Článek stručně popisuje základy teorie barev, včetně základních veličin a vztahů používaných ve spektrofotometrii. Dále jsou uvedeny příklady nejčastěji používaných komerčně vyráběných spektrofotometrů a kolorimetrů k rychlé a jednoduché kontrole kvality barvy potravin a přísad. V části věnované měření barvy potravin v reálném čase je podrobněji popsán systém měření barvy, resp. bělosti cukru.
In the paper there are briefly described the principles of color theory, including primary objective values and relationships used in spectrophotometry. Further are given examples of the most frequently used commercial produced spectrophotometers and colorimeters to rapid and simple monitoring of food color. Control system of sugar color is detailed described in part about color control in real-time.
Mezi velmi důležité parametry senzorického hodnocení kvality potravin patří hodnocení barvy (barevnosti) a při něm porovnání odstínu se standardem jednotlivých typů potravin. Jednou z nejstarších metod je subjektivní hodnocení lidským okem, kdy je porovnáván skutečný odstín barvy potraviny se standardem. Tento primitivní způsob byl postupně nahrazen objektivním měřením barvy kolorimetrem či spektrofotometrem. Naměřené spektrum ve viditelné oblasti 360 až 780 nm je transformováno do speciálně vytvořeného barevného prostoru. Jedním z prvních barevných prostorů, který se ale používá dodnes, je prostor HunterLab [1].
1. Stručné základy teorie barev
První kruhový diagram barev vytvořil Isaac Newton v roce 1666. Od té doby se odborníci přou, jaká forma reprezentace barevné škály je nejvhodnější. Základem jsou vždy tři tzv. primární barvy, jejichž mícháním vznikají další odstíny (obr. 1).
Vyjde-li se např. z červené, žluté a modré (obr. 1a), vzniknou smícháním primárních barev sekundární barvy, zde zelená, oranžová a purpurová (obr. 1 b). Smícháním sekundárních barev dále vzniknou barvy terciární (obr. 1c). Konečným výsledkem míchání barev je celé barevné spektrum, jak je známo z duhy na obloze.
Každý bod, přesněji svislá úsečka na spektru (obr. 2), představuje jeden odstín (v anglické terminologii hue). Doplňkové neboli komplementární barvy jsou dvě barvy stojící v kruhu přímo naproti sobě (obr. 1b, obr. 1c).
Barva je pojem, který se obvykle užívá ve více významech:
- označení vlnové délky viditelného světla nebo jejich kombinace,
- označení jedné z vlastností látek, v popisovaném případě potravin (též barevnost, odstín),
- nátěrová hmota, jejímž účelem je barvení, popř. povrchová ochrana předmětů.
V rámci tohoto článku je pojem barva použit k označení barvy světla nebo barvy potravin.
Světlo je absorbováno při přeskoku elektronů absorbujících molekul z jedné energetické hladiny do druhé. Frekvence pohlceného záření je dána rozdílem energií hladin, mezi nimiž došlo k přeskoku. Látky pohlcující záření v oblasti vlnových délek 360 až 780 nm se člověku jeví, vzhledem ke spektrální citlivosti lidského oka, jako barevné. Vztah mezi polohou absorpčních pásů ve viditelném spektru a barvou látek ukazuje tab. 1.
2. Základní veličiny a vztahy používané ve spektrofotometrii
Množství světla určité vlnové délky, které prochází vzorkem, je definováno jako transmitance
T = I/I0 (1)
kde
I je intenzita světla, které prošlo vzorkem,
I0 intenzita světla, které do vzorku vstoupilo.
Pro eliminování vlivu absorpce a odrazu světla kyvetou a optikou měřicího přístroje se měří transmitance relativně vzhledem ke slepému (referenčnímu) vzorku. Transmitance je pak definována vztahem
T = Iv/Ib (2)
kde
Iv je intenzita světla, které prošlo vzorkem,
Ib intenzita světla, které prošlo slepým vzorkem.
Transmitance barevného roztoku závisí na vlastnostech absorbující látky, vlnové délce procházejícího světla, množství absorbující látky, tj. na její koncentraci v roztoku, a na tloušťce kyvety. Závislost transmitance na těchto veličinách poprvé
formuloval August Beer (1825–1863). Při použití monochromatického světla platí
T = 10–εlc (3)
kde
ε je molární dekadický absorpční koeficient (konstanta specifická pro danou látku při určité vlnové délce),
l optická délka kyvety,
c látková koncentrace absorbující látky.
