Актуализация методики измерений сахаристости сахарной свеклы

Сахарная свекла – важная техническая культура в мире, сырье для производства сахара [1]. Доля России в ее общемировом производстве приближается к 15% [2, 3]. Ежегодные валовые сборы сахарной свеклы в России в последние годы составляют 45…53 млн т, при ее переработке получают 5,5…6,6 млн т белого

сахара, 1,5…1,8 млн т мелассы, 1,5…1,9 млн т сушеного свекловичного жома. Целевая продукция свеклосахарного производства – сахар полностью обеспечивает население и экономику страны продуктом питания и имеет значительный экспортный потенциал [4]. Побочная продукция занимает ниши кормовых продуктов и сырья     для производства     различных

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

веществ [5–7]. Постепенно увеличивается доля мелассы, из которой извлекают сахарозу хроматографическим методом [8, 9]. Технико-экономические показатели работы сельхозпредприятий и свеклосахарных заводов напрямую связаны с качеством перерабатываемого сырья, в первую очередь, с содержанием в корнеплодах целевого компонента – сахарозы [10]. Оценка селекционного материала и новых гибридов всегда проводится по показателю сахаристости [11], агротехнологии возделывания предусматривают учет влияния различных факторов на содержание сахарозы [12, 13], технологический учет свеклосахарного производства также базируется на данном показателе, что задает важность его достоверного установления.

Определение сахаристости на свеклосахарных заводах производят при приемке сахарной свеклы с использованием поляриметрического метода путем измерения угла поворота плоскости поляризации света в анализируемом растворе (дигерате). Пробоподготовка ведется холодным водным дигерированием – извлечением сахарозы из свекловичного сока измельченной пробы сахарной свеклы в водный раствор осветлителя с разрушением клеток свекловичной ткани при помощи механического размельчителя, проводимым при комнатной температуре. Для этого сырьевые лаборатории предприятий оснащены линиями отбора и подготовки проб, полуавтоматическими линиями УЛС-1 определения сахаристости сахарной свеклы. Линии УЛС-1 устанавливались на свеклосахарных заводах в 1970-x годах, за истекшее время они физически и морально устарели, поскольку на рынке появились автоматизированные линии по оценке качества сахарной свеклы [14].

Современное законодательство, а именно Федеральный закон от 26.06.2008 г. № 102 ФЗ «Об обеспечении единства измерений» устанавливает, что «к применению допускаются средства измерений утвержденного типа, прошедшие поверку в соответствии с положениями данного закона, а также обеспечивающие соблюдение установленных законодательством Российской Федерации об обеспечении единства измерений обязательных требований, включая обязательные метрологические требования к измерениям, обязательные метрологические и технические требования к средствам измерений». В Федеральном информационном фонде по обеспечению единства измерений в реестре средств измерений присутствует только линия УЛС-1, для которой установлены методы и средства поверки в соответствии с РД 50–391–83 «Методические указания. Полуавтоматическая линия УЛС-1 для определения сахаристости свеклы. Методы и средства поверки». Соответственно, оснований для поверки других линий, имеющихся в лабораториях, нет. Указанное вызывает неудобства для свеклосахарных заводов, которые модернизируют не только технологическую линию, но и лаборатории, устанавливая как отдельные лабораторные комплексы, так и роботизированные участки отечественного производства.

Закон также устанавливает, что «измерения должны выполняться по первичным референтным методикам измерений, референтным методикам измерений и другим аттестованным методикам измерений, сведения о которых внесены в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений, с применением средств измерений утвержденного типа, прошедших поверку». Одновременно ГОСТ Р 58975–2020 «Оценка соответствия. Рекомендации по выбору методик исследований (испытаний) и измерений при проведении оценки соответствия» уточняет понятие стандартной методики и конкретизирует отнесение к ним национальных и межгосударственных стандартов. Методики, изложенные в статьях, книгах и т. п. не могут быть отнесены к стандартным [15].

