Метрология: в 3 ч. Ч. 3. Методы, средства и методики аналитических измерений в пищевой и перерабатывающей промышленности

А. А. Бегунов, А. П. Пацовский

МЕТРОЛОГИЯ
Часть 3. Методы, средства 
и методики аналитических измерений 
в пищевой и перерабатывающей 
промышленности

Санкт-Петербург
ГИОРД 
2019

Рекомендовано ФУМО в системе высшего образования 
по укрупненным группам специальностей и направлений подготовки 
27.00.00 «Управление в технических системах» в качестве 
учебного пособия для реализации основных профессиональных 
образовательных программ высшего образования по направлению 
подготовки бакалавров 27.03.01 «Стандартизация и метрология» 
и направлению подготовки магистров 27.04.01 «Стандартизация 
и метрология»

УДК 006.91
ББК 30.10
 
Б97

Бегунов Александр Андреевич
Б97 
 
Метрология: в 3 ч. Ч. 3. Методы, средства и методики аналитических 
измерений в пищевой и перерабатывающей промышленности / А. А. Бегунов, А. П. Пацовский ; под ред. проф. А. А. Бегунова. — Санкт-Петербург : 
ГИОРД, 2019. — 640 с. : ил.

ISBN 978-5-98879-200-0

Книга является третьей частью цикла учебников по курсу «Метрология». В ней 
рассмотрены методы и средства измерений, представляющие интерес для оценки 
качества пищевого сырья и готовой продукции. 
Учебное пособие предназначено для учащихся вузов (бакалавры, специалисты, 
магистры и аспиранты) пищевой и перерабатывающей отрасли всех специальностей, обучающихся по направлениям «Автоматика и управление», «Химическая 
технология» (в том числе 18.03.01 и 18.04.01), 19.03.01 и 19.04.01 «Биотехнология», 
27.03.01 и 27.04.01 «Стандартизация и метрология», а также «Технология продовольственных продуктов и потребительских товаров». Кроме того, издание может быть 
использовано в других учебных заведениях технологических отраслей промышленности, а также будет полезно для сотрудников государственной метрологической 
службы и работников метрологических служб, сотрудников научных учреждений 
и специалистов на производстве и в научных организациях, занимающихся измерениями.

УДК 006.91
ББК 30.10

ISBN 978-5-98879-200-0 
© ООО «Издательство „ГИОРД“», 2019

Принятые сокращения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

Предисловие. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

Глава 1. АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

1.1. Общие положения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

1.2. Основные аналитические методы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

Глава 2. РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46

2.1. Гравиметрические методы измерения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46

2.2. Варианты гравиметрических методов измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51

2.3. Термогравиметрические методы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71

2.4. Измерение зольности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84

2.5. Варианты разделительных методов измерения массы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87

2.6. Измерение объема  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122

2.7. Хроматография  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142

Глава 3. ОПТИЧЕСКИЕ СПЕКТРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА  . . . . . . . . . . . . .185

3.1. Электромагнитное излучение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .186

3.2. Спектральные средства измерений  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199

3.3. Оптические методы анализа  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .207

3.4. Фотометрические методы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .235

3.5. Фурье-спектрометры  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .258

3.6. Спектроскопические методы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .263

3.7. Люминесцентный анализ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .276

3.8. Флуориметрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .279

3.9. Турбидиметрия и нефелометрия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .282

3.10. Масс-спектрометрический метод  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .287

3.11. Применение оптических методов в пищевой промышленности  . . . . . . . .295

Глава 4. РЕЗОНАНСНЫЕ МЕТОДЫ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .298

4.1. Ядерный магнитный резонанс  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .299

4.2. Электронный парамагнитный резонанс. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .321

4.3. Метод протонного магнитного резонанса  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .332

4.4. Диэлькометрия  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .333

КРАТКОЕ ОГЛАВЛЕНИЕ

Краткое оглавление 

Глава 5. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ . . . . . . . . . .357
5.1. Электрохимические методы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .357
5.2. Теоретические основы электролитических методов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .358
5.3. Кондуктометрический метод  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .359
5.4. Кулонометрия  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .362
5.5. Вольтамперометрия  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .365
5.6. Полярографический метод  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .367
5.7. Амперометрическое титрование  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .370
5.8. Потенциометрия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .371
5.9. Электрофорез. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .393
5.10. Биологические методы анализа  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .410
5.11. Применение электрохимических методов анализа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .417

