в комплексе с персональным компьютером;

- получают полную кривую спада магнитной индукции с заданным числом накоплений, которая в виде файла, содержащего пары чисел (время и соответствующее значение амплитуды в каждой точке) записывается на ПК;

- в параллельный столбец заносятся значения, рассчитанные по математической модели;

- параметры модели при помощи программы "поиск решения" в Microsoft Excel, либо при помощи программы Micorocal Origin, либо любой другой аналогичной по функциям программы - подбираются такими, чтобы сумма квадратов отклонений в каждой точке полной кривой спада и ее математической модели была минимальной, т.е. кривые совпадали по форме в максимальной степени;

- одно из измерений обязательно должно быть проведено при температуре, соответствующей полному расплавлению образца.

Содержание твердого жира в процентах определяют по формуле 4:

где А_Ж - амплитуда, соответствующая жидкой части образца при заданной температуре измерений; А_ЖР - предельное значение амплитуды А_Ж, соответствующее полностью расплавленному образцу, который весь представляет собой жидкость.

На практике проводится лишь серия измерений при нескольких заданных температурах, начиная с низких, и заканчивая в обязательном порядке температурой, соответствующей полному расплавлению образца.

Ниже приведены примеры кривых плавления для различных образцов, полученные при помощи описанного способа. Так как содержание твердого жира в образце может зависеть от температурного режима перед измерениями, во всех случаях при подготовке образца применяли стандартную процедуру темперирования.

Фиг.1 - кривая плавления пальмового жира;

Фиг.2 - кривая плавления масла какао;

Фиг.3 - кривая плавления заменителя масла какао.

Пример 1:

Образец пальмового жира расплавляют при 60°C, заливают в ампулу для ЯМР измерений, выдерживают в термостате в течение 15 минут при температуре 60°C, затем помещают в криостат и выдерживают в течение 60 минут при 0°C, затем помещают в термостат и выдерживают в течение 30 минут при заданной температуре измерений. Затем ампулу быстро переносят в датчик ЯМР анализатора «ХРОМАТЭК-ПРОТОН 20М» и проводят измерение содержания твердого жира. Серия измерений (кривая плавления пальмового жира) при температурах от 20°С до 60°С показана на фиг.1.

Пример 2:

Образец масла какао (северная Африка) расплавляют при 60°C, заливают в ампулу для ЯМР измерений, выдерживают в термостате в течение 15 минут при температуре 60°C, затем помещают в криостат и выдерживают в течение 60 минут при 0°C, затем помещают в термостат и выдерживают в течение 30 минут при заданной температуре измерений. Затем ампулу быстро переносят в датчик ЯМР анализатора «ХРОМАТЭК-ПРОТОН 20М» и проводят измерение содержания твердого жира. Серия измерений (кривая плавления масла какао) при температурах от 20°C до 40°C показана на фиг.2. Так как при 40°C происходит полное расплавление образца, в продолжении измерений до температуры 60°C нет необходимости.

Пример 3:

Образец заменителя масла какао фирмы MARS расплавляют при 60°С, заливают в ампулу для ЯМР измерений, выдерживают в термостате в течение 15 минут при температуре 60°С, затем помещают в криостат и выдерживают в течение 60 минут при 0°C, затем помещают в термостат и выдерживают в течение 30 минут при заданной температуре измерений. Затем ампулу быстро переносят в датчик ЯМР анализатора «ХРОМАТЭК-ПРОТОН 20М» и проводят измерение содержания твердого жира. Серия измерений (кривая плавления заменителя масла какао) при температурах от 20°C до 50°C показана на фиг.3. Так как при 50°C происходит полное расплавление образца, в продолжении измерений до температуры 60°C нет необходимости.

Таким образом, число измерений не превышает минимально необходимого при использовании данного непрямого, или косвенного метода. Современная вычислительная техника позволяет производить подбор параметров математической модели с высокой скоростью, поэтому время, затрачиваемое на получение «кривых плавления» определяется временем, необходимым для подготовки образцов к измерениям.

Предлагаемый способ благодаря использованию полной кривой спада магнитной индукции и ее математической модели позволяет отказаться от использования эталонных веществ и проведения дополнительных измерений.