Algebraickými úpravami lze transmitanci vyjádřit vztahem
log T = εlc (4)
Na základě tohoto vztahu lze definovat absorbanci A jako bezrozměrnou veličinu, která udává, kolik světla bylo pohlceno měřeným vzorkem:
A = log T = εlc (5)
Vztah (5) je označován jako Lambertův-Beerův zákon (Johann Heinrich Lambert, 1728–1777, August Beer, 1825–1863), vyjadřující, že absorbance je přímo úměrná koncentraci absorbující látky.
3. Fotometry a spektrofotometry
K měření absorbance a transmitance se používají fotometry a spektrofotometry. Přístroje, které měří při jedné nebo jen několika přesně definovaných vlnových délkách monochromatického světla, jsou označovány jako fotometry. Technicky složitější a dokonalejší přístroje, které umožňují vlnovou délku monochromatického světla libovolně nastavovat nebo měřit část absorpčního spektra v určitém úseku vlnových délek, jsou nazývány spektrofotometry.
Principiálně se fotometr i spektrofotometr skládá ze čtyř částí: zdroje světla, monochromátoru, místa na umístění vzorku a detektoru. Jako zdroj světla slouží vhodná žárovka nebo výbojka. Žárovky a halogenové žárovky poskytují záření o spojitém spektru ve viditelné a infračervené oblasti, nemohou být ale použity k měření v UV oblasti. Jako zdroje ultrafialového záření se nejčastěji používají vodíkové nebo deuteriové výbojky. Zdrojem UV i viditelného světla může být také např. xenonová výbojka. Její výhodou je široký rozsah vlnových délek, naopak nevýhodou je vysoká cena a nestabilita intenzity jejího světla při různých vlnových délkách, které je složením spojitého a čárového spektra.
4. Rychlá kontrola kvality barvy potravin
K rychlé a jednoduché kontrole kvality barvy potravin a přísad lze použít množství komerčně vyráběných spektrofotometrů a kolorimetrů. Významné postavení v potravinářském průmyslu mají přístroje firem HunterLab Inc. a Konica Minolta Sensing, Inc. V následujícím textu jsou uvedeny příklady nejčastěji používaných přístrojů.
Kolorimetry CR-400 a CR-410 (obr. 3) lze použít k měření barvy všech druhů potravin a přísad v pevném, práškovitém i tekutém stavu. U kolorimetru CR-400 (obr. 3a) je měřicí otvor hlavice o velikosti 8 mm a osvětlení xenonovou výbojkou. Kolorimetr CR-410 (obr. 3b) má měřicí otvor 50 mm, což je ideální pro měření nehomogenních vzorků prášků, granulí, kuliček nebo zrn. Pomocí speciálních nástavců lze změřit i barevnost neprůsvitných tekutin, jako je kečup nebo hořčice. Měření mohou být prováděna buď samostatně pomocí měřicí hlavice, nebo v kombinaci s vyhodnocovací jednotkou DP-400.
Speciální přístroj Baking Contrast Meter BC-10 (obr. 4) je určen k rychlé kontrole stupně pečení všech druhů pečených, smažených a vařených potravin, např. chleba, housek nebo sušenek. Indikace je srovnatelná s vnímáním lidského oka.
Příklady kolorimetrů k měření barvy masa jsou uvedeny na obr. 5. Pro laboratorní i provozní kontrolu barvy potravin je v potravinářství velmi využíván stolní spektrofotometr CM-5. Tento spektrofotometr umožňuje operativně měřit barvu jak odrazem záření u kusových potravin o velikosti 30, 8 a 3 mm (obr. 6a) a rovněž u vzorků tekutin, past (obr. 6b, obr. 6c), prášku či granulí ve speciální nádobce, tak i měřením prostupu záření u průsvitných kapalin v kyvetě (obr. 6d), fólií nebo skleněných desek.
Další ze stolních spektrofotometrů, D25 NC s otáčivým stolkem od firmy HunterLab Inc. (obr. 7), je vhodný k měření a hodnocení barvy nesourodých kusovitých potravin, např. sušenek (obr. 7a) nebo smažených bramborových lupínků (obr. 7b).
