Градусы Брикса (обозначение °Bx) являются мерой растворенных твердых веществ в жидкости и обычно используются 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 растворенных твердых веществ. Например, когда к равным количествам воды добавляются равные количества соли и сахара, степень преломления (BRIX) раствора соли повышается быстрее, чем раствора сахара. °Bx традиционно используется в производстве вина , сахара , газированных напитков , фруктовых соков , свежих продуктов , кленового сиропа и меда . °Bx также используется для измерения концентрации смазочно -охлаждающей жидкости , смешанной с водой в процессах металлообработки.
Сопоставимыми шкалами для указания содержания сахарозы являются: шкала Платона (°Р), широко используемая в пивоваренной промышленности ; шкала Охсле, используемая, среди прочего, в винодельческой промышленности Германии и Швейцарии; 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 кажущимся удельным весом (20°/20°C) 1,040 будет иметь 9,99325°Bx или 9,99359°P, в то время как репрезентативная организация по сахару, Международная комиссия по единообразным методам анализа сахара (ICUMSA), которая одобряет использование массовой доли , сообщит о концентрации раствора как 9,99249%. Поскольку различия между системами не имеют большого практического значения (различия меньше, чем точность большинства распространенных инструментов) и из-за широкого исторического использования единицы Брикса, современные инструменты рассчитывают массовую долю с использованием официальных формул ICUMSA, но сообщают результат в ° 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 концентрации, измерили их удельный вес и подготовили таблицы процентного содержания сахарозы по массе в сравнении с измеренным удельным весом. Баллинг измерил удельный вес до 3 знаков после запятой, Брикса до 5, а Комиссия Нормала-Эйхунга до 6 с целью Комиссии исправить ошибки в 5-м и 6-м знаках после запятой в таблице Брикса.
Имея одну из этих таблиц, пивовар, желающий узнать, сколько сахара содержится в его сусле , может измерить его удельный вес и ввести этот удельный вес в таблицу Платона, чтобы получить ° Платон, что представляет собой концентрацию сахарозы в процентах по массе. Точно так же винодел может ввести удельный вес своего сусла в таблицу Брикса, чтобы получить °Bx, то есть концентрацию сахарозы в процентах по массе. Важно отметить, что ни сусло, ни сусло не являются раствором чистой сахарозы в чистой воде. Растворяются и многие другие соединения, но это либо сахара, которые ведут себя очень похоже на сахарозу в отношении удельного веса в зависимости от концентрации, либо соединения, присутствующие в небольших количествах (минералы, хмелевые кислоты в сусле, дубильные вещества , кислоты в сусле). должен). В любом случае, даже если °Bx не отражает точное количество сахара в сусле или фруктовом соке, его можно использовать для сравнения относительного содержания сахара.
Поскольку удельный вес был основой для таблиц Баллинга, Брикса и Платона, содержание растворенного сахара первоначально оценивалось путем измерения удельного веса с помощью ареометра или пикнометра . В наше время ареометры по-прежнему широко используются, но там, где требуется более высокая точность, можно использовать электронный осциллирующий счетчик с U-образной трубкой . Какой бы метод ни использовался, аналитик вводит в таблицы удельный вес и выносит (при необходимости используя интерполяцию) содержание сахара в процентах по массе .
Если аналитик использует таблицы Платона (поддерживаемые Американским обществом химиков-пивоваров [3] ), он сообщает в °P. При использовании таблицы Брикса (текущая версия которой поддерживается NIST и ее можно найти на их веб-сайте) [4] они сообщают в °Bx. Если использовать таблицы ICUMSA [5] , они будут указывать массовую долю (мф).
Обычно нет необходимости обращаться к таблицам, поскольку табличные значения °Bx или °P могут быть напечатаны непосредственно на шкале ареометра рядом с табличным значением удельного веса, сохранены в памяти электронного счетчика с U-образной трубкой или рассчитаны. от подгонки полинома к табличным данным, фактически таблицы ICUMSA рассчитываются на основе полинома наилучшего соответствия.
