Какие методы используют для определения плотности продуктов
Один из самых важных контролируемых показателей при производстве косметики и производстве БАД – плотность. В зависимости от производимого продукта специалисты компании «КоролёвФарм» используют несколько понятий и определений плотности.
Более чёткое определение понятия плотности требует уточнения формулировки этого термина:
- Средняя плотность тела — отношение массы тела к его объёму. Для однородных тел она имеет называние просто плотности тела.
- Плотность вещества — это плотность указанных тел, которые состоят из этого же вещества.
- Плотность тела в точке — это предел отношения массы малой части тела (m), содержащей эту точку, к объёму этой малой части (V), когда этот объём стремится к нулю, или, записывая кратко
.
При таком предельном переходе необходимо учитывать, что на атомарном уровне любое тело является неоднородным, в связи с чем необходимо остановиться на том объёме, который применяется для соответствующей используемой физической модели.
- Насыпная плотность — под насыпной плотностью различных сыпучих материалов (сахар, лактоза, крахмал и т.д.) понимают количество этого порошка (сыпучего продукта), которое находится в свободно засыпанном состоянии в определённой единице объема.
- Относительная плотность – является отношением двух понятий, т.е. терминов, и может рассматриваться как отношение объёмной, то есть насыпной плотности, к истинной плотности.
Плотность продукции является важным параметром при изготовлении косметической продукции, так как она влияет на внешний вид продукта, его органолептические свойства, вес и стоимость готовой продукции. Очень важно учитывать плотность продукта при фасовке изготовленной продукции во флаконы, тубы, банки и так далее.
Например, плотность кремов — меньше единицы. Как правило, плотность крема находиться в пределах 0,96 – 0,98 г/см3. В соответствии с проведёнными испытаниями при плотности 0,96 и объеме 50 мл масса крема составит 48 г, а при плотности 0,98 масса увеличивается уже до 49 г.
Плотность шампуней, наоборот, больше или равна единице, она находиться в пределах 1,0 — 1,04 г/см3. Исследования показывают, что при плотности 1,0 и объеме 100 мл масса шампуня в упаковке составит 100 г, а при плотности 1,04 уже 104 г.
Как уже говорилось, плотность определяется как отношение массы тела к занимаемому объёму. Поэтому, числовые значения плотности вещества показывают массу принятой или указанной единицы объема этого вещества. Как видно из приведённого примера, плотность металла, в данном случае чугуна, 7 кг/дм3. Получается, что 1 дм3 чугуна имеет массу 7 кг. Сравниваем плотность водопроводной воды – 1 кг/л. Из этого примера следует, что масса 1 л водопроводной воды равна 1 кг. Один и тот же объём разной субстанции или вещества имеют различный вес.
Известно, что при снижении температуры плотность тел увеличивается.
Существует два основных метода определения плотности вещества: ареометрический и пикнометрический. Для измерения плотности различных жидкостей используется ареометр, а для измерения плотности кремов, бальзамов, гелей, зубных паст используется пикнометр.
На основании измеренной плотности косметической продукции по согласованным на предприятии таблицам «Пределы допускаемых отклонений содержимого нетто от номинального количества» в соответствии с ГОСТ 8.579-2002 «Требования к количеству фасованных товаров в упаковке любого вида при их производстве, расфасовке, продаже и импорте» определяются пределы допустимых отклонений содержимого нетто продукта от номинального значения.
Ареометр — прибор, которым пользуются для измерения плотности различных жидкостей и жидких субстанций. Как правило, он представляет собой стеклянную трубку, нижняя часть которой значительно расширена в диаметре. При калибровке расширенная часть заполняется дробью или ртутью, которые используются для достижения заданной массы. В верхней части ареометра находится проградуированная шкала в определенных соответствующих значениях плотности. Поскольку плотность жидкостей и жидких субстанций весьма значительно зависит от температуры, поэтому ареометр или снабжают термометром, или производят одновременное измерение температуры жидкости другим термометром. 
Для проведения процедуры измерения плотности жидкой субстанции или жидкости чистый ареометр осторожно помещают в достаточного объема мерную мензурку с жидкостью, но таким образом, чтобы ареометр свободно плавал в ней. Значения плотности определяют по шкале ареометра находящейся на нижнем крае мениска жидкости.
В физике Ареометром называют прибор, служащий для определения значения плотности и, следовательно, определения удельного веса тел.
