Способ инфракрасной спектрометрии по контролю качества овощей, фруктов, ягод и грибов Российский патент 2025 года по МПК G01N21/35 G01N33/02 

Изобретение относится к контролю качества фруктов, овощей, ягод и грибов (далее ФОЯГ) в торговле, пищевой промышленности и сельском хозяйстве.

Изобретение применимо:

- в розничной и оптовой торговле плодами ФОЯГ при операциях контроля качества в момент поступления продукции на распределительный центр (склад) и в рамках хранения; предприятиях пищевой промышленности при поступлении продукции ФОЯГ;

- в сельском хозяйстве при оценке сроков хранения плодов ФОЯГ при закладке на хранение или промежуточной оценке качества в рамках хранения.

Из уровня техники известен патент РФ №2750086 от 22.06.2021, где описан способ оптического анализа фруктов и овощей. Данный способ заключается в освещении плодов с различных сторон в инфракрасном и видимом диапазонах и формировании изображений данных плодов в указанных диапазонах, по которым анализируют годность фруктов и овощей. В указанном выше источнике оценка качества осуществляется путем либо неразрушающих визуальных методов, либо путем поверхностного ИК-облучения плодов и анализа результатов.

Недостатком данного решения является невозможность определять остаточное время хранения плода и определить текущий срок хранения плода. Метод не включает разрушающего контроля, что не позволяет выявлять потенциальные скрытые внутренние дефекты плода.

Другим недостатком известного решения является невозможность классификации плодов по потребительской ценности - наличия витаминов, полисахаридов, клетчатки, иных природных компонентов необходимых в жизнедеятельности человека или выделяемых при переработке ФОЯГ химических компонентов, применяемых, как составляющие при изготовлении иных готовых товаров.

Технический результат - повышение точности определения остаточного времени хранения плода и определение текущего срока хранения плода, и химического состава плода в ключе выбранных полезных веществ для потребителя.

Технический результат по контролю качества овощей, фруктов, ягод и грибов достигается сравнением спектров полученных в результате измерения инфракрасным спектрометром отраженного поверхностного облучения овощей, или фруктов, или ягод, или грибов источником излучения в видимом диапазоне в рамках предварительной части со спектром-эталоном и сравнением спектров полученных в результате измерения инфракрасным спектрометром в чашке бювете отраженного поверхностного облучения отдельно измельченной той части плода - пробы, которая либо употребляется в пищу, либо используется в промышленном производстве в инфракрасном диапазоне со спектром-эталоном;

качественная оценка дополняется количественной оценкой заданных показателей, которая основана на предварительно проведенных исследованиях в физико-химической лаборатории, соответствующих по спектру проверяемой партии/плоду.

При этом для формирования эталонной модели осуществляют:

укладывают плоды в зависимости от последующего применения, как указано выше, в инкубатор, поддерживающий температуру хранения или продажи плода;

производят охлаждение эталонной группы плодов до температуры хранения или продажи;

затем определяют состояние внешнего вида плода произвольно выбранного из упаковки эталонной группы плодов или целой единичной упаковки из инкубатора каждые 4 часа, с момента укладки и до истечения периода оценки качества или потери потребительских свойств; определение заключается в получение изображений в видимом инфракрасном спектре с разных сторон плода и сохранении изображений спектральной модели данного плода для данного времени в цифровом виде,

одновременно-параллельно - проведение каждый час исследования на лежкость плода/плодов из инкубатора, с момента укладки и до истечения периода оценки качества или потери потребительских свойств плодов, заключающееся в измельчении плода в той части, которая либо употребляется в пищу, либо используется в промышленном производстве, облучении измельченной пробы инфракрасным излучением, получении отраженного от пробы спектра и сохранения в эталонной базе данных в цифровом виде как модели спектра измельченного плода; исследования выполняются при температуре хранения или продажи плода посредством инфракрасного спектрометра-анализатора;

определенные к оценке физико-химические показатели овощей, фруктов, ягод и грибов выявляются в рамках исследований плодов из той же партии одновременно в физико-химической лаборатории, заносятся в базу данных и должны строго соответствовать проведенному параллельно исследованию посредством инфракрасного спектрометра-анализатора (спектру).