Указанное заставляет по-иному оценивать методику определения сахаристости, изложенную в ГОСТ Р 53036–2008 «Свекла сахарная. Методы испытаний». Она базируется на алгоритмах пробоподготовки, характерных для времени разработки 1970-x годов. Некоторые из них утратили актуальность с течением времени; в международной практике появились новые. Так, получаемый для поляриметрического определения дигерат должен быть прозрачным, не содержащим мешающих веществ [16], к которым относят красящие вещества, коллоиды и взвеси. Рассматриваемая методика предусматривает использование для осветления раствор ацетата свинца массовой концентрацией приблизительно 1%. Методика ICUMSA GS6–3 «Polarimetric Sucrose Content in Sugar Beet after Clarification using Aluminium Sulphate» предусматривает возможность использования альтернативного осветлителя сульфата алюминия. Также данная методика ICUMSA и национальный стандарт Республики Беларусь СТБ 1893–2008 «Свекла сахарная. Технические условия» допускают использование фильтрующих средств при подготовке дигерата – перлита или кизельгура. Известно, что для получения прозрачных растворов в промышленных масштабах (пиво, вино, сиропы) используют кизельгур – дисперсный кремнезем, осадочную породу, состоящую из остатков диатомовых водорослей. Кизельгур эффективно сорбирует белки, вещества липидной природы, предотвращая помутнение продуктов, служит хорошим фильтрующим материалом при водоподготовке [17–19]. В то же время, научные данные о его применении для получения дигератов сахарной свеклы отсутствуют. Рассматриваемая методика не прошла аттестацию согласно ГОСТ Р 8.563–2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Методики (методы) измерений».

Все это свидетельствует о необходимости ее актуализации, а также аттестации для получения метрологических характеристик. В связи с этим, изучение возможности применения разных вариантов пробоподготовки дигерата являются актуальными, представляют интерес для науки и практики. Полученные в ходе экспериментальных исследований данные будут иметь значимость при разработке методов испытаний сахарной свеклы. Цель исследований – изучение разных вариантов пробоподготовки дигерата для поляриметрического определения сахаристости сахарной свеклы, актуализация методики и установление ее метрологических характеристик.

Материалы и методы

Объектом исследований являлась методика определения сахаристости сахарной свеклы поляриметрическим методом. Предметом исследований были варианты пробоподготовки дигерата с использованием осветлителей ацетата свинца и сульфата алюминия; варианты использования фильтрующих средств и дозировки осветлителей. Исследования проводили в сериях из 30 образцов сахарной свеклы урожаев 2025 г., 2026 г., выращенной в Курской и Белгородской областях, поступающей на приемку от сельхозпроизводителей и в переработку в разные периоды производственного сезона.

Определение сахаристости проводили методами: холодного водного дигерирования лабораторным способом; горячего водного диге-рирования лабораторным способом; холодного водного дигерирования на роботизированной линии сахарного завода. Процесс гомогенизации в лабораторном способе проводили в блендере Waring 800 S. В качестве осветлителя применяли раствор ацетата свинца с массовой долей приблизительно 1%, приготовленном разбавлением дистиллированной водой 25 см3 раствора уксуснокислого свинца с массовой долей 40% в мерной колбе вместимостью 1000 см3 (осветлитель А), раствор сульфата алюминия с массовой долей 0,3% (осветлитель В); в качестве фильтрующего средства – диатомит (кизельгур) Radiolite 200, порошок кремового цвета с проницаемостью не более 0,1 Дарси. Дозирование осветлителя при лабораторном способе проводили пипеткой с двухходовым краном вместимостью 178,2 см3; на роботизированной линии – весовым методом с пропорциональным добавлением 179 г ацетата свинца или 178 г. сульфата алюминия к 26 г свекловичной мезги. Эксперименты с кизельгуром осуществляли при определении сахаристости методом холодного водного дигерирования лабораторным способом; фильтрующее средство вносили в дозе 2,0 и 4,0 г непосредственно в блендер перед гомогенизацией массы, в блендер после гомогенизации массы, на бумажный фильтр перед фильтрованием гомогенизированной массы.

Результаты и обсуждение

Данные исследований сходимости результатов при определении сахаристости лабораторным способом холодного водного дигерирования с использованием осветлителей А и В подробно описаны в [20]. Они показали близость при использовании разных осветлителей. Поэтому в данной работе сопоставляли результаты, полученные методами холодного (вариант 1) и горячего (вариант 2) водного дигерирова-ния – последний считается эталонным при определении сахаристости. В таблице 1 приведены результаты определения сахаристости по двум вариантам с разными осветлителям (осветлитель А и В).

