Способ оценки влагосвязывающей способности мяса и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2440571:
ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СИБИРСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ АГРАРНЫХ ПРОБЛЕМ СО РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ (ГНУ Сиб ФТИ СО Россельхозакадемии) (RU)
Изобретение предназначено для использования в мясной промышленности при оценке влагосвязывающей способности мяса. На образец воздействуют скачкообразным электрическим полем и определяют напряжения поляризации образца мясного сырья и электродов. Вычитают из напряжения поляризации образца напряжение поляризации электродов. Производят низкочастотную фильтрацию и численное дифференцирование сигнала разности. Вычисляют амплитудно-частотные характеристики сигнала разности, отфильтрованного и дифференцированного сигналов разности, выполняя преобразование Фурье. Вычисляют средние значения амплитудно-частотной характеристики сигнала разности и спектра сигнала разности, максимальное и среднее значения амплитудно-частотных характеристик фильтрованного и дифференцированного сигналов разности и оценивают влагосвязывающую способность с учетом полученных результатов по соответствующей формуле. Устройство для оценки влагосвязывающей способности содержит первичный преобразователь, включающий в себя приспособление для размещения образца, два силовых электрода, два измерительных электрода, соединенных с согласующим усилителем. Последний соединен с аналого-цифровым преобразователем. Он подключен к электронно-вычислительной машине и соединен с управляющим входом коммутатора, вход которого соединен с генератором импульсов, а выход - с датчиком напряжения и силовыми электродами. Изобретение обеспечивает сокращение времени и повышение объективности и достоверности анализа. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.
Изобретение относится к методам определения качественных показателей мясного сырья, в частности оценки влагосвязывающей способности мяса.
Цель изобретения - сокращение времени и повышение объективности и достоверности анализа.
Для достижения цели на образец воздействуют скачкообразным электрическим полем и определяют напряжение поляризации образца мясного сырья. Определяют напряжение поляризации электродов, замкнув их между собой через проводящую прокладку. Вычитают из снятого напряжения поляризации образца напряжение поляризации электродов. Производят низкочастотную фильтрацию и численное дифференцирование сигнала разности. Вычисляют амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) сигнала разности, фильтрованного сигнала разности и дифференцированного сигнала разности, выполняя преобразование Фурье. Вычисляют среднее значение и среднее значение спектра сигнала разности для амплитудно-частотной характеристики сигнала разности, максимальное значение и среднее значение для амплитудно-частотных характеристик фильтрованного и дифференцированного сигналов разности и оценивают влагосвязывающую способность (ВСС) с учетом полученных результатов по соответствующей формуле.
Устройство для оценки влагосвязывающей способности (фиг.3) состоит из первичного преобразователя, включающего в себя приспособление 1 для размещения образца, два силовых электрода 2, два измерительных электрода 3, соединенных с согласующим усилителем 4, который соединен с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 5. АЦП 5 подключен к ПЭВМ 6 и соединенным с управляющим входом коммутатора 7, вход которого соединен с генератором импульсов 8, а выход - с датчиком напряжения 9 и силовыми электродами 2.
Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к способам определения показателей качества мясного сырья, а именно влагосвязывающей способности мяса, и может быть использовано для оценки качества мяса при входном контроле сырья, поступающего на предприятия перерабатывающей промышленности в лабораториях по оценке качества мяса.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ определения влагосвязывающей способности мяса, предусматривающий воздействие на образец, взятый в объеме 3-4 см3 постоянным электрическим током напряжением 3 В и измерение в образце величины напряжения или силы тока через 30 и 60 секунд с момента воздействия электрическим током, влагосвязывающую способность определяют с учетом скорости изменения этих величин [1].
Недостаток данного способа состоит в том, что он критичен к размеру пробы и величине напряжения и не учитывает влияния поляризации электродов, используемых для отвода напряжения, что снижает достоверность оценки качества мяса. Предлагаемое изобретение устраняет указанные недостатки, решая задачу повышения достоверности оценки влагосвязывающей способности за счет использования слабополяризующихся электродов и снижения требований к размеру пробы и величине напряжения, а также автоматизации процесса обработки полученных данных.
