Наука преломления: Техническое погружение в тестирование брикса
Введение
Многие профессионалы используют тест Brix для измерения “сахара”. Но на самом деле число на вашем рефрактометре показывает совсем другое. Он измеряет фундаментальный физический принцип: преломление света. Это значение является косвенным, а не абсолютным показателем сладости.
Основная наука, лежащая в основе определения Брикса, проста. Он измеряет, как свет изгибается в жидком растворе. Когда свет попадает из воздуха в образец, угол, под которым он изгибается, напрямую зависит от того, сколько вещества растворено в образце.
Шкала Brix использует это световое измерение и преобразует его в нечто более полезное. Она показывает процентное содержание сахарозы по весу в водном растворе.
Это Руководство предоставит профессионалам полный анализ. Мы изучим:
- Как происходит преломление света и что означает показатель преломления.
- Техническое сравнение аналоговых, цифровых и лабораторных рефрактометров.
- Подробный пошаговый протокол для точных и воспроизводимых измерений.
- Критические ограничения при определении Брикса и необходимые поправки для растворов без сахарозы.
- Расширенные приложения и интерпретации в ключевых контроль качества в промышленности и сельском хозяйстве настройки.
Основополагающий принцип
Понимание преломления света
Преломление происходит, когда свет переходит из одной среды в другую с другой плотностью. Луч света меняет направление, или “изгибается”.”
Представьте себе соломинку в стакане с водой. Она выглядит изогнутой, потому что в воде свет распространяется медленнее, чем в воздухе.
Это соотношение соответствует закону Снелла: n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂. Здесь n₁ и n₂ - показатели преломления двух сред. θ₁ и θ₂ - углы падения и преломления. Рефрактометр - это прибор, предназначенный для точного измерения изменения угла.
Определение показателя преломления
Коэффициент преломления (КП) - это число, показывающее, насколько сильно искривляется световой луч при попадании в материал. Он рассчитывается как отношение скорости света в вакууме к скорости света в веществе.
Вот ключ Принцип проведения испытания на бриксРастворенные твердые вещества в жидкости напрямую влияют на ее оптическую плотность.
Подробнее растворенные твердые вещества, такие как сахар, Соли или белки делают раствор оптически более плотным. Это замедляет прохождение света через него. В результате угол преломления становится больше, а коэффициент преломления - выше.
Чистая деионизированная вода при 20°C имеет коэффициент преломления около 1,3330. Это служит универсальной нулевой точкой (0,0 °Bx) на шкале Брикса. Она обеспечивает стабильную базовую линию для всех измерений.
Шкала Брикса
Шкала Брикса (°Bx) не является самостоятельной физической единицей. Это практическое преобразование измерения показателя преломления. Она преобразует абстрактное значение RI в нечто общепонятное: процентное содержание сахарозы по массе в чистой воде.
Например, раствор размером 25 °Bx имеет тот же показатель преломления, что и 25 граммов сахарозы в 75 граммах воды.
Международная комиссия по единообразию Методы работы с сахаром Анализ (ICUMSA) строго определяет и поддерживает эту шкалу. Их стандарты определяют калибровку на основе растворов сахарозы при 20°C (68°F).
Понимание этой калибровки на основе сахарозы очень важно. Это основной источник ошибок при измерении растворов с другими типами растворенных твердых веществ. Мы подробно рассмотрим это позже.
Инструменты для торговли
Аналоговые ручные рефрактометры
Простейший рефрактометр работает на чистой оптике. Он использует рассеянный свет, проходящий через образец на призме.
Свет преломляется, и вы видите внутреннюю шкалу через окуляр. Вы определяете “линию тени” - границу между светлым и темным полями, чтобы определить значение Brix.
Многие аналоговые модели имеют биметаллическую полоску, соединенную с оптическими элементами. Эта полоска расширяется или сжимается при изменении температуры. Она слегка подстраивает оптику, обеспечивая автоматическую температурную компенсацию (ATC) в ограниченном диапазоне.
Их главные преимущества - портативность, долговечность, низкая стоимость и отсутствие необходимости в электропитании.
Главный недостаток - субъективность. Показания зависят от того, как вы интерпретируете линию тени, которая у разных людей разная. Кроме того, они имеют более низкое разрешение, обычно с шагом 0,2-0,5 °Bx.
Цифровые ручные рефрактометры
Цифровые рефрактометры заменяют человеческую интерпретацию электронной точностью. В них используется контролируемый внутренний источник света, обычно светодиод, который проецирует свет на образец.