Историки науки считают, что ареометр как прибор для проведения измерений изобрела Гипатия – знаменитая женщина-ученый, астроном, математик и философ, глава Александрийской школы неоплатонизма. Благодаря её научной деятельности были изобретены или усовершенствованы и другие приборы: дистиллятор, астролябия и планисфера.
Устройство современных ареометров, как и ареометров, применяемых в древности, основано на известном гидростатическом законе — законе Архимеда, Как известно из школы младших классов, закон Архимеда гласит, что каждое тело плавает в жидкости и погружается настолько глубоко в нее, что вес вытесненной этим телом жидкости равен весу всего тела, плавающего в этой жидкости. 
Интересные обстоятельства предшествовали открытию закона Архимеда, который прославил ученого на все времена. «Эврика!», – восклицает каждый, находя решение трудной задачи, а ведь этому предшествует целая история.
Архимед служил при дворе Гиерона II – тирана Сиракуз, который правил в 270-215 годах до нашей эры, а с 269 года до нашей эры носил титул царя. Гиерон слыл коварным, жадным и подозрительным правителем.
Он подозревал своих ювелиров в том, что при изготовлении золотых изделий они подмешивают в золото серебро или хуже того олово к благородному металлу, что и послужило причиной открытия одного из физических законов. Он поручил Архимеду изобличить мастеров-ювелиров, так как он был уверен, что при изготовлении для него короны ювелиры украли золото.
Для решения этой сложной задачи необходимо знать не только массу, но и определить объём изготовленной короны, а это было самым сложным, чтобы в дальнейшем вычислить плотность металла. Корона имеет сложную и неправильную геометрическую форму, определить её объём — очень не простая задача, над решением которой долгое время размышлял Архимед.
Решение было найдено Архимедом оригинальным способом, когда он погружался в ванну – уровень воды резко поднялся, после того когда он погрузился в воду. Тело учёного вытеснило равный ему объём воды. «Эврика!» — воскликнул Архимед и побежал во дворец, как утверждает легенда, не одевшись. Дальше всё было просто. Он погрузил корону в воду, измерил объём вытесненной жидкости и таким образом определил объём короны.
Благодаря этому Архимедом и был открыт принцип или, как его ещё называют, закон плавучести. Твердое тело, погружённое в жидкость, вытеснит объем жидкости, равный объему погруженного в жидкость тела. В воде может плавать любое тело, если его средняя плотность меньше плотности той жидкости, в которую его поместили.
Закон Архимеда гласит: на всякое тело, которое погружено в жидкость или в газ, действуют выталкивающие силы, направленные вверх и равные весу вытесненной им жидкости или газа.
До настоящего времени человечество успешно применяет знания, полученные от далёких предков во многих областях своей деятельности, в том числе и при производстве косметики.
Как уже говорилось, для измерения плотности используется также пикнометр. Измерение плотности с помощью пикнометра проводят следующим образом.
Перед испытанием необходимо промыть пикнометр последовательно растворителем для удаления следов испытуемого вещества, затем хромовой смесью, водой, спиртом, эфиром, затем высушить до постоянной массы и взвесить (результат взвешивания записывают в граммах с точностью до четвертого десятичного знака).
Пикнометр заполняется с помощью воронки или пипетки дистиллированной водой немного выше метки, закрывается пробкой и помещается на 20 минут в термостат с температурой (20 ±0,1)°С.
При достижении температуры (20 ±0,1)°С, необходимо довести уровень воды в пикнометре до метки, быстро отбирая излишек воды при помощи пипетки или свернутой в трубку полоски фильтровальной бумаги или, добавляя водой до метки, закрыть пикнометр пробкой и поместить пикнометр в термостат с температурой (20 ±0,1) °С на 10 минут.
Вынуть пикнометр из термостата, взвесить, освободить от воды, высушить его и заполнить пикнометр испытуемой жидкостью и термостатировать.
Вычислите плотность ( ) в г/см3 по формуле:
где: m1 – масса пикнометра с испытуемой жидкостью, г;
m0 – масса пустого пикнометра, г;
m2 — масса пикнометра с водой, г;
А – поправка на аэростатические силы, вычисляется по формуле:
А= 0,0012 х V.
где: V – объем пикнометра, см3;
0,0012 – плотность воздуха при 200С, г/см3;
0,9982 – плотность воды при 200С, г/см3;
На фирме «КоролевФарм» для измерения плотности косметических изделий, имеющих густую консистенцию (эмульсии, крем-гели, гели, бальзамы и т.п.), используется экспресс-метод. Суть его заключается в том, что для проведения испытаний используется калиброванный шприц.