Также обратите внимание, что используемые сегодня таблицы не опубликованы Бриксом или Платоном. Эти работники измерили истинный удельный вес воды при температуре 4 °C, используя соответственно 17,5 °C и 20 °C в качестве температуры, при которой измерялась плотность раствора сахарозы. И NBS, и ASBC пересчитываются в кажущийся удельный вес при 20 °C/20 °C. Таблицы ICUMSA основаны на более поздних измерениях сахарозы, фруктозы, глюкозы и инвертного сахара и отражают истинную плотность и вес на воздухе при 20 ° C в зависимости от массовой доли.
Растворение сахарозы и других сахаров в воде изменяет не только ее удельный вес, но и ее оптические свойства, в частности показатель преломления и степень вращения плоскости линейно поляризованного света. Был измерен показатель преломления n D для растворов сахарозы различного массового содержания и опубликованы таблицы зависимости n D от °Bx. Как и в случае с ареометром, эти таблицы можно использовать для калибровки рефрактометра , чтобы он считывал показания непосредственно в °Bx. Калибровка обычно производится по таблицам ICUMSA [6] , но пользователь электронного рефрактометра должен это проверить.
Сахара также имеют известные инфракрасные спектры поглощения, и это позволило разработать инструменты для измерения концентрации сахара с использованием методов среднего инфракрасного диапазона (MIR), недисперсионного инфракрасного диапазона (NDIR) и инфракрасного преобразования Фурье (FT-IR). Доступны встроенные приборы, которые позволяют осуществлять постоянный мониторинг содержания 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 данные в °Bx, но у этих технологий есть и другие возможности, поскольку они способны различать сахара и мешающие вещества. Новые приборы MIR и NDIR имеют до пяти каналов анализа, которые позволяют корректировать помехи между ингредиентами.
Приблизительные значения °Bx можно рассчитать из 231,61 × (SG — 0,9977), где SG — кажущаяся удельная плотность раствора при 20 °C/20 °C. Более точные значения можно получить по адресу:
получено из таблицы NBS с SG, как указано выше. Его не следует использовать выше SG = 1,17874 (40 °Bx). Среднеквадратическое расхождение между полиномом и таблицей NBS составляет 0,0009 °Bx.
Шкалу Платона можно аппроксимировать со средней средней ошибкой менее 0,02°P с помощью следующего уравнения: [7]
или с еще большей точностью (средняя ошибка менее 0,00053°P по таблицам ASBC) из полинома наилучшего соответствия: [7]
Разница между °Bx и °P, рассчитанная по соответствующим полиномам, равна:
Разница обычно не превышает ±0,0005 °Bx или °P, за исключением слабых растворов. По мере приближения к 0 °Bx °P имеют тенденцию на целых 0,002 °P превышать значение °Bx, рассчитанное для того же удельного веса. Можно ожидать разногласий такого порядка, поскольку NBS и ASBC использовали несколько 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 приложений, кроме самых требовательных, одинаковы. Примечание. Все полиномы в этой статье представлены в формате, который можно вставить непосредственно в электронную таблицу.
Полиномы ICUMSA обычно публикуются только в той форме, в которой для определения плотности используется массовая доля. В результате они исключены из этого раздела.
При использовании рефрактометра значение Брикса можно получить путем аппроксимации полиномом таблицы ICUMSA:
где – показатель преломления, измеренный на длине волны D-линии натрия (589,3 нм) при 20 °С. Температура очень важна, поскольку показатель преломления резко меняется с температурой. Многие рефрактометры имеют встроенную функцию «автоматической температурной компенсации» (АТК), 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 сдвигу показания Брикса примерно на 0,06 °Bx. Пиво, наоборот, демонстрирует изменение температуры примерно в три раза сильнее. Поэтому важно, чтобы пользователи рефрактометров либо убедились, что температура образца и призмы прибора очень близка к 20 °C, либо, если это трудно гарантировать, показания следует снимать при двух температурах, разделенных несколькими градусами. , отмечено изменение на градус и окончательное записанное значение относится к 20 °C с использованием информации о наклоне Bx в зависимости от температуры.
Поскольку растворенные вещества, отличные от сахарозы, могут по-разному влиять на показатель преломления и удельный вес, это значение преломления «Брикс» не является взаимозаменяемым с традиционным ареометром Брикса, если не применяются поправки. Формальным термином для такого показателя преломления является «рефрактометрическое сухое вещество» (RDS). См. § Брикс и фактическое содержание растворенных твердых веществ ниже.
