Предпосылки применения
Понятие «шоколад» включает в себя много видов сладостей, и их характеристики значительно отличаются друг от друга. Любой шоколад, определяемый как «молочный», должен содержать не менее 12% молока и 10% шоколадного ликера, состоящего из какао-масла и сухого какао. Данный показатель является минимальным, более качественный молочный шоколад может содержать до 30-40% какао. Оставшееся содержимое может представлять собой комбинацию сахара, ванили, эмульгаторов и ароматизаторов. Белый шоколад должен содержать не менее 14% молока и 20% какао-масла, при этом из состава исключено сухое какао, чтобы избежать фруктового и горького привкуса, присущего другим видам шоколада. Темный шоколад должен содержать не менее 35% шоколадного ликера, причем этот процент часто достигает 60-70% и даже 90%, и не должен содержать молока, хотя следы молока допустимы. Несмотря на то, что эти разновидности шоколада часто можно отличить визуально по цвету и хрупкости, требуемый процент содержания означает, что молекулярный состав шоколада также позволяет идентифицировать его вид. Данные о молекулярном составе шоколада могут быть получены с помощью разных методов, включая инфракрасную спектроскопию.
Цель эксперимента, описанного в данной статье – определить различия между составами пяти видов шоколада: молочного, дешевого молочного, белого, темного с содержанием 78% какао и темного с содержанием 92% какао (рисунок 1). В качестве эталонного материала используется белая эталонная плитка. Измерения проводятся в БИК-диапазоне спектра, чтобы избежать тривиальных различий в измерениях, например, цвета.
Рисунок 1. Пять образцов шоколада и эталонная плитка, использованные для эксперимента (слева направо: молочный шоколад, дешевый молочный шоколад, белый шоколад, темный шоколад с 78% какао, темный шоколад с 92% какао и белая эталонная плитка)
Описание спектроскопической установки
Установка для эксперимента (рисунок 2) основана на спектрометре AvaSpec-NIR256-1.7-EVO. Эта модель разработана специально для измерений в БИК-диапазоне до 1,7 мкм и сочетает высокочувствительный оптический стенд и электронику нового поколения. Прибор обеспечивает исключительную производительность, включая скорость выборки 0,53 мс на одно сканирование и время интегрирования до 10 мкс. AvaSpec-NIR256-1.7-EVO оснащен надежным матричным детектором InGaAs (индий-галлий-арсенид) и электронной платой со сверхнизким уровнем шума с портами подключения USB3.0 и Giga-Ethernet на корпусе.
Дополнительные функции включают в себя несколько вариантов решеток и сменных щелей, а также цифровые и аналоговые порты ввода-вывода, которые можно использовать для управления затвором или импульсом подключенных источников света, для настройки усиления спектрометра с высокой чувствительностью или низким уровнем шума.
Рисунок 2. Установка для спектроскопии (слева). Крупный план интегрирующей сферы и образца шоколада (справа).
Источником света, использованным в эксперименте, является встроенная галогенная лампа в интегрирующей сфере AvaSphere-50-LS-HAL-12V. Несмотря на то, что интегрирующая сфера была специально разработана для областей применения отражения света, ее также можно использовать для измерений материалов с низким уровнем отражения и в БИК-диапазоне, где уровень сигнала может быть ограничен. Встроенный галогенный источник обеспечивает рассеянный свет на образце без потерь, связанных с волоконно-оптической связью, при этом на образец попадает в 160 раз больше света по сравнению со стандартной сферой. AvaSphere-50-LS-HAL-12V имеет внутренний диаметр 50 мм, отверстие для отбора проб 10 мм, эталонный порт с разъемом SMA и порт SMA с прямой коллимацией для сбора сигнала с помощью любого из спектрометров AvaSpec.
Другие аксессуары, использованные в эксперименте:
Описание методологии
Каждый образец представлял собой фрагмент шоколада, отломанный от плитки шоколада большего размера, за исключением образца дешевого молочного шоколада, который сам по себе изначально представлял собой отдельный фрагмент. Каждый образец хранился в выдвижном ящике в помещении при температуре около 70°F, чтобы гарантировать отсутствие расплавления или изменения цвета. При анализе каждый образец шоколада по отдельности помещали на предметное стекло, которое затем помещали над отверстием для отбора проб интегрирующей сферы (рисунок 2). Это предметное стекло предотвращало попадание небольшого количества шоколада в интегрирующую сферу и ее загрязнение. Кроме того, оно позволило точнее определить расстояние измерения, что повысило надежность сравнения образцов. Сначала для установления эталона белая эталонная плитка была измерена и помещена на предметное стекло, чтобы обеспечить согласованность расстояния измерения.
В эксклюзивном пользовательском пакете программного обеспечения для анализа данных AvaSoft был использован режим поглощения. Этот режим специально разработан для области применения поглощения света, где эталонное измерение покажет 0 условных единиц (единицы поглощения) и 5 условных единиц при выключенном источнике света. В данном эксперименте в качестве эталона использовалась белая эталонная плитка. Время интегрирования было равно приблизительно 3 миллисекундам и может быть скорректировано для увеличения или уменьшения количества света, измеряемого за один раз. Время интегрирования влияет на общую величину регистрируемого спектра. Было установлено усреднение равное 100, т.е. 100 значений были усреднены вместе, чтобы получить более согласованные результаты спектров. Такое большое количество средних значений возможно при меньшем времени интегрирования.
