Исследование оптических характеристик перговых сотов

Введение. Пчеловодство во всем мире является важнейшей отраслью сельского хозяйства, позволяющей улучшить качество плодов и семян и повысить их урожайность [1, 2]. Помимо этого в настоящее время наблюдается повышение спроса на продукты пчеловодства в связи с ростом осведомленности населения о преимуществах данных продуктов [3–5]. К одним из таких продуктов относится перга. Насыщенная биологически-активными компонентами перга является уникальными природными лекарственными препаратом, применяемым для лечения и профилактики целого ряда заболеваний [2–4].

Наиболее энергозатратной операцией при извлечении перги является ее сушка [6, 7]. Сушка – важнейшая операция в технологии извле- чения перги из сотов, так как качественная сушка обеспечивает возможность измельчения сотов таким образом, чтобы наибольший процент комочков перги остался целым [8–15]. Одним из возможных вариантов решения данной задачи является применение инфракрасных нагревателей, формирующих прочную геометрию пер-говых комочков [16]. Преимуществами данного способа является уменьшение энергоемкости процесса за счет его активного поглощения непосредственно молекулами воды в продукте. Однако интенсивность нагрева материала при применении инфракрасной сушки зависит только от оптических характеристик продукта.

В настоящее время исследованием оптических характеристик перговых сотов с целью выявления химического состава (количества сахаров, витаминов и других веществ) занимались A. Wroblewska, Z. Warakomska, M. Kaminska, N. Hudz, O. Bobiş и др. [1]. В качестве основного метода исследования оптических характеристик перговых сотов данными авторами был выбран спектрофотометрический анализ содержимого пергового сота, растворенного в воде.

Однако данные исследования оптических характеристик перговых сотов не применимы для инфракрасной сушки, так как они рассматривают лишь ближний диапазон инфракрасного излучения.

Цель исследования : определение спектрального диапазона инфракрасного излучения, обеспечивающего минимальную энергоемкость процесса сушки перги.

Материалы и методы исследования. Исследование оптических характеристик перговых сотов во всех диапазонах инфракрасного излучения производили в ИК-Фурье спектрометре Perkin Elmer Frontier.

Основной частью ИК-Фурье спектрометра является интерферометр Майкельсона, состоящий из источника ИК излучения 1 , неподвижного 2 и подвижного 3 зеркал, светоделителя 4 и фотоприемника 5 . Полученные фотоприемником 5 сигналы проходят через усилитель 6 , обрабатываются аналогово-цифровым преобразователем 7 , после чего пересылаются в ЭВМ 8 (рис. 1). Полученные данные преобразуются методом быстрого преобразования Фурье и выводятся на экран.

Рис. 1. Структурная схема ИК-Фурье спектрометра:

1 – источника ИК излучения; 2 – неподвижное зеркало; 3 – подвижное зеркало; 4 – светоделитель; 5 – фотоприемник; 6 – усилитель; 7 – аналогово-цифровой преобразователь; 8 – ЭВМ

По результатам обработки регистрируемых частот ЭВМ формирует таблицу со спектральными коэффициентами отражения R .

Спектральные коэффициенты отражения R могут быть преобразованы в единицы i°g (1⁄ R ) . Данные единицы показывают относительное количество инфракрасной энергии, поглощенной при измерении в режиме отражения. Таким образом, они эквивалентны оптической плотности (поглощению) A и вычисляются по формуле

A ≡   (1⁄ R )= log (100⁄% R )․      (1)

Преобразование длин волн Aj , соответствующих максимальной оптической плотности, в температуру излучения t производилось по уравнению Вина:

b t + 273,

где b = 2,9∙10^-3 м∙К – постоянная Вина.

Расчет нормального коэффициента отражения при стандартной температуре 283 К производили по спектральным коэффициентам отражения ^n (Aj), измеренным на 30 длинах волн Aj по формуле

Rn =¹Ул ( ^i )․ (3) 30

Нормальный коэффициент эмиссии (нормальная степень черноты) E_n при 283 К определяли по формуле

^£n =1- Rn ․ (4)

Так как максимально используемая длина волны ИК-Фурье спектрометра Perkin Elmer Frontier составляет 40 мкм, то погрешность измерений компенсируется введением поправочного коэффициента для вычисления коэффициента эмиссии.

