Выявление и анализ источников неопределенности при определении массовой доли белка в мясных полуфабрикатах

Решения о качестве продукции основываются на результатах контроля показателей качества. Во всех без исключения случаях, когда решения принимаются на основе результатов контроля, необходимо иметь свидетельство качества этих результатов. Одной из свидетельств доверия к результатам контроля является неопределенность измерения. Понятие «неопределенность измерения» знакомо инженерно-техническим работникам с 1993 г., когда было опубликовано «Руководство по выражению неопределенности в измерениях» [4], однако концепция неопределенности измерения до сих пор не внедрена в отечественные нормативные документы на методы контроля. Данный факт подтверждает актуальность проблемы в области оценивания неопределенности измерения при контроле качества пищевой продукции, в том числе при контроле содержания белка в мясе и мясных полуфабрикатах. Новизна работы заключается в том, что оценивание неопределенности измерения при контроле содержания массовой доли белка в мясе и мясных полуфабрикатах приводится впервые.

Целью данной работы является выявление и анализ источников неопределенности, а также составляющих неопределенности при определении массовой доли белка в мясных полуфабрикатах спектрофотометрическим методом.

Для выполнения поставленной цели решались следующие задачи:

• -    описание процедуры измерения для выявления источников неопределенности;

• -    анализ метрологических характеристик средств измерений;

• -    выявление и анализ источников неопределенности.

Методика определения белка в мясе и мясных продуктах прописана в ГОСТ 25011.

Процесс определения содержания белка спектрофотометрическим методом состоит из следующих этапов: подготовка к анализу и проведение анализа. Поскольку подготовка к анализу является достаточно трудоемким процессом, то для описания последовательности шагов разобьем данный этап на три стадии: приготовление реактивов; приготовление гипохлорита натрия; построение градуировочного графика. И на каждом этапе проанализуем источники неопределенности.

Описание процесса «Приготовление реактивов»

Для приготовления реактива 1 выполняются следующие действия:

• а)    взвешивание предварительно подготовленной бюксы массой т 1 на весах с погрешностью не более ±0,001 г;

• б)    взвешивание фенола, нитропруссида массой m 2 = 10 г, т₃ = 0,05 г на тех же весах;

• в)    растворение фенола в любой емкости водой V 1 = (200 — 300) см³, перенос в мерную колбу вместимостью V 2 = 1000 см³ с пределом допускаемой погрешности от номинальной вместимости 0,4 см³ (ГОСТ 1770) и затем разбавляют водой до метки.

Для приготовления реактива 2 выполняются следующие действия:

• а)    взвешивание предварительно подготовленной бюксы массой т₄ на весах с погрешностью не более ±0,001 г;

• б)    взвешивание гидроокиси натрия массой т₅ = 5 г проводят на тех же весах;

• в)    растворение гидроокиси натрия проводят в любой емкости водой объемом V₃ = 100150 см³, затем переносят в мерную колбу вместимостью 1000 см³ с пределом допускаемой погрешности от номинальной вместимости 0,4 см³;

• г)    проводят отбор V₄ = 9,3 гипохлорита натрия пипеткой вместимостью 25 см³ с пределом допускаемой погрешности от номинального 0, 1 см³ (ГОСТ 29227) и вносят в мерную колбу с раствором гидроокиси натрия;

• д)    разбавление раствора гипохлорита натрия проводят, добавляя до метки мерной колбы объемом V₅ = 1000 см³ дистиллированную воду.

Выявление и анализ источников неопределенности на стадии «Приготовление реактивов»

По рекомендации QUAM:2012.P1-RU [3] при описании неопределенности в аналитических измерениях следует учитывать источники неопределенности при:

• -    взвешивании: ограниченная точность калибровки весов, ограниченное разрешение на дисплее или шкале, разные факторы (включая температуру), несовпадение плотности гирь и пробы, вызывающее различие в выталкивающей силе воздуха;

• -    определении объема жидкости: неопределенность калибровки объема мерной посуды, отличие температуры при проведении эксперимента от той, при которой проводилась калибровка, вызывающее отклонение объема от установленного, различные факторы;

• -    разбавлении (определении концентрации): наличие примесей в основном компоненте, неопределенность аттестованного значения концентрации основного компонента, операция приготовления раствора.

Составляющая неопределенности взвешивания, происходящая от ограниченной точность калибровки весов, называется неопределенностью калибровки весов, которая, в свою очередь, состоит из двух составляющих: нелинейности и чувствительности [1]. Нелинейность определяют с помощью эксперимента с набором калиброванных гирь или же приводится в документации производителя. Чувствительность весов указывается в документации производителя. Составляющая неопределенности, происходящая от ограниченного разрешения на дисплее или шкале, называется считываемостью показаний. Составляющие неопределенности взвешивания, происходящие от воздействия различных факторов, - это суточный дрейф и изменчивость от взвешивания к взвешиванию (повторяемость). Составляющая неопределенности, происходящая несовпадения плотности гирь и пробы, названа влиянием плотности.