Разница в величине сахаристости, определенной методом холодного водного дигери-рования с разными осветлителями, варьировала в диапазоне от 0,08 до 0,24%, в среднем 0,17%, из них у одиннадцати образцов составляла 0,15% и менее. Аналогичная разница при определении методом горячего водного дигерирования с теми же осветлителями варьировала от 0,06 до 0,24%, в среднем 0,15%, у семнадцати образцов она была 0,15% и менее. Разница в величине сахаристости, определенной по вариантам 1 и 2 с использованием осветлителя А, варьировала от 0,04 до 0,19%, в среднем составила 0,12%, при этом для десяти проб она была менее 0,10%. Аналогичная величина при использовании осветлителя В варьировала в диапазоне от 0,05 до 0,24%, в среднем 0,15%, при этом для восьми проб она была менее 0,10%.

Указанные результаты являются вполне приемлемыми, поскольку ГОСТ Р 53036 допускает абсолютное расхождение в величинах сахаристости, определенных по двум способам, ± 0,2% в одной лаборатории. Полученные данные подтверждают предыдущие выводы о взаимозаменяемости осветлителей при определении сахаристости.

Таблица 1.

Результаты определения сахаристости по вариантам опыта

Table 1.

Results of sugar content determination by experiment variants

Образец | Sample	Вариант 1 | Variant 1			Вариант 2 | Variant 2			Δ (2) – (5)	Δ (3) – (6)
	осветлитель | clarifier		Δ (2) – (3)	осветлитель | clarifier		Δ (5) – (6)
	А	В		А	В
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	16,93	16,85	0,08	16,97	16,90	0,07	0,04	0,05
2	18,09	18,19	0,10	18,22	18,11	0,11	0,13	0,08
3	17,67	17,52	0,15	17,60	17,73	0,13	0,07	0,21
4	17,11	16,95	0,16	17,02	17,14	0,12	0,09	0,19
5	17,23	17,11	0,12	17,27	17,20	0,07	0,04	0,09
6	19,08	18,92	0,16	19,01	19,12	0,11	0,07	0,20
7	19,30	19,15	0,15	19,17	19,25	0,08	0,13	0,10
8	18,13	18,27	0,14	18,01	18,20	0,19	0,12	0,07
9	19,16	19,02	0,14	19,32	19,25	0,07	0,16	0,23
10	17,68	17,50	0,18	17,77	17,69	0,08	0,09	0,19
11	15,93	16,10	0,17	16,02	16,15	0,13	0,09	0,05
12	17,42	17,30	0,12	17,51	17,45	0,06	0,09	0,15
13	16,84	17,00	0,16	16,96	17,16	0,20	0,12	0,16
14	15,89	15,75	0,14	16,03	15,88	0,15	0,14	0,13
15	16,51	16,67	0,16	16,69	16,79	0,18	0,18	0,12
16	18,25	18,03	0,22	18,31	18,15	0,16	0,06	0,12
17	18,94	18,80	0,14	18,82	18,94	0,12	0,12	0,14
18	20,54	20,37	0,17	20,67	20,45	0,22	0,13	0,08
19	19,46	19,31	0,15	19,27	19,48	0,21	0,19	0,17
20	20,04	19,86	0,18	19,85	20,10	0,25	0,19	0,24
21	18,21	18,37	0,16	18,33	18,52	0,19	0,12	0,15
22	19,10	19,34	0,24	19,27	19,11	0,16	0,17	0,23
23	17,85	18,02	0,17	17,98	18,20	0,22	0,13	0,18
24	19,30	19,51	0,21	19,45	19,57	0,12	0,15	0,06
25	17,46	17,29	0,17	17,37	17,16	0,21	0,09	0,13
26	19,18	18,95	0,23	19,00	19,13	0,13	0,18	0,18
27	15,40	15,61	0,21	15,55	15,79	0,24	0,15	0,18
28	16,67	16,46	0,21	16,51	16,65	0,14	0,16	0,19
29	17,48	17,69	0,21	17,65	17,46	0,22	0,17	0,23
30	17,02	16,80	0,22	16,88	17,02	0,14	0,14	0,22
Среднее | Average	17,93	17,89	0,17	17,95	17,99	0,15	0,12	0,15