Глава 6. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ, МЕХАНИЧЕСКИЕ 
И ОРГАНОЛЕПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .427
6.1. Теплофизические методы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .429
6.2. Дилатометрия  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .437
6.3. Температура вспышки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .445
6.4. Методы измерения механических свойств. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .448
6.5. Методы измерения плотности  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .462
6.6. Акустические методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .469
6.7. Методы органолептических оценок качества пищевой продукции. . . . . . .474

Глава 7. МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .489
7.1. Роль методик измерений в аналитике. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .489
7.2. Содержание понятия «Методика измерений» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .491
7.3. Основные требования к методике измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .492
7.4. Оформление методики измерений  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .497
7.5. Примеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .500

Глава 8. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АНАЛИТИКИ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .538
8.1. Величины и единицы, характеризующие состав. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .538
8.2. Основные метрологические характеристики методов  . . . . . . . . . . . . . . . . . .546
8.3. Методика прецизионного измерения массовой доли воды 
в газообразных системах сорбционно-гравиметрическим методом   . . . . . . . . .550
8.4. Принципы и методология построения систем воспроизведения 
и размеров единиц некоторых аналитических величин  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .572

Приложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .602

Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .630

Использованная и рекомендуемая литература  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .632

Основное оглавление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .636

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

ААС 
— атомно-абсорбционная спектрометрия 
АЦП 
— аналого-цифровой преобразователь 
АЭС 
— атомно-эмиссионный спектральный анализ 
БИУ 
— биологические измерительные устройства 
БХ 
— бумажная хроматография 
ВК 
— вариационный коэффициент 
ВОИП 
— волоконно-оптический измерительный преобразователь 
ВЭЖХ 
— высокоэффективная жидкостная хроматография 
ВЭТТ 
— высота, эквивалентная теоретической тарелке 
ГЖХ 
— газо-жидкостная хроматография 
ГХ 
— газовая хроматография 
ГСИ 
— Государственная система обеспечения единства 
 
 
измерений 
ДДП 
— двухкомпонентный диэлькометрический 
 
 
преобразователь 
ДНК 
— дезоксирибонуклеиновая кислота 
ДНОП 
— диапазон непосредственного отсчета показаний 
ДТА 
— дифференциальный термический анализ 
ДФПГ 
— 2,2-дифенил-1-пикрил-гидразил 
ДЭС 
— двойной электрический слой 
ИВ 
— инверсионно-вольтамперометрический (метод) 
ИК 
— инфракрасное(ая) 
ИСО 
— международная организация по стандартизации 
 
 
(см. ISO) 
ИСП 
— индуктивно-связанная плазма 
ИСЭ 
— ионоселективный электрод 
ИФА 
— иммуноферментный анализ 
ИЮПАК 
(IUPAC) — международный союз теоретической и прикладной 
 
 
химии 
КГХ 
— капиллярная газовая хроматография 
КДП 
— комплексная диэлектрическая проницаемость 
КЗЭ 
— капиллярный зонный электрофорез 
КЧ 
— кислотное число 
КЭ 
— капиллярный электрофорез 
МВИ 
— методика выполнения измерений 
МИ 
— методика измерений 
МКО 
— международная комиссия по освещению 
МР 
— методические рекомендации 

Принятые сокращения

МС 
— масс-спектрометр 
МСМ 
— механические свойства материалов 
МУК 
— методические указания 
МЭКХ 
— мицеллярная электрокинетическая хроматография 
НВЭ 
— нормальный водородный электрод 
НПО 
— научно-производственное объединение 
НСП 
— неисключенная систематическая погрешность 
ОЦ 
— основной цвет 
ПИП 
— первичный измерительный преобразователь 
ПМР 
— парамагнитный резонанс 
СВЧ 
— сверхвысокочастотное (излучение) 
СЖК 
— свободные жирные кислоты 
СИ 
— средство (средства) измерения 
СКК 
— свободные карбоновые кислоты 
СКО 
— среднеквадратическое отклонение 
СОМО 
— сухой обезжиренный молочный остаток 
ТГ 
— термогравиметрия (термогравиметрический) 
ТГА 
— термогравиметрический анализ 
ТСХ 
— тонкослойная хроматография 
ТФЭ 
— твердофазная экстракция 
УЗ 
— ультразвуковой 
УФ 
— ультрафиолетовый 
УЭП 
— удельная электрическая проводимость 
ФЭК 
— фотоэлектроколориметр 
ФЭУ 
— фотоэлектронный умножитель 
ЦИ 
— цветовые измерения 
ЦК 
— цветовые координаты 
ЦКС 
— цветовая координатная система 
ЦП 
— цветовое пространство 
ЦЧ 
— цветовое число 
ЭДС 
— электродвижущая сила 
ЭМП 
— электромагнитное поле 
ЭОП 
— электроосмотический поток 
ЭПР 
— электронный парамагнитный резонанс 
ЯМР 
— ядерный магнитный резонанс 
ICUMSA — International Commission for Unform Methode of Sugar 
 