В данном случае составляющие неопределенности как «суточный дрейф» и «влияние плотности» не учитываем.

Составляющая неопределенности определения объема жидкости, обусловленная неопределенностью калибровки объема мерной посуды, называется неопределенностью калибровки, составляющая, обусловленная отличием температуры при проведении эксперимента от той, при которой проводилась калибровка мерной посуды, называется «температурой», а составляющая, обусловленная влиянием различных факторов, - «колебаниями от операции к операции», или «повторяемостью» [5 - 6].

Составляющая неопределенности разбавления, происходящая от наличия примесей в основном компоненте, называется степенью чистоты и обусловлена неопределенностью аттестованного значения концентрации основного компонента - концентрацией вещества в растворе или аттестованным значением, а составляющая, обусловленная операцией приготовления раствора, концентрацией вещества в растворе [2].

В нашем случае на операции растворение учитываем составляющую неопределенности «степень чистоты», две последних составляющих неопределенности учитываются при особо точных измерениях, поэтому в данном случае их можно не учитывать.

Степень чистоты, аттестованное значение фенола и нитропруссида указываются в сертификате. На этой операции еще одним источником неопределенности могла бы быть калибровка мерной посуды, в которой растворяют фенол, нитропруссид и гидроокись натрия, но поскольку их растворяют в довольно широком диапазоне объема дистиллированной воды, (200-300) см3 и (100-150) см3, то ее не учитывают.

При отборе и добавлении раствора гипохлорита натрия имеем те же составляющие, как при определении объема жидкости: температура, калибровка и повторяемость. На операции разбавления для данного случая характерны такие составляющие неопределенности, как неопределенность калибровки объема мерной посуды, температура, колебания от операции к операции.

Влияние различных эффектов на стадии «приготовление реактива 1» показано на рисунке 1.

Степень чистоты

тг

температура повторяемость калибровка считываемость считываемость

^ 2

нелинейность чувствительность калибровка

ряе-мость калибровка нелинейность чувствительность нелинейность чувствительность повто- считываемость повто- масса ряе-мость

повто-

ряе-мость

калибровка

Реактив 1

m 3

m 2

Рисунок 1 – Диаграмма «причина - следствие» на операции «приготовление реактива 1»

На операции «приготовление реактива 1» выявлены следующие составляющие неопределенности: степень чистоты, температура, повторяемость, калибровка мерной колбы, считы-ваемость, нелинейность, чувствительность, повторяемость, калибровка весов. На операции «приготовление реактива 2» кроме вышеперечисленных составляющих появляется дополнительная – калибровка пипетки.

Выявление и анализ источников неопределенности на стадии «приготовление гипохлорита натрия»

Влияние различных эффектов на стадии «приготовление гипохлорита натрия» показано на рисунке 2.

Для выявления источников неопределенности на стадии «приготовление гипохлорита натрия» была прописана последовательность шагов на этой стадии и описаны все операции средства измерений аналогичные выбранным на предыдущем этапе. Кроме них на этой стадии выбрана бюретка с номинальной вместимостью 100 см3, погрешность измерения сливаемой жидкости которого составляет 0,1 мл (ГОСТ 29227). Рассуждая аналогично предыдущему, найдены следующие составляющие неопределенности при:

• -    взвешивании (взвешивание бюкс - т₁, т₃, m g , хлорной извести - т₂ , углекислого натрия - т₄, калия йодистого - т₆, серноватистокислого натрия - т₇, двухромовокислого калия - т₈): калибровка, считываемость, нелинейность, повторяемость, чувствительность;

• -    отборе (дистиллированной воды - V₁, V₂ . ₁, фильтрата - V₃, концентрированного раствора соляной кислоты - V g , 1 н раствора соляной кислоты - V₇, изобутилового спирта - V 9 , раствора йодистого калия - V₁₂, раствора серной кислоты - V₁₃): калибровка, температура, повторяемость;

• -    растворении (углекислого натрия, V₂ . ₂, концентрированного раствора соляной кислоты - V₆, 5-водного серноватистокислого натрия - V₈, двухромовокислого калия - V₁₁): степень

чистоты. На операции «растворение соляной кислоты в дистиллированной воде» кроме источника неопределенности как «степень чистоты» учитываем также такие источники неопределенности, как калибровка мерного цилиндра и повторяемость оператора. Два последних источника неопределенности появляются в отличие от предыдущего случая из-за того, что в методике приготовления раствора соляной кислоты указано, что объем раствора доводят 1 дм3;

• -    разбавлении (раствора серноватистокислого натрия и изобутилового спирта - У₁₀, смешанного раствора двухромовокислого калия, раствора йодистого калия и раствора серной кислоты - У₁₄): калибровки, температура, повторяемость, за исключением операции разбавления фильтрата, где в отличие от предыдущих случаев источников неопределенностей нет, так как разбавление проводится в довольно широком диапазоне объема воды.

