СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО СПЕКТРАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА МЯСА Российский патент 2001 года по МПК G01N33/12 

Изобретение относится к мясной промышленности и может найти применение в операциях экспресс-контроля качества мяса и мясной продукции.

Контроль качества мяса и мясной продукции, в том числе экспресс-контроль, важная составляющая технологического процесса обработки мяса, особенно при поточном производстве. От оперативности контроля и объективности оценок зависит в конечном счете качество продукции, выдаваемой потребителю, ее себестоимость, а также возможность своевременного выбора и применения адекватных мер по обеззараживанию, в том числе применения мер по снижению микробиологической обсемененности.

Известны способы контроля качества мяса и мясной продукции, основанные на физико-химическом анализе образца пробы. Например, известен способ определения степени свежести мяса, описанный в [1], при котором пробу исследуемого продукта измельчают, смешивают с дистиллированной водой в заданном соотношении и в полученной вытяжке определяют количество контролируемого агента - аммиака, выделяющегося при потере продуктом свежести вследствие дезаминирования, протекающего под действием ферментов микроорганизмов. Известен также способ контроля свежести мяса, описанный в [2], при котором образец мяса определенной формы выдерживают в течение нескольких суток при температуре 4^oC, периодически контролируя его упругость по сравнению с образцом заведомо свежего мяса. Способы [1], [2] обеспечивают высокое качество контроля, однако требуют значительных затрат времени для получения результата и поэтому непригодны для экспресс-анализа.

Известен способ [3] контроля качества мороженых продуктов, например рыбы, при котором качество продукта устанавливают по количественному оценочному критерию уровня деструкции мышечной ткани, который определяют в процессе микроскопии подготовленного образца путем наблюдения за ультраструктурными изменениями, в том числе за изменениями структуры миофибриллярных белков. Способ [3] позволяет судить о времени наступления критических периодов деструкции мышечной ткани в результате активации автокаталитических процессов и оценить качество продукта, подвергнутого любой холодильной обработке независимо от срока холодильного хранения. Способ [3] требует меньше затрат времени, чем способы [1], [2], однако для экспрессного анализа он также не подходит.

Среди способов контроля качества мяса известен, например, способ [4], при котором на контролируемый образец воздействуют электрическим током промышленной частоты, а затем измеряют величину pH, по уровню которой отсортировывают мясо на качественные группы. При таком способе контролируется в основном пищевая ценность мяса, а такой важный фактор, как наличие или отсутствие на его поверхности патогенных бактерий не устанавливается. В способе [4] измерение величины pH требует определенных затрат времени, вследствие чего данный способ также не является экспрессным.

Среди способов контроля качества мяса известен, например, способ [5], который позволяет контролировать мясо, например мясо рыбы, на наличие посторонних диэлектрических включений, а именно, на включения паразитов. В способе [5] через исследуемый образец пропускают ток и регистрируют возмущения или отклонения тока, вызванные наличием паразитов. Данный способ имеет ограниченное применение, вытекающее из особенностей решаемой задачи, в частности, не позволяет судить о наличии или отсутствии на поверхности мяса патогенных бактерий. Данный способ не является экспрессным.

Аналогичная задача по выявлению посторонних диэлектрических включений решается в способе [6] , в котором контролируемый образец мяса подвергают облучению электромагнитными волнами в диапазоне 800 - 1800 нм, после чего анализируют поглощение электромагнитных волн, сравнивая его с заранее заданным, характерным поглощением нематодами Anisakis и Phocanema. Данный способ, как и способ [5], имеет ограниченное применение, вытекающее из особенностей решаемой задачи, и не является экспрессным.

Известен способ [7] контроля качества мяса, основанный на воздействии электромагнитного облучения определенного диапазона длин волн и измерении интенсивности их отражения. При этом в качестве показателя, коррелирующего с качеством мяса, используют отношение измеренных с помощью компаратора цвета значений величин интенсивности отражения исследуемого образца и эталона, а контроль качества мяса ведут с учетом полученных значений величин этого отношения. Способ позволяет реализовать экспресс-анализ качества мяса по его цвету и осуществить сортировку туш после убоя животных. Однако реализация способа требует наличия заведомо доброкачественного эталонного образца, цвет которого близок к исследуемому и который необходимо менять при смене партии мяса, что ограничивает возможности применения способа.

Известен описанный в [8] способ контроля состояния пищевых продуктов, в соответствии с которым диацетил, образующийся в результате порчи, например охлажденного мяса, обнаруживается с помощью ароматического ортодиамина с кислотным значением pH, с последующей регистрацией изменения поглощения или отражения электромагнитного излучения, характерного для ортодиамина. Способ [8] достаточно эффективен, однако не является экспрессным.

