автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Методология контроля вина распознаванием.
- доктора технических наук
- Гаврилина, Вера Александровна
- город
- Орел
- год
- 2013
- специальность ВАК РФ
- 05.11.13
Автореферат диссертации по теме "Методология контроля вина распознаванием."
005531452
МЕТОДОЛОГИЯ КОНТРОЛЯ ВИНА РАСПОЗНАВАНИЕМ
05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
11 ¡:;ол 2013
Орел-2013
005531452
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет - учебно-научный-производственый комплекс»
Научный консультант: доктор технических наук
СЫЧЕВ Сергей Николаевич
Официальные оппоненты: ИВАНОВ Борис Рудольфович
доктор технических наук, профессор, Академия ФСО России, профессор кафедры «Электроника и теория связи»
РУДАКОВ Олег Борисович
доктор химических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, заведующий кафедрой физики и химии
ЕЛИССЕВ Михаил Николаевич
доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова», профессор кафедры «Товароведение и товарная экспертиза»
Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный
национальный исследовательский университет»
Защита состоится «01» октября 2013 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.182.01 при ФГБОУ ВПО «Госуниверситет -УНПК» по адресу: 302020, Орел, Наугорское шоссе, д.29, аудитория 212.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверситет
Автореферат разослан «28» июня 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
Волков Вадим Николаевич
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Необходимость улучшения системы контроля вина (многокомпонентной физико-химической системы с частично известным переменным составом - далее MC) связана с производством и потреблением сотен миллионов декалитров фальсифицированного и некачественного вина и низкой эффективностью существующих методов контроля, особенно при поточном производстве и оптовых закупках. Несмотря на большое количество публикаций в области физико-химических методов контроля, где можно выделить работы: Ferreira V., Lopez R.,. Cartoni G.F., Coccioli F., Mangas Juan J., Rodriges R., Moreno J., Suarez В., Blanco D„ Granados J.Q., Mir M.V., Garcia-Serrana H.L., Lorez Martines M.C., Baron R., Mayen M., Garcia-Parrila M.C., Gonzales G.A., Heredia F.J., Somers N.C., Елисеева M.H., Положишниковой M. А., Савчук, С. А. и т.д. — признанных лидеров в области контроля вина физико-химическими методами не существует, как и не существует подходов к эффективному решению данной проблемы.
Установлено, что процедура контроля MC при поточном производстве резко отличается от проведения химического анализа, где не гарантирована достоверность и интерпретация выводов при скрининговом анализе, не нормирована длительность процесса анализа, унификация условий, стоимость анализа и квалификация персонала. Контроль вина должен быть: универсален к определению разных классов соединений, содержащихся в MC (для достоверности при скрининговом анализе); способен отвечать на вопросы по идентичности, подобию и не идентичности (фальсификации) исследуемого образца по отношению к контрольному; высокоэкономичен для минимального вклада процедуры контроля в себестоимость продукции; свободен от субъективного влияния оператора на обработку хроматографических данных и на конечные результаты; обладать невозможностью подделки результатов на всех стадиях технологической цепочки «производство - розлив - транспортировка - розничная торговля». В настоящее время ни один метод и даже комплекс инструментальных методов анализа не могут соответствовать таким требованиям, все это приводит к отсутствию контроля вин и других MC при их поточном производстве.
Выход из сложившейся ситуации необходимо искать в разработке универсальной методологии контроля, основанной на принципиально новых подходах к разработке методик контроля вин; например, на распозновании вина и других MC по вычисленным признакам. Такой подход позволяет реализовать не только выборочный, но и массовый контроль вин при поточном призводстве, что и определяет актуальность исследований. Сущность работы состоит в разработке новой методологии контроля вина и других MC, обеспечивающего распознавание вин по вычисленным признакам и основанного на комбинированном использовании высокоэффективной жидкостной хроматографии и метода главных компонент («ВЭЖХ - МГК»), а также в исследовании свойств этого метода.
Объектом исследования являются свойства и характеристики методологии и методов контроля вина и других MC. В качестве предмета исследования -свойства и характеристики отдельных компонентов методологии контроля вина и других MC с использованием комбинированного метода «ВЭЖХ - МГК» и
свойства самого комбинированного метода, разработанной нами специально для реализации контроля вин и других МС при их поточном производстве.
Цель работы - разработка методологии проведения унифицированного контроля вин комбинированным методом «ВЭЖХ - МКГ» при их поточном производстве и больших объемах оптовых закупок на всех стадиях: «производство - розлив - транспортировка - розничная торговля», обеспечивающего высокую производительность и достоверность оценки качества вин и компонентов МС.
Основные задачи исследований:
1. Анализ современного состояния проблемы контроля вина и сравнения исследуемого и контрольного образцов вина и других МС.
2. Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение справедливости гипотез, служащих теоретической основой методологии контроля вин распознаванием.
3. Проведение анализа и экспериментальных исследований свойств и характеристик компонентов комбинированного метода «ВЭЖХ - МГК».
4. Разработка и изготовление опытного образца аппаратно-программного комплекса «Дегустатор» для исследований свойств и характеристик комбинированного метода «ВЭЖХ - МГК».
5. Разработка методик применения комбинированного метода «ВЭЖХ -МГК».
6. Экспериментальная проверка количественных критериев идентичности и подобия вин и других МС с оценкой граничных условий его применимости для контроля разных вин.
7. Разработка и экспериментальная проверка процедуры уточнения вкладов различных факторов при контроле методом «ВЭЖХ - МГК» с определением погрешности коэффициентов корреляции линейно-независимых факторов матриц оптических плотностей многоволновых хроматограмм.
8. Разработка и экспериментальная проверка процедуры оптимизации детектирования при использовании метода «ВЭЖХ - МГК».
9. Разработка универсального метода контроля красного вина на основе спектральных отношений и времен удерживания.
10. Экспериментальная оценка универсальности предложенной методологии путем разработки методик для контроля других МС.
11. Получение массива (банка) хроматографических данных по винам разных марок для расширения областей распознавания и контроля.
Методы и средства исследования. Экспериментальные исследования проведены на опытном образце аппаратно-программного комплекса «Дегустатор», разработанного и изготовленного на базе хроматографов «Милихром-6» с системой обработки хроматографических данных «ишСИгот». При обработке экспериментальных данных использовались методы математической статистики и регрессионного анализа. Применяемый метод главных компонент реализован в специализированном программном обеспечении для комплекса «Дегустатор» и в наборе программ 81а^81юа 6.0. Для получения базовых факторов разных вин использовались образцы сортовых виноматериалов, предоставленных кафедрой виноградарства и виноделия КубГТУ.
Достоверность научных положений и полученных результатов подтверждена многократной экспериментальной проверкой полученных результатов и применением математических методов регрессионного, корреляционного и мультикорреляционного анализа (метода главных компонент).
Научная новизна работы
1. Предложена и обоснована методология универсального контроля вин и других МС распознаванием на основе вычисленных факторов, используемых для сравнения исследуемого и контролируемого образцов МС.
2. Обоснованы и экспериментально подтверждены выдвинутые гипотезы, являющимися теоретической основой предложенной методологии: о существовании ограниченного количества линейно-независимых базовых электронных спектров МС однородного происхождения; о существовании небольшого количества линейно-независимых базовых электронных структур МС однородного происхождения: электронные структуры реальных соединений, входящих в сложный объект, являются линейными комбинациями базовых.
3. Получены специальные характеристики компонентов метода «ВЭЖХ -МГК»: состав и свойства универсальных элюентов, форма и воспроизводимость градиента, зависимость погрешности спектральных отношений от характеристики «сигнал/шум».
4. Обоснованы и рассчитаны количественные критерии идентичности и подобия вин при использовании комбинированного метода «ВЭЖХ — МГК».
5. Доказана универсальность применения методологии котроля распознаванием путем решения различных задач по контролю вина, других МС, решению задач в области хемо-систематики растений и медицине (распознаванию синдрома эндогенной интоксикации).
6. Предложена и экспериментально подтверждена методика процедуры уточнения вкладов различных факторов в комбинации методов «ВЭЖХ - МГК».
Практическая значимость работы
1. Разработан комбинированный метод «ВЭЖХ - МГК» универсального контроля вина с распознаванием компонентов МС, отвечающий всем требованиям, предъявляемым к поточному контролю качества вин и других МС:
— универсальности за счет одновременного определения разных классов соединений, содержащихся в МС или вине;
-достоверности за счет ограничения относительной ошибки в 5% по временам удерживания воспроизведенной по полученным факторам матрицам по отношению к исходной;
— способности отвечать на вопросы по идентичности, подобию и не идентичности (фальсификации) исследуемого (контролируемого) образца по отношению к контрольному;
— высокой экономичности и производительности контроля;
— исключении влияния оператора на обработку хроматографических данных и конечные результаты контроля;
— невозможности подделки результатов контроля на всех стадиях цепочки «производство - розлив - транспортировка - розничная торговля» вина.
Выполнение указанных требований обеспечивается благодаря максимальной формагтизизации процесса контроля качества вина, что позволило сделать результаты контроля более достоверными, а процедуру контроля -быстрой и не трудоемкой по сравнению с существующими способами.
2. Проведено 20 официальных экспертиз вина с участием дегустаторов международного класса и около 250 - неофициальных, подтвердивших эффективность контроля вин методом «ВЭЖХ - МГК».
3. Разработан универсальный метод контроля красного вина на основе спектральных отношений и времен удерживания.
4. В результате работы по распознаванию синдрома эндогенной интоксикации выявлен перспективный подход к решению проблемы раннего обнаружения отравлений при отсутствии ксенобиотика в плазме крови.
5. Получен массив экспериментальных многоволновых хроматографических
данных по винам разных марок и другим МС, позволяющий расширить
области контроля методом «ВЭЖХ - МГК».
Реализация и внедрение результатов работы
1. Результаты диссертационной работы использованы для совершенствования аппаратно-программного комплекса «Дегустатор» и разработки методик контроля вин разных марок на основе этого комплекса.
2. Результаты диссертации использованы для подготовки к проведению ОКР на разработку комплекса учебно-научной аппаратуры для контроля вина на базе хроматографов «Милихром-1», «Милихром-5-Ф» и «Милихром-6».
3. Разработан и подготовлен к аттестации проект методических условий по контролю вин комбинированным методом «ВЭЖХ - МГК».
4. Материалы диссертационной работы использованы в опубликованном учебном пособии с грифом УМО «Высокоэффективная жидкостная хроматография» и в учебном пособии «ВЭЖХ: аналитика, физическая химия, распознование многокомпонентных систем».
5. Материалы работы используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» при изучении дисциплины «Неразрушающие методы контроля веществ, материалов и изделий».
