رفرکتومتر وسیله‌ای است که برای اندازه‌گیری ضریب شکست (refractive index) محلول‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. از این مشخصه فیزیکی می‌توان در ارزیابی‌های مختلف مانند تعیین خلوص یک محلول و یا شناسایی یک محلول ناشناس استفاده کرد.
برای این منظور کافی است که مقدار n یا همان ضریب شکست محلول را به ترتیب در مورد اول با یک مقدار استاندار و در مورد دوم با مقادیر مرجع مقایسه کرد. می‌توان گفت که طراحی‌های رفرکتومتر به گونه‌ای است که کاربرد آن‌ها را چندمنظوره می‌سازد و می‌توانند نتایج را بر حسب ضرایب شکست و یا سایر موارد مانند اندازه‌گیری مستقیم پارامترهای شوری، شیرینی و یا جامدات حل‌شده (soluble solids) نمایش دهند.
رفرکتومترها امروزه در صنایع غذایی، کشاورزی، پزشکی، بهداشت، تجهیزات آزمایشگاهی، مهندسی مکانیک، صنایع شیمیایی و صنعت خودرو کاربرد دارند. در مطالب قبلی مجله پریسماتک به بررسی اصول کار رفرکتومتر دیجیتال پرداختیم. در این مطلب قصد داریم ابتدا به صورت مختصر اصول کار رفرکتومتر را شرح دهیم و سپس به بررسی کاربرد رفرکتومتر در صنایع غذایی بپردازیم.
ضریب شکست یک محلول از طریق محاسبه نسبت سرعت نور در خلا بر سرعت نور در آن محلول به دست می‌آید:
(سرعت نور در محلول) / (سرعت نور در خلا) = ضریب شکست (n)
هنگامی که نور از یک محیط به محیط دیگر وارد می‌شود، نه‌تنها سرعت، بلکه جهت آن نیز تغییر می‌کند و منجر به شکست (refraction) نور می‌شود. پدیده شکست نور در تصویر زیر نشان داده شده است.
بر اساس این تصویر، یک اشعه نور از محیط A و با سرعت VA به محیط B وارد می‌شود و سرعت آن به VB تغییر می‌کند.
بر اساس قانون اسنل، رابطه بین زاویه پرتوهای نور در محیط و ضرایب شکست آن‌ها به صورت زیر خواهد بود:
بر اساس رابطه اسنل که در بالا بیان شد، ضریب شکست یک محلول را می‌توان به جای سنجش سرعت نور در محلول، با اندازه‌گیری زوایای برخورد و شکست نیز محاسبه کرد.
البته یک مفهوم مهم دیگر نیز برای درک طرز کار رفرکتومتر وجود دارد که به آن زاویه بحرانی یا critical angle می‌گویند. با افزایش زاویه تابش نور، زاویه شکست نور نیز افزایش می‌یابد. در یک زاویه تابش خاص، زاویه شکست به ۹۰ درجه می‌رسد که بیشترین مقدار ممکن برای زاویه شکست است. در این مقدار خاص که به زاویه بحرانی شناخته می‌شود، اشعه نور به صورت موازی با سطح به مسیر خود ادامه می‌دهد. با افزایش زاویه تابش از مقدار بحرانی، منجر به انعکاس نور از مرز دو محیط خواهد شد. این مفهوم در تصویر زیر و در قسمت A نشان داده شده است.
حال مانند بخش B تصویر فوق، یک منشور را در تماس با یک محلول در نظر بگیریم. اگر پرتو نوری با زاویه کمتر از زاویه بحرانی تابانده شود، دچار شکست می‌شود. اما اگر زاویه تابش پرتو نور بیشتر از مقداری باشد که به آن زاویه بحرانی می‌گویند، آنگاه به صورت کامل از مرز دو محیط بازتاب داده می‌شود. به این حالت بازتاب داخلی کلی (total internal reflection) می‌گویند. اگر از محل صحیح مشاهده شود، زاویه بحرانی به صورت محل گذار بین مناطق تیره و روشن در تصویر B مشخص می‌شود. با دانستن ضریب شکست منشور (nA) و نیز زاویه شکست θB در زاویه بحرانی، ضریب شکست محلول (nB) را می‌توان به دست آورد.
این قواعد معمولا اساس کار تمام رفرکتومترها هستند. برای تعیین دقیق ضریب شکست یک محلول باید به چند مورد دیگر نیز توجه کرد. ضریب شکست یک محلول به دما و نیز طول موج نور مورد استفاده در اندازه‌گیری وابستگی بالایی دارد. بنابراین به منظور سنجش دقیق ضریب شکست باید به کنترل یا جبران‌سازی تغییرات دما و طول موج توجه کرد.