Известен способ [9] оценки качества мяса сельскохозяйственных животных в технологическом процессе переработки мясного сырья без предварительного взятия пробы, основанный на измерении величины интенсивности отраженного света с последующим определением коэффициента отражения. В данном способе измерение интенсивности отраженного света осуществляют непосредственно в толще исследуемого образца на глубине 5-7 см путем введения в него оптической иглы, при этом при измерении используют световой поток с длиной волны 600 - 720 нм. Измерения производят непосредственно на тушах крупного рогатого скота после убоя и охлаждения на мышце long dorsi. Способ позволяет реализовать экспресс-анализ качества мяса по его отражательной способности и осуществить сортировку туш после убоя животных. Однако возможности способа [9] ограничены начальной стадией переработки мясного сырья, в частности способ [9] неприменим к замороженному мясу и не позволяет оценивать наличие или отсутствие патогенных бактерий на поверхности мяса.

Аналогично способу [9] в способе [10] качество мяса также оценивают по его светоотражательной способности в толще исследуемого образца путем введения в последний с помощью пистолета-пробойника оптического зонда, выполненного в форме ланцета. Способ [10] позволяет реализовать экспресс-анализ качества мяса, в том числе оценить процентное соотношение жил в туше. Способ [10] не позволяет оценивать наличие или отсутствие патогенных бактерий на поверхности мяса, а также неприменим к замороженному мясу.

Для оценки наличия или отсутствия патогенных бактерий на поверхности мяса перспективно использование способов, основанных на явлении фотолюминесценции - люминесценции, возбуждаемой оптическим излучением, формируемым соответствующим излучателем. Возможность оценки качества продукции по фотолюминесценции обусловлена тем, что под действием света большинство веществ и биологических объектов испускают характерное для них излучение, которое формирует индивидуальный "портрет" исследуемой продукции и искажение которого свидетельствует о патологии.

Среди способов определения качества продукции, основанных на использовании явления фотолюминесценции, известен, например, способ [11], в котором оценивается степень поражения зерна микроскопическими грибами по интенсивности фотолюминесценции, регистрируемой в диапазоне длин волн 520 - 700 нм, при этом фотолюминесценцию проб зерна инициируют посредством их облучения в диапазоне длин волн 360 - 500 нм. Степень поражения зерна микроскопическими грибами оценивают путем сравнения интенсивности фотолюминесценции исследуемых проб зерна с интенсивностью фотолюминесценции контрольной пробы - размолотого зерна без грибов. Необходимость в контрольной пробе - недостаток способа, препятствующий использованию его как экспрессного.

Известен способ оценки качества сельскохозяйственной продукции [12], в частности корнеплодов моркови, в котором обнаружение некондиционных корнеплодов осуществляют путем измерения и анализа их спектров флуоресценции. В способе [12] флуоресценцию инициируют посредством облучения корнеплодов в двух диапазонах длин волн 290 ± 10 нм и 365 ± 10 нм. При этом при облучении в диапазоне длин волн 290 ± 10 нм регистрацию интенсивности флуоресценции J₁ и J₂ осуществляют соответственно в областях длин волн 337 ± 10 и 465 ± 10 нм. При облучении в диапазоне длин волн 365 ± 10 нм регистрацию интенсивности флуоресценции J₃ и J₄ осуществляют в областях длин волн 540 ± 10 и 575 ± 10 нм. При разбраковке корнеплодов считают, что у кондиционных корнеплодов величина отношения J₁/J₂ ≅ 1,1, а у некондиционных - J₁/J₂ > 1,1. При разделении некондиционных корнеплодов считают, что у больных корнеплодов (поврежденных патогеном) величина J₃/J₄ > 1,0, а у механически поврежденных - J₃/J₄ ≅ 1,0. Данный способ является эффективным и экспрессным, однако может использоваться при контроле качества только определенного вида сельскохозяйственной продукции - корнеплодов, преимущественно корнеплодов моркови.

В качестве прототипа заявляемого способа - способа дистанционного спектрального контроля качества мяса - принят способ, изложенный в [13], в соответствии с которым о качестве мяса судят по результатам анализа флуоресцентного излучения, возникающего на поверхности зараженного патогенными бактериями мяса при облучении его монохроматическим излучением лазера определенной длины волны. Способ, принятый в качестве прототипа, заключается в том, что контролируемый образец мяса облучают монохроматическим излучением лазера с длиной волны 488 нм, оценивают интегральную интенсивность флуоресцентного излучения в полосе спектра флуоресценции и по ней судят о качестве мяса: больше интенсивность флуоресцентного излучения - больше патогенных бактерий, хуже качество мяса.