6. Материалы диссертационной работы были использованы в работе по выполнению Государственного контракта № 14.740.11.0271 от 17.09.2010 г.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждены на Международных научных, научно-технических и научно-практических конференциях: «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг» (Орел - 2004), «Хроматография и адсорбция» (Москва - 2004), «Неразрушающий контроль» (Москва - 2005), «Экономические и технологические аспекты производства, экспертизы качества, маркетинга и рекламы товаров: методология, теория, практика» (Орел - 2005), «Напитки-РЯО» (Москва - 2006), «Приоритеты и научное обеспечение реализации государственной политики здорового питания в России» (Орел - 2006), «Информационные технологии в науке, образовании и производстве», (Орел - 2012), «Физико-химические процессы в конденсированных фазах и на межфазных границах» (Воронеж -2012).
Публикации. По теме данного исследования опубликовано 32 работы, в том числе 23 статьи журналах и изданиях, рекомендованных ВАК, 6 статей в других научных журналах, 3 монографии.
Личный вклад автора. Результаты, полученные в соавторстве и отраженные в диссертации, заключаются в теоретическом обосновании и постановке проблемы, разработке общей методологии и конкретных методик. Все экспериментальные работы выполнены автором лично или под его рукодством.
Положения, выносимые на защиту
1. Обоснование необходимости разработки концепции принципиально новой методологии контроля вин и других МС распознаванием на основе вычисленных факторов и формализации методов сравнения исследуемого и контролируемого образцов.
2. Результаты исследования специальных характеристик компонентов комбинированного метода «ВЭЖХ - МГК», в том числе состава универсальных элюентов, формы и воспроизводимости градиента, зависимости погрешности спектральных отношений от характеристики «сигнал/шум».
3. Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение двух гипотез, являющихся основой предложенной методологии: о существовании ограниченного количества линейно-независимых базовых электронных спектров МС однородного происхождения; об ограниченном количестве линейно-независимых базовых электронных структур МС однородного происхождения -электронные структуры реальных соединений, входящих в сложный объект, являются линейными комбинациями базовых.
4. Получение и экспериментальная проверка выдвинутых критериев идентичности и подобия вин комбинированным методом ВЭЖХ - МГК.
5. Процедура уточнения вкладов факторов, выделяемых комбинированным методом ВЭЖХ - МГК, и ее экспериментальная проверка.
6. Доказательство универсальности применения методологии котроля распознаванием путем решения различных задач по контролю вина, других МС, решению задач в области хемо-систематики растений и медицине (распознаванию синдрома эндогенной интоксикации).
7. Экспресс-метод контроля качества красных вин по спектральным отношениям компонентов.
Структура н объем диссертации.
Диссертация изложена на 259 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка, 76 таблиц и состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы (182 наименования), 2 приложений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность и значимость работы, сформулированы требования к методологии и методам контроля вина, приведены положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлен анализ современного состояния методологии и методов контроля качества вина, исходя из из стандартных и общепринятых требований. Рассмотрена проблема сравнения многокомпонентных физико-химических систем с частично известным переменным составом (МС), введены
понятия идентичности, подобия и не идентичности контрольного и исследуемого образцов. Так, термин «вино, идентичное контрольному образцу» означает вино взятое из одной бутылки или из одной бочки, или приготовленное из винограда' собранного в одном и том же году, с одного и того же участка и изготовленного строго по одной и той же технологии. Термин «вино, подобное контрольному образцу» означает вино, приготовленное из выращенного на территории того же винодельческого района винограда того же сорта, что и контрольное, и изготовленного по близкой технологии.
В результате анализа установлено, что в настоящее время основной методологией контроля вина является идентификация вин по ограниченному числу феноменологических параметров. Так, например, основным видом контроля вина в настоящее время является определение небольшого количества общих физико-химических характеристик вина, таких как содержания этилового спирта, сахара и титруемых кислот, в комбинации с результатами органолептического анализа. Органолептический анализ играет исключительную роль в контроле вина: в главе первой показано, что классные дегустаторы различают более 30 признзнаков вина: цвет, вкус, запах, послевкусие, консистенцию и т.д., имеющих, в свою очередь, сложную внутреннюю структуру. Но если речь идет об официальном обнаружении фальсификации вина, то органолептический метод не имеет шансов: одной команде дегустаторов всегда можно противопоставить другую. Не пригоден органолептический метод и для поточного контроля: слишком медленный, очень субъективный, легко оспариваемый в любом суде.
Выявлено, что современные инструментальные методы контроля вина, включая продвинутые анализаторы вина, обладают ограниченным количеством сравниваемых параметров (максимум 18 для наиболее продвинутого анализатора производства Дания - Швеция). На фоне более 400 соединений, входящих в состав вина, 18 параметров выглядят явно недостаточно, тем более что эти праметры легко фальсифицируются технологами. Если анализаторы работают быстро, но выдают ограниченное количество параметров, то современные инструментальные методы хороши при рассмотрении отдельных профилей вин, выбираемых достаточно произвольно, но не приспособлены к скрининговому контролю ввиду необходимости предварительной подготовки пробы. В процессе пробоподготовки достоверными можно считать результаты одного профиля, который включает максимум 30 - 40 соединений. В таблице 1 представлены современные методы контроля вина с оценкой их универсальности по классам соединений (достоверности), унификации, длительности, стоимости аппаратуры и т.д. при общем количестве соединений, входящих в состав вина более 400.
ФЭК - фотоэлектрокалориметры на видимую область; СФ -спектрофотометры на УФ- и ВИД- области; ИК-анализаторы вина с РТЖ; ГХ -газовые хроматографы; ЖХ - жидкостные хроматографы; ЖХ-МС - жидкостной хромато-масс-спектрометр.
Таблица 1
Сравнительные характеристики современных физико-химических методов
Приборы Универсал ь -ность по классам соединений Максимальное количество параметров сравнения, длительность процедуры Влияние опратора или интерпре тации Унификация условий, возможность анализа нативной формы вина Способность доказать идентич ность образцов Цена аппаратуры тыс.руб. Пригодность к контролю при поточном производстве
ФЭК Только красители Один, 10 - 15 мин. с пробо-подГОТОвкой Возможно Унификация возможна, анализ нативной формы возможен Не способны 40-70 Пригодны
СФ Универсальны Один, 10-15 мин. с пробо-подготовкой Возможно Унификация возможна, анализ нативной формы невозможен Не способны 60 - 600 Пригодны
ИК Универсальны До 18, до 1 мин. Невозможно Унификация возможна, анализ нативной формы возможен Не способны от 1300 и выше Пригодны
ГХ Только летучие соединения Ограничения только по емкости колонок; от 5 мин. до 2 часов, с пробоподготов кой - до 8 - 12 часов Возможно Унификация возможна, анализ нативной формы невозможен Не способны От 500 до 2500 Ограничено пригодны
ЖХ Универсаль ны Ограничения только по емкости колонок; от 5 мин. до 2 часов, с пробоподготов кой - до 8 - 12 часов Возможно; интерпре тация затруднена Унификация возможна, анализ нативной формы ограниченно возможен Ограниченно способен От 600 до 3000 Ограниченно пригодны
ЖХ-МС Универсаль -ны Ограничения только по емкости колонок; от 5 мин. до 2 часов, с пробоподготов кой - до 8 - 12 часов Большая роль оператора Унификация ограниченно возможна Спобен, но интерпретация результатов затруднена От 13000 до 20000 Непригодны, прибор для исследования
Из таблицы 1 следуют несколько выводов:
1. Установлено, что ни один метод при классической пробоподготовке и стандартной обработке результатов не может быть использован в качестве анализатора вина;
2. Выявлено, что наиболее подходящей для контроля качества вина и универсальной по классам соединений аппаратурой являются жидкостные хроматографы, но и они не в состоянии контролировать вина в нативной форме после обычной фильтрации пробы. В меньшей степени это относится к ВЭЖХ при использовании дешевых хроматографических колонок, технология изготовления которых разработана нами специально для случаев работы с МС в нативной форме. Специально для случаев скринингового анализа также нами разработан универсальный элюент, ставший основой унификации проведения контроля вин.
3. Определено, что используемая в классической аналитической химии методология контроля, базирующийся на идентификации вин по ограниченному числу феноменологически подобранных параметров (исходя из личного опыта или фантазии исследователя) неприемлем, так как не дает какой-либо уверенности в правильности сделанных выводов; необходимо использовать принципиально другую, максимально формализованную, методологию контроля, основанную, например, на распознавании вина как целого, создавая «образ» контролируемого вина на основе вычисленных признаков. Такой способ связан с выделением линейно-независимых факторов (параметров) методом главных компонент (МГК) из экспериментальных данных, описывающих МС с определенной точностью и не ограничен предпочтениями разработчика.
Во второй главе рассмотрены компоненты наиболее перспективного для контроля вина и других МС при их поточном производстве комбинированного метода «ВЭЖХ - МГК»: универсальные элюенты для скринингового анализа, аппаратура для ВЭЖХ и сам метод главных компонент. Универсальный элюент был разработан нами на основе эмпирических правил регулирования селективности в обращено-фазовой ВЭЖХ (ОФ ВЭЖХ), важнейшим из которых стал прием снятия уширения пиков. Наиболее универсальным элюентом в ОФ ВЭЖХ является смесь «ацетонитрил - 0.03 М КН2Р04 - диэтиламин - фосфорная кислота». Такой универсальный элюент особенно эффективен при анализе водных, водно-спиртовых или спиртовых растительных или животных экстрактов^ содержащих ионогенные соединения как кислого, так и основного характера' Универсальность предложного элюента кроме вина проверена при решении большого ряда задач, одна из которых приведена ниже (рис. 1).
Рис. 1 - Многоволновая хроматограмма вина «Каберне» - А; Б -Хроматограмма фальсифицированного напитка «Байкал». Колонка 80x2, заполнена Диасорбом С16 (16% С). Элюент: градиент ацетонитрила в буфере Буфер: к 100 мл 0.02М КН2Р04 прибавляют 0.5 мл диэтиламина и доводят раствор до рН=2.6 орто-фосфорной кислотой)
Универсальность и унификация элюента является необходимым условием контроля вина и других МС при их поточном производстве.
Хроматограф для проведения контроля сложных многокомпонентных физико-химических систем методом «ВЭЖХ - МГК» должен отвечать довольно противоречивым требованиям: быть сравнительно дешевым (диапазон цен: 500 тыс. руб. - 1,0 млн. руб.); быть способным к проведению градиентного элюирования со стороны высокого давления; необходимо, чтобы детектор был одновременно многоволновым и сканирующим; из экономических соображений (уменьшение вклада расходов на контроль в себестоимость продукции) необходимо,чтобы хроматограф мог работать с короткими дешевыми колонками с небольшим диаметром; также необходимо, чтобы программное обеспечение обеспечивало получение хроматограммы в цифровом виде с целью использования специализированного программного обеспечения, ядром которого является метод главных компонент.
Проведенный анализ существующей аппаратуры показал, что наиболее близко к требованиям, указанным выше, подходят два российских аппарата: «Милихром А-02» и более простой (но менее надежный) «Милихром-6». Зарубежные модели, более продвинутые и надежные, чем «Милихром-6» по
совокупности технических требований к анализатору вин уступают довольно архаичному аппарату со сравнительно низкой надежностью (рис.2).