Сущность технического решения поясняется чертежом, где

на чертеже показана схема реализации предлагаемого способа.

Позициями на чертеже обозначены:

1 - сбор ФОЯГ;

2 - укладка эталонных одного или нескольких плодов в упаковку охлаждение эталонных одного или нескольких плодов ФОЯГ до температуры хранения;

3 - охлаждение эталонных одного или нескольких плодов ФОЯГ до температуры хранения;

4 - укладка упаковок в инкубатор, поддерживающий температуру хранения плода;

5 - определение состояния внешнего вида эталонного плода из инкубатора;

6 - определение спектра измельченного плода;

7 - проведение параллельных количественных исследований на выбранные потребительские показатели той же партии плодов в физико-химической лаборатории и

составление эталонной базы изображений плода и спектров по времени хранения для данного плода, количественных показателей (органической кислоты, аминокислоты и углеводов);

8 - рабочее применение - определение качества исследуемых плодов по эталонной базе изображений плода и спектров, количественных показателей.

Раскрытие изобретения

Способ ИК-спектрометрии по контролю качества овощей, фруктов, ягод и грибов (ФОЯГ) исходя из прогноза остаточных сроков годности построенный на выбранных предварительно потребительских показателях, сформированных по сортам в единую потребительскую классификацию - сортность, представляет собой комплекс решений, позволяющих с высокой точностью (до часов) определить срок хранения плодов ФОЯГ и остаточный срок хранения плодов ФОЯГ (сроки лежкости ФОЯГ) в условиях рабочих температур хранения, а так же выбранные к оценке количественные физико-химические показатели.

Создание эталонной базы данных для определения лежкости плодов ФОЯГ происходит в два этапа.

Первый этап. Внешний вид

Внешний вид важен при осуществлении продаж плодов в розничной торговле или при применении ФОЯГ в кондитерской промышленности.

Первый этап осуществляется по следующему алгоритму:

- сразу после снятия плода фиксируется его состояние - делается съемка плода с разных сторон в видимом ИК-диапазоне (400-1000 нм) и в итоге определяют граничное внешнее состояние плода, которое соответствует предельному качеству - максимальной лежкости плода,

- затем плоды ФОЯГ охлаждаются, упаковывается в торговую упаковку или упаковку хранения (в зависимости от решаемой задачи) закладываются в инкубатор для формирования среды пребывания (торговли или хранения) и измерения сохранности потребительских качеств ФОЯГ в ней,

- далее осуществляется внешняя оценка состояния данного плода с дискретностью в 4 часа, вплоть до его начала деградации - потери потребительских свойств, определяемое внешне - экспертной оценкой, фиксируя состояние делается съемка плода с разных сторон в видимом ИК-диапазоне (400-1000 нм) для каждого цикла измерений и, параллельно, по меньшей мере одного количественного показателя, проводимого в физико-химической лаборатории, например, органических кислот, аминокислот и углеводов.

Указанные выше действия контролируются и подтверждаются экспертом, а данные оценки плода принимаются в качестве эталона и сводятся в единую базу данных:

полученные данные заносятся в базу эталонных изображений плода, в последствии применяемых при первичном контроле плодов, снижающем потенциальную ошибку или субъективную оценку на месте производственного контроля, формируя единое понимание заданного качества. Данный первичный контроль в будущем при оценке качества плодов позволяет предварительно определить плоды с несоответствием по качеству.