Способ, принятый в качестве прототипа, дает решение проблемы экспрессного бесконтактного дистанционного контроля качества мяса в общем виде - предлагает использовать монохроматическое излучение лазера определенной длины волны для возбуждения флуоресценции на поверхности мяса с последующим анализом этого флуоресцентного излучения для установления факта наличия патогенных бактерий. Однако в способе-прототипе отсутствуют четко выраженные количественные критерии, что на практике делает производимые оценки весьма субъективными и неопределенными, что препятствует реальному промышленному использованию данного способа.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение возможности получения при экспресс-контроле качества мяса однозначно определенного ответа о результатах анализа типа ответа "да - нет" на основе предложенного количественного критерия оценки спектра флуоресценции исследуемого мяса.

Решение поставленной задачи открывает путь для промышленного использования заявляемого способа как эффективного дистанционного бесконтактного экспрессного способа контроля качества мяса и мясной продукции.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе дистанционного спектрального контроля качества мяса, включающем облучение контролируемого образца мяса монохроматическим излучением лазера с длиной волны 488 нм и последующий анализ возникающего флуоресцентного излучения в полосе флуоресценции, по результатам которого судят о состоянии мяса, при анализе флуоресцентного излучения выделяют из полосы флуоресценции с помощью соответствующих спектрально-селективных интерференционных фильтров два спектральных участка с максимумами на длинах волн λ₁ = 510 нм и λ₂ = 545 нм, измеряют интенсивности J₁ и J₂ флуоресцентного излучения на указанных длинах волн соответствующими фотоприемниками, сравнивают между собой значения интенсивностей J₁, J₂ и при значении величины отношения J₁/J₂ ≥ 1 дают положительную оценку произведенного анализа, соответствующую качественному мясу, а при значении величины отношения J₁/J₂ < 1 дают отрицательную оценку произведенного анализа, соответствующую мясу с патогенными бактериями.

Сущность заявляемого изобретения и возможность его осуществления поясняются фиг. 1 и 2, где на фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ; на фиг. 2 - схематично графики спектра флуоресцентного излучения доброкачественного мяса (кривая I) и мяса, зараженного патогенными бактериями (кривая II).

Устройство, реализующее заявляемый способ, содержит (фиг. 1) источник монохроматического излучения 1, исполнительный блок 2, блоки 3 и 4 приемников флуоресцентного излучения, а также блок 5 анализа. Выход источника излучения 1 и входы блоков 3 и 4 связаны с исполнительным блоком 2 соответствующими оптическими волокнами 6. Выходы блоков 3 и 4 связаны соответствующими электрическими цепями со входами блока 5.

Источник монохроматического излучения 1 представляет собой импульсный аргоновый лазер с длиной волны 488 нм.

Исполнительный блок 2 бесконтактно (дистанционно) взаимодействует с контролируемым образцом мяса 7, направляя на него излучение от источника 1 и принимая возникающее ответное флуоресцентное излучение.

Исполнительный блок 2 содержит световой канал, выполненный в виде отрезка волоконно-оптического кабеля, конструктивно размещенного в стволе "оптического пистолета". Этот "оптический пистолет" снабжен пусковым механизмом (курком), который связан соответствующим каналом связи с управляющим входом источника монохроматического излучения 1 (на фиг. 1 эта связь показана пунктиром).

Блоки 3 и 4 содержат спектрально-селективные интерференционные фильтры, выделяющие из полосы флуоресценции два спектральных участка с длинами волн λ₁ = 510 нм и λ₂ = 545 нм с полушириной 10 нм, а также соответствующие фотоприемники, преобразующие энергию оптического излучения в энергию электрических сигналов, соответствующих интенсивностям J₁ и J₂ флуоресцентного излучения на указанных длинах волн.

Блок 5 анализа в простейшем случае представляет собой компаратор, формирующий первый выходной сигнал в случае, когда J₁ ≥ J₂, т.е. при J₁/J₂ ≥ 1, и второй выходной сигнал в случае, когда J₁ < J₂, т.е. при J₁/J₂ < 1. Первый выходной сигнал соответствует положительной оценке произведенного анализа - в случае отсутствия на контролируемой поверхности патогенных бактерий. Второй выходной сигнал соответствует отрицательной оценке произведенного анализа - в случае обнаружения на контролируемой поверхности патогенные бактерий.