Согласно методике ICUMSA GS6–3 кизельгур в качестве фильтрующего средства применяют в дозе 10 см³, а стандартом СТБ 1893 доза не указана. Учитывая, что кизельгур представляет собой тонкодисперсный порошок, на практике предпочтительнее осуществлять дозирование по массе, которая для 10 см³ составляет 4 г. В целях проверки влияния дозы фильтрующего средства на результативность его действия проводили исследования по вариантам: контроль – без добавления кизельгура; вариант 3 – навеска кизельгура 2 г; вариант 4 – навеска кизельгура 4 г. Введение кизельгура осуществляли в лабораторный блендер-гомогенизатор перед гомогенизацией массы. В исследованиях определяли разность полученных величин между контролем и вариантами опыта (Δ К-3 , Δ К-4 ), а также между вариантами 3 и 4 (Δ 3-4 ).

Длительность полного цикла фильтрования гомогенизированной массы в контроле составляла около 5 мин., фильтрующее средство ускоряло процесс до 2–2,5 мин. Причем, если при фильтровании гомогенизированной массы первые порции фильтрата всегда мутные и их рекомендуется удалять или возвращать обратно на фильтр, то с использованием кизельгура прозрачные. В целом полученные дигераты во всех вариантах исследований были визуально прозрачными, но оптическая плотность при длине волны λ = 420 нм в контроле составляла 0,120…0,130, в вариантах опыта 0,090…0,096, т. е. прозрачность увеличилась на 25% независимо от дозы кизельгура.

Осадок без применения фильтрующих средств представлял собой темно-серую гидрофильную массу. С увеличением дозы кизельгура объем осадка увеличивался, структура его становилась менее рыхлой, а цвет приобретал оттенок коричневатости, переходя к светлым тонам при увеличении дозы (рисунок 1).

Рисунок 1. Внешний вид осадков после фильтрования гомогенизированной массы: a – контроль; b – вариант 3; с – вариант 4

Figure 1. Appearance of sediments after filtration of homogenized mass: a – control; b – variant 3; c – variant 4

Приведенные в таблице 2 величины сахаристости по вариантам опыта были достаточно близкими к полученным в контрольном варианте, разница между ними варьировала от 0 до 0,18%, в среднем составляла 0,11%; разница по вариантам опыта находилась в диапазоне 0…0,07%, в среднем 0,04%, что свидетельствует об отсутствии влияния данного фильтрующего материала на определяемую величину сахаристости. Доза кизельгура в исследованных величинах также не оказывает влияния на результат определения, поэтому целесообразно использовать навеску 2 г. Применение фильтрующего материала ускоряет процесс в два раза при увеличении прозрачности дигерата, что улучшает результат пробоподготовки. Преимущества применения фильтрующего средства особенно важны, если фильтрование ведется под вакуумом, как в роботизированной линии или на полуавтоматической фильтрационной установке.

Таблица 2.

Результаты определения сахаристости с использованием кизельгура при пробоподготовке по вариантам опыта

Table 2.

Results of sugar content determination using kieselguhr in sample preparation by experiment variants

Образец Sample	Контроль | Control	Вариант 3 | Variant 3	Вариант 4 | Variant 4	Δк-3	Δк-4	Δ 3-4
1	17,75	17,58	17,60	0,17	0,15	0,02
2	17,68	17,75	17,75	0,07	0,07	0
3	17,65	17,56	17,58	0,09	0,07	0,02
4	17,60	17,71	17,78	0,11	0,18	0,07
5	17,58	17,73	17,76	0,15	0,18	0,03
6	17,11	17,08	17,12	0,03	0,01	0,04
7	15,70	15,76	15,83	0,06	0,13	0,07
8	13,72	13,56	13,54	0,16	0,18	0,02
9	10,82	10,66	10,70	0,16	0,12	0,04
10	13,28	13,14	13,20	0,14	0,08	0,06
11	17,30	17,25	17,21	0,05	0,09	0,04
12	17,44	17,48	17,44	0,04	0	0,04
13	16,90	16,80	16,85	0,10	0,05	0,05
14	15,62	15,73	15,77	0,11	0,15	0,04
15	15,36	15,20	15,18	0,16	0,18	0,02
16	15,53	15,45	15,41	0,08	0,12	0,04
17	12,09	12,01	11,95	0,08	0,14	0,06
18	15,82	15,77	15,73	0,05	0,09	0,04
19	17,50	17,48	17,51	0,02	0,01	0,03
20	17,36	17,42	17,38	0,06	0,02	0,04
21	17,21	17,15	17,17	0,06	0,04	0,02
22	17,07	16,94	16,92	0,13	0,15	0,02
23	18,65	18,54	18,51	0,11	0,14	0,03
24	17,35	17,28	17,25	0,07	0,10	0,03
25	16,99	16,90	16,87	0,09	0,12	0,03
26	17,01	16,89	16,92	0,12	0,09	0,03
27	18,22	18,07	18,09	0,15	0,13	0,02
28	19,10	19,01	18,97	0,09	0,13	0,04
29	17,14	17,02	16,99	0,12	0,15	0,03
30	17,58	17,44	17,49	0,14	0,09	0,05
Среднее | Average	16,54	16,48	16,48	0,10	0,11	0,04

