Методы исследования сырья и продуктов растительного происхождения (теория и практика). Учебное пособие

массовой долей 20 %, перемешивают и оставляют на ночь, затем сливают раствор соляной кислоты и промывают песок водопроводной водой до исчезновения кислой реакции (проба на лакмус), после чего промывают дистиллированной водой, высушивают и прокаливают для удаления органических веществ.

Краткие теоретические сведения

Для определения истинного содержания сухих веществ в таких вязких продуктах, как меласса, крахмальная патока и др., также применяется высушивание. Однако при высушивании на поверхности этих материалов образуется плотная корка, затрудняющая испарение воды из внутренних слоев и замедляющая процесс обезвоживания. Для ускорения сушки используются различные добавки-разрыхлители, на поверхности которых высушиваемая проба распределяется тонким слоем. В качестве разрыхлителей берут прокаленный кварцевый песок или речной песок, предварительно обработанный раствором соляной кислоты, затем отмытый от ионов хлора и прокаленный. На 1 г вязкого продукта берут 25 г разрыхлителя. Для более равномерного распределения пробы продукта на разрыхлителе в бюкс добавляют немного горячей воды, смесь хорошо перемешивают палочкой и высушивают вместе с палочкой.

И. В. Минц предложил высушивать вязкие продукты на полосках фильтровальной бумаги длиной 50-60 см и шириной 12 – 15 мм, свернутых в ролики. Предварительно бюксы с тремя роликами высушивают и взвешивают, затем ролики вынимают, в бюкс берут около 2 г продукта, разбавляют его 2 – 3 см3 горячей воды и перемешивают до получения однородной массы. Затем в бюкс помещают ролики, которые должны полностью впитать массу, и навеску высушивают до постоянной массы.

21

Проведение анализа

Бюксу с палочкой и крышкой с песком (тара) помещают в сушильный шкаф, нагретый до температуры 130 °С - 135 °С, выдерживают при этой температуре около 20 мин, затем помещают в эксикатор, дают остыть и взвешивают.

При определении влажности с применением песка в бюксу вносят примерно 6-8-кратное количество песка по отношению к массе навески изделия.

Навеску мелассы навеску массой не более 5 г, определяемой с погрешностью не более 0,01 г, взвешивают в предварительно высушенных и взвешенных бюксах со стеклянной палочкой, с прокаленным песком. Для более равномерного распределения пробы продукта на разрыхлителе, в бюкс добавляют немного горячей воды, смесь хорошо перемешивают палочкой и высушивают вместе с палочкой.

Открытые бюксы с навесками помещают в сушильный шкаф, нагретый до температуры (130±2) °С. При внесении бюкс в шкаф температура в нем немного понижается, поэтому отсчет времени высушивания производят с того момента, когда термометр покажет 130 °С. Длительность высушивания

50 мин.

По окончании высушивания бюксы с навесками неплотно прикрывают крышками, помещают в эксикатор на 30 мин, а затем, плотно закрыв бюксы крышками, взвешивают. Расчет влажности ведут по формуле (*).

Результаты параллельных определений вычисляют до второго десятичного знака и округляют до первого десятичного знака. За окончательный результат принимают среднеарифметическое значение результатов двух параллельных определений. Допускаемые расхождения между параллельными определениями в изделиях с влажностью более 20 % не должны превышать 0,3 %.

22

Контрольные вопросы

1.Что такое влажность материала?

2.Какую основную функцию выполняет вода, содержащаяся в материале?

3.Какова классификация форм связи воды с сухими веществами по П. А. Ребиндеру?

4.В чем состоит различие прямых и косвенных методов определения влаги?

5.Какие методы относят к теплофизическим? В чем их достоинства и недостатки?

6.В чем состоит метод ускоренного высушивания?

7.Каковы параметры метода высушивания в приборе ВНИИХП-ВЧ?

8.В чем заключается сущность термогравиметрических методов определения влажности?

9.Каковы достоинства и недостатки электрометрических методов определения влажности?

10.На чем основаны дистилляционные методы определения влажности?

11.Какова особенность высушивания вязких материа-

лов?

12.Как проводят высушивание сырых материалов?

13.В каком диапазоне влажности обеспечивает высокую чувствительность кондуктометрический метод определения?

2. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССОВОЙ ДОЛИ СУХИХ ВЕЩЕСТВ

Определение содержания сухих веществ в сырье, полупродуктах и готовой продукции бродильного производства имеет большое практическое значение. По этому показателю судят о качестве сырья и полноте его использования в ходе технологического процесса. Определение сухих веществ выполняется быстро, поэтому является удобным методом контроля производства.

23

Под концентрацией сухих веществ понимают количественное содержание этих веществ в испытуемом материале. В условиях производства количество растворенных сухих веществ выражают в массовых (г на 100 г раствора) или массо- во-объемных (г на 100 см3 раствора) процентах. Различают истинные и видимые сухие вещества.