Для определения плотности взвесьте пустой шприц (результат взвешивания записывают в граммах с точностью до второго десятичного знака), наполните шприц дистиллированной водой до максимальной метки, затем тщательно вытрите поверхность шприца и произведите повторное взвешивание.
Объем (V) шприца определите по формуле:
где: m1 – масса шприца с водой (г), m0 — масса пустого шприца (г), 0,9982 — плотность воды при 200С, г/см3;
Снова взвесьте пустой шприц (результат взвешивания записывают в граммах с точностью до второго десятичного знака), заполните шприц косметической массой до максимальной метки, не допуская попадания пузырьков воздуха.
Тщательно вытрите поверхность шприца и произведите его повторное взвешивание.
Плотность ( ) в г/см3 вычислите по формуле:
Где, m1 – масса шприца с косметическим средством (г), m0 — масса пустого шприца (г), V – объем шприца (см3)
За результат испытания принимают среднеарифметическое результатов двух параллельных определений, расхождение между которыми не превышает 0,01 г/см3.
Этот метод позволяет быстро определить плотность изготовленного косметического продукта.
Для определения состава и ценности пищевых продуктов проводят количественные и качественные анализы. Качественный анализ устанавливает, из каких элементов состоит вещество, а количественный – определяет их количество на содержание. Это необходимо еще для того точно установить минимальный уровень удовлетворения потребностей организма или же ограничит количество некоторых продуктов при патологических состояниях.
В зависимости от используемых при исследовании показателей различают: химические – гравиметрический (весовой) и титрометрический (объемный), (объемный), газовый и физические – оптические (спектральный, фотометрический, калориметрический, люминесцентный, рефрактометрический), хромотографические, электрохимические и радиометрические методы количественного анализа.
Методы анализа, основанные на регистрации изменений физических свойств анализируемых веществ происходящих в результате определенных химических реакции, называются физико-химическими они отличаются быстротой чувствительностью приборов.
С помощью физико-химических методов анализа можно определить тысячные, и даже стотысячные доли процента того или иного элемента. К тому же в случае, если исследование нужно проводить в многокомпонентном материале, то можно обойтись без химического выделения того или иного вещества.
Плотность является показателем состояния сырья или продукта (жидкие, твердые). Часто для идентификации продуктов используют метод определения плотности т.к. он является косвенным показателем содержания в растворе питательных веществ. Плотностью (объемной массой) называют величину отношения массы тела в состоянии покоя Мк и его объему V
(кг/м3)
Относительная плотность это отношение плотности исследуемого вещества к плотности стандартного вещества в определенных условиях:
В качестве стандартного вещества применяют дистиллированную воду при температуре 4° и 760 мм.рт.ст.
Этот показатель (относительная плотность) необходим для пересчета объемных единиц две жидкости в весовой и обратно. Относительная плотность в растворах тем выше, чем больше концентрация в них сухих веществ.
В нашей стране принята плотность веществ указывать при нормальной температуре 20°C. Если температура отличается от 20 °C необходимо вносить температурную поправку (разную для каждого вида жидкости).
Наиболее распространенный метод определения плотности с помощью ареометра. Ареометр — прибор, в виде стеклянного поплавка с делениями и грузом внизу, предназначенный для измерения плотности жидкостей и твердых тел. Устройство ареометра основано на законе Архимеда. Различают: — ареометры постоянного веса, в которых глубина погружения ареометра обратна плотности жидкости; — ареометры постоянного объема, в которых плотность определяется по массе гирь, снятых или добавленных для погружения ареометра до метки, указывающей объем вытесненной жидкости.
Имеются термоареометры – измеряющие еще и температуру. Ареометры постоянной массы для измерения плотности жидкостей называют денсиметрами (имеют шкалу единиц плотности) ареометр, определяющий процентное содержание растворенных в жидкости веществ (спиртометры, сахариметры, ареометр для кисло), дающие отсчет в условных единицах (специальный металлический спиртометр и т.д.). Они бывают стеклянными или металлическими. В лабораториях пользуются рабочими приборами. Ареометр должен быть всегда чисто вымытый и высушен, т.к. от этого зависят его показания.
