Градус Брикса (символ °Bx) является мерой растворенных твердых веществ в жидкости и обычно используется для измерения содержания растворенного сахара в водном растворе. [1] Один градус Брикса равен 1 грамму сахарозы в 100 граммах раствора и представляет собой концентрацию раствора в процентах по массе . Если раствор содержит растворенные твердые вещества, отличные от чистой сахарозы, то °Bx лишь приблизительно соответствует содержанию растворенного твердого вещества. Например, при добавлении равных количеств соли и сахара к равным количествам воды степень преломления (BRIX) солевого раствора возрастает быстрее, чем раствора сахара. °Bx традиционно используется в винодельческой , сахарной , газированной , фруктовой , овощной , кленовой и медовой промышленности . °Bx также используется для измерения концентрации смазочно-охлаждающей жидкости, смешанной с водой, для процессов металлообработки.
Сопоставимыми шкалами для указания содержания сахарозы являются: шкала Плато (°P), которая широко используется в пивоваренной промышленности ; шкала Эксле, используемая в немецкой и швейцарской винодельческой промышленности, среди прочих; и шкала Баллинга, которая является старейшей из трех систем и поэтому в основном встречается в старых учебниках, но все еще используется в некоторых частях мира. [2]
Раствор сахарозы с кажущейся удельной массой (20°/20 °C) 1,040 будет иметь плотность 9,99325 °Bx или 9,99359 °P, в то время как представительный орган по сахару, Международная комиссия по унифицированным методам анализа сахара (ICUMSA), которая выступает за использование массовой доли , сообщит о крепости раствора как 9,99249%. Поскольку различия между системами не имеют большого практического значения (разницы меньше точности большинства распространенных приборов) и широкое историческое использование единицы Брикса, современные приборы вычисляют массовую долю, используя официальные формулы ICUMSA, но сообщают результат как °Bx.
В начале 1800-х годов Карл Баллинг, а затем Адольф Брикс и, наконец, Нормальные комиссии под руководством Фрица Платона приготовили чистые растворы сахарозы известной крепости, измерили их удельный вес и составили таблицы процентного содержания сахарозы по массе в зависимости от измеренного удельного веса. Баллинг измерял удельный вес до 3 знаков после запятой, Брикс до 5, а Нормальная комиссия Эйхунга до 6, при этом целью Комиссии было исправить ошибки в 5-м и 6-м знаках после запятой в таблице Брикса.
Имея одну из этих таблиц, пивовар, желающий узнать, сколько сахара было в его сусле, может измерить его удельный вес и ввести этот удельный вес в таблицу Плато, чтобы получить °Plato, который является концентрацией сахарозы в процентах по массе. Аналогично, винодел может ввести удельный вес своего сусла в таблицу Брикса, чтобы получить °Bx, который является концентрацией сахарозы в процентах по массе. Важно отметить, что ни сусло, ни сусло не являются раствором чистой сахарозы в чистой воде. Многие другие соединения также растворяются, но это либо сахара, которые ведут себя подобно сахарозе в отношении удельного веса в зависимости от концентрации, либо соединения, которые присутствуют в небольших количествах (минералы, хмелевые кислоты в сусле, танины , кислоты в сусле). В любом случае, даже если °Bx не является репрезентативным показателем точного количества сахара в сусле или фруктовом соке, его можно использовать для сравнения относительного содержания сахара.
Поскольку удельный вес был основой таблиц Баллинга, Брикса и Плато, содержание растворенного сахара первоначально оценивалось путем измерения удельного веса с помощью ареометра или пикнометра . В настоящее время ареометры по-прежнему широко используются, но там, где требуется большая точность, может использоваться электронный осциллирующий U-образный измеритель. Какой бы способ ни использовался, аналитик вводит в таблицы удельный вес и выводит (при необходимости с помощью интерполяции) содержание сахара в процентах по массе .
Если аналитик использует таблицы Платона (поддерживаемые Американским обществом химиков-пивоваров [3] ), он выдает отчет в °P. Если использует таблицу Брикса (текущая версия которой поддерживается NIST и может быть найдена на их веб-сайте), [4], он выдает отчет в °Bx. Если использует таблицы ICUMSA [5] , он выдает отчет в массовой доле (mf).
Обычно нет необходимости обращаться к таблицам, поскольку табличное значение °Bx или °P можно напечатать непосредственно на шкале ареометра рядом с табличным значением удельного веса или сохранить в памяти электронного U-образного счетчика или рассчитать путем полиномиальной аппроксимации табличных данных. Фактически, таблицы ICUMSA рассчитываются на основе полинома наилучшего соответствия.
