CC BY
196
УДК 637.073.051
УСТАНОВКИ ДЛЯ ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКИ СВЕЖЕСТИ МЯСА*
A.Ф. АЛЕЙНИКОВ, доктор технических наук, зам. директора
Сибирский физико-технический институт аграрных проблем Россельхозакадемии
И.Г. ПАЛЬЧИКОВА, доктор технических наук, зав. лабораторией
Ю.В. ОБИДИН, кандидат технических наук, научный сотрудник
B.С. ГЛЯНЕНКО, ведущий электроник
Е.С. СМИРНОВ, младший научный сотрудник,
Ю.В. ЧУГУЙ, доктор технических наук, директор ФГБУН Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН
А.Н. ШВЫДКОВ, кандидат сельскохозяйственных наук, директор
ООО «Птицефабрика Бердская»
E-mail: [email protected]
Резюме. Представлены результаты разработки трёх экспериментальных установок для оценки свежести мяса с признаками PSE (бледное, мягкое, водянистое), NOR (нормальное) и DFD (тёмное, жёсткое, сухое). Приведена структурная схема и внешний вид установки импедансной спектроскопии. Измерение комплексного сопротивления различных образцов мясного сырья на разных частотах выявило возможность экспресс-оценки мяса с указанными признаками. Рассмотрена структура экспериментальной колориметрической установки, в которой для определения визуальных характеристик образцов используется принцип получения и цифровой обработки изображений. Разработано специализированное программно-алгоритмическое обеспечение обработки изображений мясного сырья с различными признаками. Предложено описание спектрофотометрической установки для оценки качества мясного сырья, которая проводится по параметрам, определяемым из коэффициентов отражения для тестируемых образцов на различных длинах волн или интенсивности флуоресценции. С точки зрения достоверности анализа и возможности выработки и оценки интегрального показателя качества мяса и мясных продуктов предпочтительно использовать комбинацию оптических и электрических методов.
Ключевые слова: мясное сырье, свежесть мяса, электропроводность животных тканей, цветовые характеристики мяса, колориметрия, цифровое изображение, спектрофотомерия.
Оценка степени свежести мяса в производстве в большинстве случаев осуществляется органолептическим методом [1]. При этом анализируется внешний вид, цвет, консистенция, запах, состояния жира, прозрачность и аромат бульона. Основные его недостатки - субъективность и большая трудоёмкость.
Анализ других методов показал, что для реализации экспресс-оценки свежести мяса предпочтительно применять метод импедансной спектроскопии, колориметрический метод и метод спектрометрии в видимом свете [1...3].
Цель наших исследований - экспериментальная оценка методов, использование которых позволяет сократить временные затраты на экспертизу свежести мясного сырья и повысить её достоверность.
Условия, материалы и методы. Исследования проводили в лаборатории лазерных прецизионных систем Конструкторско-технологического института научного приборостроения СО РАН в феврале-ноябре 2012 г. Контроль над температурой, относительной влажностью и освещённостью в помещении осуществляли с помощью термогигрометра ИВА-6А и люксметра ТКА-ЛЮКС.
Образцы для исследований отбирали в соответствии с ГОСТ 7269-79. Мясо с признаками NOR (нормальное) и DFD (тёмное, жёсткое, сухое) отбирали из туш крупного рогатого скота, а с признаками PSE (бледное, мягкое, водянистое) - из туш свиней. В приготовленных образцах определяли рН по ГОСТ Р 51478-99 с помощью цифрового рН-метра «Анион». В мясе с признаками PSE концентрация водородных ионов находилась в пределах рН=5,0...5,5; с признаками DFD - рН=6,6...7,0; с признаками NOR - рН=6,0...7,2.
Линейные размеры образцов выбирали исходя из размеров применяемых кювет (90x70x10 мм), и контролировали с помощью металлической линейки 0.300 мм (ГОСТ 427-75 Линейки измерительные металлические. Технические условия). Образцы мяса для исследований приготавливали как с поперечной, так и с продольной ориентацией волокон.
Метод импедансной спектроскопии основан на пропускании через исследуемые объекты слабых переменных токов различной частоты и измерении его электропроводности. В дальнейшем определяют зависимости полного электрического сопротивления (импеданса) образца от частоты тока, по которым судят о его качестве. Диапазон частот достаточно широк: 0,01.10 МГц [4.7]. Преимущество этого метода - универсальность в определении разнообразных показателей качества мяса (содержание влаги, жира и др.), в том числе до убоя животного [2].