Это достигается тем, что предлагаемый способ оценки влагосвязывающей способности предусматривает измерение напряжения поляризации образца мясного сырья слабополяризующимися хлорсеребряными электродами на основе пористой керамики при воздействии импульсного электрического поля с использованием автоматизированного комплекса, выполненного на основе виртуальных технологий.
Известно, что при скачкообразном воздействии на животную ткань электрического поля в ней возникают процессы поляризации и проводимости. При этом изменение напряжения поляризации, связанное с поляризацией белковых структур и молекул воды животной ткани, возникающем в ней под действием электрического поля, движением ионов в водном растворе, зависит от структуры животной ткани и количества в ней воды.
Способ реализуется следующим образом.
Берут образец сырья площадью 6-10 см2 и толщиной 0,3-0,5 см и помещают его в первичный преобразователь, содержащий приспособление для размещения образца сырья, два силовых (плоских кольцеобразных) электрода для создания электрического поля и два хлорсеребряных электрода для отвода напряжения поляризации, имеющих контакт с образцом. Создают скачкообразное электрическое поле напряженностью 3000 В/м, подавая на силовые электроды скачок напряжения (длительность фронта не более 10 мкс), измеряют и фиксируют напряжение поляризации, возникающее на электродах с частотой 100-200 кГц, с помощью виртуального измерительного комплекса. Аналогично измеряют и фиксируют напряжение поляризации электродов, убрав образец сырья и замкнув электроды между собой через проводящую прокладку. Используя ПЭВМ, определяют значение напряжения поляризации образца сырья, вычитая из снятого напряжения поляризации образца напряжение поляризации электродов. Производят низкочастотную фильтрацию полученного сигнала разности и численное дифференцирование сигнала разности. Вычисляют амплитудно-частотные характеристики сигнала разности, отфильтрованного сигнала разности и дифференцированного сигнала разности, выполняя преобразование Фурье. Вычисляют среднее значение амплитудно-частотной характеристики сигнала разности и среднее значение спектра сигнала разности, максимальное значение и среднее значение амплитудно-частотных характеристик фильтрованного и дифференцированного сигналов разности. Влагосвязывающую способность (ВСС) определяют по регрессионной зависимости
Y=-74,292-1,714Х2+27,576Х3+1,07Х4-1,505Х5-3,327Х7+1,481Х8,
где Y - влагосвязывающая способность, Х2 - среднее значение амплитудно-частотной характеристики исходного сигнала разности; Х3 - среднее значение спектра сигнала разности; Х4 - максимум амплитудно-частотной характеристики фильтрованного сигнала разности, Х5 - среднее амплитудно-частотной характеристики фильтрованного сигнала разности; Х7 - максимум амплитудно-частотной характеристики дифференцированного сигнала разности, Х8 - среднее значение амплитудно-частотной характеристики дифференцированного сигнала разности.