В вариантах выполнения блок 5 может быть реализован в виде усилителя, реализующего функцию деления двух электрических величин X/Y, соответствующих указанным интенсивностям J₁ и J₂ флуоресцентного излучения, и формирующего первый выходной сигнал положительной оценки произведенного анализа при J₁/J₂ ≥ 1 и второй выходной сигнал отрицательной оценки произведенного анализа при J₁/J₂ < 1.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

Выход светового канала исполнительного элемента 2, т.е. выходное отверстие ствола "оптического пистолета", подносят к поверхности контролируемого образца 7 и нажимают на пусковой курок. При этом инициируется цепь управления источника монохроматического излучения 1 - импульсного аргонового лазера с длиной волны 488 нм. Лазер формирует световой импульс, который по соответствующему оптическому волокну 6 поступает в световой канал "оптического пистолета", а с него - на поверхность исследуемого образца 7.

Указанный импульс излучения лазера инициирует флуоресцентное излучение контролируемого образца. При этом, как было выявлено в результате исследований, спектр флуоресцентного излучения имеет различный характер для доброкачественных образцов мяса, на поверхности которых отсутствуют патогенные бактерии (фиг. 2, кривая I), и для образцов мяса, поверхность которых заражена (обсеменена) патогенными бактериями (фиг. 2, кривая II). При этом эти спектры различаются как по своей интенсивности (интенсивность флуоресцентного излучения зараженного патогенными бактериями мяса более чем на порядок превышает интенсивность флуоресцентного излучения доброкачественного мяса), так и по форме частотных характеристик. Так, в случае доброкачественного мяса интенсивность флуоресцентного излучения в спектральном диапазоне 510-650 нм падает, хотя и не монотонно (фиг. 2, кривая I), а в случае заражения патогенными бактериями интенсивность флуоресцентного излучения сначала возрастает, достигая максимума на участке длин волн 540-545 нм, а затем начинает падать (фиг. 2, кривая II). Указанный характер кривых I и II фиг. 2 сохраняется как для образцов парного мяса, так и для образцов мяса, хранящихся в холодильных и морозильных камерах. Выявленный характер кривых I и II фиг. 2 сохраняется также и для образцов мяса различных партий.

Выявленное различие в спектрах флуоресцентного излучения доброкачественного мяса и мяса, поверхность которого обсеменена патогенными бактериями, позволяет осуществить оптический бесконтактный экспресс-контроль качества мяса в соответствии с предложенным способом.

При этом в процессе анализа флуоресцентного излучения, возникающего в результате облучения контролируемого образца мяса монохроматическим излучением лазера с длиной волны 488 нм, выделяют из полосы флуоресценции с помощью соответствующих спектрально-селективных интерференционных фильтров, входящих в состав блоков 3 и 4, два спектральных участка с максимумами на длинах волн λ₁ = 510 нм и λ₂ = 545 нм и измеряют интенсивности J₁ и J₂ флуоресцентного излучения на указанных длинах волн соответствующими фотоприемниками, входящими в состав блоков 3 и 4. При этом осуществляется преобразование оптических сигналов с длинами волн λ₁ = 510 нм и λ₂ = 545 нм в электрические сигналы, соответствующие интенсивностям J₁ и J₂ флуоресцентного излучения на этих длинах волн.

Измеренные таким образом интенсивности J₁ и J₂ флуоресцентного излучения исследуемого образца мяса на указанных длинах волн сравнивают между собой в блоке 5 анализа, например с помощью компаратора. При этом блок 5, как указано выше, выполнен таким образом, что в случае доброкачественного мяса (фиг. 2, кривая I), т.е. при J₁ ≥ J₂ (J₁/J₂ ≥ 1), на его выходе формируется первый выходной сигнал, свидетельствующий о положительной оценке произведенного анализа. В качестве такого сигнала может использоваться, например, сигнал "логического 0". В случае мяса с патогенными бактериями (фиг. 2, кривая II), т.е. при J₁ < J₂ (J₁/J₂ ≥ 1), на выходе блока 5 формируется второй выходной сигнал, свидетельствующий о отрицательной оценке произведенного анализа. В качестве такого сигнала может использоваться, например, сигнал "логической 1".

Выходные сигналы блока 5 используются при принятии решения о доброкачественности или недоброкачественности контролируемого образца мяса.

При этом, в простейшем случае, решение о качестве мяса может приниматься по результатам экспресс-контроля в одной точке на поверхности мяса. В качестве такой точки может быть выбрана, например, точка в анальной зоне мясной туши.

Могут использоваться результаты экспресс-контроля по многим точкам, выбираемым по определенной схеме. Выбор точек контроля, алгоритмы обработки результатов контроля по многим точкам, использование результатов экспресс-анализа при автоматизации процесса разбраковки мяса в рамках данной заявки не рассматриваются.