Цветовой метод основан на анализе яркостных характеристик, разностного контраста и профилей интенсивности поверхностей образцов. Его преимущество
Рис. 1. Структурная схема (а) и внешний вид (б) установки импедансной спектроскопии.
* Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 12-08-00396-а) и Сибирского отделения Российской академии наук (междисциплинарные интеграционные проекты М51 и К41).
Рис. 2. Кювета для образцов мяса.
заключается в возможности применения компьютерных технологий технического зрения. Высокие технические характеристики цифровых видеорегистрирующих систем в сочетании с преимуществами цифровой обработки изображений делают возможным построение на их основе биоанализирующих систем. Использование видеотехнологий дает возможность не только автоматизировать процессы регистрации и обработки изображений в реальном времени, но и получать объективные количественные показатели, принимать решения по качеству или категории биологических объектов.
Процесс определения характеристик мясного сырья включает подготовку образца; получение и регистрацию его изображения с помощью цифровой камеры; преобразование в цифровой формат и последующую обработку информации на компьютере по алгоритмам, выделяющим цветовые характеристики.
Спектральный анализ (спектроскопия) используется для определения разнообразных органических соединений, а также минеральных элементов с концентрацией 10-2...10-6 моля.Он даёт широкие возможности исследования качества мяса в различных областях электромагнитного спектра. Абсорбционная спектроскопия позволяет определять поглощательную способность вещества. При этом анализируемую пробу помещают между источником электромагнитного излучения с известным диапазоном частот и спектрометром. Последний измеряет интенсивность света, прошедшего через пробу или отраженного от неё, в сравнении с источником первоначального излучения при заданной длине волны.
Результаты и обсуждение. Для экспериментального определения зависимости полного электрического сопротивления аттестуемых образцов мяса от частоты тестирующего тока и уточнения количества и значений характерных частот создана лабораторная установка импедансной спектроскопии (рис.1).
Ее основной измерительный прибор - измеритель иммитанса МНИПИ Е7-20, позволяющий определять сопротивление Я, ёмкость С, индуктивность L и другие электрические параметры по четырехточечной мостовой схеме на частотах 25 Гц - 1МГц. Прибор предназначен для измерения параметров объектов, представляемых параллельной или последовательной двухэлементной схемой замещения, при синусоидальном напряжении. Тестируемые образцы мяса помещаются в кювету (рис. 2). Кювета охлаждается в боксе-холодильнике МТН-35В, температура контролируется термометром ЕТР-104 (погрешность измерений ±1,5 %).
На основе используемого протокола для управления измерителем имминтанса разработана специализированная программа E7-20.exe для связи с компьютером через последовательный порт RS232 (com - порт ПЭВМ), полуавтоматического измерения выбранного параметра (R, L, C, Z) и записи результатов в файл для обработки программой Microsoft Office Excel. Комплексное сопротивление измеряли на частотах от 1 кгц до 1 МГц, выбранных из предварительных теоретических рассмотрений. При этом различия между типами образцов четко фиксировали (рис. 3).
Рис. 3. Пример зависимости комплексного сопротивления мяса с признаками NOR, DFD, PSE от частоты тока.
Основные требования, предъявляемые к осветителю экспериментальной колориметрической установки, в которой для определения визуальных характеристик образцов используется принцип получения и цифровой обработки изображений (рис. 4), - стабильная мощность и оптимальный спектральный состав излучения. Он имеет несколько вариантов исполнения, построенных на светодиодах или галогенных лампах, может работать в непрерывном и импульсном режимах. Импульсный режим подсветки с высокой энергией и малой экспозицией позволяет выполнять точные измерения в условиях фоновой засветки помещений.
Рис. 4. Структура (а) и внешний вид (б) экспериментальной колориметрической установки.
Оптическая система ОС-1 (часть осветителя) формирует равномерный световой поток для подсветки образца в нескольких ракурсах. При необходимости в ОС-1 встраиваются светофильтры. При регистрации изображений мяса желательно ослабить синюю компоненту в спектре осветителя.