УФ
Гг~"п1
н
Ii ä ■
в
Рис. 2 - Общий вид и устройство комплекса «Дегустатор» (на базе хроматографа
«Милихром-6»), 1 - блок управления микропроцессорный (БУМ), 3 - насосы микрошприцевые, 4 - устройство ввода пробы автоматизированное (УВПА), 5 -сканирующий СФД на UV - и VIS - области; 6 - автоматизированная система обработки информации хроматографическое (АСОИХ), 7 - смеситель, 2 - колонка аналитическая хроматографическая в термостате.
Комплекс «Дегустатор» соответствует следующим требованиям к анализатору вин: проведение градиентного элюирования со стороны высокого давления с приемлемой воспроизводимостью (относительное СКО по временам удерживания не превышает 1,5%); UV- и VIS- спектрофотометрические детекторы хроматографа одновременно многоволновые и сканирующие; комплекс с приличным разрешением работает на коротких дешевых колонках (стоимость не выше 6 тыс. руб.) с небольшим диаметром. «Милихром-6» укомплектован аттестованным программным обеспечением «UniChrom», позволяющим представлять и использовать хроматограммы в цифровом виде, что практически невозможно в отношении программ управления и обработки зарубежных хроматографов.
Одним из основных параметров многоволновых сканирующих спектрофотометрических детекторов (СФД), используемых для скрининга ВЭЖХ, являются так называемые спектральные отношения. Термин «спектральное отношение» при многоволновом спектрофотометрическом детектировании понимается как отношение оптической плотности хроматографического пика при детектировании на одной длине волны к оптической плотности хроматографического пика при детектировании на другой длине волны и определяется по формуле (1):
D=AU/AU (1)
где D - спектральное отношение;
АХ1 - оптическая плотность хроматографического пика на длине волны X,,;
А12- оптическая плотность хроматографического пика на длине волны Х2.
Представление о зависимости относительной погрешности спектральных отношений от соотношения сигнап/шум для конкретной модели используемого детектора, работающего в многоволновом режиме, необходимо в двух случаях: при разработке методик с идентификацией соединений по спектральным отношениям и применении комбинированного метода «ВЭЖХ - МГК» для установки пределов детектирования прямо в специализированной компьютерной программе и недоступных для оператора (табл. 2).
Из табл.2 следует: чтобы получить погрешность определения спектральных отношений менее 10%, необходимо, чтобы среднее значение соотношения «сигнал - шум» хроматографического пика, используемого для определения спектрального отношения, было не менее 10:1.
Таблица 2
Относительные погрешности определения спектральных отношений для разных соотношений «сигнал/шум» в пятиволновом режиме (х,... х,) детектирования
Дозирование 1 mmj Длины волн X, и Хг
Диапазон соотношений Спектральные отношения Относительная Относительная
«сигнал/шум» о=л1,/л11 погрешность при погрешность при
Р = 95% и N = 5 Р = 99 % и N = 5
5-7 6,51 10,2
1 0,998
2 1,064
3 1,070
4 1,093
5 1,168
Дозирование 1 мм' Длины волн и Ъ
Диапазон соотношений Спектральные отношения Относительная Относительная
«сигнал/шум» 0=А„/Аи погрешность при погрешность при
Р = 95% и N = 5 Р = 99 % и N = 5
15-28 3,33 5,22
1 1,082
2 1,098
3 1,090
4 1,130
5 1,160
Дозирование 1 мм3 Длины волн Х5 и х4
Диапазон соотношений Спектральные отношения Относительная Относительная
«сигнал/шум» О = Л^А» погрешность при погрешность при
Р = 95% и N = 5 Р = 99 % и N = 5
65-170 1,05 1,65
1 1,861
2 1,863
3 1,862
4 1,849
5 1,823
Дозирование 3 mmj Длины волн Х5 и >-4
Диапазон соотношений Спектральные отношения Относительная Относительная
«сигнал/шум» й=АхМи погрешность при погрешность при
Р = 95% и N = 5 Р = 99 % и N = 5
210-550 0,93 1,46
i 1,845
2 1,819
3 1,848
4 1,855
5 1,828
Основой третьего компонента комбинации «ВЭЖХ - МГК» является модифицированный вариант метода главных компонент, ранее никогда не применявшегося для распознавания вина и других MC.
Метод главных компонент применяется во многих областях, таких как распознавание образов, компьютерное зрение, сжатие данных и т. п. Метод главных компонент является разновидностью мультикорреляционного анализа, т.е. метода, основанного на обработке корреляционных матриц большой размерности. Суть метода главных компонент состоит в следующем: элементы Aik (экспериментальные величины полипараметрического анализа) исходной размерности dim А = mxn (ш - количество столбцов, п - количество строк) приводятся к новым величинам, имеющим нулевые средние и единичные дисперсии по формуле:
■л А.ь
(2)
— УЧ*
где А, = '* - среднее значение Aik по столбцам;
S] - стандартное отклонение.
Далее будем подразумевать, что матрица А преобразована по (2). Вычисляется корреляционная матрица С = А-Ат/(п - 1), dim С = mxm, элементы которой Cik - выборочные коэффициенты парной корреляции исходных признаков А| и Ак. Существует ортогональное преобразование системы координат, с помощью которого матрица С приводится к диагональному виду:
УТСВ = А (3)
где V - матрица преобразования (матрица векторов),
A-diag(X,,À2..Am) (4)
-диагональная матрица, А.,, Х2- собственные значения матрицы С, отвечающие ее i-ому собственному числу X. Матрица А при этом преобразуется по закону:
A = V-F (5)
где F - преобразованная матрица А (матрица факторов), причем факторы не коррелируют друг с другом (их ковариационная матрица А - диагональная). Преобразуем Я.] в (4) таким образом, чтобы выполнялось условие X, >Х2> >... X,
Если между исходными признаками существовала линейная зависимость, то только первые Я.ь Х2, Х3, Хг... отличны от нуля, из чего следует, что последние m-r строк матрицы F состоят из одних нулей. Поэтому равенство (5) можно переписать в виде
Л = (6)
где матрицы {V} и {F} есть соответствующие подматрицы матриц V и F.
Вследствие экспериментальной погрешности при измерении параметров Aik все или большая часть X-, могут оказаться отличными от нуля, однако, если их значения различаются достаточно сильно, то остаточная дисперсия определенная,
как е = будет малой величиной некоторого числа г.
Малость остаточной дисперсии е оценивается, исходя из заранее сформулированных требований точности. Оценкой вклада г факторов может служить величина
¿л
/I - _ Г1\
Если ввести меру информации, как величину, пропорциональную следу ковариационной матрицы параметров, то по (7) можно судить о том, какой объем информации, содержащейся в параметрах Аь А2, А3,....Ат сохраняется при переходе к новым параметрам Рь Р2, ...Рг, которые называются главными компонентами (факторами).
Обычно, меру информации получают в виде q 100 % и называют вкладом фактора в информацию, содержащуюся в исходной матрице А.
При использовании метода главных компонент мы предполагаем, что несколько измеряемых переменных сильно коррелируют друг с другом. Это означает, что, либо они взаимно определяют друг друга, либо связь между ними обусловливается третьей величиной, которую непосредственно измерить нельзя. Модель главных компонент в большей степени связана с последним предположением и дает возможность получить числовые значения этих третьих величин в виде набора линейно-независимых факторов Р, которые описывают и воспроизводят исходную матрицу с необходимой точностью в виде:
(О-КДО+^О')-+Н, (8)
где - У/О) и У2(]) - коэффициенты линейной модели из подматрицы {V};
Р 1(1)^2(1) ~ линейно-независимые факторы (параметры) из подматрицы {Р}\ 5, - стандартное отклонение по строкам; //,— среднее значение по строкам матрицы А\ А(у) — элемент исходной матрицы А;
Для комбинации «ВЭЖХ - МГК» важна способность метода главных компонент к распознаванию, которая и была использована в контроле вина и других МС. Приоритет в использовании МГК для распознавания МС принадлежит Сычеву - Гаврилиной (2004).
В главе третьей рассмотрена методология контроля вин распознаванием, в частности, обоснованы и экспериментально подтверждены выдвинутые нами гипотезы, определяющие сущность предложенной методологии. Первая гипотеза связана с существованием ограниченного количества линейно-независимых (базовых) электронных спектров МС однородного происхождения: все электронные спектры компонентов системы являются линейными комбинациями базовых (расчетных). Набор базовых электронных спектров многокомпонентных систем является строго индивидуальным для каждой исследуемой системы. Такая гипотеза (аналог принципа линейной зависимости свободных энергий) позволяла надеяться на существенную свертку информации, полученную для МС методом «ВЭЖХ - МГК», рассматривать МС при сравнении с контрольным образцом как единое целое без идентификации отдельных компонентов (распознавание системы), а также впервые ввести количественные критерии для определения идентичности, подобия или фальсификации путем распознавания
многокомпонентных систем как единого целого. Вторая гипотеза носит более общий характер: существует небольшое количество линейно-независимых (базовых, гипотетических) электронных структур многокомпонентных систем одного происхождения; электронные структуры реальных соединений, входящих в сложный объект, являются линейными комбинациями базовых. Небольшое изменение гипотезы резко расширяет область применения комбинации «ВЭЖХ -МГК», делая, по сути, метод универсальным.
Выдвинутые гипотезы и процедура использования комбинации «ВЭЖХ -МГК» базируются, в том числе, на принципах, аналогичных принципу линейности свободных энергий (ЛСЭ), формализованном в виде:
(Кзам./Кнеч.) = Р'О, (9)
где Кзам- константа реакционной способности замещенной молекулы; Кнез. - константа реакционной способности незамещенной молекулы; р - коэффициент пропорциональности для серии однородных соединений; а - вклад определенного внутримолекулярного электронного эффекта в реакционную способность.
Применительно к выдвинутым гипотезам и процедуре применения комбинации «ВЭЖХ - МГК», принцип ЛСЭ выглядит следующим образом: хроматограмму МС, полученную на 5 длинах волн I, -15 и разбитую по времени, например, на 400 точек с интервалом М (рис. 5), можно представить в виде:
А ¡.мО) = (10д|/ 1ы)]и|(1) = хш; х2.хь хздь............ х400,Х1 (10)
А изО) - (Ь.н/ 1«)]и5(0 = х,Л5; х2А5; хЗА5;............ хадо.м
где 10д| - интенсивность света, исходящего из сравнительной кюветы на длине волны ?а;
- интенсивность света, исходящего из рабочей кюветы на длине волны
Аи|(1)-оптическая плотность хромагограммы на временном промежутке ДЫ на длине волны >л;
Пё (1<ш/ 1>.1)]!,Л1(0 - оптическая плотность элюата как функция времени (та же хроматограмма) на временном промежутке АН на длине волны }ч;
Х|„и - значение оптической плотности элюата на длине волны на ¡-ом временном интервале хроматограммы.