Таким образом, из рассмотренного видно, что заявляемое изобретение технически осуществимо, промышленно реализуемо и решает поставленную техническую задачу по обеспечению возможности получения при экспресс-контроле качества мяса быстрого и однозначно определенного ответа о результатах анализа типа ответа "да - нет" на основе предложенного количественного критерия оценки спектра флуоресценции исследуемого образца мяса.

Указанные положительные особенности заявляемого способа обуславливают широкие перспективы по его промышленному использованию в качестве эффективного дистанционного бесконтактного экспресс-метода контроля качества мяса и мясной продукции по наличию или отсутствию патогенных бактерий, выявляемых по результатам анализа спектра флуоресценции.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР (SU) N 1741066 (A1), кл. G 01 N 33/12, опубл. 15.06.92.

2. Авторское свидетельство СССР (SU) N 1666949 (A1), кл. G 01 N 33/12, опубл. 30.07.91.

3. Патент РФ (RU) N 2138043 (C1), кл. G 01 N 33/12, опубл. 20.09.99.

4. Патент РФ (RU) N 2017151 (C1), кл. G 01 N 33/12, опубл. 30.07.94.

5. Международная заявка PCT (WO) N 93/14400 (A1), кл. G 01 N 33/12, опубл. 22.07.93.

6. Патент РФ (RU) N 2015507 (C1), кл. G 01 N 33/12, опубл. 30.06.94.

7. Патент РФ (RU) N 2092836 (C1), кл. G 01 N 33/12, опубл. 10.10.97.

8. Международная заявка PCT (WO) N 93/15403 (A1), кл. G 01 N 33/12, 21/31, 33/02, 31/22, C 07 F 15/04, 15/06, опубл. 05.08.93.

9. Патент РФ (RU) N 2035399 (C1), кл. C 01 N 33/12, опубл. 20.05.95.

10. Заявка Франции (FR) N 2691543 (A1), кл. G 01 N 33/12, 21/84, G 01 В 11/06, G 05 В 25/02, опубл. 26.11.93.

11. Патент РФ (RU) N 2079128 (C1), кл. G 01 N 33/10, G 01 N 21/64, опубл. 10.05.97.

12. Патент РФ (RU) N 2033604 (C1), кл. G 01 N 21/64, опубл. 20.04.95.

13. P.J.Hilton, R.P.Gabric. Multiple image acquisition for inspection of natural products using laser scanning. SPIE International Symposium on Photonics for Industrial Application, November, 1994.

Изобретение относится к мясной промышленности и может найти применение в технологических операциях при реализации экспресс-контроля качества мяса. Способ включает облучение контролируемого образца мяса монохроматическим излучением лазера с длиной волны 488 нм и последующий анализ возникающего флуоресцентного излучения в полосе флуоресценции, по результатам которого судят о состоянии мяса. При анализе флуоресцентного излучения выделяют из полосы флуоресценции с помощью соответствующих спектрально-селективных интерференционных фильтров два спектральных участка - с максимумами на длинах волн λ₁ = 510 нм и λ₂ = 545 нм. На указанных длинах волн измеряют интенсивности J₁ и J₂ флуоресцентного излучения соответствующими фотоприемниками и сравнивают между собой значения интенсивностей J₁, J₂. При значении величины отношения J₁/J₂ ≥ 1 дают положительную оценку произведенного анализа, соответствующую качественному мясу. При значении величины отношения J₁/J₂ < 1 дают отрицательную оценку произведенного анализа, соответствующую мясу с патогенными бактериями. Способ позволяет обеспечить объективную оценку качества мяса. 2 ил.

Способ дистанционного спектрального контроля качества мяса, включающий облучение контролируемого образца мяса монохроматическим излучением лазера с длиной волны 488 нм и последующий анализ возникающего флуоресцентного излучения в полосе флуоресценции, по результатам которого судят о состоянии мяса, отличающийся тем, что при анализе флуоресцентного излучения выделяют из полосы флуоресценции с помощью соответствующих спектрально-селективных интерференционных фильтров два спектральных участка с максимумами на длинах волн λ₁ = 510 нм и λ₂ = 545 нм, измеряют интенсивности J₁ и J₂ флуоресцентного излучения на указанных длинах волн соответствующими фотоприемниками, сравнивают между собой значения интенсивностей J₁, J₂ и при значении величины отношения J₁/J₂ ≥ 1 дают положительную оценку произведенного анализа, соответствующую качественную мясу, а при значении величины отношения J₁/J₂ < 1 дают отрицательную оценку произведенного анализа, соответствующую мясу с патогенными бактериями.