а
б
Рис. 5. Диаграммы измеренных значений: а - светлоты; б - доминирующей длины волны; в - насыщенности (высота светлых прямоугольников соответствует средним значениям, тёмных - разбросу измеренных значений (СКО) по выборкам данных из 24 снимков для трёх характеристик цвета образцов мяса трёх категорий).
Оптическая система ОС-2 выполняет перенос изображения образца в плоскость фоточувствительной матрицы регистратора. Она, как и ОС-1, состоит из соответствующего объектива и набора светофильтров. В качестве регистратора используют цифровой фотоаппарат или цифровую видеокамеру. В экспериментальной установке применена цветная видеокамера Видеоскан-415Ц-2001 с CCD-матрицей размером У2" (6,5 x 4,83 мм). Разрешение камеры - 782 x 582 пк, размер пикселя 8,3 x 8,3 мкм. Динамический диапазон - 1000: 1, имеется возможность 12-разрядного аналого-цифрового преобразования сигналов. Время экспозиции от 3,5 мкс до10 мин. Видеокамера позволяет регистрировать изображения образца как в непрерывном режиме, так и в режиме принудительного запуска (внешней синхронизации).
Зарегистрированное камерой цифровое изображение пересылается в компьютер, где специально созданное программное обеспечение выполняет его обработку и представляет результаты на мониторе. Предварительную цветовую коррекцию изображения не применяют, типы калибровки камеры «баланс белого» и «баланс черного» выполняют по мере необходимости до начала серии экспериментов. Цветные камеры дают возможность лучше идентифицировать объекты, имеющие различные коэффициенты отражения в разных частях видимой области спектра. В ряде случаев на цветном изображении различимы детали, не заметные на черно-белом фоне.
Экспериментальная установка работает под управлением программы «MeatMeter».
С ее помощью была проведена обработка полученных цифровых изображений. На первом этапе проверяли средние значения светлоты, доминирующей длины волны и насыщенности [3]. Мы установили, что для изучаемых образцов значения всех трех измерявшихся параметров не пересекаются для признаков NOR и DFD, что позволяет разделять эти категории практически без обработки (рис. 5). В отношении признака PSE, несмотря на то, что эти образцы немного светлее NOR, требуются более сложные критерии для идентификации.
Визуальный анализ изображений выявляет различные структуры, имеющие цветовые
и яркостные характеристики, значительно отличающиеся от средних значений. Например, в мясе категории DFD присутствуют видимые волокна, между которыми прослеживаются тонкие, более темные углубления, снижающие среднюю светлоту.
Экспериментальная спектрофотометрическая установка (рис. 6) создана на основе спектрометра с анализатором МАЭС с вводом отраженного света через световод. В состав установки входят осветитель галогенный, осветитель с ртутной лампой, осветитель с твердотельным лазером с диодной накачкой 473 nm Blue
Рис. 6. Внешний вид спектрофотометрической установки.
Laser DPSS B&W Tek BWB-10-OEM, исследовательский микроскоп DIALUX 20EB, персональный компьютер, специализированное программное обеспечение для спектрометра МАЭС (программный пакет АТОМ-3, рис. 7), программное обеспечение для обработки спектров, получаемых от тестируемых образцов.
Оценка качества мясного сырья проводится по параметрам, определяемым из коэффициентов отра-
Рис. 7. Вид главного окна программы АТОМ-3.
___________________________ Достижения науки и техники АПК, №4-2013
жения для тестируемых образцов на различных длинах волн или интенсивности флуоресценции. В результате исследований были получены зависимости коэффициентов отражения от длины волны падающего света галогенного осветителя и установлены диапазоны, в пределах которых заметны различия для образцов мяса с определяемыми признаками - 450.500 и 650.700 нм. В этих диапазонах возможна обработка полученных результатов. Например, измеряются коэффициенты отраженияр2 на длинах волн 480.520 ир2 - 640.720 нм, а качество мяса определяется по соотношению измеряемых значений к=р1+ар1/р2, где а - коэффициент, определяемый эмпирически.
Выводы. Выделены три перспективных экспресс-метода определения свежести мяса по показателям групп PSE, DFD и NOR: импедансная спектроскопия, колориметрический и спектрометрия в видимом свете.