Второй этап. Определение лежкости в часах, при которой плод сможет при заданных условиях сохранять свои потребительские свойства

Данный этап позволяет получить эталонные спектры для стандартов лежкости и осуществляется по следующему алгоритму:

- из инкубатора с рабочей температурой хранения извлекается плод/упаковка плодов ФОЯГ, в ограниченное до 3 мин (180 сек) время, что бы не происходило заметное повышение температуры пробы (более чем на 20%), осуществляется измельчение плода/плодов-проб в той части, которая используется в пищу или применяется в промышленном производстве, объем пробы составляет в зависимости от испытательной чаши-бюветы обычно от 50 до 100 мл до качества «смузи» или до максимально возможного измельченного состояния;

проба вносится в инфракрасный спектрометр-анализатор и осуществляется исследование за счет подачи на пробу излучения и измерения отраженного спектра, сохранения полученного спектра в цифровом виде в базу данных эталонных спектров;

параллельно, проводятся количественные измерения плодов той же самой партии - путем определения количественных показателей в физико-химической лаборатории: органических кислот, аминокислот и углеводов (показатели для исследования определяются бенефициаром исследования).

Полученные количественные данные заносятся в строгом соответствии параллельно определенным спектрам в базу эталонных спектров плода.

Подготовка пробы и измельчение плодов проводятся в ограниченной период времени, равный время измельчения пробы + температура спектрального исследования на анализаторе. На практике общее время пробоподготовки для плода составляет не более 240 сек.

В качестве анализатора и обработки спектров применяется ИК-анализатор диапазона волн 1100-1650 нм.

Формирования эталонной базы данных ФОЯГ основывается на физическом эффекте изменения ИК-спектра отражения (обратного) от исследуемого вещества, происходящий за счет изменения - «биения» внутриклеточных связей под воздействием ИК-излучения указанного выше диапазона.

Формирование базы данных эталона ФОЯГ для получения максимально точного результата должно привязываться к ботаническому сорту плодов ФОЯГ. Плоды для формирования эталонных проб должны собираться близкими по зрелости; зрелость определяется по цвету плода на предварительном этапе отбора. Все процедуры описаны подробно ниже, в примере.

Пример реализации предлагаемого способа

1. Произвести сбор плодов определенного ботанического сорта с мест произрастания, охладить плоды ФОЯГ до рабочей температуры хранения не позже, чем через час после сбора, уложить в рабочую упаковку (в той что плоды будут продаваться или храниться в зависимости от решаемой задачи). Поддерживая температуру плодов доставить в лабораторию в течение 24 часов после сбора и заложить плоды ФОЯГ в инкубатор в условия рабочих температур.

Важно! Если плоды ФОЯГ будут при торговле или хранении содержаться в определенной таре, то для хранения при проведении исследований ФОЯГ закладываются в инкубатор именно в той таре, в которой она будет храниться или продаваться.

2. Каждые 4 часа проводится качественное определение эталона внешнего вида плода ФОЯГ соответствующее текущему состоянию от начала исследований:

используя специальный стол с крутящейся поверхностью и ограниченный по диаметру, который позволит дискретно «поворачивать» плоды ФОЯГ перед камерой, закрепленной на штативе так, что бы можно было проводить исследования с разных сторон плода (осуществляется «осмотр» всей поверхности плода) или возможно на столе поворачивать плоды с помощью кисти искусственного ворса; для получения максимально точного результата следует 7 раз осуществить оценку ягод в разном положении на спектрометре-анализаторе ближнего диапазона (400-1000 нм) - путем поверхностного ИК-облучения плодов и получения так называемой «внешней спектральной модели», соответствующей данному сорту в итоге выбрать «среднее значение» цифрового спектра. Данные этой части исследования в дальнейшем позволят проверять первичное соответствие сорту и отбраковать плоды не соответствующие классификации изначально.

3. Исследование на лежкость следует проводить каждый час (каждые 60 минут): исследование спектра плода ФОЯГ осуществляется сразу после изъятия пробы из инкубатора; сначала - измельчение пробы, затем проба вносится в бювет спектрометра для измерения.

Спектр сохраняется в базе данных для последующего формирования эталонной рабочей области. Важно, чтобы температура проб соответствовала выбранному режиму модели применения, например, для черники не более +5°С - типовая температура хранения и транспортировки ягод в торговые сети.