Принимая во внимание природу данного материала, который используется в качестве мягкого абразива, можно предположить, что мелкокристаллический порошок кизельгура при длительном использовании будет негативно влиять на остроту рабочих органов лабораторного гомогенизатора. Именно поэтому в роботизированной линии введение кизельгура осуществляется в сосуд после гомогенизации свекловичной массы и осветлителя. С целью его диспергирования в массе далее проводится обычное перемешивание. В лабораторном способе ввод кизельгура может быть осуществлен по разным локациям. Поэтому в работе исследовались следующие варианты внесения фильтрующего средства: вариант 5 – внесение в измельчитель после гомогенизации свекловичной мезги; вариант 6 – внесение на фильтр перед фильтрованием гомогенизированной массы. Результаты исследований и разность полученных величин между вариантами 5 и 6 (Δ5-6) приведены в таблице 3.

Как видно из таблицы 3, разница в величинах сахаристости варьировала от 0,02 до 0,12%; в среднем 0,07%, что свидетельствует об отсутствии влияния способа внесения кизельгура на определяемый показатель. С точки зрения организации процесса фильтрования наблюдались отличия по вариантам. В варианте 5 после внесения кизельгура в измельчитель массу в нем можно перемешать палочкой или встряхиванием при закрытой крышке. Получается однородная смесь, которая сразу образует на бумажном фильтре влажный фильтрующий слой и дальнейшее фильтрование протекает без затруднений быстро. В варианте 6 на бумажный фильтр вносится порция сухого кизельгура, на который затем поступает гомогенизированная масса. Образуется два автономных слоя, что требует времени для увлажнения нижнего фильтрующего слоя, а верхний слой фильтруется так же долго, как и в отсутствие кизельгура. В результате длительность полного цикла фильтрования в варианте 5 составляет 3,5–4 мин. против 2–2,5 мин. в варианте 6. С точки зрения обеспечения работоспособности лабораторного оборудования и ускорения процесса фильтрации более предпочтительным полагаем внесение кизельгура в измельчитель после гомогенизации массы.

Таблица 3.

Результаты определения сахаристости с разными вариантами внесения кизельгура при пробоподготовке

Table 3.

Results of sugar content determination with different kieselguhr application variants in sample preparation

Образец | Sample	Вариант 5 | Variant 5	Вариант 6 | Variant 6	Δ 5-6
1	18,55	18,47	0,08
2	18,97	19,01	0,04
3	19,15	19,18	0,03
4	18,63	18,58	0,05
5	17,33	17,40	0,07
6	18,76	18,70	0,06
7	17,99	18,11	0,12
8	19,02	18,93	0,09
9	19,10	19,00	0,10
10	18,28	18,30	0,02
11	15,27	15,22	0,05
12	16,32	16,35	0,03
13	16,85	16,80	0,05
14	17,11	17,10	0,01
15	17,53	17,47	0,06
16	18,12	18,01	0,11
17	18,34	18,40	0,06
18	16,89	16,80	0,09
19	16,24	16,12	0,12
20	16,64	16,70	0,06
21	18,88	18,80	0,08
22	17,46	17,55	0,09
23	16,40	16,51	0,11
24	16,71	16,67	0,04
25	15,91	16,01	0,10
26	16,87	16,92	0,05
27	17,08	17,16	0,08
28	17,22	17,17	0,05
29	17,96	17,90	0,06
30	16,53	16,60	0,07
Среднее | Average	17,54	17,53	0,07

Таким образом, методика определения сахаристости лабораторным способом холодного водного дигерирования может быть актуализирована в части применения осветлителя сульфата алюминия и использования кизельгура в дозе 2 г, вводимого после гомогенизации массы в лабораторный измельчитель перед фильтрованием.