На таких операциях, как перемешивание, смешивание, отстаивание и выдержка, нет источников неопределенностей. На операции «сливание надосадочной жидкости» можно было бы указать источник неопределенности – неполноту сливания, но она компенсируется операцией фильтрации. Фильтрация редко бывает полной, поэтому появляются такие источники неопределенности, как время фильтрации и действие различных факторов. Составляющую неопределенности при фильтрации, обусловленную временем проведения фильтрации, назовем средней степенью фильтрации. Составляющую неопределенности фильтрации, возникающую от воздействия различных факторов, назовем колебаниями от операции к операции, или повторяемостью. По рекомендации QUAM:2012.P1-RU на операциях титрование источниками неопределенности являются неопределенность калибровки бюретки, отличие температуры при проведении эксперимента от той, при которой проводилась калибровка, вызывающее отклонение объема от установленного, неточность установления окончания титрования и различные факторы. Составляющая неопределенности, обусловленная неточностью установления конечной точки титрования, названа установлением конечной точки титрования.

Неточность установления окончания титрования, в свою очередь, дает два дополнительных источника неопределенности: повторяемость и возможность систематического расхождения между установленной конечной точкой титрования и точкой эквивалентности. Составляющая неопределенности, обусловленная расхождением, названа смещением. Таким образом, при титровании имеем следующие составляющие неопределенности: калибровка, температура, повторяемость, установление конечной точки, смещение.

Итак, на этой стадии выявлены следующие источники неопределенности: калибровка весов, считываемость, нелинейность, повторяемость, чувствительность, калибровка мерной посуды, температура, повторяемость при отборе проб, растворении и разбавлении, степень чистоты, средняя степень фильтрации, повторяемость при фильтрации, установление конечной точки, смещение.

Описание стадии «построение градуировочного графика»

Стадия «построение градуировочного графика» состоит из следующих операций: предварительное высушивание сернокислого аммония при температуре 60 ° С до постоянной массы; взвешивание высушенного сернокислого аммония массой 0,236 г; растворение отмеренного сернокислого аммония в 500 см³ воды; разбавление растворенного раствора; отбор стандартных растворов объемами 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5; 5,0; растворение отобранных стандартных растворов проводится до метки в мерных колбах вместимостью 100 см³; отбор 1 см³ рабочего раствора; отбор 5 см³ реактива 1; отбор 5 см³ реактива 2; отбор 1 см³ воды; определение оптической плотности.

Все взвешивания проводят на весах с погрешностью не более ±0,001 г. Для растворения отбор воды проводится мерным цилиндром вместимостью 500 см3, допускаемая погрешность которого от номинальной вместимости составляет 2,5 см3. При разбавлении используется тот же цилиндр.

Вестник ВСГУТУ. 2021. № 1 (80)           52

Отбор У_ъ У _2А , У з , У ₅ , ^У7 , ^У9 , ^У12 , ^У13 , ^У15

Фильтрация

Растворение У 2.2 , УдУц

Разбавление У 10 ,, У 14

Растворение У₆

температура

калибровка

повторяемость

степень фильтрации

повторяемость

считываемость т1,тз,тд

нелинейность

чувствительность

калибровка

т9

нелиней- ность чувствительность

считываемость считываемость повто-ряе-мость

ряе-мость калибровка нелинейность повто- считываемость повто-

Масса повторяемость ряе-мость

калибровка

температура повторяемость степень чистоты

Реактив 1

т 2 ,т 4

нелинейность чувствительность т6, т7, чувствительность

калибровка смещение повторяемость смещение

Установление конечной точки повторяемость повторяемость

повторяемость калибровка

степень чистоты

У т1

калиб-

темпе-

ровка

ратура

повторяемость

Установление конечной точки

калиб-

ровка

температура

Титрование

Рисунок 2 – Диаграмма «причина - следствие» на операции «приготовление гипохлорита натрия»

ВЕСТНИК Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления (Вестник ВСГУТУ)

Отбор стандартных растворов, рабочего раствора, реактива 1, реактива 2, воды проводится пипеткой вместимостью 25 см3, предел допускаемой погрешности которого составляет 0, 1 см3.