Оптический датчик высокого разрешения определяет точное положение критического угла преломления. Это электронный эквивалент теневой линии. В качестве опции можно использовать CCD (прибор с зарядовой связью) или фотодиодные матрицы.
Микропроцессор мгновенно преобразует этот угол в показатель преломления. Он применяет точную температурную коррекцию на основе внутреннего термистора. Затем на цифровом экране отображается окончательное значение Brix.
Цифровые модели обеспечивают объективные, высоковоспроизводимые результаты с превосходной точностью и разрешением, часто до 0,1 °Bx. Многие из них включают такие функции, как регистрация данных, несколько шкал (например, RI, Salinity) и программируемые пользовательские настройки.
Недостатком является более высокая первоначальная стоимость и необходимость в батареях или аккумуляторах.
Лабораторные рефрактометры (Аббе)
Рефрактометры Аббе представляют собой вершину точности в измерении показателя преломления. Это настольные приборы, разработанные для стабильных лабораторных условий, где необходима высочайшая точность.
Они оснащены сложной оптической системой с двумя призмами: измерительной и осветительной. Образец проходит между ними в виде тонкой пленки.
Многие модели Abbe оснащены портами для циркулирующей водяной бани. Это позволяет чрезвычайно точно контролировать температуру призмы и образца, что значительно превосходит возможности стандартного ATC.
В результате достигается высочайший уровень точности и прецизионности, часто с точностью до 0,0001 RI или 0,01 °Bx. Это делает их стандартом для исследований, контроля качества фармацевтической продукции и разработки стандартов концентрации.
Значительная стоимость, недостаточная мобильность, необходимость в контролируемой среде и квалифицированных операторах ограничивают их применение самыми сложными задачами.
Таблица 1: Техническое сравнение
Характеристика | Аналоговые портативные устройства | Цифровой портативный | Abbe/Lab Benchtop |
Принцип | Оптические (окружающий свет, окуляр) | Электронные (светодиод, фотодиодный датчик) | Высокоточная оптика (двойная призма, настольная) |
Точность | Умеренный (±0,2 °Bx) | Высокий (±0,1 °Bx) | Самый высокий (±0,01 - ±0,05 °Bx) |
Разрешение | 0,2 - 0,5 °Bx | 0,1 °Bx | 0,01 °Bx или лучше |
Контроль температуры | Ограниченный ATC (биметаллическая полоса) | Электронный УВД (термистор) | Внешняя водяная баня или элемент Пельтье |
Расходы | Низкий ($) | Умеренный ($$) | От высокого до очень высокого ($$$$$) |
Основной пример использования | Полевые испытания, быстрые проверки, сельское хозяйство, пчеловодство. | Лаборатории контроля качества, производство продуктов питания и напитков, пивоварение, виноделие. | Исследования, разработка стандартов, строгий контроль качества, фармацевтика. |
Дотошный метод
Шаг 1: Критическая калибровка
Калибровка - самый важный шаг для обеспечения целостности данных. Она устанавливает нулевую точку вашего прибора. Все последующие измерения сравниваются с ней.
Для этого необходимо использовать дистиллированную или, что предпочтительнее, деионизированную (DI) воду. Эти очищенные источники воды не содержат растворенных твердых частиц, которые могут изменить показатель преломления и создать неверную базовую линию.
Перед тестированием любого образца поместите несколько капель воды DI на чистую, сухую призму. Показания должны составлять ровно 0,0 °Bx.
На цифровом рефрактометре нажмите кнопку “ZERO” или “CAL”. На аналоговой модели с помощью прилагаемой отвертки поверните калибровочный винт. Поворачивайте до тех пор, пока тень линия выравнивается идеально с отметкой 0,0 на шкале. Этот шаг не является необязательным. Он является основополагающим для точности.
Шаг 2: Подготовка образцов
Точные показания зависят от хорошо подготовленных и правильно обработанных образцов. В первую очередь необходимо учитывать температуру.
Для получения точных показаний образец и призма рефрактометра должны иметь одинаковую температуру. Автоматическая температурная компенсация (ATC) помогает, но у нее есть ограничения. Она компенсирует температуру прибора, а не резкую разницу температур между горячим образцом и холодной призмой.
Для достижения наилучших результатов дайте образцу достичь температуры окружающей среды прибора. Это особенно важно для высокоточных лабораторных работ или при использовании приборов, не относящихся к АТЦ.
Однородность образца также имеет решающее значение. Измерение отражает только несколько капель на призме. Они должны представлять всю партию. Тщательно перемешивайте жидкости перед отбором проб. Для фруктов отбирайте сок из всего фрукта, а не только из одного небольшого, потенциально более сладкого участка.