 
Analysis — международная комиссия по единым методам 
 
 
анализа качества сахара 
ISO 
— International Organization for Standardization (см. ИСО)
SI 
— международное сокращенное наименование междуна 
 
родной системы единиц физических величин 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данное учебное пособие составляет заключительную часть триады 
книг по курсу «Метрология и метрологическое обеспечение», рассматривающих все стороны применения метрологических правил и норм 
в условиях пищевой и перерабатывающей промышленности.
В первом учебнике «Метрология. Аналитические измерения в пищевой 
и перерабатывающей промышленности» сформулированы и тщательно 
проанализированы особенности аналитических измерений с адаптированием их к образовательному курсу вузов пищевой и перерабатывающей 
промышленности. В нем в полной мере рассмотрены эти особенности 
в условиях пищевых отраслей и на их основе разобраны концептуальные и методологические вопросы единства аналитических измерений, 
изложены все основные аспекты, направленные на решение проблемы 
единства аналитических измерений.
Первый учебник состоит из трех глав и девяти приложений. В первой главе «Теоретические и методологические основы метрологии» рассмотрены общие вопросы метрологии с позиции современного представления теории измерений (теория измерительных шкал, физические 
и нефизические измерения, объекты измерений, измеряемые свойства 
и величины их выражающие, погрешности и достоверность результатов 
измерений, методики измерений и их разработка и аттестация, пробоотбор и пробоподготовка, градуировка средств измерений и связанные 
с этим погрешности и др.). Во второй главе «Метрологические основы 
аналитических измерений» проанализированы принципиальные особенности аналитических измерений и на их основе рассмотрены концепция, 
принципы и методология решения всех структурных элементов аналитического измерительного процесса с позиции обеспечения единства 
измерений, в том числе применения величин и единиц международной 
системы единиц физических величин — SI (фр. le systеme international 
d’unitеs), погрешности градуировочных характеристик и отбора и подготовки проб, как наиболее важных компонентов достоверности результатов аналитических измерений. Уделено значительное место метрологическим основам нефизических, органолептических методов измерений, 
являющимся важным средством измерения в пищевой промышленности. 
Эта глава преднамеренно построена по структуре первой главы. В третьей главе «Метрологические основы аналитических методов и методик 

Предисловие

измерений» рассмотрены физическая сущность основных для пищевой 
аналитики методов и методик измерений и дан анализ основных источников погрешности. В виде приложений приведены практические 
примеры решения основных метрологических задач, образцы применения метрологических правил и норм на производстве и при научных 
исследованиях, заимствованные из собственного практического опыта 
автора, и необходимый информационный материал.
В первом учебнике показано, что аналитика является видом (аналитика — часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся 
однородностью измеряемых величин) измерения, но со своими принципиальными особенностями. Этому есть два обоснования: теоретическое 
и прагматическое. В теоретическом аспекте в обобщенном смысле объекты аналитики моделируются бинарной (квазибинарной) смесью, характеристики состава которой являются отношением некоторого количества 
определяемого компонента Хо к количеству содержащей его системы Х: 
С = Хо /(Х – Хо). Эти количества (массу или объем) измеряют с помощью 
технических средств, хранящих единицу измерения (весы и гири или 
меры вместимости), что, в конечном счете, позволяет считать аналитику 
косвенными измерениями, опирающимися на соответствующие эталоны 
массы или/и объема. В тех же случаях, когда применяют специфические средства измерений — анализаторы (отградуированные в единицах 
концентрации, например: влагомеры, солемеры и т. д.), их градуируют 
с помощью градуировочных (модельных) смесей, аттестованных по процедуре приготовления с помощью тех же средств измерения массы или 
объема. То есть в аналитике обеспечивается требуемая прослеживаемость. 
Но следует указать, что в аналитике единство измерений не может опираться на единицы массы или объема и соответствующие эталоны, поскольку, во-первых, имеется потребность перехода от косвенных измерений к прямым, во-вторых, как будет показано ниже, в погрешности 
результата аналитических измерений существенно большая доля погрешности результата измерений приходится не на инструментальную 
составляющую, а на методическую. Оценить последнюю объективно 
возможно только с помощью специальных эталонов концентрации. Отсюда и возникает проблема единства аналитических измерений.
В прагматическом плане, как известно, в науке, технике и практическом приложении аналитика востребована в количественном отношении: 
имеются многочисленные объекты измерений, для которых основной характеристикой является состав, выражаемый различными количественными способами (параметрами), признанными именно физическими 
величинами, установлены нормативы их значений, требования к их достоверности, имеются методы, средства и методики измерений.