Например, при 5-волновой детекции, матрица выглядит следующим образов (формула 11 и таблица 3).
Х|л;х2Л|;х3,Х1;..........................................х40ол1 (11)
Х1АЬ Х2ЛЬ Хддь
Х400Л1
Таблица 3
Фрагмент исходной матрицы оптических плотностей (единицы оптической плотности) хроматограммы рис. 3
Время, мин. 9.0 9.06 9.12 9.18 9.24 9.30 9.36 9.42 9.48 9.54
210 нм 1.08 1.93 1.12 0.83 0.34 0.22 0.20 0.18 0.18 0.21
230 нм 0.41 0.68 0.35 0.65 0.08 0.04 0.04 0.03 0.03 0.32
254 нм 0.22 0.39 0.18 0.18 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.33
270 нм 0.49 0.76 0.34 0.08 0.05 0.00 0.00 0.00 0.00 0.34
320 нм 0.0 0.01 0.01 0.0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.15
Рис. 3 - Временные вырезы многоволновой хроматограммы
Основная идея использования метода главных компонент при распознавании и сравнении (МС) органических соединений заключается в получении набора значимых линейно-независимых факторов из оптических плотностей многоволновых ВЭЖХ - хроматограмм вина и МС. Оптические плотности предварительно превращены в матрицу дискретных значений оптических плотностей элюата на разных длинах волн как временные срезы многоволновых хроматограмм.
Для успешного воспроизведения исходной многоволновой (максимальное относительное среднее квадратическое отклонение по временам удерживания не больше 5%) матрицы необходимо не менее 400 точек. При средней длительности хроматограммы 25 мин., съем информации по оптическим плотностям (ось ординат) производился через каждые 3,75 с. или 0.06 мин. (ось абсцисс) при минимальной ширине хроматографического пика 20 с и постоянной времени детектора 0.4 с. В результате для обработки была использована матрица оптических плотностей элюата размером 5 х 400 (таблица 3). Представленный фрагмент исходной матрицы (табл.3) соответствует участку хроматограммы (рис.4) в диапазоне от 9.0 до 9.54 мин. В результате обработки исходной матрицы
5x400 оптических плотностей роматограммы были получены четыре линейно-независимых фактора, описывающих исходную матрицу на 100 % . Значения факторов и их вклады в информацию о составе вина приведены в таблице 3.
В результате обработки исходной матрицы 5x400 оптических плотностей роматограммы были получены четыре линейно-независимых фактора, описывающих исходную матрицу на 100 % . Значения факторов и их вклады в общую информацию о составе вина приведены в таблице 4.
Таблица 4
Значения линейно-независимых факторов Р1 - Р4 и их вклады в общую информацию о вине____
Р, Из Р4
Вклады факторов, % 89.56 % 8.49 % 1.62% 0.33 %
270 нм 1.242 0.91 1 0.905 -0.0830
290 нм 0.830 -0.525 -1.495 -0.0155
320 нм -0.389 -0.797 0.584 1.4390
330 нм -0.525 -0.837 0.552 -1.3860
354 нм -1.158 1.248 -0.547 0.0445
Из таблицы 4 следует, что всего четыре линейно-независимых фактора (столбцов) описывают 400 столбцов исходной матрицы оптических плотностей. Полученные четыре фактора являются линейно-независимыми параметрами вина, т.е. своеобразной фотографией в паспорте вина, с помощью которой и происходит распознавание.
Каждый столбец матрицы (табл. 4, рис. 4) представляет собой квази-гладкий линейно-независимый УФ-У18 спектр поглощения, а каждый фактор -безразмерный аналог величины оптической плотности. Линейная независимость столбцов означает, что ни один из полученных квази-гладких спектров не может быть представлен в виде линейной комбинации других рассчитанных спектров.
Для большинства многоволновых хроматограмм вин, полученных при детектировании в УФ-диапазоне, всегда получались четыре, максимум пять значащих линейно-независимых факторов, которые и использовались для определения идентичности, подобия и не идентичности вин. Однако не до конца разработанная математика метода не давала возможность теоретически определить: это случайность, ошибка или объективные показатели данной системы? Прояснить этот вопрос можно следующим образом: резко увеличить число используемых длин волн внутри используемого максимального УФ-диапазона (от 200 до 354 нм), и, следовательно, размерность матрицы экспериментальных данных.
180 200 220
320
340 360
380
40 260 2S0 300 VarS
Рис. 4 - Базовые линейно-независимые УФ-спектры вина «Каберне». По оси ординат - значения линейно-независимых факторов F, - F4 (аналог оптической плотности). По оси абсцисс - длины волн, нм.
Если произойдет существенное увеличение числа линейно-независимых факторов, то, скорее всего, исходная гипотеза неверна или нуждается в какой-либо корректировке. Если этого не произойдет - гипотеза о существовании базовых электронных спектров для МС однородного происхождения имеет право на жизнь.
Для проверки исходной гипотезы была использована матрица кодов оптических плотностей вин «Каберне», «El Patio» и смесь вин «Каберне» и «Е! Patio» в соотношении 85:15 по объему, каждая размером 15x400, где 15 (количество строк) - длины волн 200, 210, 220, 240, 254, 260, 270, 280, 290, 300 310, 320,330,340,354 нм.
Результаты обработки матрицы 15x400 приведены в таблице 5.
Несмотря на трехкратное увеличение числа длин волн по сравнению с хроматограммой на рисунке 3, количество значащих факторов (4 первых фактора дают 99.02% информации) для вина «Каберне» не изменилось, а у специального вина «El Patio», вина с добавками, и смеси вин появился пятый фактор (5 первых фактора дают 98.89% информации), как раз отвечающий за эти добавки.
Таблица 5
Вклады факторов, полученных из матриц 15x400 для вин «Каберне», «El Patio» и их смеси, %
№ фактора «Каберне»* «El Patio»* Смесь вин
f, 91,80 88,17 81,89
F2 4,66 6,70 11,81
F3 1,42 1,86 2,69
F4 1,14 1,13 1,57
f5 0,42 0,98 0,62
f6 0,22 0,54 0,53
f7 0.12 0,20 0,27
Отсутствие зависимости числа значащих факторов от размеров матрицы исходных данных говорят о том, что исходная гипотеза о существовании ограниченного числа базовых электронных спектров МС верна.
Основным способом выявления идентичности, подобия или неидентичности вин является значения коэффициентов попарной корреляции факторов, полученных из оптических плотностей многоволновых хроматограмм вин.
Наименьшие коэффициенты корреляции для выработки количественного критерия идентичности вин были получены следующим образом: проводился анализ вина в стандартных хроматографических условиях, из хроматограмм получали факторы. Такую процедуру проводили с пятью винами. Через 7 дней, такой же анализ проводили с теми же винами, но на хроматографических колонках, заполненных другим адсорбентом с аналогичными свойствами (максимально допустимое отклонение унифицированных хроматографических условий), из хроматограмм получали факторы. Для каждого вина проводили попарную корреляцию соответствующих факторов, полученных в унифицированных условиях и с отклонениями от этих условий через семь дней. Выбирали наименьшие значения коэффициентов попарной корреляции: эти значения и являлись количественными критериями идентичности вин.
Наименьшие коэффициенты корреляции были получены для вина «Каберне» (матрица корреляции факторов Fi - F3, полученных для одного и того же вина «Каберне», но с разницей в 7 дней и на другой хроматографической колонке: рабочая колонка была заполнена Сепароном С18, а дополнительная -Диасорбом С16).
Матрица корреляции факторов хроматограмм, полученных на колонке с Сепароном С18 и Диасорбом С16 представлена в таблице 6.
Факторы Fn , F|2, и Fn получены для первого образца вина, факторы F2!, F22 и F23 - для второго.
Таким образом, для одного и того же вина в условиях с максимально допустимым изменением хроматографической системы, наименьшие коэффициенты попарной корреляции соответствующих факторов равны: коэффициент корреляции F|, и F2| равен 0.998, F|2 и F22 равен 0.982, F|3 и F23 -0.962. Полностью идентичным винами можно считать вина, для которых коэффициенты попарной корреляции факторов F, не ниже 0.99, F2- не ниже 0.98, F3 - не ниже 0.96.
Таблица 6
Коэффициенты корреляции Rxy факторов полученных для одного образца вина с разницей в 7 дней и на другой (сорбент Диасорб С16Т) колонке
Факторы fn f,2 fij f2i f22 F23
f„ 1,0000 0,0001 -0,2269 0,9982 -0,0162 -0,1353
F|2 0,0001 1,0000 -0,3080 -0,0132 0,9816 -0,1852
F13 -0,2269 -0,3081 t,0000 -0,2747 -0,4722 0,9616
f2, 0,9982 -0,0132 -0,2747 1,0000 -0,0182 -0,1894
f22 -0,0162 0,9816 -0,4722 -0,0182 1,0000 -0,3645
F23 -0,1353 -0,1852 0,9617 -0,1894 -0,3645 1,0000
Очевидно, что в случае значимости четвертого фактора, для идентичных вин коэффициент корреляции для F4 не должен опускаться ниже 0,94 (статистическая оценка коэффициентов корреляции приведена ниже). Соответственно, меньшие коэффициенты корреляции соответствующих факторов (хотя бы одной пары факторов) свидетельствуют об не идентичности вин, так как не могут быть объяснены с точки зрения воспроизводимости хроматографической системы.
Критерии подобия могут быть установлены экспериментально или расчетными методами (Jaffe Н.Н. Reexamination of the Hammett equation, 1953) с учетом некоторого ухудшения коэффициентов корреляции при небольших колебаниях состава вина: подобными могут считаться вина, для которых коэффициенты попарной корреляции соответствующих факторов находятся для F, в диапазоне 0.98 - 1.000, для F2 - в диапазоне 0.970 - 1.000, для F3 - в диапазоне 0.96 - 1.000, для F4 0.92 - 1.000. Таким образом, предложенные количественные критерии соответстствуют определениям идентичных и подобных вин по сорту винограда, местности и технологии, введенным в главе 1.