Наконец, убедитесь в чистоте образца. Взвешенные твердые частицы, целлюлоза или пузырьки воздуха могут рассеивать свет. Это приводит к размытой линии тени в аналоговых моделях или ошибка в цифровых. Дайте образцам осесть или, при необходимости, отфильтруйте их. При нанесении образца используйте пипетку для забора из середины жидкости. Это позволит избежать образования поверхностной пленки или осадка.
Шаг 3: Чтение измерений
Метод снятия показаний зависит от типа прибора.
Для аналогового рефрактометра нанесите образец и закройте пластину дневного света. Поднесите прибор к естественному, яркому источнику света. Смотрите в окуляр и поворачивайте кольцо фокусировки, пока шкала не станет четкой и ясной.
Снимите показания на границе между синим и белым полями, называемой теневой линией. Считайте значение на шкала, где эта линия пересекается.
Для цифрового рефрактометра этот процесс намного проще. После внесения образца нажмите кнопку “READ” или “MEASURE”. Прибор выполнит измерение, применит температурную коррекцию и через несколько секунд выведет на экран стабильное окончательное значение Brix.
Шаг 4: Очистка после измерения
Остатки предыдущего образца - основной источник перекрестного загрязнения и неточных результатов. Призму необходимо тщательно очищать после каждого считывания.
Используйте мягкую неабразивную ткань или салфетку для линз, смоченную деионизированной водой. Аккуратно протрите поверхность призмы и нижнюю часть защитной пластины. Полностью высушите ее чистой сухой частью ткани.
Никогда не используйте агрессивные химикаты или абразивные материалы, которые могут поцарапать хрупкую поверхность призмы. Поврежденная призма навсегда нарушит точность прибора.
Таблица 2: Руководство по устранению неполадок
Проблема | Вероятная техническая причина | Решение |
Размытая линия тени | Неправильная фокусировка (аналоговая), загрязненная призма или взвешенные частицы в образце. | Настройте окуляр, очистите призму водой DI, дайте образцу осесть или отфильтруйте. |
Чтение не обнуляется | Загрязненная призма, использование водопроводной воды для калибровки или повреждение прибора. | Тщательно очистите призму водой DI, используйте только воду DI, проверьте, нет ли на призме царапин. |
Непоследовательные результаты | Перепад температур, неоднородный образец или загрязненная призма. | Дайте образцу и призме уравновеситься, хорошо перемешайте образец, очищайте призму после каждого использования. |
Цифровое сообщение об ошибке | Недостаточное количество образца, непрозрачный образец или экстремальная температура. | Убедитесь, что призма полностью закрыта, по возможности разбавьте образец, дайте температуре стабилизироваться. |
За пределами сахарозы: Ограничения
Проблема “всего остального”
Наиболее значимые Техническое ограничение тестирования по методу Брикса заключается в том, что рефрактометр не делает различий. Он измеряет общую концентрацию всех растворенных твердых веществ, а не только сахарозы.
На показатель преломления раствора влияет любое растворенное в нем вещество. Итоговое значение Brix - это суммарное значение, отражающее сумму всех этих компонентов.
К другим соединениям, которые увеличивают коэффициент преломления и могут повышать показания Brix, относятся:
- Другие сахара, такие как фруктоза и глюкоза, имеют несколько иные показатели преломления, чем сахароза.
- Органические кислоты, такие как лимонная, яблочная и винная. Они особенно актуальны во фруктах, вине и кофе.
- Растворенные минералы и соли.
- Аминокислоты, белки и пектины.
Поэтому при измерении чего-либо, кроме чистого раствора сахарозы, значение Brix технически следует называть “Apparent Brix”. Это отличный и высококоррелированный показатель содержания сахара. Но это не прямое измерение.
Интерпретация с учетом специфики применения
Понимание этого ограничения является ключевым для правильной интерпретации показаний Brix в различных профессиональных контекстах.
В виноделии показатель Brix виноградного сусла является надежным индикатором потенциального содержания алкоголя. Однако с началом брожения дрожжи потребляют сахар и производят этанол. Спирт имеет более низкий коэффициент преломления, чем вода, что искусственно снижает показания Brix. Поэтому после брожения для измерения удельного веса требуется гидрометр. Или же необходимо использовать специальные формулы коррекции, чтобы учесть присутствие алкоголя.