امروزه تولیدکنندگان رفرکتومتر، برخی انواع تخصصی آن را برای یک هدف یا سنجش خاص طراحی و تولید می‌کنند. این رفرکتومترها نیز بر اساس همان قوانین و اصولی کار می‌کنند که در بالا بیان کردیم، با این تفاوت که این رفرکتومترها برای کاربردی خاص کالیبره می‌شوند و واحدی خاص را نمایش می‌دهند. دو مورد از مهم‌ترین رفرکتومترهای تخصصی عبارتند از: رفرکتومترهای بریکس (Brix refractometers) و رفرکتومترهای شوری (salinity refractometers).
رفرکتومتر بریکس یکی از متداول‌ترین انواع رفرکتومترهای تخصصی است. از رفرکتومتر بریکس معمولا برای سنجش میزان شکر موجود در یک محلول استفاده می‌شود. بریکس به این صورت تعریف می‌شود که در دمای بیست درجه سانتی گراد، چند گرم شکر در هر صد گرم آب وجود دارد. با افزایش غلظت محلول، ضریب شکست آن افزایش می‌یابد و رفرکتومترهای بریکس با واحد درجه بریکس کالیبره می‌شوند. بنابراین برای دانستن غلظت شکر در محلول‌ها باید ضریب شکست به درصد وزن شکر در محلول (درجه بریکس) تبدیل شود. سایر انواع جامدات حل‌شده در محلول نیز بر ضریب شکست آن تاثیر می‌گذارند. اما مقیاس بریکس یک سنجش نسبی از شکر محلول ارائه می‌دهد و به همین دلیل در صنایع غذایی بسیار پرکاربرد است. از واحد‌های دیگری مانند درجه Be یا درجه Oe نیز به این منظور استفاده می‌شود که رابطه بین آن‌ها به صورت زیر است:
Bx 1° = 5 ° Oe
Bx 1.8° = 1 ° Be
رفرکتومترهای بریکس بر اساس نوع کاربرد، در بازههای غلظت خاصی کالیبره می‌شوند. به عنوان مثال، یک رفرکتومتر بریکس که برای کاربرد کنترل کیفیت عسل طراحی شده است، طبیعتا برای غلظت‌های بالاتری کالیبره و تنظیم می‌شود و نسبت به رفرکتومتر بریکس دیگری که برای میوه و سبزیجات به کار می‌رود، دارای بازه بریکس مختلفی است. به همین دلیل معمولا تولیدکنندگان رفرکتومتر بریکس جداول و نمودارهایی ارائه می‌دهند که رابطه بین مقادیر مختلف بریکس با پارامترهای کیفی مانند کیفیت (ضعیف، متوسط، خوب و ممتاز) و یا مقدار آب و وزن مخصوص محلول را بیان می‌کنند.
در صنایع غذایی گاهی سنجش میزان نمک یا شوری یک محصول مانند سس و خیار شور الزامی است. رفرکتومترهای شوری برای تعیین مقدار غلظت سدیم کلراید در آب کالیبره می‌شوند و مقدار را بر حسب ppt، درصد، درصد بر میل (permille) و یا وزن مخصوص نمایش می‌دهند.
شکست سنجی (Refractometry) یک تکنیک پرکاربرد و قابل اعتماد است و به همین دلیل در بسیاری از مراحل مختلف، کاربرد رفرکتومتر در صنایع غذایی غیر قابل انکار است. در بخش تولید، می‌توان از رفرکتومتر برای نظارت بر رشد غلات، رسیده یا کال بودن میوه‌ها و سبزیجات و تعیین زمان مناسب برداشت آن‌ها استفاده کرد. یکی از مهم‌ترین موارد کاربرد رفرکتومتر در صنایع غذایی، مربوط به صنعت شکر است که چغندر و نیشکر برای بررسی میزان رسیده بودن مورد بررسی قرار می‌گیرند و زمان برداشت آن‌ها تعیین می‌شود. همچنین در صنعت شرابسازی برای تعیین زمان بهینه برداشت انگور از رفرکتومتر استفاده می‌شود. در صنایع دامی نیز از رفرکتومتر برای ارزیابی کیفیت شیر و شیرماک (colostrum) می‌توان بهره برد.