Одним из основных требований к использованию комбинации «ВЭЖХ -МГК» для контроля многокомпонентных физико-химических систем является неучастие оператора в обработке хроматограмм. Однако, невмешательство оператора в обработку хроматограмм может привести к неприятному эффекту: наиболее значимой при расчетах вкладов может стать информация от малоинтенсивных хроматографических пиков с соотношением «сигнал/шум) менее 10:1, что приводит к искажению как значений факторов (в меньшей степени), так и значений вкладов факторов (в большей степени). Например, практически все факторы F| являются факторами, полученными от шума и фона хроматограммы; высокие коэффициенты попарных корреляций этих факторов свидетельствуют о хорошо воспроизводимых хроматографических условиях (что тоже, конечно, очень важно). Такой эффект проявляется из-за особенности метода главных компонент к учету количества повторяющихся по спектральным отношениям временных срезов многоволновых хроматограмм при расчете вкладов факторов в общую информацию об исследуемом объекте. Интенсивности хроматографических пиков при определениии вкладов факторов имеют для метода главных компонент в чистом виде второстепенное значение. При необходимости более точного учета вкладов факторов ( на значения факторов и процедуру распознавания этот эффект практически не влияет) для компенсации воздействия малоинтенсивных пиков и спектральных отношений фона многоволновой хроматограммы, предложен простейший вариант учета интенсивностей пиков: соответствующим значениям оптической плотности, выраженным в виде значений программных кодов, присваивается определенное количество повторений столбцов. Например, столбцы кодов оптических плотностей, не имеющие значений элементов больше 100 (дипазон №1), не повторяются; столбцы, имеющие в своем составе элементы со значениями от 100 до 200 повторяются один раз (диапазон №2); столбцы, имеющие в своем составе элементы со значениями от 200 до 300 (диапазон №3) повторяются два раза и т.д. (таблица 8 и табл. 9), причем коэффициенты повторения должны быть выбраны оптимально по каким-либо понятным критериям.
Нами были исследованы пять алгоритмов применения коэффициентов повторения (табл. 7). Для выбора лучшего алгоритма и оценки погрешности коэффициентов корреляции факторов, полученных из исходных и преобразованных матриц, были получены пять многоволновых хроматограмм одного и того же вина в одинаковых хроматографических условиях. Каждую из пяти исходных (по 400 столбцов) неподготовленных матриц кодов оптических плотностей обрабатывали методом главных компонент, получали факторы, определяли коэффициенты попарной корреляции полученных факторов, рассчитывали погрешность коэффициентов попарной корреляции факторов 11р:п; рассчитывали среднюю относительную погрешность коэффициентов корреляции по пяти матрицам факторов.
Таблица 7
Значения коэффициентов повторения
Алгоритм № Диапазон №
1 2 3 4
Количество повторений
1 0 1 1 3
2 0 2 4 6
3 0 1 3 5
4 0 3 б 9
5 0 4 8 12
Такую же процедуру проводили для подготовленных в соответствии с табл. 7 (введение повторений) матрицами кодов оптических плотностей пяти вышеуказанных хроматограмм.
Было выдвинуто предположение, что лучшим будет тот алгоритм введения коэффициентов, при котором средняя относительная погрешность определения коэффициентов попарной корреляции факторов, полученных из пяти матриц кодов оптических плотностей хроматограмм, будет наименьшей (табл. 8).
Таблица 8
Статистические характеристики коэффициентов попарной корреляции факторов по пяти матрицам факторов
Алгоритм введения коэффициентов повторения Среднее значение коэффициента корреляции Средняя относительная погрешность, %
Без обработки 0,9852 ± 0,0080 0,81
0, 1,2,3 0,9872 ± 0,0076 0,77
0, 2, 4, 6 0,9892 ± 0,0083 0,84
0, 1,3,5 0,9898 ± 0,0080 0,81
0,3, 6,9 0,9910 ± 0,0066 0,67
0,4, 8, 12 0,9847 ±0,0106 1,08
Исходя из данных таблицы 8, наилучшим алгоритмом введения коэффициентов является ( 0, 3, 6, 9), а лучшим попарным коэффициентами корреляции идентичных вин для фактора Р, является 0,998, для фактора Р2 -.0,997, для фактора Р3 - 0,994, для фактора Р4 - 0,999, наихудшими для фактора Р, является 0,997, для фактора Р2 - 0,974, для фактора Р3 - 0,970, для фактора Р4 -0,994. Для необработанной матрицы значения попарных коэффициентов корреляции идентичных вин для фактора Р| является 0,997, для фактора Р2 - 0,990,
для фактора F, - 0,973, для фактора F., - 0,981. Для поточного контроля применяют коэффициенты корреляции необработанных хроматограмм.
Исходя из вкладов факторов, полученных из матриц кодов оптических плотностей использованных ранее пяти хроматограмм одного и того же вина были рассчитаны относительные погрешности вкладов для исправленных путем введения коэффициентов повторения матриц и для неисправленной матрицы. Оказалось, что введение коэффициентов повторения сказалось и на уменьшении разброса вклада факторов в информацию о вине (табл. 9).
Таблица 9
Относительные погрешности (Р = 0,95, п = 5) вкладов факторов по их значения для пяти матриц, %
Алгоритм Номер )актора
F, F2 f3 f4
Без обр. 8,96 22.0 17,6 61,7
0, 1,2,3 3,00 23,6 13,8 49,6
0, 2, 4, 6 2,81 23,3 14,9 46,1
0, 1,3,5 3,00 23.6 13,8 49,6
0, 3, 6, 9 1,88 17,3 11,9 42,4
0, 4, 8, 12 2,79 24,6 18,62 54,5
полученным по коэффициентам повторения (0, 3, 6, 9), соответствуют наименьшие погрешности при определении вкладов факторов в многоволновую хроматографическую информацию о вине.
Таким образом, в результате проведенной работы было установлено: введение коэффициентов повторения значительно улучшает воспроизводимость коэффициентов попарной корреляции, по которым производится отнесение пары вин к идентичным, подобным и неидентичным; наилучшим алгоритмом введения коэффициентов повторения является (0, 3, 6, 9); в процессе исследования возможности введения коэффициентов повторения разработана методика определения эффективности введения этих коэффициентов; введение коэффициентов повторения и разработка метода оценки эффективности такой процедуры существенно дополняет метод главных компонент как метод, предназначенный для распознавания сложных физико-химических систем, особенно при использовании малозначащих факторов (Р4, например).
В главе 3 также рассмотрено проведение процедуры оптимизации условий детектирования.
В главе 4 рассмотрены способы обнаружения фальсификации вина методом ВЭЖХ: от простого наложения хроматограмм контрольного и исследуемого образцов (рис.5) до расшифровки купажа с помощью комбинированного метода «ВЭЖХ - МГК». Особое внимание уделено определению фальсификации красных вин по временам удерживания и спектральным отношениям красителей. Описаны многочисленные примеры определения фальсификации вина.
Будем называть «фальсификацией» и «пересортицей» несоответствие товарной продукции заявленному сертификату и контрольному образцу.
Определение грубой фальсификации, как правило, не требует применения комбинации «ВЭЖХ - МГК», но требуют переосмысления понятия «контроль
вина» и процедуры его проведения. Предложена и реализована идея о том, что все образцы красных вин, у которых спектральные отношения красителей не входят в определенный диапазон, фальсифицированы. Таким образом, вместо того, чтобы понять, как фальсифицировано вино (фантазия фальсификаторов беспредельна), переходим к простому вопросу: фальсифицировано вино или нет? В данном случае нас не интересует способ (целое исследование), а только значения спектральных отношений и времена удерживания красителей красных вин.
Рис.5 - Хроматограмма фальсифицированного вина «Изабелла» («фирма № 2», п/с, 1/1) в затрубленном масштабе. 1 - галловая кислота, 2 - оксикоричная кислота, 3 -ароматизатор. Длины волн 270 и 320 нм.
Такая постановка задачи резко упрощает разработку, использование, а главное - стоимость и скорость выполнения методик контроля, так как не требует установления химической структуры как виноградных, так и искусственно внесенных красителей. С другой стороны, этот подход резко усложняет работу фальсификатора: подобрать краситель с соответствующими временами удерживания со спектральными отношениями, входящими в указанный диапазон или практически невозможно, или очень дорого. Предлагаемое решение требует создания банка данных 100-ных виноматериалов: небольшая часть такого банка представлена в таблице 10.
Из данных таблицы 10 следует, что с учетом максимальной погрешности, диапазон спектральных отношений О = А^М48о составляет 1.65 - 2.99. Исключительно для «Изабеллы» нижний край диапазона с учетом максимальной относительной ошибки составляет величину 1.48.
Таблица 10
Спектральные отношения наиболее интенсивных пиков красителей сортовых
Виноматериал Время удерживания, мин Спектральное отношение О = А,,,/А.1„1
«Саперави» 14.26 2.01
«Каберне» 14.37 2.1 1
«Мерло» 13.70 1.90
«Изабелла» 20.22 1.48
На рисунке 6 представлены хроматограммы вина «Мерло»: 100%-ного виноматериала и подделок: тонкой и грубой.
Рис.6 - Вино «Мерло»: А - подлинное, Б - пересортица, В - гр. фальсификация.
Условия хроматографирования: колонка 80x2 (Сепарон С18 (5 мкм); расход элюента 100 мкл/мин.; температура термостата колонки 35°С; длины волн 420, 480, 520. 580, 660 нм; постоянная времени детектора 0.4 с. Элюирование производилось в режиме ступенчатого градиента.
Пересортица и купаж (рис. 6 Б) определяется только комбинацией «ВЭЖХ — МГК». Необходимо отметить, что метод расшифровки состава купажа красных сухих вин с помощью метода «ВЭЖХ - МГК» является уникальным: ни один дегустатор и ни один физико-химический метод не в состоянии обеспечить такие же результаты, как метод «ВЭЖХ - МГК».
Таким образом, на многочисленных примерах рассмотрен полный набор приемов контроля качества вина: от грубой фальсификации до пересортицы и использования купажа для удешевления сортовых вин; выдвинут, обоснован и продемонстрирован новый принцип отбраковки вин при контроле качества красных виноградных вин; показано, что определение пересортицы возможно только при использовании комбинации «ВЭЖХ - МГК».
В главе 5 представлен проект методических указаний (МУ) по установлению идентичности, подобия и не идентичности виноградных вин, оценки подлинности виноградных сортовых вин и грубой фальсификации методами ВЭЖХ и комбинацией «ВЭЖХ — МГК». В этом разделе систематизирован полный набор приемов и методик контроля качества вина для различных вариантов задач контроля методами ВЭЖХ и «ВЭЖХ - МКГ» : от
грубой фальсификации до пересортицы и использования купажа для удешевления сортовых вин. Основной вывод из представленного раздела: при систематическом использовании указанных методов их возможности выходят далеко за рамки требований к контролю вин и приобретают характер универсальной методологии не только для получения ответов на вопросы по идентичности, подобию и не идентичности вин, но и для определения характера фальсификации. Например, при воспроизведении исходной матрицы по новым, линейно-независимым факторам (формула 8) легко найти участок хроматограммы, отражающий характер фальсификации. Затем хроматограмма переносится на жидкостной хромато-масс-спектрометр, с помощью которого и производится анализ участка хроматограммы, ответственного за фальсификацию.
В разделе 5 также приведен набор унифицированных методик, которые могут быть использованы для определения большого количества вариантов фальсификации вина.