4. Параллельно проводятся количественные измерения свойств плодов в физико-химической лаборатории той же самой партии количественных показателей: Титрируемые кислоты (отражают Органические кислоты), Белок (отражает Аминокислоты) и Углеводы (отражают Сахариды). Данные потребительской ценности задаются экспертно при формировании задач - какую пользу приносит ФОЯГ потребителю - человеку или животному.

5. В базу данных по итогам исследования одной партии ФОЯГ в привязке к часу измерений заносится спектр в цифровом виде и в строгом соответствии параллельно полученные в физико-химической лаборатории количественные данные п.4.

6. Исследования необходимо проводить по указанному алгоритму (п.2-п.4) до исчерпания ценностных показателей плодами ФОЯГ.

7. По полученным данным формируется эталонная база спектров для определенных ФОЯГ, собранных в определенной области. Данная база включает изображения плода в видимом ИК-спектре, а также спектр данного плода ФОЯГ, полученный при исследовании измельченной пробы и количественные показатели (п.4.); база данных строится в часах, начиная от максимальной лежкости плода (практически от его сбора) до его полной потери потребительских качеств - деградации (пожухлый вид, гниение, разложение).

8. В дальнейшем, основываясь на эталонной базе спектров для определенных ФОЯГ, собранных в определенной области, можно определять остаточное время хранения ФОЯГ и определение текущего срока хранения ФОЯГ, продаваемых на рынке (при условии, что они хранились в рабочей температуре хранения). Для этого также сначала делаются съемки продаваемого ФОЯГ в видимом ИК-спектре, затем из тех же ФОЯГ осуществляют измельчение пробы потребительской части плода/плодов и исследуется спектр данного ФОЯГ на ИК-спектрометре, выбирается наиболее близкий спектр/изображения в эталонной базе спектров и количественных показателей для определенных данных о текущей лежкости исследуемого ФОЯГ и соответствующих ему количественных данных.

Предложенный способ был нами был проверен экспериментально.

Так по предложенному способу была сформирована эталонная база спектров изображений ягод ежевики и измельченных ягод ежевики дискретно по времени, с включением измерений состава ягод ежевики по: Титрируемым кислотам (отражение Органических кислот), Белку (отражение Аминокислот) и Углеводам (отражение Сахаридов) полученные сведения сведены в таблицу:

Наименование сорта по качеству Число углеводов в грамм на 100 г свежих ягод ежевики Число белков в грамм на 100 г свежих ягод ежевики Объем титрируемых кислот в грамм на 100 г свежих ягод ежевики Лежкость, в сутках Премиум от 9 и выше от 1,3 и выше от 1,5 и выше от 9 до 12 1 сорт от 7 до 8,9 от 0,9 до 1,29 от 0,9до 1,49 от 5 до 8 2 сорт от 5 до 6,9 от 0,7 до 0,89 от 0,6 до 0,89 от 3 до 4

Затем из произвольно взятой в розничной торговле партии ягод ежевики, предварительно охлажденной до рабочей температуры, в определенные промежутки времени брались ягоды ежевики, делались её съемки в видимом ИК-спектре, затем те же ягоды измельчались и на ИК-спектрометре-анализаторе определялся спектр измельченной пробы, и его количественных показателей - ягоды ежевики исследовались лабораторно на: Титрируемые кислоты (Органические кислоты), Белок (Аминокислоты) и Углеводы (Сахариды) после чего данные сравнивался с эталонной базой спектров изображений, спектров измельченных проб и количественных показателей по которой определялось время хранения плода.

