稻谷水分含量的測量不確定度評定

水分是衡量糧食質(zhì)量的一項重要指標(biāo)，是質(zhì)量指標(biāo)中的一項重要限制性項目，特別是在糧食的收購和銷售環(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，通常要對糧食進(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)，水分含量過高，糧食容易發(fā)熱霉變，不利于儲藏；水分含量過低，會影響其品質(zhì)。水分含量的測定對于糧食的安全儲藏、購銷及調(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)果可靠性的一個重要的參數(shù)是測量不確定度，通過不確定度的評定能比較清楚地了解檢測質(zhì)量好壞，測量值的可靠程度[3]。本文基于《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定》（GB 5009.3—2016）中第一法直接干燥法[4]及《測量不確定度評定與表示》（JJF 1059.1—2012）[5]，對稻谷水分含量測量過程的不確定度進(jìn)行分析和評定，進(jìn)而確定稻谷水分含量測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度，找出在水分測量過程中不確定度的關(guān)鍵影響因素，有助于減少實驗誤差，增加檢驗結(jié)果的可信度。

1 材料與方法

1.1 實驗樣品

隨機(jī)選取2022年檢驗樣品稻谷1份。

1.2 儀器和設(shè)備

JSFM-11型糧食水分測試粉碎磨（中儲糧成都糧食儲藏科學(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)嶒瀮x器有限公司）；BS224S電子天平（德國塞多利斯股份公司）；鋁盒：內(nèi)徑4.5 cm、高2.0 cm；干燥器：內(nèi)含變色硅膠。

1.3 檢測依據(jù)及評定方法

本文稻谷水分含量的測定按照國家標(biāo)準(zhǔn)方法《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定》（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)展不確定度的評定按照《測量不確定度評定與表示》（JJF 1059.1—2012）的要求進(jìn)行。

1.4 水分含量測定步驟

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)過分樣、篩選、除雜、粉碎后，稱取3 g左右經(jīng)過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)測定過程建立數(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 不確定度來源分析

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

2.3 不確定度評定

2.3.1 A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

重復(fù)性實驗引入的不確定度屬于A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定，根據(jù)1.4水分含量測定步驟，對稻谷水分含量進(jìn)行重復(fù)測定10次，計算結(jié)果見表1，根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計算。

表1 稻谷水分含量測定結(jié)果表

標(biāo)準(zhǔn)偏差s的計算為

由于樣品在實際測定過程中測定2次，即進(jìn)行雙平行實驗，以2次獨立測量值的算術(shù)平均值作為最終結(jié)果，故A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度可計算為[8]

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

因此由多次獨立重復(fù)測定稻谷水分含量而引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

2.3.2 B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定計算公式為

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

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

（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，當(dāng)樣品的稱量為0～50 g時，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程中需稱量兩次（一次去皮，一次稱鋁盒），按均勻分布計算其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

按照國家標(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，按均勻分布可計算為

由于在重復(fù)測定的過程中，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)不確定度中評定，因此在B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定中不再重復(fù)計算。

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沒有恒重的要求，天平在稱量過程中的稱量誤差是其不確定度主要來源，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定與鋁盒質(zhì)量M0的評定相似，B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度來源于電子天平稱量過程中的稱量誤差和檢測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類相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計算

則B類相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

2.3.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計算

將A類相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和B類相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度進(jìn)行合成，可計算得到稻谷水分含量的相對合成標(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%時對應(yīng)的包含因子，本次實驗中取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。稻谷水分含量測定結(jié)果可表示為w=(11.80±0.10) g/100 g。

3 結(jié)論

評定分析稻谷水分含量的測定不確定度，結(jié)果表明影響測量不確定度的最主要因素是稻谷水分含量的重復(fù)測量，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，在測量的過程中為確保結(jié)果的可靠性，要嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，減少重復(fù)性實驗引入的不確定度的影響，減少試驗的偶然性帶來的實驗誤差。