В главе 6 рассмотрено применение методологии распознавания МС в перспективных исследованиях в области медицины и климатологии. Исследования в этих областях, представляющие большой интерес сами по себе, важны с точки зрения подтверждения расширенной гипотезы применения комбинации «ВЭЖХ - МГК» с точки зрения универсальности этого метода. Если применение в климатологии метода «ВЭЖХ - МГК» пока носит достаточно декларативный характер, а опробывание метода связано в основном с получением линейно-независимых факторов экстрактов растений (стевии, хмеля, кофе, травных сборов и т.д.), то распознавание биожидкостей животного происхождения носит принципиальный характер: если расширенная гипотеза и сформулированная на ее основе гипотеза о применимости методологии распознавания для исследований биосистем верны, то вполне воможно, что расширенная гипотеза может быть основанием методологии применения распознавания МС. Для убедительности была выбрана очень сложная задача по распознаванию синдрома эндогенной интоксикации (СЭИ), не поддающаяся решению уже около 50 лет.
Синдром биогенной интоксикации - явление последствий воздействия ксенобиотика на организм при отсутствии ксенобиотика и его метаболитов в плазме крови. Основные задачи: распознавание синдрома эндогенной интоксикации, определение ксенобиотика, разделение СЭИ с факторами, отвечающими за эмоциональное состояние животного. На рисунке 7 представлена типичная хроматограммы плазмы крови. При получении хроматограмм и их обработке были использованы те же принципы, что при анализе вина: ступенчатый градиент, отсутствие пробоподготовки, универсальный элюент, метод главных компонент, сравнение факторов путем их попарной корреляции с получением коэффициентов корреляции.
Биологические объекты известны своей неустойчивостью и легко изменяются при минимальных воздействиях. При таких обстоятельствах для распознавания отклонений было крайне важно исследовать устойчивость факторов, воспроизводимость, выявлены различия факторов здоровой и отравленной этанолом крысы, полученных методом «ВЭЖХ — МГК» из многоволновых хроматограмм плазмы. Результаты выявления различий для длинноволнового диапазона приведены в таблице 11. Коэффициенты корреляции
третьих и четвертых факторов, полученных для длинноволновой области показывают полное несоответствие (коэффициенты корреляции 0.74, 0.76) плазмы здоровой и отравленной крысы, что и требовалось показать.
Я
Нл о.
и
/1Л !
/ II :/
.......з
Рис. 7 Хроматограмма плазмы крови крысы: длины волн 210, 220, 230, 240 и 254 нм.
Таблица 11
Выявление отклонения факторов не отравленной и отравленной алкоголем крысы № 5 в диапазоне 250 — 300 нм. Коффициенты корреляции факторов плазмы крови
Р1 Р2 РЗ Р4 Р1о Р2„ РЗ„ Р40
Р1 1.000 -0,000 0.000 -0,000 -0,953 0,244 -0,167 0,074
VI -0,000 1.000 0,000 0.000 -0,270 -0,947 0,170 0,019
РЗ 0.000 0,000 1,000 -0.000 0,039 -0,158 -0,742 -0,650
Р4 -0.000 0,000 -0,000 1,000 0,134 -0,136 -0,627 0,756
Р1о -0,953 -0,270 0,039 0,134 1,000 -0,000 -0,000 0,000
Р20 0,244 -0,947 -0.157 -0,136 -0,000 1,000 -0,000 -0,000
Р3„ -0,169 0,170 -0,742 -0,627 -0,000 -0,000 1,000 -0,000
0.074 0,019 -0,650 0,756 0,000 -0,000 -0,000 1,000
Полученные результаты подтверждают универсальный характер применения комбинации «ВЭЖХ - МГТС».
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основными результатами диссертационной работы являются:
- разработка принципиально повой методологии контроля вина и других МС на основе распознавания вина и других МС по вычисленным признакам;
— разработка комбинированного метода «ВЭЖХ - МГК», реализующего распознавание вин по вычисленным признакам, а также результаты исследования свойств этого метода. Разработанный метод способен обеспечить быстрый и достоверный контроль вина на всех стадиях цепочки «производство - розлив -транспортировка - розничная торговля». В процессе разработки данного метода выполнен полный цикл научно-технических исследований, начиная от выдвижения, обоснования и экспериментального подтверждения методологии
распознавания до разработки конкретных методик контроля, а также изготовления и испытания аппаратно-программного комплекса, реализующего распознавание состава МС как единого целого комбинированным методом «ВЭЖХ - МГК».
Разработанный метод контроля соответствует следующим требованиям:
-универсальности определения разных классов соединений, содержа-щихся в МС или вине;
- способности определять идентичность, подобие и не идентичность (фальсификацию) исследуемого образца по отношению к контрольному;
- высокой экономичности;
- невозможностью подделки результатов контроля вина на всех стадиях цепочки "производство - розлив - транспортировка - розничная торговля.
В процессе исследований получены следующие основные результаты:
1. На основании анализа проблемы контроля качества вин установлено, что в настоящее время основной методологией контроля вина является идентификация вин по ограниченному числу феноменологических параметров: это касается как органолептического метода, так и применения современных инструментальных методов анализа. Методы, или их комплекс, разработанные в рамках этой методологии, не способны обеспечить быстрый и достоверный контроль вина на всех стадиях цепочки «производство - розлив - транспортировка - розничная торговля».
2. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены две гипотезы, являющиеся теоретической основой предложенной методологии контроля вин и других МС распознаванием: о существовании ограниченного количества линейно-независимых базовых электронных спектров МС однородного происхождения; об ограниченном количестве линейно-независимых базовых электронных структур МС однородного происхождения - электронные структуры реальных соединений, входящих в сложный объект, являются линейными комбинациями базовых.
На основании этих гипотез впервые осуществлена эффективная свертка хроматографической информации с введением количественных критериев для определения идентичности, подобия и фальсификации вин путем распознавания МС как единого целого без идентификации отдельных компонентов.
3. По результатам анализа и проведенных исследований свойств и характеристик компонентов комбинированным методом ВЭЖХ - МГК:
— обоснованы требования к аппаратуре скринингового анализа и экспериментально опробованы на различных объектах разработанные рецептуры хроматографических систем скринингового анализа для контроля качества МС;
— при экспериментальной оценке аппаратурных и метрологических характеристик основных узлов хроматографа для скринингового анализа установлено, что уровень детектирования в программном обеспечении должен соответствовать минимальному соотношению "сигнал/ шум" не менее 10:1;
— разработан и изготовлен опытный образец аппаратно-программного комплекса "Дегустатор", реализующего комбинированный метод ВЭЖХ - МГК.
4. Разработана процедура уточнения вкладов факторов при использовании комбинированного метода «ВЭЖХ - МГК» и определены погрешности
коэффициентов корреляции линейно-независимых факторов матриц кодов оптических плотностей многоволновых хроматограмм МС.
5. Разработан и опробован целый ряд методик определения идентичности, подобия и не идентичности вин на основе использования универсальных элюентов и спектральных отношений комбинированным методом ВЭЖХ - МГК, доказана возможность его практического применения для оценки купажа вин.
6. Доказана универсальность применения методологии котроля распознаванием путем решения различных задач по контролю вина, других МС, решению задач в области хемо-систематики растений и медицине (распознаванию синдрома эндогенной интоксикации).
7. Разработан экспресс-метод контроля качества красных вин по спектральным отношениям компонентов.
8. Создан массив данных по контролю вина и виноматериалов.
9. Результаты диссертации внедрены и использованы при проведении ОКР по разработке учебно-научной аппаратуры на основе хроматографов "Милихром-1", "Милихром-5-Ф", "Милихром-6", а также при выполнении работ по Государственному контракту № 14.740.11.0271 от 17.09.2010 г. и используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО "Госуниверситет - УНПК".
Тематика диссертационного исследования соответствует п.1 Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий" паспорта специальности 05.11.13 - «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий».
Список основных работ, опубликованных по теме диссертации
Работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Гаврилина, В.А. Применение спектральных отношений для качественного анализа вина методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с многоволновым спектрофотометрическим детектированием [Текст] / В.А. Гаврилина // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. — 2010. — № 5. - С. 115 -121.
2. Гаврилина, В.А. Процедура уточнения вкладов факторов в комбинации «Высокоэффективная жидкостная хроматография метод главных компонент» [Текст] /В.А.Гаврилина// Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии.-2012.-№ 5.-С. 145-151.
3. Гаврилина, В.А. Информационная поддержка контроля качества вина [Текст] / В.А.Гаврилина, С.Н.Сычев // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2012. - №4. - С. 128 - 135.
4. Гаврилина, В.А. Комбинированная экспертная система определения подлинности виноградных вин [Текст] /В.А.Гаврилина, С.Н.Сычев // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2010. — №4. -С.103 - 109.
5. Гаврилина, В.А. Исходные гипотезы для распознавания многокомпонентных физико-химических систем комбинацией
«Высокоэффективная жидкостная хроматография - метод главных компонент» [Текст] / В.А.Гаврилина, С.Н.Сычев // Сорбционные и хроматографические процессы. - 2012. - Т. 12 - Вып.5. - С.798 - 805.
6. Гаврилина, В.А. Перспективы применения комбинированного метода «Высокоэффективная жидкостная хроматография - метод главных компонент» в хемосистематике растений [Текст] / В.А.Гаврилина, С.Н.Сычев // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2011. - № 6-2. -С.11 - 15.
7. Гаврилина, В.А. Применение метода главных компонент для идентификации и сравнения натуральных вин. Часть 1 [Текст] / В.А.Гаврилина, О.И. Мальцева, С.Н. Сычев // Виноделие и виноградарство. - 2007. - № 1 - С. 10 -12.
8. Гаврилина, В.А. Применение метода главных компонент для идентификации и сравнения натуральных вин. Часть 2 [Текст] / В.А.Гаврилина, О.И. Мальцева, С.Н. Сычев // Виноделие и виноградарство. -2007. - № 3 - С. 30 -32.
9. Гаврилина, В.А. Применение метода главных компонент для идентификации и сравнения натуральных вин. Часть 3 [Текст] / В.А.Гаврилина, О.И. Мальцева, С.Н. Сычев // Виноделие и виноградарство. -2007. - № 4 - С. 18 -19.
10. Гаврилина, В.А. Получение идентификационных признаков экстракта стевии комбинацией методов многоволновой ВЭЖХ и главных компонент [Текст] / В.А. Гаврилина, С.Н. Сычев, К.К. Полянский // Хранение и переработка сельхозсырья. -2005.-№ 12.-С. 36-39.
11. Сычев, С.Н. Применение комбинации «ВЭЖХ - МГК» для распознавания синдрома эндогенной интоксикации. Часть 1. [Текст] / С.Н.Сычев, В.А. Гаврилина И Сорбционные и хроматографические процессы- 2012. - Т.12 -№5-С. 814- 821.
12. Сычев, С.Н. Применение комбинации «ВЭЖХ - МГК» для распознавания синдрома эндогенной интоксикации. Часть 2 [Текст] / С.Н.Сычев, В.А. Гаврилина // Сорбционные и хроматографические процессы. - 2012. - Т.12 -№5.-С. 822-827.
13. Сычев, С.Н. Определение удерживаемого объема несорбируемого компонента VM в нормально-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии [Текст] / С.Н. Сычев, Гаврилина В.А. // Сорбционные и хроматографические процессы. - 2004. - Т.4 - Вып. 1 - С.85 - 92.