Расхождение при измерениях времени лежкости плода не превышало 10% в абсолютной величины показателя; полученные сведения сведены в таблицу:

Тип полезных веществ в свежих ягодах ежевики, обеспечивающих пользу Сущность пользы от свежих ягод ежевики для потребителя в питании человека Методы определения значений в свежих ягодах ежевики Полученные значения в граммах на 100 г свежих ягод ежевики Полученные данные по лежкости, в днях Титрируемые кислоты (Органические кислоты) Укрепляют иммунитет, улучшают обмен веществ в организме человека Титрирование сока свежих ягод ежевики раствором щелочи (ГОСТ Р 51434-99) или исследование с применением потенциометра (ГОСТ 7164-66) 1,51 10
Белок (Аминокислоты) Стимулируют синтез белка в организме человека Исследование в соответствии с ГОСТ 34111-2017 1,39 Углеводы (Сахариды) Формируют запас энергии для организма; снижают свертываемость крови Рефрактометрия. Определение путем пересчета через показатель BRIX с помощью прибора - рефрактометра типы Atago PAL-alpha и TAGLER ИРФ Компакт 9,21

Аналогичные исследования были проведены и проверены на помидорах, по предложенному способу была сформирована эталонная база изображений и спектров измельченных проб по времени; также для помидор измерены: Титрируемые кислоты (Органические кислоты), Белок (Аминокислоты) и Углеводы (Сахариды) полученные сведения сведены в таблицу:

Наименование сорта по качеству Число углеводов в грамм на 100 г свежих помидор Число белков в грамм на 100 г свежих помидор Объем титрируемых кислот в грамм на 100 г свежих помидор Лежкость, в сутках Премиум от 5 и выше от 1,0 и выше от 0,8 и выше от 10 до 14 1 сорт от 3,1 до 4,9 от 0,8 до 0,99 от 0,5 до 0,7 от 6 до 9 2 сорт от 2 до 3 от 0,5 до 0,79 до 0,5 от 3 до 5

С произвольно взятой в розничной торговле партии помидор проведены исследования, результаты которых сгруппированы ниже:

Тип полезных веществ в свежих томатах,
обеспечивающих пользу Сущность пользы от свежих томатов для потребителя в питании человека Методы определения значений в свежих помидор Полученные значения в граммах на 100 г свежих помидор Полученные данные по лежкости, в днях Титрируемые кислоты (Органические кислоты) Укрепляют иммунитет, улучшают обмен веществ в организме человека Титрирование сока свежих помидор раствором щелочи (ГОСТ Р 51434-99) или исследование с применением потенциометра (ГОСТ 7164-66) 0,7 8 Белок (Аминокислоты) Стимулируют синтез белка в организме человека Исследование в соответствии с ГОСТ 34111-2017 0,85 Углеводы (Сахариды) Формируют запас энергии для организма; снижают свертываемость крови Рефрактометрия. Определение путем пересчета через показатель BRIX с помощью прибора - рефрактометра типы Atago PAL-alpha и TAGLER ИРФ Компакт 3,8

Расхождение при измерениях времени лежкости плода не превышало 9% в абсолютной величины показателя.

Дополнительно проведены исследования для грибов шампиньонов:

Наименование сорта по качеству Число углеводов в грамм на 100 г свежих грибов Число белков в грамм на 100 г свежих грибов Лежкость, в сутках Премиум от 3 и выше от 3,0 и выше от 5 до 7 1 сорт от 2,1 до 2,9 От 1,9 до 2,9 от 3 до 4

При работе с произвольно взятой в розничной торговле партии грибов шампиньонов получены следующие данные:

Тип полезных веществ в свежих грибов, обеспечивающих пользу Сущность пользы от свежих грибов для потребителя в питании человека Методы определения значений в свежих грибах Полученные значения в граммах на 100 г свежих грибов Полученные данные по лежкости, в днях Белок (Аминокислоты) Стимулируют синтез белка в организме человека Исследование в соответствии с ГОСТ 34111-2017 3,0
5 Углеводы (Сахариды) Формируют запас энергии для организма; снижают свертываемость крови Рефрактометрия. Определение путем пересчета через показатель BRIX с помощью прибора - рефрактометра типы Atago PAL-alpha и TAGLER ИРФ Компакт 3,2

Расхождение при измерениях времени лежкости грибов не превышало 10% в абсолютной величины показателя.