Истинные сухие вещества наиболее точно определяют высушиванием продукта до постоянной массы. Ввиду длительности и трудности определения истинных сухих веществ, в бродильной промышленности повсеместное распространение нашли методы приблизительного определения растворенных сухих веществ. Из них наиболее часто употребляются методы, основанные на определении плотности или показателя преломления анализируемого продукта. Например, по плотности водного раствора сахарозы находят процентное содержание сахарозы в этом растворе.

Если же в растворе, кроме сахарозы, имеются какиенибудь несахара, они будут повышать плотность раствора. В этом случае полученное количество сахарозы будет завышенным по сравнению с действительным ее содержанием в растворе. Так как несахара и сахароза влияют на плотность раствора по-разному, то по найденной плотности нечистого сахарного раствора находят не истинный процент сухих веществ в растворе (сумму сахарозы и несахаров), а величину, близкую к нему – содержание видимых сухих веществ. Обычно видимое содержание сухих веществ бывает больше истинного. Чем чище раствор, тем меньше разница между истинными и видимыми сухими веществами. Для растворов химически чистой сахарозы эта разница исчезает.

Методы, основанные на измерении плотности раствора

Плотностью вещества (объемной массой) называется отношение массы m данного вещества к его объему V. Плотность вещества обозначается символом ρ и измеряется в кг/м3:

p = m / V.

24

Плотность – величина постоянная, характеризующая данное вещество. Для удобства работы определяют не абсолютную, а относительную плотность вещества, представляющую собой отношение плотности исследуемого вещества к плотности стандартного вещества. В качестве стандартного вещества для жидких продуктов принимают воду при температуре 20 оС и давлении 1,03∙105 Па. Относительная плотность вещества является безразмерной величиной. Для нахождения относительной плотности исследуемой жидкости достаточно определить массы исследуемого вещества и воды, находящиеся в одном и том же объеме, и полученные значения разделить.

Относительная плотность вещества изменяется в зависимости от температуры исследуемого и стандартного веществ, поэтому ее всегда обозначают с соответствующими

индексами: dtt , где t1 – температура исследуемого вещества; t2

- температура воды.

Если вещество тяжелее воды (например, сахароза), плотность его водного раствора увеличивается с увеличением концентрации растворенного вещества, и наоборот, плотность раствора спирта уменьшается с увеличением концентрации спирта. Таким образом, по плотности раствора можно судить о концентрации вещества в нем. На основании экспериментальных работ и эмпирических расчетов составлены таблицы, в которых приведены концентрации растворов различных веществ в зависимости от плотностей этих растворов.

Плотность определяют, пользуясь специальными приборами: пикнометрами, гидростатическими весами или арео- метрами-денсиметрами.

Пикнометрический метод определения концентрации сухих веществ

Пикнометры представляют собой стеклянные сосуды различной формы и устройства в зависимости от назначения. На заводах бродильной промышленности широкое применение нашли пикнометры вместимостью 25 и 50 см3; наиболее

25

употребительные конструкции их для работы с жидкостями изображены на рис. 2.

ток жидкости удаляется через капилляр, после чего прибор обмывают снаружи водой, быстро вытирают и взвешивают. Чтобы жидкость не испарялась, используют пришлифованный колпачок в. Диаметр капилляра 0,7 – 1,2 мм.

Цилиндрический пикнометр Рейшауэра III распростра-

нен в пивоваренной отрасли, диаметр горлышка 2,5 – 4 мм. Для заполнения пикнометра жидкостью до метки в служит специальная воронка.

Широко применяется пикнометр IV в виде мерной кол-

бы вместимостью 25 – 50 см3 с пришлифованной пробкой и без нее.

Капиллярный пикнометр V заполняют через широкое отверстие, закрывающееся пришлифованной пробкой с термометром. Объем жидкости в пикнометре доводят до метки 2, отбирая излишек продукта фильтровальной бумагой. Пришлифованный колпачок предохраняет смесь от испарения. Этот пикнометр, так же как и пикнометр VI, применяют для точных работ со спиртами. Диаметр капилляра равен 0,6–1 мм.

26

Пикнометры применяют для определения относительной плотности жидкости с точностью до 0,0001. Для определения относительной плотности сначала взвешивают пустой пикнометр, затем с бидистиллированной водой, затем с исследуемой жидкостью, находят массу равных объемов исследуемой жидкости и воды. Отношение этих масс представляет собой относительную плотность. Перед взвешиванием пикнометр с исследуемой жидкостью выдерживают при 20 оС в течение не менее 20 мин.

Плотность раствора находят по формуле

где m – масса пустого пикнометра, г; m1 – масса пикнометра с дистиллированной водой, г; m2 - масса пикнометра с исследуемым раствором, г.

Затем по таблицам находят массовую долю сухих веществ в растворе в зависимости от плотности этого раствора.

Основные погрешности при работе с пикнометрами возникают при несоблюдении температуры опыта, неточном доведении жидкости до метки, плохом удалении влаги с внешней поверхности и внутренних стенок горлышка пикнометра.