Для исследования возможностей перспективных методов оценки интегральных показателей качества мяса разработаны, созданы и опробованы три экспериментальные измерительные установки, реализующие перечисленные методы.
Первые результаты показывают, что в каждом из апробированных методов можно выделить параметры, которые позволяют уверенно определять мясное сырьё с признаками NOR и DFD. Для достоверного установления признака PSE необходимо провести дополнительные эксперименты по выявлению критериев для его идентификации.
С точки зрения достоверности анализа и возможности выработки и оценки интегрального показателя качества мяса и мясных продуктов предпочтительно использовать комбинацию оптических и электрических методов.
Литература
1. Лисицын А.Б., Липатов Н. Н., Кудряшов Л.С. и др. Теория и практика переработки мяса / под общ. ред. А.Б. Лисицына. -2-е изд. - М.: Эдиториал сервис, 2008. - 308 с.
2. Алейников А.Ф., Пальчикова И.Г., Чугуй Ю.В. Обоснование экспресс-метода оценки свежести мясного сырья// Сиб. вест. с.-х. науки. - 2012. - № 5. - С. 83-90.
3. Алейников А.Ф., Пальчикова И.Г., Обидин Ю.В., Смирнов Е.С., Гляненко В.С., Чугуй Ю.В. Цифровая видеосистема для определения и анализа цветовых характеристик мясного сырья // Сиб. вест. с.-х. науки. - 2013. - № 1. - С.78-88.
4. Алейников А.Ф. Чтобы тайное стало явным// Наука в СССР. - 1990. - №4. - С. 18-21.
5. Алейников А.Ф., Осенний А.С. Оценка интегрального функционального состояния организма по показателям электрической поляризуемости ткани: метод. реком. - Новосибирск, РПО СО РАСХН, 1993. - 40с.
6. Алейников А.Ф. Структурный синтез принципов и средств измерений/Вестник Россельхозакадемии. - 1996. - № 2. -С. 124-134.
7. Алейников А.Ф. Вещественные и энергетические преобразования измерительных сигналов: автореф. дисс... д-ра техн. наук. - Новосибирск,1997. - 56 с.
DEVICES FOR THE FAST ASSESSMENT OF FRESHNESS OF MEAT
A.F. Aleyikov, I.G. Palchikova, YU.V. Obidin, V.S. Glyanenko, E.S. Smirnov, Yu.V. Chuguy, A.N. Shvydkov
Summary. Devices have been developed to perform the test for evaluating meat freshness and quality characteristics (NOR, PSE, DFD). The flowchart and form of installation of impedance spectroscopy is provided. Measurement of resistance of various samples of raw materials of meat in various frequencies showed possibility of quality of an assessment of meat. Image acquisition and digital image processing are used for finding visual attributes of meat samples. Algorithms and program design for processing meat images have been developed. Installation of measurement of a range for an assessment of quality of raw materials of meat is described. Installation of measurement of spectral characteristics for an assessment of quality of raw materials of meat is described. The assessment is made on the parameters determined from coefficients of reflection for tested samples on various lengths of waves or intensity of fluorescence. From the point of view of reliability of the analysis and possibility of development and an assessment of the integrated indicator of quality of meat and meat products, it is preferable to use a combination of optical and electric methods.
Keywords: raw meat, freshness, conductivity of animal fabrics, meat color characteristics, colorimeter, digital image, spectrophotometer.
УДК 636.085
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИИ ДОЕНИЯ ВЫСОКОПРОДУКТИВНЫХ КОРОВ ЧЕРНО-ПЕСТРОЙ ПОРОДЫ НА СОВРЕМЕННЫХ КОМПЛЕКСАХ
Е.А. ТЯПУГИН, член корреспондент РАСХН, директор
С.Е. ТЯПУГИН, доктор сельскохозяйственных наук, зам. директора
В.К. УГЛИН, кандидат технических наук, зав. отделом
В.Е. НИКИФОРОВ, старший научный сотрудник
В. В. ПЛОТНИКОВА
И.С. СЕРЕБРОВА
Северо-Западный НИИ молочного и лугопастбищного хозяйства Россельхозакадемии E-mail: [email protected]
Резюме. Исследования проводили с целью анализа технологий доения высокопродуктивных коров, применяемых на современных комплексах при привязном и беспривязном
