Приборы ультразвукового контроля

Применение ультразвука для определения свойств, состава и строения веществ в промышленном производстве и в научных исследованиях основано на зависимости скорости и затухания ультразвуковых волн в объеме и поверхностном слое вещества от его состава и структуры, на законах отражения и рассеяния ультразвука на границах двух сред с различными акустическими свойствами, на изменении резонансных параметров твердых тел в зависимости от свойств окружающей среды. Акустические методы в ряде случаев позволяют заменить субъективную органолептическую оценку результатами объективного экспресс-анализа пищевых продуктов и сырья в технологических процессах их переработки.

Определение содержания белка, жира и минеральных веществ в биологических средах

Возможность определения состава биологических сред, но их акустическим свойствам появилась благодаря точным методам измерения скорости распространения и коэффициента затухания ультразвука в малых объемах. Разработке этих методов предшествовали широкие исследования в области молекулярной акустики, выявившие общие закономерности, связывающие состав и структуру биологических жидкостей и тканей с их акустическими параметрами. Внедрение акустических методов в ветеринарную санитарию и технологии переработки продуктов животноводства позволяет заменить многие субъективные оценки результатами объективного экспресс-анализа мяса, молока и мясомолочных продуктов.

Исследования показали, что акустические характеристики белков, липидов, минеральных веществ и воды в тканях аддитивны, иными словами, зависят лишь от содержания каждого из этих компонентов при неизменной концентрации остальных. Кроме того, зависимость акустических свойств белка, жира и минеральных веществ от их концентрации, а также температуры существенно различается, что и позволяет одновременно измерять содержание каждого компонента в среде сложного состава.

В простейшем случае, например для раствора белка в воде, зависимость между скоростью распространения ультразвука (и) и концентрацией белка (Сб) выражается соотношением.

где, но — скорость ультразвука в воде;

рбкоэффициент связи между скоростью ультразвука и концентрацией белка.

Для смеси нескольких веществ — белков липидов, минеральных веществ уравнение примет вид:

где Сб, С_Л, См — концентрации белка, липидов и минеральных веществ;

Рб, Рл. Рм — коэффициенты пропорциональности.

Аналогичное уравнение можно записать для затухания ультразвука в растворе смеси веществ:

Еще два уравнения, связывающие концентрации белка, липидов и минеральных веществ в биологической жидкости, можно получить, измеряя скорости ультразвука и коэффициенты его затухания при двух различных температурах —1 и t2.

В этом случае при решении системы линейных уравнений.

измеряемые акустические параметры линейно зависят от концентрации в интервале от 0 до 5 %. Аддитивность сохраняется при любых соотношениях белка, липидов и минеральных веществ, а коэффициенты в уравнениях легко определяются экспериментально. Используя приведенную выше систему уравнений, можно определить концентрацию основных компонентов биологических жидкостей.

Систему уравнений можно упростить, если учитывать не абсолютные значения ии* .a'¹, а'², а их изменения:

Решая уравнение относительно Св, С я, С", получаем.

Специальные измерения при t = 20 °C и tv= 40 °C позволили определить значения коэффициентов:

Подставляя эти коэффициенты и результаты измерений Дк'¹, Дм'², Да'¹, Да'² в последнюю систему уравнений, можно определить содержание белка, липидов и минеральных веществ в пробе.

Во избежание ошибок измерения следует проводить в разбавленных (не более 5%) гомогенатах, а результаты измерений умножать на коэффициент разбавления. Для приготовления гомогенатов предварительно измельченные кусочки мяса диспергируют, используя мощный низкочастотный ультразвук.

В некоторых случаях, например, при оценке качества молока, образец не требует предварительной подготовки, а измерения и расчеты можно существенно упростить, представив молоко в виде трехкомпонентной водной системы, содержащей белок, жир и сухие обезжиренные молочные остатки. Для подобных измерений на базе разработок Института биофизики РАН в Новосибирске создан удобный лабораторный прибор, позволяющий в течение нескольких минут в небольших (1 см³) образцах молока, мясного или колбасного фарша одновременно определить содержание жира, белка, минеральных веществ и воды.