На фиг.1 представлены графики, изображающие изменение напряжения поляризации образца мясного сырья и измерительного датчика и изменения напряжения на силовых электродах. На фиг.2 представлены графики, изображающие изменение напряжения поляризации измерительного датчика и изменения напряжения на силовых электродах. Массивы измеренных значений напряжения поляризации образца мясного сырья и измерительного датчика и значений напряжения поляризации измерительного датчика записываются в память ПЭВМ. Данные массивы синхронизируются по моменту подачи напряжения на силовые электроды первичного преобразователя, после чего вычисляется разность этих сигналов. Производится низкочастотная фильтрация сигнала разности путем свертки массива значений сигнала разности с массивом отсчетов импульсной характеристики низкочастотного фильтра с конечной импульсной характеристикой:
где xk, xk-1, … xk-n, - отсчеты измеренного сигнала разности в моменты времени k, k-1, k-n соответственно, К - количество отсчетов сигнала, hn - n-й отсчет импульсной характеристики фильтра, n - номер отсчета значения импульсной характеристики фильтра, N - количество отсчетов импульсной характеристики, yk - k-й отсчет выходного сигнала фильтра. Импульсная характеристика низкочастотного фильтра вычисляется известными методами. Параметры фильтра задаются таким образом, чтобы верхняя частота полосы пропускания не превышала 1/5 частоты сбора данных. Ширина переходной полосы (от верхней частоты полосы пропускания до нижней частоты полосы задерживания) и уровни пульсаций в полосах пропускания и задерживания выбираются таким образом, чтобы длительность импульсной характеристики фильтра не превышала длительности фильтруемого сигнала. Шаг дискретизации по времени определяется частотой сбора данных. Коррекция фазового сдвига отфильтрованного сигнала не производится. Производится численное дифференцирование сигнала разности путем свертки массива значений сигнала разности с массивом отсчетов импульсной характеристики дифференцирующего фильтра с конечной импульсной характеристикой в соответствии с выражением (1). Параметры дифференцирующего фильтра задаются следующие: частота среза 5 Гц, ширина переходной полосы 3 Гц, коэффициент усиления в полосе пропускания 1, коэффициент усиления в полосе задерживания - 0. Шаг дискретизации по времени определяется частотой сбора данных. Коррекция фазового сдвига не производится. Для сигнала разности, отфильтрованного сигнала и дифференцированного сигнала выполняется преобразование Фурье:
где xn - n-й отсчет измеренного сигнала (n - дискретный отсчет времени), k - дискретный отсчет частоты, j - мнимая единица. N - количество преобразуемых отсчетов сигналов, выбирается ближайшее меньшее, кратное степени 2. Выполнение дискретного преобразования Фурье производится с помощью одного из алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ), реализованных во многих математических библиотеках программ. В частности, в пакете MATLAB реализована встроенная функция fft. Для спектров сигнала разности, отфильтрованного сигнала и дифференцированного сигнала вычисляются максимум, среднее значение любым известным численным методом, либо функцией среды обработки данных. Среднее значение спектра вычисляют методом Симпсона на интервале от а=0 до b=n•Δt, Δt=1/F, где F - частота сбора данных, для четного числа значений n:
Влагосвязывающую способность определяют по регрессионной зависимости
На фиг.3 изображена блок-схема устройства для оценки влагосвязывающей способности мясного сырья. На фиг.4 - устройство первичного преобразователя.
Устройство для оценки влагосвязывающей способности мясного сырья содержит первичный преобразователь, включающий в себя силовые электроды 2, выполненные в виде кольцеобразных пластин, размещенных соосно, в центральной части которых на общей оси размещены измерительные электроды 3. Измерительные электроды 3 размещены между собой ближе, чем рабочие поверхности силовых электродов, что позволяет обеспечить их контакт с образцом сырья и исключить контакт образца с силовыми электродами. Кроме того, для исключения контакта образца с силовыми электродами между ними размещено приспособление 1, выполненное из двух пластин из непроводящей сетки, которые имеют отверстия в местах расположения измерительных электродов 3. Измерительные электроды 3 подключены ко входу согласующего усилителя 4, выход которого соединен с первым аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 5, подключенного через шину обмена данными к ПЭВМ 6 и через дискретный выход к управляющему входу коммутатора 7, второй вход которого соединен с генератором 8 импульсов, а выход - с датчиком напряжения 9 и с силовыми электродами 2. Выход датчика напряжения 9 подключен ко второму аналоговому входу АЦП 5.
Устройство работает следующим образом.