В качестве рабочей практической модели при разработке и тестировании изобретения применялся в разделе формирования калибровок внешней оценки ИК-анализатор AvaSpec-ULS2048 , как спектрометр-анализатор качества по лежкости - ИК-анализатор NIRS DА 1650, в качестве прибора для количественного исследования по плодов ФОЯГ на BRIX использовался рефрактометр Tagler ИРФ-Компакт.

Таким образом, по эталонным базам плодов определяется качество и полезные свойства исследуемых плодов овощей, или фруктов, или ягод, или грибов в том числе.

Изобретение относится к области контроля качества продуктов питания и касается способа инфракрасной спектрометрии по контролю качества овощей, фруктов, ягод и грибов. Способ заключается в облучении плодов источником излучения в видимом и инфракрасном диапазоне, получении и сохранении изображений плодов, анализе изображений на предмет определения недостатков плодов. При этом осуществляют охлаждение эталонных плодов до температуры хранения, затем осуществляют укладку упакованных эталонных плодов в инкубатор. Затем определяют внешний вид эталонного плода из инкубатора каждые 4 часа путем получения изображений в видимом и инфракрасном спектре с разных сторон плода. Также каждый час проводят исследование на лежкость плода из инкубатора с момента укладки плода и до истечения его срока хранения, заключающееся в измельчении плода, получении и сохранении спектра измельченного плода. По полученным данным составляют эталонную базу изображений плода и спектров измельченной пробы по периодам времени хранения совокупно с количественными показателями физико-химического состава. Качество плодов определяют путем сравнения полученных изображений и спектров плодов с эталонной базой. Технический результат заключается в повышении точности определения остаточного времени хранения плода, текущего срока хранения плода и химического состава плода. 1 ил., 6 табл.

Способ инфракрасной спектрометрии по контролю качества овощей, фруктов, ягод и грибов, заключающийся в облучении овощей, или фруктов, или ягод, или грибов источником излучения в видимом и инфракрасном диапазоне, получении и сохранении изображений плодов, анализе изображений на предмет определения недостатков плодов, отличающийся тем, что

- первоначально осуществляют охлаждение эталонных одного или нескольких плодов до температуры хранения,

- осуществляют укладку эталонных одного или нескольких плодов в упаковку, в которой один или несколько плодов будут храниться или продаваться,

- укладку упаковок в инкубатор, поддерживающий температуру хранения плода,

- определение по меньшей мере одного внешнего вида эталонного плода из инкубатора каждые 4 часа с момента укладки и до истечения срока хранения плодов одной партии овощей, или фруктов, или ягод, или грибов одного ботанического сорта, одной степени зрелости, одного места произрастания, заключающееся в получении изображений в видимом инфракрасном спектре с разных сторон плода,

- проведение каждый час исследования на лежкость плода из инкубатора с момента укладки плода и до истечения его срока хранения, заключающегося в измельчении плода, получении и сохранении спектра измельченного плода, выполняемых при температуре хранения плода посредством спектрометра, и параллельном количественном исследовании потребительских качеств плодов овощей, или фруктов, или ягод, или грибов, и сохранении изображений спектральной модели данного плода для данного времени, параллельном количественном исследовании потребительских качеств плодов овощей, или фруктов, или ягод, или грибов и сохранении изображений спектральной модели данного плода для данного времени и его по меньшей мере одного выбранного количественного показателя физико-химического состава: органической кислоты, аминокислоты и углеводов,

- по полученным данным составление эталонной базы изображений плода и спектров измельченной пробы по периодам времени хранения для данного плода совокупно с количественными показателями физико-химического состава,

- определение качества овощей, или фруктов, или ягод, или грибов осуществляется путем сравнения полученных изображений в видимом инфракрасном спектре с разных сторон исследуемого плода, измельчения исследуемого плода/плодов и получения спектра измельченного исследуемого плода и спектров и количественных показателей в эталонной базе, близких к полученным изображениям и спектрам исследуемого плода, на основании чего определяется качество исследуемых плодов овощей, или фруктов, или ягод, или грибов.