Для проведения исследования были выбраны перговые соты из разных регионов Рязанской области. Из перговых сотов заготавливали по два образца, заполненных пергой, размером 50×50 мм, после чего один из образцов подвергали конвективной сушке на протяжении 50 ч.

Подготовленный образец 1 помещали в кювету 2 ИК-Фурье спектрометра 3 , закрывали крышку прибора и запускали измерения.

Общий вид установки для определения оптических свойств перговых сотов показан на рисунке 2.

Рис. 2. Общий вид установки для определения оптических свойств перговых сотов: 1 – образец; 2 – кювета; 3 – ИК-Фурье спектрометр

По окончании исследования образцы взвешивали и определяли влажность в соответствии с методом, соответствующим требованиям ГОСТ 31776-2012, а сформированную ЭВМ таблицу со спектральными коэффициентами отражения R экспортировали в таблицу MS Excel для последующей обработки полученных данных.

Результаты исследования и их обсуждение . Статистические данные, полученные в ходе обработки полученных данных, приведены в таблице 1.

По результатам проведения исследования оптических характеристик перговых сотов были построены спектральные характеристики, представленные на рисунках 3, 4.

Для исследования изменения оптических характеристик перговых сотов в процессе сушки было произведено сравнение спектральных характеристик в диапазоне температур от 25 до 65 ºС (рис. 5).

Таблица 1

Образец	Влажность, %				Нормальный коэффициент отражения Rn         \				Коэффициент эмиссии £    \
	Повторность			W ср	Повторность			Rn cp	Повторность			£ ср
	W 1	W 2	W 3		Rm	^n2	^n3		£1	£2	£3
1	23,7	22,1	23,5	23,1	0,0693	0,05	0,055	0,0581	0,875	0,893	0,888	0,885
2	13,1	14,6	13,5	13,7	0,0554	0,0618	0,0554	0,0575	0,888	0,882	0,888	0,886

0,50

0,45

5,0000   9,0000   13,0000 17,0000 21,0000 25,0000 29,0000 33,0000 37,0000

Рис. 3. Спектральная характеристика перговых сотов нативной влажности

0,40

0,35

0,30

0,25

si 0,20

0,15

0,10

0,05

0.00

5.0000   9.0000   13.0000  17.0000 21.0000 25.0000 29.0000 33.0000 37.0000

Рис. 4. Спектральная характеристика высушенных перговых сотов

3,70

3,60

3,50

3,40

3.30 *

1? 3,20

3,10

3,00

29,71

36,17

42,90

49,94

57,30

65,00

--- Высушенная

--- Нативная

Рис. 5. Сравнение спектральных характеристик перговых сотов

На основании обработки полученных данных  говых сотов практически не зависит от влажно- можно сделать вывод, что степень черноты пер-  сти и происхождения, а его среднее значение

Оптические характеристики перговых сотов

составляет 0,885–0,886. Это означает, что пер-говые соты являются хорошим поглотителем ИК энергии. В свою очередь значение нормального коэффициента отражения незначительно уменьшается с 0,0581 до 0,0575.

Из построенных спектральных характеристик сотов в диапазоне температур от 25 до 65 ºС видно, что с увеличением температуры значения поглощения до 40 оС практически не различаются. Однако при дальнейшем увеличении температуры поглощение ИК-излучения перго-выми сотами нативной влажности увеличивается примерно на 4,5 %, а высушенных перговых сотов – на 2,3 %. Наибольшие значения поглощения перговыми сотами нативной влажности наблюдаются при диапазонах температур 55– 56; 51–52 и 46–48 оС.

Выводы . На основании полученных результатов исследования можно сделать вывод, что перговые соты являются хорошим поглотителем ИК энергии. Наибольшие значения поглощения перговыми сотами нативной влажности в диапазоне температур от 25 до 65 ºС наблюдаются при температурах 55–56; 51–52 и 46–48 ^оС.

Степень черноты перговых сотов практически не зависит от влажности и происхождения, а его среднее значение составляет 0,885–0,886. Значение нормального коэффициента отражения при уменьшении влажности продукта незначительно уменьшается с 0,0581 до 0,0575.