5. Měření barvy v reálném čase v potravinářství
Měření barvy potravin v reálném čase dovoluje monitorovat kvalitu potravin a tím pomáhá operátorům včas odhalit jakékoliv provozní závady. Přesnost měření umožňuje, aby proces probíhal efektivně a ekonomicky při dosažení velké kvality a zachování požadované bezpečnosti. Není-li v provozu zařízení na sledování kvality on-line, obvykle je první informace o změně kvality získána až z laboratorních výsledků. Při kontinuální výrobě to znamená odebírat vzorky v pravidelných intervalech, což lze řešit přímým odebíráním vzorků z pásového dopravníku nebo jsou vzorky odebírány automatickým vzorkovačem v přesném časovém intervalu. V obou případech ale dochází k podstatnému zpoždění, než se operátor dozví výsledek analýzy z laboratoře. Je-li tímto způsobem zjištěno, že kvalita potravin neodpovídá standardu, často je vyrobeno, zabaleno a uskladněno i několik tun zpracovávaných výrobků nestandardní kvality. Operátor pak obtížně hledá a identifikuje důvody, které danou závadu způsobily, neboť problém mohl vzniknout v jakékoliv fázi výroby. Do té doby, než operátor najde vlastní zdroj závady a laboratoř následně potvrdí, že závada je odstraněna, je nutné veškerý vyrobený produkt vrátit do výroby nebo jej vyřadit.
Jako příklady měření barvy v reálném čase lze uvést monitorování barvy potravin, nejčastěji za sušárnou (cukr), za pecí (pekařské výrobky) nebo za smažicí či pražicí pánví (bramborové lupínky, káva aj.). Systém detekuje a zaznamenává i velmi malé odchylky od standardní barvy pečených výrobků na celé šířce dopravníku. Zajišťuje tak jejich žádanou kvalitu a minimalizuje odpady. Na obr. 8 je znázorněn systém SpectraTrend HT od firmy HunterLab Inc. instalovaný na výrobní lince sušenek.
6. Měření barvy cukru v reálném čase
Podrobněji je dále popsán systém Neltec ColourQ k měření barvy, resp. bělosti cukru v reálném čase (obr. 9) [2], [3], [4]. Podobný systém na měření barvy cukru on-line jako Neltec nabízí i americká firma HunterLab Inc. (přístroj SpectraTrend HT) nebo francouzská firma Iteca Socadei SAS (systém Colobserver) [5]. V případě cukru je pojmem barva cukru vyjadřována bělost cukru.
Je-li v provozu měřena barva cukru on-line za sušárnou, je kvalita cukru naskladňovaného do sila monitorována nepřetržitě.
Zjistí-li operátor zhoršenou kvalitu cukru, okamžitě zasáhne a cukr místo do sila vrací do výroby k rozpouštění. Změna barvy je zaregistrována okamžitě, avšak měření neidentifikuje zdroj závady. Jde-li o rychlou skokovou změnu bělosti cukru, je příčina pravděpodobně ve změně kvality zpracovávané cukroviny.
Na obr. 10 je schematicky znázorněno zařízení instalované nad dopravním pásem cukru za odstředivkami. Je-li v provozu vždy pouze jedna odstředivka, může měřicí přístroj při snímání barvy cukru na dopravním pásu během vyprazdňování odstředivky vyhodnotit profil barvy cukru za každou odstředivkou a okamžitě identifikovat kolísání barvy odstředěného cukru (změny odstínu barvy cukru z bílé do žluté), které má zpravidla příčinu v nesprávném nastavení vykrývacích trysek a v seřízení doby vykrývání (oplachování) cukru v odstředivce. V tomto případě instalace senzoru umožňuje okamžitě zjistit technologickou závadu u dané odstředivky a operativně řešit problém bez ztráty času. Jednotlivě tak lze mechanicky optimalizovat chod každé odstředivky zvlášť, včetně optimalizace množství vykrývací vody, což je spojeno s automatickým řízením vykrývání, které zajistí stabilní profil barvy odstředěného cukru. Hledání závad a optimalizace procesu závodu nejen ušetří peníze, ale umožní i zvýšení kapacity [2]. Poslední zkušenosti se systémem Neltec ColourQ byly publikovány v práci [6]: v cukrovaru Viro v Chorvatsku bylo dosaženo velkého výkonu odstředivek při zachování vysoké kvality odstředěného cukru.