Ошибка в определении плотности раствора на 1 · 10-4 соответствует ошибке в определении количества сухих веществ на 0,02 %.

Ареометрический метод определения концентрации сухих веществ

Концентрацию растворимых сухих веществ в сырье, полуфабрикатах и готовой продукции бродильного производства наиболее быстро определяют при помощи ареометров. Действие ареометра основано на гидростатическом законе Архимеда, согласно которому тело, погруженное в жидкость, выталкивается силой, равной массе вытесненной жидкости. Ареометр представляет собой тело, плавающее в жидкости. Ареометр находится в состоянии равновесия только тогда,

27

когда его масса и масса вытесненной им жидкости, будут равны. При одной и той же массе ареометра глубина погружения его в жидкость и, следовательно, вытесненный им объем зависят от плотности исследуемого раствора: чем больше плотность жидкости, тем меньше погружается в нее ареометр, и наоборот.

Ареометр представляет собой стеклянный цилиндрический сосуд, запаянный с обоих концов. Нижняя, утолщенная часть прибора заполнена дробью, чтобы ареометр находился в растворе строго в вертикальном положении. В верхней части ареометра имеется шкала с делениями.

Шкалы ареометров градуируются в зависимости от назначения приборов. В бродильной промышленности применяются ареометры (рис. 3), шкалы которых градуированы при 20 оС по растворам чистой сахарозы. Такие ареометры называют сахаромерами. Сахаромеры градуированы так, что в чистых водных растворах они показывают массовый процент

растворенного сахара, т. е.

28

ареометр в дистиллированной воде при 20 оС. Деления шкалы сахаромеров идут сверху вниз, так как плотность сахарных растворов больше единицы и, следовательно, степень погружения ареометра уменьшается с увеличением концентрации сахара в растворе.

Ареометры дают правильные показания только при температуре 20 оС. При работе с жидкостями, температура которых отлична от 20 оС, вводят поправки на температуру (приложение 1). Однако эти поправки носят приближенный характер, поэтому лучше работать при температуре 20 оС.

Точность показаний прибора зависит от устройства самого ареометра, цены деления шкалы, диаметра и чистоты шейки прибора. При измерении концентрации сухих веществ таких растворов, как зерновое и пивное сусло, бражка, содержащих поверхностно-активные вещества, главными источниками ошибок являются влияние поверхностного натяжения исследуемой жидкости и степени смачиваемости шейки ареометра. Поэтому ареометры содержат в чистоте, периодически их моют с мылом, затем обмывают чистой водой и протирают спиртом.

При работе с ареометрами рекомендуется соблюдать следующие условия:

а) ареометр должен быть чистым, а шейка его сухой; б) ареометр следует брать за верхний конец шейки, вы-

ше шкалы, и осторожно погружать в раствор; после того, как он установится на каком-нибудь делении, его нужно легким толчком погрузить на 2-3 мм и ждать 2-3 мин, пока прибор не примет температуру жидкости и не придет в состояние равновесия;

в) ареометр не должен касаться стенок цилиндра, в который налита исследуемая жидкость; рекомендуется выбирать цилиндр без носика диаметром в 2-3 раза больше диаметра нижней части ареометра; цилиндр обязательно должен находиться в вертикальном положении;

г) исследуемая жидкость не должна заключать в себе пузырьков воздуха, а на своей поверхности – пены. Пузырьки воздуха изменяют плотность жидкости, а пена не дает воз-

29

можности производить точный отсчет по шкале, поэтому жидкость следует наливать в цилиндр осторожно по стенке. При работе с пенящимися жидкостями цилиндр необходимо наполнять раствором почти доверху с таким расчетом, чтобы при погружении часть его переливалась через край цилиндра в подставленный стеклянный или металлический сосуд;

д) отсчет по шкале ареометра производить по нижнему мениску (см. рис. 3, в, линия CD). Для окрашенных растворов используют ареометр, градуированный по верхнему мениску (см. рис. 3, в, линия АВ);

е) температуру жидкости замерять с точностью до 0,5 оС;

ж) ареометры после употребления промывать водой и помещать для хранения в футляры или в широкий стеклянный цилиндр, наполненный водой и имеющий на дне слой песка, предохраняющий ареометры от ударов.

Методы, основанные на определении показателя преломления

Изменение концентрации раствора всегда сопровождается изменением его показателя преломления. Обычно с увеличением концентрации раствора увеличивается и показатель преломления. Зависимость показателя преломления n от концентрации раствора С выражается функциональной зависимостью Н = f(С).

В отдельных случаях существует прямолинейная зависимость между показателем преломления и концентрацией раствора, но обычно эта зависимость выражается кривой линией. Для определения концентрации растворов по показателям преломления лучше всего пользоваться опытными кривыми или таблицами, строго отвечающими тем или другим растворам.

Показатель преломления принадлежит к числу немногих физических констант, которые легко, быстро и точно измеряют с помощью специальных приборов – рефрактометров. Для измерений необходимо располагать всего 0,05 – 1,0 г вещества.

30