14. Сычев, С.Н. Хроматографическая система для скринингового анализа в ОФ ВЭЖХ [Текст] / С.Н. Сычев, Гаврилина В.А., Музолевская P.C. // Сорбционные и хроматографические процессы.-2004. - Т.4 - Вып.З - С. 305 - 314.
15. Сычев, С.Н. Механизмы удерживания замещенных бензойных кислот и фенолов на адсорбционно модифицированном силикагеле [Текст] / С.Н.Сычев, В.А. Гаврилина II Сорбционные и хроматографические процессы, 2004. - Т.4 -Вып.З-С. 305-314.
16. Сычев, С.Н. Зависимость погрешности спектральных отношений хроматографических пиков от соотношения сгнал/шум при
спектрофотометрическом детектировании в ВЭЖХ [Текст] / С.Н.Сычев,
B.А.Гаврилина, Д.С Булгаков // Контроль. Диагностика. - 2007. - № 7. — С. 6 - 14.
17. Сычев, С.Н. Идентификация фальсифицированных образцов растворимого кофе методом ВЭЖХ [Текст] / С.Н. Сычев, В.А.Гаврилина, О.И. Мальцева // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2005. - № 9. - С.25 -27.
18. Сычев, С.Н. Разработка экспресс-методов определения фальсификации бензинов, дизельного топлива и моторных масел с помощью ВЭЖХ [Текст] / С.Н. Сычев, В.А.Гаврилина, А.Н. Бутырин // Сорбционные и хроматографические процессы» - 2004. - Т.4. - Вып.1. - С.75 - 84.
19. Сычев, С.Н. Применение ВЭЖХ для исследования хмелевых заквасок, используемых для изготовления хлеба [Текст] / С.Н. Сычев, И.К Сатцаева, В.А. Гавршина // Хранение и переработка сельхозсырья. -2003.-№ 10.-С. 34-35.
20. Сычев, С.Н. Особенности применения микроколоночного жидкостного хроматографа «Милихром-6» [Текст] / С.Н.Сычев, В.А.Гаврилина, Е.С. Сычева // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2010. - №2. -
C. 120- 126.
21. Сычев, С.Н. Описание дисперсионных взаимодействий углеводородов и углеводородных радикалов в терминах электромагнитных взаимодействий [Текст] / С.Н.Сычев, В.А. Гавршина, К.В. Подмастерьев // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2009. - №3. - С. 15 - 20.
22. Емельянов, A.A. Принцип нормирования хмелевого сырья в его водных растворах при приготовлении хмелевых заквасок [Текст] / А.А.Емельянов, С.Я. Корячкина, И.К. Сатцаева, В.А. Гаврилина. И Известия ВУЗов. Пищевая технология. - 2004. - № 4. - С.41 - 42.
23. Сычев С.Н. Применение метода главных компонент для выявления межмолекулярных характеристик, входящих в явление когезии [Текст] / С.Н.Сычев, В.К.Подмастерьев, В.А.Гаврилина II Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - №3. — 2010. - С.99 - 105.
Монографии
24. Сычев, С.Н. Высокоэффективная жидкостная хроматография как метод определения фальсификации продукции [Текст] / С.Н. Сычев, В.А. Гавршина, P.C. Музолевская. - М.: ДеЛи принт, 2005. - 145 с.
25. Сычев, С.Н. Выскоэффективная жидкостная хроматография на микроколоночных жидкостных хроматографах серии «Милихром» [Текст] / С.Н. Сычев, В.А.Гаврилина, К.С. Сычев. - Орел: ОрелГТУ, 2002. - 135 с.
26. Сычев, С.Н. Контроль вина комбинацией «ВЭЖХ - МГК» [Текст] / С.Н.Сычев, В.А. Гаврилина. - Saarbruken: LAP LAMBERT Academic Publishin, 2012,- 103 с.
Статьи в сборниках научных трудов и журналах
27. Сычев, С.Н. Технология изготовления эффективных хроматографических колонок с внутренним диаметром 2 мм для ВЭЖХ [Текст] / С.Н.Сычев, В.А.Гаврилина, С.А. Юрова // Аналитика и контроль. — 2003. - Т. 7 №3. -С. 276 -283.
28. Сычев, С.Н. Экспресс-анализ вина. [Текст] / С.Н.Сычев, В.А. Гавршина, О.И.Мальцева // Напитки. - 2004. - № 3. - С. 94 - 97.
29. Сычев, С.Н. Экспресс-метод определения опасных для здоровья добавок в виноматериалах и вине. [Текст] / С.Н.Сычев, В.А. Гаврилина, О.И.Мальцева // Ученые записки ОГУ «Актуальные вопросы медицины и образования». - 2004. -Т.З. - С. 67 - 68.
30. Сычев, С.Н. Метод быстрого распознавания фальсифицированных вин [Текст] / С.Н. Сычев, В.А.Гавршина, О.И.Мальцева.// Напитки. - 2005. - № I. -С.106- 110.
31. Гаврилина, В.А. Влияние вида катиопообменных смол на состав органической части яблочного и морковного соков [Текст] / В.А.Гаврилина, С.Н. Сычев. Сборник «Качество жизни населения, деловая активность и конкурентноспособность российских предприятий». Орел: ОрелГТУ, 1998. - С. 199-201.
32. Сычев, С.Н. Применение метода главных компонент для свертки информации при обработке многоволновых хроматограмм вина [Текст] / С.Н. Сычев, В.А.Гаврилина, О.И.Мальцева // Известия ОрелГТУ. - Серия «Естественные науки». - 2003. - № 3-4. - С.138 - 142.
Автор приносит искреннюю благодарность сотрудникам КубГТУ Мишину М.В. и Таланян О.Г. за неоценимую помощь в проведении работы.
Гаврилина Вера Александровна
Методология контроля вина распознаванием
05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Подписано в печать 18.06.2013 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № 162 ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» 302020, г.Орел, Наугорское шоссе, 29
Текст работы Гаврилина, Вера Александровна, диссертация по теме Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ - УЧЕБНО-НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС
05201351463
На правах рукописи
ГАВРИЛИНА ВЕРА АЛЕКСАНДРОВНА
МЕТОДОЛОГИЯ КОНТРОЛЯ ВИНА РАСПОЗНАВАНИЕМ
05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ,
материалов и изделий»
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук
Научный консультант д.т.н. С.Н. Сычев
г. Орел-2013
СОДЕРЖАНИЕ
Введение....................................................................................6
1. Глава 1 Анализ современного состояния методологии контроля вин.... 12
1.1 Проблема сравнения исследуемого и контрольного образца вин........12
1.2 Характеристики винограда, используемого для производства вина... 15
1.2.1 Сырьё, используемое в производстве виноградных вин............... 15
1.2.2 Характеристика основных сортов, используемых в виноделии...... 16
1.3 Классификация натуральных виноградных вин.............................19
1.4 Химический состав винограда и вина........................................ 24
1.5 Методы фальсификации вин.................................................... 28
1.6 Стандартные физико-химические методы контроля и органолептическая оценка качества вин.................................................................... 31
1.7 Инструментальные физико-химические методы контроля вин......... 35
1.7.1 Возрастание сложности и стоимости аппаратуры........................ 36
1.7.2 Методы экстракции при пробоподготовке................................. 39
1.7.3 Реперные вещества или профили отдельных классов соединений, входящих в состав вина.................................................................... 39
1.8 Выводы к главе 1 .................................................................... 41
2 Глава 2. Компоненты комбинированного метода «высокоэффективная
жидкостная хроматография - метод главных компонент»......................44
2.1 Высокоэффективная жидкостная хроматография........................... 44
2.1.1 Анализ современного состояния ВЭЖХ, как метода контроля сложных физико-химических систем........................................................... 44
2.1.2 Разработка и совершенствование хроматографических систем в обращенно-фазовом варианте ВЭЖХ.............................................. 45
2.1.3 Хроматограф для проведения контроля сложных многокомпонентных физико-химических систем методом «ВЭЖХ - МГК»........................ 52
2.1.4 Особенности применения микроколоночного жидкостного хроматографа «Милихром-6»...................................................... 53
2.1.5 Использование хроматографа «Милихром-6» как базового аппарата для анализатора подлинности вин...................................................... 61
2.1.6 Аннотация на аппаратно-программно-аналитический комплекс «Дегустатор»............................................................................. 63
2.1.7 Исследование зависимости погрешности спектральных отношений от соотношения сигнал/шум в ВЭЖХ в режиме многоволнового
детектирования...........................................................................70
2.2 Метод главных компонент....................................................... 81
2.2.1 Анализ современного состояния метода и его применение в хроматографии и других областях науки и техники........................... 81
2.2.2 Выводы к главе 2................................................................. 92
3 Глава 3. Методология контроля вин распознаванием............................... 94
3.1 Научное обоснование и экспериментальное подтверждение гипотез для
применения метода «МГК-ВЭЖХ» при многоволновой детекции.......... 94
3.1.1. Научное обоснование гипотез и формализм принципа линейной независимости.............................................................................95
3.2 Совместное использование метода главных компонент и метода ВЭЖХ при сравнении сложных смесей органических соединений.................. 100
3.3 Подтверждение справедливости гипотезы о существовании ограниченного количества линейно-независимых базовых спектров
поглощения многокомпонентных систем........................................ 105
3.4. Получение критериев идентичности и подобия сухих вин............ 107
3.4.1 Критерии идентичности ...................................................... 107
3.4.2 Пример проверки на идентичность двух красных сухих вин..........113
3.5 Процедура уточнения вкладов факторов в комбинации «ВЭЖХ - МГК» и определение погрешности коэффициентов корреляции линейно-независимых факторов, полученных из матриц кодов оптических плотностей многоволновых хроматограмм...................................................... 118
3.6 Разработка и проведение процедуры оптимизации условий детектирования..........................................................................130
3.7 Можно ли вообще обойтись без хроматографии?...............................132
3.7 Выводы к главе 3................................................................... 139
4. Глава 4 Обнаружение фальсификации и пересортицы вин............. 141
4.1 Грубая фальсификация вина ................................................... 141
4.1.1 Хроматографический анализ исходного виноматериала ............ 143
4.1.2 Фальсификация красных сухих вин плодово-ягодными, полусинтетическими и синтетическими красителями........................ 154
4.1.3 Хроматографический анализ смесей с маркировкой КПИ........... 159
4.1.4 Хроматографический анализ готовых вин............................... 161
4.2 Обнаружение пересортицы или комбинации пересортицы с максимально
скрытой фальсификации............................................................ 169
4.2.1 Применение диапазона длин волн 200 - 700 нм и метода «ВЭЖХ -МГК» для контроля сортовых вин................................................ 169
4.3 Определение купажа или подлинности вин по факторам, полученным методом главных компонент из многоволновых хроматограмм в видимом диапазоне.................................................................................. 175
4.4 Выводы к главе 4................................................................... 181
Глава 5. Методические указания по установлению идентичности, подобия и не идентичности виноградных вин, оценки подлинности виноградных сортовых вин и грубой фальсификации комбинированным методом «обращено-фазовая жидкостная хроматография - метод главных компонент» ...............................................................................................183
5.1 Область применения............................................................... 183
5.2 Метод анализа..................................................................... 183
5.3 Отбор проб.......................................................................... 183
5.4 Аппаратура, материалы и реактивы........................................ 184
5.5Подготовка к испытанию....................................................... 185
5.6 Методика определения идентичности и не идентичности вин......... 185
5.7 Проведение испытаний контрольного и исследуемого образцов вин ............................................................................................. 186
5.8 Выводы и продолжение анализа........................................... 189
5.9 Методика выявления красителей, несвойственных виноградным красным натуральным винам..................................................... 190
5.10 Контроль точности результатов анализа................................ 195
5.11 Требования техники безопасности......................................... 195
5.12 Требования к квалификации оператора.................................. 195
6. Глава 6 Применение комбинации «ВЭЖХ - МГК» в перспективных исследованиях............................................................................196
6.1 Предварительные результаты разработки экспресс-метода распознавания синдрома биогенной интоксикации................................................196
6.2 Перспективы применения комбинированного метода «высокоэффективная жидкостная хроматография - метод главных
компонент» в хемосистематике растений .........................................219
Заключение...............................................................................222
Литература................................................................................226
Приложение А............................................................................246
Приложение Б...........................................................................249
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Необходимость улучшения системы контроля вина (многокомпонентной физико-химической системы с частично известным переменным составом - далее MC) связана с производством и потреблением сотен миллионов декалитров фальсифицированного и некачественного вина и низкой эффективностью существующих методов контроля, особенно при поточном производстве и оптовых закупках. Несмотря на большое количество публикаций в области физико-химических методов контроля, где можно выделить работы: Ferreira V., Lopez R.,. Cartoni G.F., Coccioli F., Mangas Juan J., Rodriges R., Moreno J., Suarez В., Blanco D., Granados J.Q., Mir M.V., García-Serrana H.L., Lorez Martines M.C., Baron R., Mayen M., Garcia-Parrila M.C., Gonzales G.A., Heredia F.J., Somers N.C., Елисеева M.H., Положишниковой M. А., Савчук, С. А. и т.д. - признанных лидеров в области контроля вина физико-химическими методами не существует, как и не существует подходов к эффективному решению данной проблемы.