Образец помещают в приспособление 1 для размещения образца сырья, которое расположено между электродами таким образом, что обеспечивается электрический контакт с измерительными электродами 3 и не допускается электрический контакт с силовыми электродами 2. С ПЭВМ 6 запускается программа измерения напряжения поляризации, по которой на управляющий вход коммутатора 7 поступает сигнал, подключающий выход генератора импульсов 8 к датчику напряжения 9 и силовым электродам 2. Между силовыми электродами 2 скачком возникает электрическое поле, под действием которого образец мясного сырья и контактирующие с ним измерительные электроды 3 поляризуются. Напряжение поляризации снимается с измерительных электродов и поступает на согласующий усилитель 4, имеющий высокое входное сопротивление, который усиливает поступивший сигнал и согласует его с входным сопротивлением АЦП 5, на который поступает сигнал с выхода согласующего усилителя. В АЦП 5 сигнал преобразуется в цифровой вид с частотой дискретизации 100-200 кГц и по шине обмена данными поступает на вход ПЭВМ 6, где фиксируется в памяти. Одновременно на второй вход АЦП 5 поступает сигнал с датчика напряжения 9, который также преобразуется в цифровой вид с частотой дискретизации 100-200 кГц и также фиксируется в памяти ПЭВМ 6. Продолжительность измерения составляет 10 секунд. После окончания измерения напряжения поляризации образца его извлекают из приспособления 1, между измерительными электродами 3 устанавливают проводящую прокладку, выполненную из пористой керамики или фильтровальной бумаги, и процесс измерения повторяют. Полученные массивы значений напряжения поляризации образца и напряжения поляризации измерительных электродов 3, а также значения выходного напряжения генератора 8 обрабатываются с использованием оригинальных программ или готовых пакетов прикладных программ, например пакета MATLAB. В процессе обработки вычисляется разность значений массива напряжения поляризации образца с измерительными электродами 3 и значений массива напряжения поляризации измерительных электродов 3. При этом синхронизация сигналов осуществляется по нарастающему фронту на выходе датчика напряжения 9. Полученный массив данных напряжения поляризации образца обрабатывается по формулам (1) и (2). В результате обработки образуются три массива данных амплитудно-частотных характеристик: сигнала разности, отфильтрованного сигнала разности и дифференцированного сигнала разности, для которых максимальное и среднее значение вычисляются любым известным численным методом, либо функцией среды обработки данных, а среднее значение спектра вычисляют по выражению (3). Полученные значения выводятся на экран ПЭВМ и используются для вычисления влагосвязывающей способности по выражению (4), которое также выводится на экран.
Пример. Оценку проводили на образцах мяса, взятых из лопаточной и задней тазовой части туши крупного рогатого скота. Образцы поочередно помещали в приспособление 1 для размещения образца сырья, снимали и регистрировали напряжение поляризации образца с измерительными электродами. После измерений напряжения поляризации образец убирали из приспособления 1 и снимали и регистрировали напряжение поляризации измерительных электродов. Затем с использованием пакета прикладных программ MATLAB, вычисляли амплитудно-частотные характеристики сигнала разности, отфильтрованного сигнала разности и дифференцированного сигнала разности, для которых определяли максимальное и среднее значения сигналов разности и среднее значение спектра сигнала разности. На основании полученных данных рассчитывали влагосвязывающую способность образцов мясного сырья. В таблице 1 приведены результаты вычислений, Х2 - среднее значение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) исходного сигнала разности; Х3 - среднего значения спектра АЧХ исходного сигнала разности; Х4 - максимум АЧХ фильтрованного сигнала разности, Х5 - среднее значение АЧХ фильтрованного сигнала разности; Х7 - максимум АЧХ дифференцированного сигнала разности, Х8 - среднее значение АЧХ дифференцированного сигнала разности, а также значений влагосвязывающей способности, рассчитанной по полученным данным Y1 и оцененной методом прессования Y0. График сравнения результатов оценки влагосвязывающей способности мясного сырья, полученный предложенным способом и полученный методом прессования приведен на фиг.5.