Предисловие 

Развитие измерительной техники и технологии измерений должно 
сопровождаться адекватным развитием используемого аппарата описания объектов, процедур, средств и условий измерений, а также алгоритмического обеспечения метрологического анализа и метрологического синтеза. Именно эта направленность отличает второй учебник 
«Метрология. Производство продукции в пищевой и перерабатывающей 
промышленности». Он состоит из трех глав и 21-го приложения и ориентирован не только на пищевую отрасль, как представляется, наиболее 
характерную с точки зрения упомянутых метрологических особенностей, 
но и на все добывающие отрасли агропромышленного комплекса, в том 
числе и на так называемые технологические отрасли. Его цель — рассмотрение теоретических, методологических и технических основ единства аналитических измерений с опорой на практику их применения.
В данной книге рассматриваются основные методы, методики и средства измерений, применяемых и потенциально представляющих интерес 
в пищевой и перерабатывающей отрасли.

ВВЕДЕНИЕ

Методика приготовления философского камня
Чтобы приготовить эликсир мудрецов, или философский камень, возьми, сын мой, философской ртути и накаливай, пока она не превратится в зеленого льва. После этого прокаливай сильнее, и она превратится 
в красного льва. Диспергируй этого красного льва на песчаной бане с кислым виноградным спиртом, выпари жидкость, и ртуть превратится 
в камедеобразное вещество, которое можно резать ножом. Положи его 
в обмазанную глиной реторту и не спеша дистиллируй. Собери отдельно 
жидкости различной природы, которые появятся при этом. Ты получишь 
безвкусную флегму, спирт и красные капли. Киммерийские тени покроют 
реторту своим темным покрывалом, и ты найдешь внутри нее истинного 
дракона, потому что он пожирает свой хвост. Возьми этого черного 
дракона, разотри на камне и прикоснись к нему раскаленным углем. Он 
загорится и, приняв вскоре великолепный лимонный цвет, вновь воспроизведет зеленого льва. Сделай так, чтобы он пожрал свой хвост, и снова 
дистиллируй продукт. Наконец, сын мой, тщательно ректифицируй, 
и ты увидишь появление горючей воды и человеческой крови. Это и есть 
философский камень, дарующий бессмертие.
Джордж Рипли «Книга двенадцати врат» 

Как видно из приведенной цитаты, уже древние алхимики понимали значимость методик измерения в решении важных жизненных вопросов. До сих пор специалисты спорят, является ли анализ предметом 
измерительной теории и практики и каким образом можно очертить 
область знаний, на которую распространяется метрология как наука 
об измерениях. Это связано, с одной стороны, с широким внедрением 
метрологии в различные сферы научной и практической деятельности 
(включая учебные программы средней и высшей школ), в том числе, 
в так называемые нефизические области: психологию, социологию, медицину, спорт, культуру и многие другие, где нет физических эталонов, 
а с другой стороны, с резким возражением ряда специалистов, прежде 
всего занимающихся собственно метрологией, считающих, что об измерениях и метрологии можно говорить только там, где есть эталоны. 
Такая категорическая позиция встречается, в том числе, при обсуждениях 
научных и квалификационных работ магистров и аспирантов, молодых 
специалистов, посвященных измерению состава. При этом Федеральный 
Закон № 102-ФЗ от 26.06.2008 «Об обеспечении единства измерений»