Установлено, что процедура контроля MC при поточном производстве резко отличается от проведения химического анализа, где не гарантирована достоверность и интерпретация выводов при скрининговом анализе, не нормирована длительность процесса анализа, унификация условий, стоимость анализа и квалификация персонала. Контроль вина должен быть: универсален к определению разных классов соединений, содержащихся в MC (для достоверности при скрининговом анализе); способен отвечать на вопросы по идентичности, подобию и не идентичности (фальсификации) исследуемого образца по отношению к контрольному; высокоэкономичен для минимального вклада процедуры контроля в себестоимость продукции; свободен от субъективного влияния оператора на обработку хроматографических данных и на конечные результаты; обладать невозможностью подделки результатов на всех стадиях технологической цепочки "производство - розлив — транспортировка — розничная торговля". В настоящее время ни один метод и даже комплекс инструментальных методов анализа не могут соответствовать
таким требованиям, все это приводит к отсутствию контроля вин и других МС при их поточном производстве.
Выход из сложившейся ситуации необходимо искать в разработке универсальной методологии контроля, основанной на принципиально новых подходах к разработке методик контроля вин; например, на распозновании вина и других МС по вычисленным признакам. Такой подход позволяет реализовать не только выборочный, но и массовый контроль вин при поточном призводстве, что и определяет актуальность исследований. Сущность работы состоит в разработке новой методологии контроля вина и других МС, обеспечивающего распознавание вин по вычисленным признакам и основанного на комбинированном использовании высокоэффективной жидкостной хроматографии и метода главных компонент («ВЭЖХ - МГК»), а также в исследовании свойств этого метода.
Объектом исследования являются свойства и характеристики методологии и методов контроля вина и других МС. В качестве предмета исследования -свойства и характеристики отдельных компонентов методологии контроля вина и других МС с использованием комбинированного метода «ВЭЖХ - МГК» и свойства самого комбинированного метода, разработанной нами специально для реализации контроля вин и других МС при их поточном производстве. Цель работы - разработка методологии проведения унифицированного контроля вин комбинированным методом «ВЭЖХ - МКГ» при их поточном производстве и больших объемах оптовых закупок на всех стадиях: «производство - розлив - транспортировка - розничная торговля», обеспечивающего высокую производительность и достоверность оценки качества вин и компонентов МС. Основные задачи исследований:
1. Анализ современного состояния проблемы контроля вина и сравнения исследуемого и контрольного образцов вина и других МС.
2. Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение справедливости гипотез, служащих теоретической основой методологии контроля вин распознаванием.
3. Проведение анализа и экспериментальных исследований свойств и характеристик компонентов комбинированного метода «ВЭЖХ - МГК».
4. Разработка и изготовление опытного образца аппаратно-программного комплекса "Дегустатор" для исследований свойств и характеристик комбинированного метода «ВЭЖХ - МГК».
5. Разработка методик применения комбинированного метода «ВЭЖХ - МГК».
6. Экспериментальная проверка количественных критериев идентичности и подобия вин и других МС с оценкой граничных условий его применимости для контроля разных вин.
7. Разработка и экспериментальная проверка процедуры уточнения вкладов различных факторов при контроле методом «ВЭЖХ - МГК» с определением погрешности коэффициентов корреляции линейно-независимых факторов матриц оптических плотностей многоволновых хроматограмм.
8. Разработка и экспериментальная проверка процедуры оптимизации детектирования при использовании метода «ВЭЖХ — МГК».
9. Разработка универсального метода контроля красного вина на основе спектральных отношений и времен удерживания.
10. Экспериментальная оценка универсальности предложенной методологии путем разработки методик для контроля других МС.
11. Получение массива (банка) хроматографических данных по винам разных марок для расширения областей распознавания и контроля.
Методы и средства исследования. Экспериментальные исследования проведены на опытном образце аппаратно-программного комплекса "Дегустатор", разработанного и изготовленного на базе хроматографов "Милихром-6" с системой обработки хроматографических данных "ишСЬгот". При обработке экспериментальных данных использовались методы математической статистики и регрессионного анализа. Применяемый метод главных компонент реализован в специализированном программном обеспечении для комплекса "Дегустатор" и в наборе программ 81айз1:юа 6.0. Для получения базовых факторов разных вин использовались образцы сортовых
виноматериалов, предоставленных кафедрой виноградарства и виноделия КубГТУ.
Научная новизна работы
1. Предложена и обоснована методология универсального контроля вин и других МС распознаванием на основе вычисленных факторов, используемых для сравнения исследуемого и контролируемого образцов МС.
2. Обоснованы и экспериментально подтверждены выдвинутые гипотезы, являющимися теоретической основой предложенной методологии: о существовании ограниченного количества линейно-независимых базовых электронных спектров МС однородного происхождения; о существовании небольшого количества линейно-независимых базовых электронных структур МС однородного происхождения: электронные структуры реальных соединений, входящих в сложный объект, являются линейными комбинациями базовых.
3. Получены специальные характеристики компонентов метода «ВЭЖХ -МГК»: состав и свойства универсальных элюентов, форма и воспроизводимость градиента, зависимость погрешности спектральных отношений от характеристики "сигнал/шум".
4. Обоснованы и рассчитаны количественные критерии идентичности и подобия вин при использовании комбинированного метода «ВЭЖХ - МГК».
5. Доказана универсальность применения методологии котроля распознаванием путем решения различных задач по контролю вина, других МС, решению задач в области хемо-систематики растений и медицине (распознаванию синдрома эндогенной интоксикации).
6. Предложена и экспериментально подтверждена методика процедуры уточнения вкладов различных факторов в комбинации методов «ВЭЖХ -МГК».
Практическая значимость работы
1. Разработан комбинированный метод «ВЭЖХ - МГК» универсального контроля вина с распознаванием компонентов МС, отвечающий всем требованиям, предъявляемым к поточному контролю качества вин и других МС:
- универсальности за счет одновременного определения разных классов соединений, содержащихся в МС или вине;
- достоверности за счет ограничения относительной ошибки в 5% по временам удерживания воспроизведенной по полученным факторам матрицам по отношению к исходной;
- способности отвечать на вопросы по идентичности, подобию и не идентичности (фальсификации) исследуемого (контролируемого) образца по отношению к контрольному;
- высокой экономичности и производительности контроля;
- исключении влияния оператора на обработку хроматографических данных и конечные результаты контроля;
- невозможности подделки результатов контроля на всех стадиях цепочки «производство - розлив - транспортировка - розничная торговля» вина.
Выполнение указанных требований обеспечивается благодаря максимальной формализизации процесса контроля качества вина, что позволило сделать результаты контроля более достоверными, а процедуру контроля -быстрой и не трудоемкой по сравнению с существующими способами.
2. Проведено 20 официальных экспертиз вина с участием дегустаторов международного класса и около 250 - неофициальных, подтвердивших эффективность контроля вин методом «ВЭЖХ - МГК».
3. Разработан универсальный метод контроля красного вина на основе спектральных отношений и времен удерживания.
4. В результате работы по распознаванию синдрома эндогенной интоксикации выявлен перспективный подход к решению проблемы раннего обнаружения отравлений при отсутствии ксенобиотика в плазме крови.
5. Получен массив экспериментальных многоволновых хроматографических данных по винам разных марок и другим МС, позволяющий расширить области контроля методом «ВЭЖХ - МГК».
Положения, выносимые на защиту
1. Обоснование необходимости разработки концепции принципиально новой
-
Похожие работы
- Разработка автоматизированной системы контроля игристых свойств шампанских вин на основе анализа динамики выделения CO2 из вина
- Аналитические и процедурные модели для информационной системы распознавания графических объектов в условиях неопределенности
- Разработка квалиметрической модели потребительской оценки вин на основе факторов, обеспечивающих их конкурентные преимущества
- Разработка способов оценки качества и идентификации виноградных вин и винных напитков
- Методы, алгоритмы и средства автоматического управления процессом формирования изображений в системах распознавания текстовых меток реального времени
-
- Приборы и методы измерения по видам измерений
- Приборы и методы измерения времени
- Приборы навигации
- Приборы и методы измерения тепловых величин
- Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин
- Акустические приборы и системы
- Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы
- Радиоизмерительные приборы
- Электронно-оптические и ионно-оптические аналитические и структурно-аналитические приборы
- Приборы и методы для измерения ионизирующих излучений и рентгеновские приборы
- Хроматография и хроматографические приборы
- Электрохимические приборы
- Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий
- Технология приборостроения
- Метрология и метрологическое обеспечение
- Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)
- Приборы, системы и изделия медицинского назначения
- Приборы и методы преобразования изображений и звука