| Таблица 1 | ||||||||
| Результаты предварительной обработки сигналов поляризации образцов говядины |
||||||||
| Y0 | Х2 | Х3 | Х4 | Х5 | Х7 | Х8 | Y1 | |
| 1 | 64,23 | -56,2308 | 0,2481 | 9,3370 | -58,7819 | -16,7405 | -80,5383 | 63,81 |
| 2 | 62,99 | -54,6251 | 0,3327 | 11,2024 | -56,6576 | -17,1080 | -80,7202 | 63,14 |
| 3 | 62,98 | -57,2235 | 0,1600 | 7,1887 | -61,0172 | -16,5069 | -80,6279 | 63,23 |
| 4 | 70,63 | -52,4061 | 0,8713 | 15,7501 | -51,5702 | -14,5516 | -75,3559 | 70,84 |
| 5 | 76,15 | -55,0674 | 0,5890 | 13,2930 | -53,3038 | -17,7539 | -76,8284 | 76,07 |
| 6 | 70,63 | -51,0012 | 1,1982 | 17,1528 | -50,6883 | -12,8424 | -76,3044 | 70,53 |
| 7 | 53,61 | -48,9477 | 0,4290 | 9,6803 | -57,0855 | -12,0392 | -70,3557 | 53,57 |
| 8 | 51,74 | -51,4267 | 0,1843 | 4,1095 | -62,5234 | -14,1459 | -76,1272 | 51,75 |
| 9 | 67,33 | -45,9251 | 0,6192 | 8,7405 | -60,4217 | -14,3943 | -69,1026 | 67,34 |
Предлагаемый способ оценки ВСС мясного сырья исключает трудоемкие и длительные операции присущие определению ВСС методом прессования (приготовление фарша, взвешивание, прессование и пр.), исключает необходимость ограничений при отборе пробы и выборе напряжения, позволяет автоматизировать процесс оценки ВСС, исключив человека из процесса вычисления.
Источники информации
1. А.с. СССР № 1458818, Кл. G01N 33/12, 1989 г.
1. Способ оценки влагосвязывающей способности мяса, характеризующийся тем, что производят подготовку образца и измеряют напряжение поляризации образца, отличающийся тем, что на образец воздействуют скачкообразным электрическим полем напряженностью 3000 В/м и фронтом 10 мкс, определяют напряжение поляризации образца мясного сырья, определяют напряжение поляризации измерительных электродов, вычитают из снятого напряжения поляризации образца напряжение поляризации измерительных электродов, производят низкочастотную фильтрацию сигнала разности, производят численное дифференцирование сигнала разности, вычисляют амплитудно-частотные характеристики сигнала разности, отфильтрованного сигнала разности и дифференцированного сигнала разности, вычисляют среднее значение амплитудно-частотной характеристики сигнала разности, среднее значение спектра сигнала разности, максимальное значение амплитудно-частотной характеристики фильтрованного сигнала разности, среднее значение амплитудно-частотной характеристики фильтрованного сигнала разности, максимальное значение амплитудно-частотной характеристики дифференцированного сигнала разности и среднее значение амплитудно-частотной характеристики дифференцированного сигнала разности и оценивают влагосвязывающую способность с учетом полученных результатов по формуле
Y=-74,292-1,714X2+27,576X3+1,07X4-1,505X5-3,327X7+1,481X8,
где Y - влагосвязывающая способность, Х2 - среднее значение амплитудно-частотной характеристики сигнала разности, Х3 - среднее значение спектра сигнала разности; Х4 - максимальное значение амплитудно-частотной характеристики фильтрованного сигнала разности, Х5 - среднее значение амплитудно-частотной характеристики фильтрованного сигнала разности; Х7 - максимальное значение амплитудно-частотной характеристики дифференцированного сигнала разности, Х8 - среднее значение амплитудно-частотной характеристики дифференцированного сигнала разности.
2. Устройство для оценки влагосвязывающей способности мясного сырья, содержащее первичный преобразователь, согласующий усилитель, аналого-цифровой преобразователь, электронно-вычислительную машину, генератор импульсов и датчик напряжения, отличающееся тем, что введен электронный коммутатор, один вход которого подключен к дискретному выходу аналого-цифрового преобразователя, второй вход соединен с выходом генератора, а выход соединен с датчиком напряжения и силовыми электродами первичного преобразователя, измерительные электроды которого подключены ко входу согласующего усилителя, выход которого соединен с одним аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя, который подключен к электронно-вычислительной машине, при этом датчик напряжения соединен со вторым аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что первичный преобразователь выполнен в виде двух силовых электродов кольцеобразной формы, размещенных соосно, в центральной части которых на общей оси размещены измерительные электроды, рабочие поверхности которых размещены между собой ближе, чем рабочие поверхности силовых электродов, кроме того, между электродами размещено приспособление, выполненное из двух пластин из непроводящей сетки, которые имеют отверстия в местах расположения измерительных электродов.