В промышленности, например, для управления охлаждающими жидкостями для металлообработки или антифризами, показания Brix используются в качестве косвенного показателя концентрации жидкости. Сайт производитель предоставляет определенный “коэффициент рефрактометра” (например, 1,8x). Оператор должен умножить показания Brix на этот коэффициент, чтобы определить истинный процент концентрации. Масла и гликоли в жидкости имеют совсем другой RI, чем сахароза.
В специализированном кофе брикс используется для измерения общего количества растворенных твердых веществ (TDS) в сваренном кофе. Это указывает на крепость экстракции. В этом контексте на показания в значительной степени влияет сложная смесь органических кислот, масел и других соединений. Сахароза является незначительным компонентом. Этот показатель важен для единообразия, но не отражает “содержание сахара”.”
Таблица 3: Корректировка и соображения
Приложение | Измерение первичных растворителей | Исправление / Рассмотрение |
Виноградный сок (предварительное брожение) | Сахароза, фруктоза, глюкоза, винная кислота | Считайте, что вы уже созрели и потенциально можете получить алкоголь. Считается сильным косвенным показателем общего содержания сахаров. |
Брожение вина/пива | Оставшиеся сахара, этанол, кислоты, белки | Показания Brix неточны из-за низкой RI спирта. Для оценки истинного уровня сахара (реального экстракта) необходимо использовать гидрометр или применять формулу коррекции алкоголя. |
Металлообработка Охлаждающая жидкость | Эмульгированные масла, гликоли, добавки | Умножьте показания Brix на указанный производителем “коэффициент рефрактометра” (например, 1,5x, 2,1x), чтобы получить истинную концентрацию. |
Мед | Фруктоза, глюкоза, вода, минералы, кислоты | В первую очередь используется для измерения содержания воды. Специфические рефрактометры для меда имеют шкалу, показывающую непосредственно % воды, которая находится в обратной зависимости от Brix. |
Томатная паста | Сахар (фруктоза), кислоты (лимонная), соли, пектин | Показатель “Apparent Brix” или “Natural Tomato Soluble Solids” (NTSS). Промышленность Существуют стандарты для конкретных продуктов оценки, основанные на этом чтении. |
Кофе (заварной) | Органические кислоты, липиды, меланоидины, углеводы | Показатель интерпретируется как общее количество растворенных твердых веществ (TDS) для измерения выхода и силы экстракции. Не является показателем сладости. |
Заключение
Обзор истин
Техническое владение навыками тестирования по методу Брикса необходимо выйти за рамки поверхностного определения. Главное - усвоить несколько ядро принципы, определяющие его точность и полезность.
- Тестирование на брикс - это физическое измерение коэффициента преломления. Он соотносится с общей концентрацией всех растворенных твердых веществ, а не только сахара.
- Выбор прибора - аналогового, цифрового или лабораторного - должен основываться на специфике применения и требуемом уровне точности и объективности.
- Тщательный протокол не является обязательным условием. Строгая калибровка с использованием деионизированной воды, строгий контроль температуры и тщательная очистка - основа надежных данных.
- Всегда учитывайте состав образца. Для любого раствора, не содержащего сахарозы, показания являются “кажущимся” значением, которое может потребовать поправочных коэффициентов или интерпретации в зависимости от конкретного применения.
Сила измерений
Когда вы полностью понимаете его научные принципы и присущие ему ограничения, тестирование Brix преображается. Оно перестает быть простым числом. Оно становится мощным, быстрым и экономически эффективным инструментом, основанным на данных.
Для менеджера по контролю качества, агронома или ученого-пищевика измерение Brix дает представление о контроле процесса, консистенции продукта и его конечном качестве.
Использование этих технических знаний позволяет профессионалам в самых разных областях принимать более быстрые и обоснованные решения. Это обеспечивает консистенция От поля до лаборатории и от заводского цеха до готового продукта.
- ICUMSA - Международная комиссия по унифицированным методам анализа сахара https://www.icumsa.org/
- AOAC International - Ассоциация официальных химиков-аналитиков https://www.aoac.org/
- ASTM International - Стандарты испытаний продуктов питания и напитков https://www.astm.org/
- ISO - Международная организация по стандартизации https://www.iso.org/
- FDA - Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США https://www.fda.gov/
- USDA - Министерство сельского хозяйства США https://www.usda.gov/
- Институт пищевых технологов (IFT) https://www.ift.org/
- Кодекс Алиментариус (ВОЗ/ФАО) https://www.fao.org/fao-who-codexalimentarius/
- NIST - Национальный институт стандартов и технологий https://www.nist.gov/
- Американское общество химиков-пивоваров (ASBC) https://www.asbcnet.org/