Также обратите внимание, что таблицы, используемые сегодня, не являются таблицами, опубликованными Brix или Plato. Эти исследователи измеряли истинный удельный вес относительно воды при 4 °C, используя, соответственно, 17,5 °C и 20 °C, как температуру, при которой измерялась плотность раствора сахарозы. И NBS, и ASBC преобразовывали в кажущийся удельный вес при 20 °C/20 °C. Таблицы ICUMSA основаны на более поздних измерениях сахарозы, фруктозы, глюкозы и инвертного сахара, и они сводят истинную плотность и вес в воздухе при 20 °C против массовой доли.
Растворение сахарозы и других сахаров в воде изменяет не только ее удельный вес, но и ее оптические свойства, в частности ее показатель преломления и степень, в которой она вращает плоскость линейно поляризованного света. Показатель преломления, n D , для растворов сахарозы с различным процентным содержанием по массе был измерен, и опубликованы таблицы n D против °Bx. Как и в случае с ареометром, можно использовать эти таблицы для калибровки рефрактометра , чтобы он показывал показания непосредственно в °Bx. Калибровка обычно основана на таблицах ICUMSA [6] , но пользователь электронного рефрактометра должен это проверить.
Сахара также имеют известные инфракрасные спектры поглощения, и это позволило разработать приборы для измерения концентрации сахара с использованием методов среднего инфракрасного (MIR), недисперсионного инфракрасного (NDIR) и инфракрасного преобразования Фурье (FT-IR). Доступны линейные приборы, которые позволяют постоянно контролировать содержание сахара на сахарных заводах, заводах по производству напитков, винодельнях и т. д. Как и любые другие приборы, приборы MIR и FT-IR можно калибровать по чистым растворам сахарозы и, таким образом, выдавать результаты в °Bx, но есть и другие возможности с этими технологиями, поскольку они обладают потенциалом различать сахара и мешающие вещества. Более новые приборы MIR и NDIR имеют до пяти каналов анализа, что позволяет вносить поправки на помехи между ингредиентами.
Приблизительные значения °Bx можно вычислить из 231,61 × (SG − 0,9977), где SG — кажущаяся удельная плотность раствора при 20 °C/20 °C. Более точные значения доступны из:
получено из таблицы NBS с SG, как указано выше. Это не должно использоваться выше SG = 1,17874 (40 °Bx). Среднеквадратичное расхождение между полиномом и таблицей NBS составляет 0,0009 °Bx.
Шкалу Платона можно аппроксимировать со средней погрешностью менее 0,02°P с помощью следующего уравнения: [7]
или с еще большей точностью (средняя ошибка менее 0,00053°P относительно таблиц ASBC) из полинома наилучшего соответствия: [7]
Разница между °Bx и °P, рассчитанная с помощью соответствующих полиномов, составляет:
Разница обычно составляет менее ±0,0005 °Bx или °P, за исключением слабых растворов. По мере приближения к 0 °Bx °P стремится к 0,002 °P выше, чем °Bx, рассчитанный для того же удельного веса. Разногласия такого порядка величины можно ожидать, поскольку NBS и ASBC использовали немного разные значения плотности воздуха и чистой воды в своих расчетах для преобразования в кажущийся удельный вес. Из этих комментариев должно быть ясно, что Платон и Брикс, для всех, кроме самых точных приложений, являются одним и тем же. Примечание: все полиномы в этой статье находятся в формате, который можно вставить непосредственно в электронную таблицу.
Полиномы ICUMSA обычно публикуются только в форме, где для получения плотности используется массовая доля. В результате они опущены в этом разделе.
При использовании рефрактометра значение Брикса можно получить из полиномиальной аппроксимации таблицы ICUMSA:
где — показатель преломления, измеренный на длине волны линии натрия D (589,3 нм) при 20 °C. Температура важна, поскольку показатель преломления резко меняется с температурой. Многие рефрактометры имеют встроенную функцию «Автоматической температурной компенсации» (ATC), которая основана на знании того, как изменяется показатель преломления сахарозы. Например, показатель преломления раствора сахарозы крепостью менее 10 °Bx таков, что изменение температуры на 1 °C приведет к смещению показаний Brix примерно на 0,06 °Bx. Пиво, наоборот, демонстрирует изменение с температурой примерно в три раза больше. Поэтому важно, чтобы пользователи рефрактометров либо убедились, что образец и призма прибора оба близки к 20 °C, либо, если это трудно обеспечить, показания следует снимать при 2 температурах, разделенных несколькими градусами, отмечая изменение на градус и окончательное записанное значение, соотнесенное с 20 °C, используя информацию о наклоне Bx против температуры.
