Волоконно-оптический датчик жирности молока на основе фотолюминесцентной спектроскопии

Аннотация

Для определения процентного содержания жировой составляющей молока разработан прототип малогабаритного волоконно-оптического датчика. Принцип работы датчика основан на фото-люминесцентной спектроскопии с использованием волоконно-оптической системы, построенной по схеме разветвления на два оптических канала для доставки излучения накачки и приема флуоресцентного сигнала. Флуоресценция молока возбуждается излучением диодного УФ-лазера с длиной волны 369 нм. Ввод излучения накачки в молочную трубку осуществляется многомодовым оптическим волокном с диаметром сердцевины 50 мкм, которое одновременно используется для детектирования излучения флуоресценции. Спектр флуоресценции регистрируется с использованием волоконно-оптического мини-спектрометра в диапазоне значений 370...800 нм. На основе экспериментально измеренных спектров флуоресценции для образцов молока различной жирности установлено, что интенсивности двух пиков флуоресценции коровьего молока на длинах волн 390 и 780 нм проявляют монотонную зависимость от процентного количества жира в молоке. Построены зависимости интенсивности максимумов флуоресценции от жирности молока в диапазоне значений 0,05...6 %. Для полученных зависимостей найдены функциональные аппроксимации, которые могут быть использованы для калибровки датчика

Работа выполнена при поддержке РНФ (грант РНФ № 23-26-00110, https://rscf.ru/project/23-26-00110/)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Шкирин А.В., Козлов В.А., Игнатенко Д.Н. и др. Волоконно-оптический датчик жирности молока на основе фотолюминесцентной спектроскопии. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2024, № 1 (112), с. 93--103. EDN: DTQUFX

Литература

[1] Harding F., eds. Milk quality. Boston, MA, Springer, 1995. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4615-2195-2

[2] Truong T., Lopez C., Bhandari B., et al. (eds.) Dairy fat products and functionality. Cham, Springer, 2020. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-41661-4

[3] Alsaftli Z. The obstacles to using milk composition as management tool in dairy cattle farms. J. Adv. Dairy. Res., 2020, vol. 8, no. 1, art. 233.

[4] ICAR certifications for milk meters for cow sheep goats. icar.org. URL: https://www.icar.org/index.php/certifications/icar-certifications-for-milk-meters-for-cow-sheep-goats (дата обращения: 24.05.2023).

[5] Hu Y.T., Ting Y., Hu J.Y., et al. Techniques and methods to study functional characteristics of emulsion systems. J. Food Drug Anal., 2017, vol. 25, iss. 1, pp. 16--26. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jfda.2016.10.021

[6] Palberg T., Ballauff M., ed. Optical methods and physics of colloidal dispersions. Vol. 104. Steinkopff, Springer, 1997. DOI: https://doi.org/10.1007/BFb0110733

[7] Gastelum-Barrios A., Soto-Zarazua G.M., Escamilla-Garcia A., et al. Optical methods based on ultraviolet, visible, and near-infrared spectra to estimate fat and protein in raw milk: a review. Sensors, 2020, vol. 20, iss. 12, art. 3356. DOI: https://doi.org/10.3390/s20123356

[8] Michels R., Foschum F., Kienle A. Optical properties of fat emulsions. Opt. Express, 2008, vol. 16, iss. 8, pp. 5907--5925. DOI: https://doi.org/10.1364/OE.16.005907

[9] Chao K., Kim M.S., Lawrence K.C. Optical methods for food inspection. Sens. & Instrumen. Food Qual., 2008, vol. 2, no. 2, pp. 73--74. DOI: https://doi.org/10.1007/s11694-008-9048-y

[10] Lakowicz J.R. Principles of fluorescence spectroscopy. New York, NY, Springer, 2006. DOI: https://doi.org/10.1007/978-0-387-46312-4

[11] Khosroshahi M.E., Patel Y., Woll-Morison V. Non-destructive assessment of milk quality using pulsed UV photoacoustic, fluorescence and near FTIR spectroscopy. Laser Phys. Lett., 2022, vol. 19, no. 7, art. 075602. DOI: https://dx.doi.org/10.1088/1612-202X/ac6fc5

[12] van den Berg F., Lyndgaard C.B., Sorensen K.M., et al. Process analytical technology in the food industry. Trends Food Sci. Technol., 2013, vol. 31, iss. 1, pp. 27--35. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tifs.2012.04.007

[13] Burmistrov D.E., Pavkin D.Y., Khakimov A.R., et al. Application of optical quality control technologies in the dairy industry: an overview. Photonics, 2021, vol. 8, iss. 12, art. 551. DOI: https://doi.org/10.3390/photonics8120551

[14] Uusitalo S., Diaz-Olivares J., Sumen J., et al. Evaluation of MEMS NIR spectrometers for on-farm analysis of raw milk composition. Foods, 2021, vol. 10, iss. 11, art. 2686. DOI: https://doi.org/10.3390/foods10112686

[15] Andersen C.M., Mortensen G. Fluorescence spectroscopy: a rapid tool for analyzing dairy products. J. Agric. Food Chem., 2008, vol. 56, iss. 3, pp. 720--729. DOI: https://doi.org/10.1021/jf072025o

[16] Karoui R., Blecker C. Fluorescence spectroscopy measurement for quality assessment of food systems --- a review. Food Bioprocess. Technol., 2011, vol. 4, no. 3, pp. 364--386. DOI: https://doi.org/10.1007/s11947-010-0370-0

[17] Shaikh S., O’Donnell C. Applications of fluorescence spectroscopy in dairy processing: a review. Curr. Opin. Food Sci., 2017, vol. 17, pp. 16--24. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cofs.2017.08.004

[18] Dimitrova T., Eftimov T., Kabadzhov V., et al. Scattering and fluorescence spectra of cow milk. Bulg. Chem. Commun., 2014, vol. 46, spec. iss. B, pp. 39--43.

[19] Perez M.A., Gonzalez O., Arias J.R. Optical fiber sensors for chemical and biological measurements. In: Current Developments in Optical Fiber Technology. Intech Open, 2013. DOI: https://doi.org/10.5772/52741

[20] Wang X., Jiaojiao B., Juanjuan P., et al. Milk quality control: instant and quantitative milk fat determination with a BODIPY sensor-based fluorescence detector. Chem. Commun., 2014, vol. 50, iss. 72, pp. 10398--10401. DOI: http://dx.doi.org/10.1039/C4CC04670F

[21] King N. Fluorescence microscopy of fat in milk and milk powder. J. Dairy Res., 1955, vol. 22, iss. 2, pp. 205--210. DOI: https://doi.org/10.1017/S0022029900007731