توجه به این نکته مهم است که استفاده از رفرکتومتر امکان ارزیابی درمحل و فوری کیفیت فراورده‌ها، مناسب بودن پارامترهای تغذیه‌ایی و یا هرگونه تقلب احتمالی مانند رقیق کردن شیر را فراهم می‌کند. در این شرایط استفاده از رفرکتومترهای دستی و پرتابل به دلیل هزینه مناسب و سهولت در حمل و نقل، گزینه بسیار مناسبی خواهند بود. البته امکان دارد رفرکتومترهای پرتابل بازههای محدودی از ضرایب شکست را پوشش دهند. به همین دلیل این مدل‌ها معمولا برای کاربردی خاص طراحی می‌شوند و بازه محدودی از واحد سنجش را ارائه می‌دهند. به عنوان مثال، برای اندازه‌گیری بریکس در سبزیجات و میوه‌های تازه، احتیاج به یک رفراکتومتر با بازه کاری صفر تا ۱۲ درجه بریکس و برای قهوه سبز در بازه ۱۵ تا ۲۵ درجه بریکس است. همچنین سنجش بریکس عسل به یک رفراکتومتر با بازه کاری ۶۰ تا ۹۰ درجه بریکس نیاز دارد. البته رفرکتومترهای پرتابل پریسماتک بازه محدودی نداشته و برای تمام بازه سنجش و برای کاربردهای مختلف قابل استفاده هستند.
یکی دیگر از موارد کاربرد رفرکتومتر در صنایع غذایی استفاده از آن‌ها جهت امور کنترل کیفیت و فروش است. در طول فرایند تخمیر، صنایع آب‌جو و … باید به صورت مداوم مقدار شکر و الکل را توسط رفراکتومتر مخصوص برای وزن مخصوص آب انگور و الکل قرائت کنند. همچنین در خطوط تولید انواع مختلف محصولات غذایی مانند آب میوه، ماست، مربا و … از رفرکتومترهای پرتابل یا آزمایشگاهی (bench-top) و یا اینلاین برای سنجش کل ذرات جامد حل شده استفاده می‌شود.
شوری سنج‌ها که همان رفرکتومترهای تخصصی شوری هستند، برای سنجش میزان غلظت نمک در صنایع تولید سس، ترشی، خیارشور و مواد غذایی کنسرو شده کاربرد دارند. این امور کنترل کیفی برای حفظ الزامات استاندارهای صنایع غذایی الزامی است تا در صورت وجود مشکل در کیفیت یک محصول اپراتور بتواند آن را از خط تولید خارج کند. رفرکتومترهای اینلاین پریسماتک انتخابی مناسب برای پایش و نظارت دائمی بر ضریب شکست و بریکس محصولات است.
کاربرد همه منظوره و دقت بالا معمولا توسط رفرکتومترهای آزمایشگاهی یا bench-top ارائه می‌شود و در صنایع غذایی مخصوصا بخش کنترل کیفیت و یا برای جلوگیری از تقلب در محصولات بسیار پرکاربرد است. قیمت این رفرکتومترها معمولا بالاتر است و عملکرد پیچیده‌تری دارند. البته به دلیل توانایی این تجهیز در اندازه‌گیری تمام بازه ضرایب شکست و بریکس، عملا هزینه‌ها کاهش می‌یابد و احتیاج به چند رفراکتومتر مجزا برای کاربردهای جداگانه برطرف می‌شود. مثالی از کاربرد این نوع رفرکتومترها در صنایع غذایی مربوط به کنترل چربی و روغن است. در صنایع غذایی دانستن درصد و ترکیب اجزای مختلف الزامی است. مثلا تصفیه روغن خوراکی وابسته به درصد چندین ماده مختلف است که دانستن دقیق هر کدام بسیار مهم است. بنابراین برای تعیین اجزا و خلوص مواد مختلف دانستن ضریب شکست هر کدام الزامی خواهد بود و با کمک آن درصد اجزا مشخص می‌شود.
شرکت پریسماتک تولید کننده انواع رفرکتومترهای اینلاین و پرتابل است. برای مشاهده کاتالوگ و جزئیات بیشتر، به لینک‌های زیر مراجع کنید و یا با شماره‌های شرکت پریسماتک تماس بگیرید تا مشاوران ما به شما در انتخاب رفرکتومتر مناسب کمک کنند:
اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید به مطالب زیر نیز علاقه‌مند باشید:
فلومتر الکترومغناطیسی ــ از صفر تا صد
کنداکتیویتی‌متر ــ به زبان ساده
فلومتر جابجایی مثبت ــ از صفر تا صد
پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره های شرکت تماس بگیرید.
محصولات پریسماتک:
انواع فلومترهای الکترومغناطیسی