Poděkování:
Autor děkuje firmám Anamet, s. r. o., a Polz Instruments, s. r. o., za poskytnutí obrázků přístrojů, R. Polzovi rovněž za přečtení a doplňky textu.
Článek vychází z textu kapitoly 13.5 Měření barvy potravin z knihy Měření a řízení v potravinářských a biotechnologických výrobách (editoři Kadlec K., Kmínek M., Kadlec P. a kolektiv, 2015), která vyšla v nakladatelství Key Publishing, Ostrava.
Literatura:
[1] KADLEC, P.: Měření barvy potravin. V knize KADLEC, K. – KMÍNEK, M. – KADLEC, P. (editoři) a kolektiv (2015): Technologie
potravin – Měření a řízení v potravinářských a biotechnologických výrobách. Key Publishing, Ostrava, 2015, 824 str., ISBN 978-80-7418-232-7.
[2] DIRINGER, T. – NIELSEN, B. CH.: Collecting and using accurate real-time proces information to troubleshoot and prevent problems in the sugar factory. Neltec Denmark A/S, Bevtoft, Denmark, 2008.
[3] CHORAO, J. M.: A refiners‘ experience of on-line colour measurement. In: International Sugar Journal, 2012, 114, č. 1367, s. 804–809.
[4] NIELSEN, B. CH.: Reducción de costos eliminando color mediante su medición en tiempo real. In: 30. Convención ATAM, World Trade Center, Veracruz, Mexico, 4.–7. 9. 2007.
[5] ECA SOCADEI SAS: Colobserver. On-line Color Analyzer. Firemní materiál, Iteca Socadei SAS, Aix-en-Provence, Francie, 2014.
[6] PUSIČ, D.: High filling of centrifugals with on-line colour measurement. In: International Sugar Journal, 2015, 117, č. 1394, s. 138–142.
Internetové odkazy na webové stránky výrobců a dodavatelů:
prof. Ing. Pavel Kadlec, DrSc.,
Ústav sacharidů a cereálií Vysoké školy chemicko-technologické v Praze
Obr. 1. Kruhové diagramy primárních barev a jejich odstínů
Obr. 2. Celé barevné spektrum
Obr. 3. Měření barvy potravin přenosnými kolorimetry firmy Konica Minolta Sensing Inc.: a) kolorimetr CR-400, b) kolorimetr CR-410
Obr. 4. Měření barvy pekařských výrobků kolorimetrem Baking Contrast Meter BC-10 od firmy Konica Minolta Sensing Inc.
Obr. 5. Měření barvy masných výrobků přenosným spektrofotometrem MS EZ od firmy HunterLab Inc.: a) měření barvy hovězího masa, b) měření barvy rybího masa
Obr. 6. Měření barvy různých vzorků potravin stolním spektrofotometrem CM-5 od firmy Konica Minolta Sensing Inc.: a) tabulková čokoláda, b) kečup, c) hořčice, d) zelená kapalina v kyvetě
Obr. 7. Měření barvy nesourodých materiálů stolním spektrofotometrem D25 NC s otáčivým stolkem od firmy HunterLab Inc.
Obr. 8. Systém SpectraTrend HT od firmy HunterLab Inc. instalovaný na výrobní lince sušenek
Obr. 9. Systém Neltec ColourQ k monitorování barvy cukru on-line
Obr. 10. Umístění senzoru snímače NeltecQ nad dopravním pásem cukru za odstředivkami (upraveno podle [4])
Tab. 1. Vztah mezi polohou absorpčních pásů ve viditelném spektru a barvou látek
| Absorbovaná vlnová délka (nm) |
Barva absorbovaného světla |
Barva látky |
| 400 až 435 |
fialová |
žlutozelená |
| 435 až 480 |
modrá |
žlutá |
| 480 až 490 |
zelenomodrá |
oranžová |
| 490 až 500 |
modrozelená |
červená |
| 500 až 560 |
zelená |
purpurová |
| 560 až 580 |
žlutozelená |
fialová |
| 580 až 595 |
žlutá |
modrá |
| 595 až 605 |
oranžová |
zelenomodrá |
| 605 až 670 |
červená |
modrozelená |