稻谷水分含量的測(cè)量不確定度評(píng)定

水分是衡量糧食質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是質(zhì)量指標(biāo)中的一項(xiàng)重要限制性項(xiàng)目，特別是在糧食的收購(gòu)和銷售環(huán)節(jié)，當(dāng)糧食的水分含量高于或低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的水分指標(biāo)時(shí)，通常要對(duì)糧食進(jìn)行扣量、增量處理[1]。正常的糧食水分含量通常保持在一定的范圍內(nèi)，水分含量過(guò)高，糧食容易發(fā)熱霉變，不利于儲(chǔ)藏；水分含量過(guò)低，會(huì)影響其品質(zhì)。水分含量的測(cè)定對(duì)于糧食的安全儲(chǔ)藏、購(gòu)銷及調(diào)撥等方面都有著十分重要的意義[2]。

在化學(xué)分析中，度量分析結(jié)果可靠性的一個(gè)重要的參數(shù)是測(cè)量不確定度，通過(guò)不確定度的評(píng)定能比較清楚地了解檢測(cè)質(zhì)量好壞，測(cè)量值的可靠程度[3]。本文基于《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》（GB 5009.3—2016）中第一法直接干燥法[4]及《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》（JJF 1059.1—2012）[5]，對(duì)稻谷水分含量測(cè)量過(guò)程的不確定度進(jìn)行分析和評(píng)定，進(jìn)而確定稻谷水分含量測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度，找出在水分測(cè)量過(guò)程中不確定度的關(guān)鍵影響因素，有助于減少實(shí)驗(yàn)誤差，增加檢驗(yàn)結(jié)果的可信度。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

隨機(jī)選取2022年檢驗(yàn)樣品稻谷1份。

1.2 儀器和設(shè)備

JSFM-11型糧食水分測(cè)試粉碎磨（中儲(chǔ)糧成都糧食儲(chǔ)藏科學(xué)研究所）；JJSD篩選器（上海嘉定糧油儀器有限公司）；DHG-9023A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海培因?qū)嶒?yàn)儀器有限公司）；BS224S電子天平（德國(guó)塞多利斯股份公司）；鋁盒：內(nèi)徑4.5 cm、高2.0 cm；干燥器：內(nèi)含變色硅膠。

1.3 檢測(cè)依據(jù)及評(píng)定方法

本文稻谷水分含量的測(cè)定按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》（GB 5009.3—2016）中的第一法暨仲裁法直接干燥法；各不確定度分量、合成不確定度及擴(kuò)展不確定度的評(píng)定按照《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》（JJF 1059.1—2012）的要求進(jìn)行。

1.4 水分含量測(cè)定步驟

稱量已恒重的加蓋鋁盒質(zhì)量（前后兩次稱量質(zhì)量之差≤0.002 g），鋁盒質(zhì)量記為M0，樣品經(jīng)過(guò)分樣、篩選、除雜、粉碎后，稱取3 g左右經(jīng)過(guò)粉碎并充分混勻的稻谷，稱量結(jié)果精確至0.000 1 g，放入已恒重的鋁盒中，加鋁盒蓋稱量，鋁盒和樣品質(zhì)量記為M1。將其置于103 ℃電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，鋁盒蓋斜支于盒邊，干燥約3 h，蓋好鋁盒蓋從干燥箱中取出，放入干燥器（帶變色硅膠）內(nèi)冷卻30 min后稱量。再放入103 ℃的干燥箱中，鋁盒蓋斜支于盒邊，干燥約1 h后取出，放入干燥器內(nèi)冷卻30 min后再進(jìn)行準(zhǔn)確稱量。并重復(fù)以上操作至前后兩次稱量質(zhì)量之差不超過(guò)0.002 g，即達(dá)到恒重狀態(tài)，記錄最終質(zhì)量，記為鋁盒和樣品干燥后的質(zhì)量M2。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)測(cè)定過(guò)程建立數(shù)學(xué)模型為

式中：W為試樣的水分含量，g/100 g；M0為空鋁盒的質(zhì)量，g；M1為烘前鋁盒和樣品質(zhì)量，g；M2為鋁盒和樣品干燥后的質(zhì)量，g；100為單位換算系數(shù)。

2.2 不確定度來(lái)源分析

本實(shí)驗(yàn)不確定度由A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度和B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度組成，其中在水分含量測(cè)量過(guò)程中的隨機(jī)效應(yīng)（包括實(shí)驗(yàn)人員操作、稱量過(guò)程波動(dòng)及儀器的波動(dòng)、樣品制備狀態(tài)）均在測(cè)量的重復(fù)性上體現(xiàn)，是A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的主要來(lái)源；B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度體現(xiàn)的是測(cè)量過(guò)程中的系統(tǒng)誤差，主要包括由稱量過(guò)程、恒重狀態(tài)及實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件等引入的不確定度[6-7]。但由于在檢測(cè)過(guò)程中嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定環(huán)境條件進(jìn)行操作，實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響可以忽略不計(jì)。