Данные и результаты испытаний
Рисунок 3. Спектр поглощения образца молочного шоколада (пики на 1209,81 нм и 1437,32 нм с величинами 0,50 у.е. и 0,74 у.е. соответственно)
Рисунок 4. Спектр поглощения образца дешевого молочного шоколада (пики на 1209,81 нм и 1437,32 нм с величинами 0,52 у.е. и 0,79 у.е. соответственно)
Рисунок 5. Спектр поглощения образца белого шоколада (пики на 1209,81 нм и 1437,32 нм с величинами 0,52 у.е. и 0,79 у.е. соответственно)
Рисунок 6. Спектр поглощения образца темного шоколада с 78% какао (пики на 1209,81 нм и 1437,32 нм с величинами 0,53 у.е. и 0,68 у.е. соответственно)
Рисунок 7. Спектр образца темного шоколада с 92% какао (пики на 1128,26 нм и 1322,60 нм с величинами 34303,70 отсчетов и 48289,00 отсчетов соответственно)
Рисунок 8. Спектры поглощения образца молочного шоколада (синий), образца дешевого молочного шоколада (красный), образца белого шоколада (светло-зеленый), образца темного шоколада с 78% какао (темно-красный) и образца темного шоколада с 92% какао (темно-зеленый), показаны вместе для сравнения
Анализ данных испытания
Спектры поглощения для всех образцов шоколада имели пики на 1209,81 нм и 1437,32 нм. Образец молочного шоколада имел значения поглощения 0,50 у.е. и 0,74 у.е. на каждом соответствующем пике (рисунок 3). Образец дешевого молочного шоколада имел значения поглощения 0,52 у.е. и 0,79 у.е. на каждом соответствующем пике (рисунок 4). Образец белого шоколада имел значения поглощения 0,52 у.е. и 0,79 у.е. на каждом соответствующем пике (рисунок 5). Образец темного шоколада с 78% какао имел значения поглощения 0,53 у.е. и 0,68 у.е. на каждом соответствующем пике (рисунок 6). Образец темного шоколада с 92% какао имел значения поглощения 0,52 у.е. и 0,62 у.е. на каждом соответствующем пике (рисунок 7). Также приведен график всех пяти спектров, иллюстрирующий различия между интенсивностью пиков (рисунок 8).
Для пика на 1209,81 нм образец темного шоколада с 78% какао показал самое высокое значение поглощения, за ним следует образец темного шоколада с 92% какао, образец белого шоколада и образец дешевого молочного шоколада. Образец молочного шоколада имел наименьшее значение поглощения на этой длине волны. О чем свидетельствует пик на 1209,81 нм, становится ясно только при более сложном анализе, хотя второй пик, наблюдаемый на 1437,32 нм, может быть более очевидным с точки зрения данных.
На пике 1437,32 нм образцы белого шоколада и дешевого молочного шоколада имеют самые высокие значения поглощения; за ними следует образец молочного шоколада, далее – образец темного шоколада с 78% какао и образец темного шоколада с 92% какао.
Основываясь на этом соотношении, можно выдвинуть гипотезу, что этот пик указывает на содержание сахара. В среднем на порцию белого шоколада весом 28 г приходится 15 г сахара, на порцию дешевого молочного шоколада – 16 г, молочного шоколада – 12 г, темного шоколада с 78% какао – 5 г, темного шоколада с 92% какао – 2 г сахара. Данная гипотеза является лишь предположением, поскольку аналогичные тенденции можно проследить и в отношении других ингредиентов, таких как сухое молоко и ароматизаторы.
Более сложные анализы, в частности хемометрия, могут подтвердить гипотезу на основании первого наблюдаемого пика.
Выводы
Настоящий эксперимент подчеркивает различия, которые можно наблюдать между видами шоколада с помощью инфракрасной спектроскопии. Однако для полной интерпретации и количественной оценки измеренных различий необходимо провести дальнейший анализ. AvaSpec-NIR256-1.7-EVO – это универсальный БИК-спектрометр с множеством доступных опций исходя из пропускной способности и требований области применения. AvaSphere-50-LS-HAL-12V разработан специально для измерения коэффициента отражения, но эффективен в любых областях, где может возникнуть проблема с ограниченным уровнем сигнала.
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности
по поставке оборудования на территории РФ
В статье описывается биочип, сочетающий электрод для определения концентрации фенилаланина и микрофлюидный модуль для регистрации скорости потоотделения, изготовленный с использованием лазера. Биочип используется для неинвазивного мониторинга состояния пациентов с метаболическими нарушениями.
В статье описана генерация сверхширокого плоского суперконтинуума (350-1750 нм) с одномодовым поперечным профилем в видимом диапазоне. Для накачки микроструктурированного оптического волокна используется лазер с длиной волны 1064 нм, вторая гармоника накачки генерируется непосредственно в волокне.
В статье приводится применение и основные параметры одночастотных лазеров. Сравниваются лазеры CNI серии MSL с известными европейскими и американскими производителями.
В статье описан метод генерации суперконтинуума, расширенного в видимый диапазон. За счет четырехволнового смешения накачка 1064 нм создает антистоксовы и стоксовы компоненты на 831 нм и 1478 нм. Фазовый синхронизм обеспечивается благодаря микроструктурированному мультимодальному волокну особой конструкции.
В статье описывается усовершенствование метода лазерно-водоструйной обработки: добавление коаксиально-кольцевой аргоновой струи, мгновенно очищающей отверстие от образующегося осадка. Таким образом сохраняется высокий объем абляции при создании глубоких отверстий в сложно обрабатываемых материалах.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3