Измерение оптической плотности проводится на спектрофотометре «UNICO-2100», точность составляет 0,003.

Выявление и анализ источников неопределенности на стадии «построение градуировочного графика»

На подобных предыдущим стадиям операциях имеем следующие источники неопределенности: температура, повторяемость, калибровка весов, калибровка мерной посуды, нелинейность, считываемость, чувствительность, степень чистоты.

Кроме того, при построении градуировочной характеристики появляются новые источники неопределенности, продиктованные самой методикой, т.е. «готовят три серии рабочих растворов, начиная каждый раз с приготовления стандартного раствора сернокислого аммония из нового сернокислого аммония» (ГОСТ 25011).

В данном случае имеем ряд многократных измерений. Следовательно, появляется составляющая неопределенности «прецизионность измерений» на операции «определение оптической плотности». Кроме того, определение оптической плотности проводится на спектрофотометре «UNICO-2100». На данном этапе источниками неопределенности будут чистота кювет, точность установления длины волны, погрешность спектрофотометра, влияние оператора. Следовательно, составляющими неопределенности являются прозрачность кювет, калибровка, включающая калибровку длин волн, и повторяемость.

Таким образом на этой стадии выявлены следующие источники неопределенности: температура, повторяемость, калибровка весов, калибровка мерной посуды, нелинейность, счи-тываемость, чувствительность, степень чистоты, прецизионность измерений, прозрачность кювет; калибровка, включающая калибровку длин волн и повторяемость.

Описание стадии «проведение анализа»

Стадия «проведение анализа» состоит из следующих операций: отбор пробы; взвешивание пробы массой около 2 г на беззольной фильтровальной бумаге; взвешивание беззольной фильтровальной бумаги без пробы; перенос пробы вместе с бумагой в колбу Кьельдаля 1; помещение фильтровальной бумаги в контрольную колбу Кьельдаля 2; отбор 10 см3 концентрированной серной кислоты; добавление концентрированных серных кислот в колбы Кьельдаля 1 и Кьельдаля 2; взвешивание (1-2) г сернокислого калия; добавление сернокислого калия в колбы Кьельдаля 1 и Кьельдаля 2; отбор (1-2) см3 перекиси водорода; добавление перекиси водорода в колбы с пробой и без пробы; охлаждение колб Кьельделя; перенос содержимого колб Кьельдаля в мерные колбы вместимостью 250 см3; разбавление содержимого мерных колб до метки; отбор 1 см3разбавленного минерализата и перенос в пробирки; отбор 5 см3 реактива 1; отбор 5 см3 реактива 2; перенос реактивов в пробирки с разбавленным минерализа-том; выдержка; измерение оптической плотности растворов Т относительно контрольного раствора; определение концентрации азота.

Отбор пробы проводится методом случайной выборки с целью исключения источников неопределенности. Все взвешивания проводятся на весах с погрешностью не более ±0,001 г. Отбор концентрированной серной кислоты, перекиси водорода, минерализата, разбавленного минерализата, реактива 1, реактива 2 проводятся пипеткой вместимостью 25 см3, предел допускаемой погрешности которой составляет 0, 1 см3 . При растворении используются мерные колбы вместимостью 250 см3 , с допускаемой погрешностью от номинальной вместимости 0,25 см3. Измерение оптической плотности растворов относительно контрольного раствора проводится на спектрофотометре «UNICO-2100», точность измерения которого составляет 0,003 при длине волны (625±2) нм в стеклянной кювете с толщиной поглощающего свет слоя 10 мм.

На стадии «проведение анализа» все операции подобны операциям, приведенным на стадии «подготовка к анализу». Поэтому на этой стадии имеем следующие источники неопреде- ленности: температура, повторяемость, калибровка весов, калибровка мерной посуды, нелинейность, считываемость, чувствительность, степень чистоты, прецизионность измерений, прозрачность кювет; калибровка, включающая калибровку длин волн и повторяемость.

Заключение

На основании комплексного изучения процедуры определения массовой доли белка на каждом этапе измерения проанализированы:

• -    метрологические характеристики средств измерений;

• -    источники неопределенности как степень чистоты реактивов, температура, повторяемость, калибровка мерной посуды, считываемость, нелинейность весов, чувствительность весов, калибровка весов, повторяемость при отборе проб, растворении и разбавлении, средняя степень фильтрации, повторяемость при фильтрации, установление конечной точки титрования, смещение; прецизионность измерений, прозрачность кювет; калибровка спектрофотометра, включающая калибровку длин волн и повторяемость.

Таким образом, проведенный анализ методики определения массовой доли белка в мясных полуфабрикатах свидетельствует о наличии более десяти источников неопределенности измерения.