Наиболее точным и в тоже время трудоемким считается метод определение плотности при помощи пикнометра. Пикнометр (от греч. pyknós — плотный), стеклянный сосуд специальной формы и определённой вместимости, применяемый для измерения плотности веществ в газообразном, жидком и твёрдом состояниях. Измерение плотности пикнометром основано на взвешивании находящегося в нём вещества (обычно в жидком состоянии), заполняющего пикнометра до метки на горловине или до верхнего края капилляра, что соответствует номинальной вместимости пикнометра. Измерения объёма значительно упрощаются, если вместо одной метки у. пикнометра имеется шкала.
Очень удобен в работе пикнометр с боковой капиллярной трубкой, у которой пробкой служит тело термометра). Плотность твёрдых тел определяют, погружая их в пикнометр с жидкостью. Для измерения плотности газов применяют пикнометр специальной формы (шаровидные и др.). Основные достоинства пикнометрического метода определения плотности: высокая точность измерений (до 10-5 г/см3); возможность использования малых количеств вещества (0,5-100 см3); малая площадь свободной поверхности жидкости в пикнометре, что практически исключает испарение жидкости и поглощение влаги из воздуха; раздельное проведение операций термостатирования и последующего взвешивания.
Используют этот метод в консервной промышленности для определения доли растворимых сухих веществ в сиропах, соках и т.д.
Пикнометры
Пикнометр с капиллярной трубкой и термометром
2. Поляриметрический метод – исследования основан на способности некоторых веществ, изменять направление световых колебаний. При исследовании пищевых продуктов его применяют для количественного определения сахара. У поляризованного луча пропущенного через слой раствора оптически активного вещества меняется направление колебаний, т.е. плоскость поляризации поворачивается и образуется угол поворота плоскости поляризации. Этот угол зависит от природы вещества, концентрации, длины волны поляризованного света и температуры.
Оптическая активность веществ характеризуется таким показателем как удельное вращение, т.е. угол на который повернется плоскость поляризационного луча, через раствор в 1 мл которого содержится 1г растворенного вещества при толщине слоя раствора в 1 дм.
Поляриметр – прибор, состоящий из поляризатора (устройства для поляризации света кристаллы обработанного исландского шпата) анализатора (устройства для определения угла поворота плоскости поляризации после прохождения поляризационных лучей через исследуемый раствор) и поляризационной трубки (наполняемый исследуемым раствором и поляризуемой между поляризатором и анализатором).
Наиболее распространенные, в том числе сахариметры, являются полутеневыми поляриметрами. Особенностью оптической системы его является то, что анализатор в нем поставлен на полутень по отношению к поляризатору и укреплен неподвижно.
3. Рефрактометрический анализ – основан на измерении и преломлении показателей (ПП) твёрдых, жидких и газообразных сред в различных участках спектра оптического излучения (света). Зная преломление показателей n и его дисперсию (зависимость от длины волны света) D, можно определить и др. величины, зависящие от n и D.
Методы рефрактометрии разделяются на:
1) методы прямого измерения углов преломления света при прохождении им границы раздела двух сред;
2) методы, в которых используется явление полного внутреннего отражения (ПВО) света;
3) интерференционные методы;
Для измерения методами 1-й группы образцу придают форму призмы и определяют преломление показателей добиваясь поворотом призмы того, чтобы угол отклонения луча) был минимален. При другом способе измерения n исследуемый образец помещают в специально изготовленную призму с известным преломлении показателей N. Для измерения преломлении показателей жидкостей призматические образцы выполняются полыми и заливаются исследуемой жидкостью. Точность определения преломления показателей этими методами — 10-5, а разности преломлении показателей двух веществ ~10-7. Очень часто используются и методы рефрактометрии, основанные на явлении полного внутреннего отражения.
Образец с измеряемым преломлении показателей приводится в оптический контакт с эталонной призмой из материала с высоким и заранее точно измеренным преломлении показателей N. Свет может направляться как со стороны образца, так и со стороны призмы. В обоих случаях в определённом (очень узком) интервале углов падения пучка лучей на границу раздела образца и призмы в поле зрения наблюдательной зрительной трубы появится чёткая граница, разделяющая тёмный и светлый участки поля. Один из участков (тёмный при освещении со стороны образца, светлый при освещении со стороны призмы) соответствует лучам, претерпевающим полного внутреннего отражения, а граница этого участка — предельному, или критическому, углу падения луча. Точность метода полного внутреннего отражения ~ 10-5.
Рефрактометрия нашла широкое применение для определения состава и структуры веществ, а также для контроля качества и состава различных продуктов в химической, фармацевтической, пищевой и многих других отраслях промышленности. Достоинства рефрактометрических методов химического количественного анализа — быстрота измерений, малый расход вещества и высокая точность.