Поскольку растворенные вещества, отличные от сахарозы, могут по-разному влиять на показатель преломления и удельный вес, это рефракционное значение «Brix» не является взаимозаменяемым с традиционным ареометрическим значением Brix, если не применяются поправки. Формальным термином для такого рефракционного значения является «рефрактометрическое сухое вещество» (RDS). См. § Brix и фактическое содержание растворенных твердых веществ ниже.
Четыре шкалы часто используются взаимозаменяемо, поскольку различия между ними незначительны.
Brix используется в пищевой промышленности для измерения приблизительного количества сахара во фруктах , овощах , соках, вине , безалкогольных напитках, а также в крахмальной и сахарной промышленности. Разные страны используют шкалы в разных отраслях: в пивоварении Великобритания использует удельный вес X 1000; Европа использует градусы Плато ; а США используют смесь удельного веса, градусов Брикса, градусов Боме и градусов Плато. Для фруктовых соков 1,0 градус Брикса обозначается как 1,0% сахара по массе. Это обычно хорошо коррелирует с воспринимаемой сладостью.
Измерения по шкале Брикса также используются в молочной промышленности для оценки качества молозива , которое дают новорожденным телятам, козам и овцам. [8]
Современные оптические измерители Брикса делятся на две категории. К первой относятся приборы на основе Аббе, в которых капля раствора образца помещается на призму; результат наблюдается через окуляр. Критический угол (угол, за пределами которого свет полностью отражается обратно в образец) является функцией показателя преломления, и оператор определяет этот критический угол, отмечая, где граница темного и светлого попадает на выгравированную шкалу. Шкала может быть откалибрована в Бриксе или показателе преломления. Часто крепление призмы содержит термометр, который можно использовать для коррекции до 20 °C в ситуациях, когда измерение невозможно выполнить точно при этой температуре. Эти приборы доступны в настольном и ручном вариантах.
Цифровые рефрактометры также определяют критический угол, но путь света полностью находится внутри призмы. Капля образца помещается на ее поверхность, поэтому критический световой луч никогда не проникает в образец. Это облегчает считывание мутных образцов. Граница света и темноты, положение которой пропорционально критическому углу, определяется ПЗС- матрицей. Эти измерители также доступны в настольной (лабораторной) и портативной (карманной) версиях. Эта возможность легкого измерения Brix в полевых условиях позволяет определять идеальное время сбора урожая фруктов и овощей, чтобы продукты поступали к потребителям в идеальном состоянии или были идеальными для последующих этапов обработки, таких как винификация.
Благодаря более высокой точности и возможности сочетать его с другими методами измерения (%CO2 и %алкоголя), большинство компаний по производству безалкогольных напитков и пивоваренных заводов используют осциллирующий плотномер с U-образной трубкой. Рефрактометры по-прежнему широко используются для фруктовых соков.
Когда раствор сахара измеряется рефрактометром или плотномером, значение °Bx или °P, полученное путем ввода в соответствующую таблицу, представляет собой только количество сухих веществ, растворенных в образце, если сухие вещества представляют собой исключительно сахарозу. Это случается редко. Например, виноградный сок ( сусло ) содержит мало сахарозы, но содержит глюкозу, фруктозу, кислоты и другие вещества. В таких случаях значение °Bx явно не может быть приравнено к содержанию сахарозы, но оно может представлять собой хорошее приближение к общему содержанию сахара. Например, раствор D-глюкозы (виноградного сахара) с массовой долей 11,0% показал значение 10,9 °Bx с помощью ручного прибора. [ необходима цитата ] По этим причинам содержание сахара в растворе, полученное с помощью рефрактометрии с таблицей ICUMSA, часто сообщается как «рефрактометрическое сухое вещество» (RDS), [9], которое можно рассматривать как эквивалентное содержание сахарозы. Когда желательно знать фактическое содержание сухих веществ, эмпирические формулы коррекции могут быть разработаны на основе калибровок с растворами, аналогичными тем, которые тестируются. Например, при очистке сахара растворенные твердые вещества могут быть точно оценены по измерению показателя преломления, скорректированному с помощью измерения оптического вращения (поляризации). [10]
Спирт имеет более высокий показатель преломления (1,361), чем вода (1,333). Как следствие, измерение рефрактометром, сделанное на растворе сахара после начала брожения, дает показания, существенно превышающие фактическое содержание твердых веществ. Таким образом, оператор должен быть уверен, что образец, который он тестирует, не начал бродить. (Если брожение действительно началось, коррекцию можно сделать, оценив концентрацию спирта из исходного, предферментационного показания, называемого домашними пивоварами «OG».) [11] Измерения Брикса или Плато, основанные на удельном весе, также подвержены влиянию брожения, но в противоположном направлении; поскольку этанол менее плотный, чем вода, раствор этанола/сахара/воды дает показания Брикса или Плато, которые искусственно занижены.