2.3 不確定度評(píng)定

2.3.1 A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

重復(fù)性實(shí)驗(yàn)引入的不確定度屬于A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定，根據(jù)1.4水分含量測(cè)定步驟，對(duì)稻谷水分含量進(jìn)行重復(fù)測(cè)定10次，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算。

表1 稻谷水分含量測(cè)定結(jié)果表

標(biāo)準(zhǔn)偏差s的計(jì)算為

由于樣品在實(shí)際測(cè)定過(guò)程中測(cè)定2次，即進(jìn)行雙平行實(shí)驗(yàn)，以2次獨(dú)立測(cè)量值的算術(shù)平均值作為最終結(jié)果，故A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度可計(jì)算為[8]

表1中對(duì)稻谷水分含量進(jìn)行重復(fù)測(cè)定的結(jié)果按上述公式進(jìn)行A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定，結(jié)果為

因此由多次獨(dú)立重復(fù)測(cè)定稻谷水分含量而引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

2.3.2 B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定計(jì)算公式為

式中：a為區(qū)間半寬度，可以通過(guò)有關(guān)信息或資料獲得；k為包含因子，由被測(cè)值在區(qū)間內(nèi)的概率分布確定[9]。

B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來(lái)源于稱量過(guò)程及恒重狀態(tài)引入的不確定度，通過(guò)對(duì)2.1數(shù)學(xué)模型的分析可知，B類標(biāo)準(zhǔn)確定度來(lái)源于M0、M1、M23個(gè)分量。

（1）鋁盒質(zhì)量M0引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。根據(jù)電子天平（BS224S）的檢定證書(shū)，當(dāng)樣品的稱量為0～50 g時(shí)，電子天平稱量的最大允許誤差為±0.000 5 g，由于空鋁盒在稱量過(guò)程中需稱量?jī)纱危ㄒ淮稳テぃ淮畏Q鋁盒），按均勻分布計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，鋁盒質(zhì)量應(yīng)干燥至恒重狀態(tài)，即鋁盒前后兩次稱量質(zhì)量之差≤0.002 g，則由恒重狀態(tài)引入的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度，按均勻分布可計(jì)算為

由于在重復(fù)測(cè)定的過(guò)程中，電子天平稱量結(jié)果的末位數(shù)存在明顯差異，且天平的讀數(shù)分辨力引入的不確定度分量已在A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度中評(píng)定，因此在B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定中不再重復(fù)計(jì)算。

鋁盒質(zhì)量M0引入的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為

（2）試樣和鋁盒干燥前的質(zhì)量M1引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。干燥前試樣和鋁盒質(zhì)量M1沒(méi)有恒重的要求，天平在稱量過(guò)程中的稱量誤差是其不確定度主要來(lái)源，即M1引入的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為

（3）試樣和鋁盒干燥后質(zhì)量M2引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。試樣和鋁盒干燥后質(zhì)量M2所引入的不確定度的評(píng)定與鋁盒質(zhì)量M0的評(píng)定相似，B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度來(lái)源于電子天平稱量過(guò)程中的稱量誤差和檢測(cè)方法中恒重要求引入的誤差，即M2引入的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為

2.3.3 B類相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算

則B類相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

2.3.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算

將A類相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和B類相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度進(jìn)行合成，可計(jì)算得到稻谷水分含量的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

稻谷水分含量的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可計(jì)算為

uC(w)=11.80×0.447%=0.05 g/100 g

2.3.5 擴(kuò)展不確定度

擴(kuò)展不確定度U=kuC(w)，其中k為包含概率約為95%時(shí)對(duì)應(yīng)的包含因子，本次實(shí)驗(yàn)中取k=2[10]。稻谷水分含量擴(kuò)展不確定度U=2×uC(w)=2×0.05=0.10 g/100 g。稻谷水分含量測(cè)定結(jié)果可表示為w=(11.80±0.10) g/100 g。

3 結(jié)論

評(píng)定分析稻谷水分含量的測(cè)定不確定度，結(jié)果表明影響測(cè)量不確定度的最主要因素是稻谷水分含量的重復(fù)測(cè)量，其次是恒重狀態(tài)的判定，電子天平稱量誤差的影響最小。因此，在測(cè)量的過(guò)程中為確保結(jié)果的可靠性，要嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，減少重復(fù)性實(shí)驗(yàn)引入的不確定度的影響，減少試驗(yàn)的偶然性帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差。