Что касается определения сахаристости при выполнении массовых анализов на роботизированной линии или полуавтоматическом лабораторном комплексе, дозирование осветлителя в них осуществляется весовым методом, аналогичным применяющемуся в линии УЛС-1.

Но, если в линии УЛС-1 навеска свекловичной мезги составляет примерно 70 г, то современные линии адаптированы под «нормальную» навеску 26 г. Весовое дозирование за счет автоматизации позволяет иметь отклонения в навеске свекловичной мезги ± 5 г, поскольку весовой дозатор добавит массу осветляющего раствора пропорционально массе свекловичной мезги согласно установленной программе.

В открытой печати отсутствуют данные о сходимости величин сахаристости, определенных с использованием объемного и весового дозирования осветлителей; в целях их установления проводили исследования по вариантам: контроль – лабораторный метод с объемным дозированием; вариант 7 – лабораторный метод с весовым дозированием; вариант 8 – на роботизированной линии сахарного завода с весовым пропорциональным дозированием. Определяли разность полученных величин между контролем и вариантами опыта (Δ К-7 , Δ К-8 ), а также между вариантами 7 и 8 (Δ 7-8 ). В качестве осветлителя использовали ацетат свинца, введение кизельгура в роботизированной линии осуществлялось в сосуд после гомогенизации массы с последующим перемешиванием перед фильтрацией.

Рисунок 2. Сходимость результатов определения сахаристости при разных вариантах дозирования осветлителя: a – минимальная; b – максимальная; c – средняя

Figure 2. Convergence of sugar content determination results at different clarifier dosage variants: a – minimum; b – maximum; c – average

Данные сходимости результатов представлены на рисунке 2, из которых следует, что средняя разница между контролем и вариантом 7 составила 0,11%; между контролем и вариантом 8–0,13%; между вариантами 7 и 8–0,07%, что можно считать весьма удовлетворительным.

Следовательно, принцип дозирования не оказывает влияния на результат определения сахаристости и подтверждает возможность использования на роботизированной линии или лабораторном полуавтоматическом комплексе весовое дозирование осветлителя.

Полученный в вышеизложенных исследованиях материал свидетельствует, что актуализированная методика может быть рекомендована к использованию как в лабораторном варианте, так и при приемке сырья при выполнении массовых анализов.

Установлены метрологические характеристики методики, которые для наиболее часто встречающегося диапазона сахаристости свыше 15% составляют: относительная погрешность (δ) ± 4%; относительное среднеквадратическое отклонение повторяемости (σ r ) 0,5%; относительное среднеквадратическое отклонение воспроизводимости (σ R ) 0,8%; критическая разность для результатов, полученных в двух лабораториях 2%. Текст методики изложен в соответствии с ГОСТ Р 8.563, методика внесена в федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений ФР.1.31.2026.53169, что открывает возможности для пересмотра ГОСТ Р 53036–2008 «Свекла сахарная. Методы испытаний».

Заключение

Установлена сходимость результатов определения сахаристости лабораторным способом холодного и горячего водного дигерирования при использовании осветлителей ацетата свинца и сульфата алюминия, не превышающая 0,15% в среднем. Показано, что при подготовке дигерата применение в качестве фильтрующего средства кизельгура в дозе 2…4 г не оказывает влияния на результат определения, ускоряя процесс в 2 раза с повышением прозрачности фильтрата на 25%. Дозирование осветлителя может быть осуществлено как объемным, так и весовым методом, в т. ч. на роботизированной линии. Полученные результаты легли в основу актуализации методики определения сахаристости и установления ее метрологических характеристик. Актуализированная методика позволяет осуществить пересмотр ГОСТ Р 53036–2008 «Свекла сахарная. Методы испытаний».