Эти четыре шкалы часто используются как взаимозаменяемые, поскольку различия незначительны.
Брикс используется в пищевой промышленности для измерения приблизительного количества сахара во фруктах , овощах , соках, вине , безалкогольных напитках, а также в промышленности по производству крахмала и сахара. Разные страны используют весы в разных отраслях: в пивоварении в Великобритании используется удельный вес X 1000; Европа использует степени Платона ; а в США используется смесь удельного веса, градусов Брикса, градусов Боме и градусов Платона. Для фруктовых соков 1,0 градуса Брикса обозначается как 1,0% сахара по массе. Обычно это хорошо коррелирует с воспринимаемой сладостью.
Современные оптические измерители Брикса делятся на две категории. К первым относятся инструменты Аббе, в которых капля раствора образца помещается на призму; результат наблюдают через окуляр. Критический угол (угол, за которым 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 по шкале Брикса или показателю преломления. Часто в крепление призмы входит термометр, который можно использовать для поправки на 20 °C в ситуациях, когда измерение невозможно провести именно при этой температуре. Эти инструменты доступны в настольной и портативной версиях.
Цифровые рефрактометры также определяют критический угол, но путь света полностью находится внутри призмы. Капля образца помещается на его поверхность, поэтому критический луч света никогда не проникает в образец. Это облегчает чтение мутных образцов. Граница света/темноты, положение которой пропорционально критическому углу, определяется матрицей ПЗС . Эти измерители также доступны в настольной (лабораторной) и портативной (карманной) версиях. Эта способность легко измерять Брикс в полевых условиях позволяет определять идеальные сроки сбора фруктов и овощей, чтобы продукция доставлялась к потребителю в идеальном состоянии или была идеальной для последующих этапов обработки, таких как винификация.
Из-за более высокой точности и возможности сочетать его с другими методами измерения (% CO 2 и % алкоголя) большинство компаний по производству безалкогольных напитков и пивоваренных заводов используют плотномер с осциллирующей U-образной трубкой. Рефрактометры до сих пор широко используются для измерения фруктовых соков.
Когда раствор сахара измеряется рефрактометром или плотномером, значения °Bx или °P, полученные путем внесения в соответствующую таблицу, представляют собой только количество сухих веществ, растворенных в образце, если сухие вещества представляют собой исключительно сахарозу. Это случается редко. Виноградный сок ( муст ), например, содержит мало сахарозы, но содержит глюкозу, фруктозу, кислоты и другие вещества. В таких случаях значение °Bx явно нельзя приравнять к содержанию сахарозы, но оно может представлять собой хорошее приближение к общему содержанию сахара. Например, для раствора D-глюкозы («виноградный сахар») с концентрацией 11,0% по массе измеренная температура 10,9 °Bx с использованием ручного прибора. [ нужна цитация ] По этим причинам содержание сахара в растворе, полученном с помощью рефрактометрии по таблице ICUMSA, часто указывается как «рефрактометрическое сухое вещество» (RDS) [8] , которое можно рассматривать как эквивалентное содержание сахарозы. Если желательно знать фактическое содержание сухих веществ, можно разработать эмпирические поправочные формулы на основе калибровок с растворами, аналогичными тестируемым. Например, при рафинировании сахара растворенные твердые вещества можно точно оценить на основе измерения показателя преломления с поправкой на измерение оптического вращения (поляризации). [9]
У спирта более высокий показатель преломления (1,361), чем у воды (1,333). Как следствие, измерение рефрактометром раствора сахара после начала ферментации приведет к показаниям, значительно превышающим фактическое содержание твердых веществ. Таким образом, оператор должен быть уверен, что образец, который он тестирует, не начал бродить. (Если брожение действительно началось, поправку можно внести, оценив концентрацию алкоголя на основе исходных показаний перед ферментацией, называемых домашними пивоварами «OG».) [10] На измерения Брикса или Платона, основанные на удельном весе, также влияет брожение, но в противоположном направлении; поскольку этанол менее плотен, чем вода, раствор этанол/сахар/вода дает искусственно заниженное значение Брикса или Платона.
