Исследование принципов оценки свежести мясных продуктов методом цветового анализа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование принципов оценки свежести мясных продуктов методом цветового анализа

Петухова Д.Б.,

Горбунова Е.В.

Аннотация

Работа посвящена исследованию возможностей применения метода цветового анализа для решения задачи оценки свежести мясных продуктов. На базе стенда для цветового анализа статических объектов кафедры ОЭПиС Университета ИТМО проведен ряд экспериментальных исследований, в ходе которых выявлены корреляционные зависимости между биохимическими показателями свежести мясных продуктов и их цветовыми параметрами.

Актуальность задачи анализа качества пищевых продуктов определяется стратегией формирования здорового образа жизни и рационального питания населения страны. Увеличение объема производства продовольственных товаров и свободной торговли, в том числе мясным сырьем и мясными продуктами, повышает и вероятность различной их фальсификации. При этом на рынке аналитической техники в настоящее время отсутствуют соответствующие портативные и недорогие средства оценки качества.

Одним из самых важных показателей, по которому можно судить о свежести, ингредиентном составе, наличии или отсутствии фальсификации пищевых продуктов, является цвет. Чаще всего он оценивается визуально, и, таким образом, оценка носит субъективный характер. Автоматизируя цветовой анализ, можно найти этому методу очень широкое применение [1].

Целью настоящей работы является исследование принципов цветового анализа применительно к решению задачи оценки свежести мясных продуктов с использованием современных средств технического зрения.

С научной точки зрения цвет мяса зависит от содержания в нем миоглобина, основного пигмента, характеризующего свежесть мяса. Далее, по мере хранения цвет мяса зависит от степени окисления миоглобина и его относительного количества. Миоглобин существует в трех формах: оксигенированной; форме, лишенной кислорода; и окисленной. Эти формы отличаются по цвету: первая имеет красный цвет, вторая - пурпурный, третья - коричневый. Как раз превращения одной формы в другую и сопровождаются изменением цвета. Изменение красного цвета на пурпурный происходит вследствие потери кислорода. Пурпурный цвет превращается в коричневый вследствие окисления иона железа [2]. Таким образом, анализируя влияние этих трех пигментов, можно проводить оценку свежести исследуемого продукта.

Другим характерным и постоянным признаком порчи мясных продуктов является накопление аминокислот и аммиака. И первый этап исследований был посвящен именно выявлению зависимости свежести мясных продуктов от содержания в образце аминоаммиачного азота.

Для того чтобы пронаблюдать изменение цвета образцов мяса, была собрана экспериментальная установка, в которой можно выделить три основных узла (рис. 1).

Узел регистрации служит для приёма отражённого от пищевого продукта излучения и включает в себя оптическую систему (ОС) и приёмник оптического излучения (ПОИ) (в рассматриваемом случае - цветную КМОП-матрицу).

Узел освещения включает в себя два протяженных источника оптического излучения (ИО) и соответствующий блок управления (БУИ). Следует отметить, что вид источников оптического излучения ограничивается только их способностью максимально равномерно освещать всю площадь зоны анализа, которая в рассматриваемом случае составляет 150х 200 мм. Использование двух источников оптического излучения объясняется попыткой избавиться от теневой засветки. При этом их количество может быть увеличено.

Узел управления представлен в виде персонального компьютера и включает в себя устройство предварительной обработки изображений (УПО) и микропроцессор (МП). Обратная связь обеспечивает подачу управляющих сигналов для настройки видеокамеры. Интерактивность программного обеспечения требует простоты и удобства передачи информации от оператора к узлу управления, что и обеспечивает компьютер.

Рисунок 1 - Структурная схема экспериментальной установки

Установка предназначена для анализа пищевых объектов в статике, поэтому узлы освещения и регистрации закрепляются на вертикальной стойке с кронштейном (рис. 2), позволяющим менять их положение по высоте, тем самым реализуется возможность изменения дистанции от узла регистрации до объекта. Сам объект неподвижно лежит в зоне анализа - на площадке. Конструкция имеет возможность легкой замены элементов узлов освещения и регистрации при необходимости.

Рисунок 2 - Экспериментальная установка

Узел регистрации также включает в себя разрабатываемый программный комплекс, позволяющий анализировать цветовые параметры исследуемых объектов с течением времени, с созданием базы данных полученных результатов эксперимента.

Объектом исследования стало говяжье мясо. Имелось восемь различных образцов, посол которых отличался концентрацией солей: NaCl и KCl. Задачей исследования было выявление корреляции между параметрами цвета и результатами процесса гниения говяжьего мяса в течение десяти суток (рис. 3).

а) б)

Рисунок 3 - Образцы мяса (а - 1 день исследования, б - 10 день исследования)

В процессе эксперимента были получены следующие зависимости:

- гистограмма цветового тона каждого образца;

- гистограмма насыщенности каждого образца;

- гистограмма яркости каждого образца;

- диаграмма изменения амплитуды цветового тона в области красных оттенков;

- диаграмма изменения амплитуды насыщенности с течением времени;

- диаграмма смещения пика яркости с течением времени.

Ниже приведена базовая методика проведения экспериментальных исследований. свежесть мясной цветовой

1. Подготовительные операции. Светодиодные линейки устанавливаются таким образом, чтобы не создавать засветку видеокамеры при съемке и, в то же время, равномерно освещать зону анализа. Видеокамера соединяется с компьютером и устанавливается за источниками оптического излучения на расстоянии 15 см от зоны анализа. Выполняется полная установка программного обеспечения. На вспомогательном оборудовании выставляются оптимальные настройки (для источника питания: I = 0,35 A, U = 17,5 B, для видеокамеры: разрешение 864x598 пикселов).

2. Далее в первой открывшейся форме (рис. 4) при нажатии на кнопку "Настройка камеры" необходимо произвести сброс настроек видеокамеры до настроек по умолчанию. Выключить режим "авто" напротив настройки экспозиции и усиления. Перемещением регулятора выбирается оптимальное значение яркости, насыщенности и четкости.

Рисунок 4 - Первая форма программного обеспечения

3. В зону анализа помещается цветовая таблица (эталонный объект с известными цветовыми координатами), по нажатии соответствующей кнопки сохраняется ее изображение.

4. Сохраняется изображение фона.

5. Далее в зону анализа помещается первый анализируемый объект, нажатием кнопки переходим к форме снятия серии фотографий.

6. Программное обеспечение автоматически фильтрует фон и выводит полученный результат в окно просмотра (рис. 5).

Рисунок 5 - Вторая форма программного обеспечения

7. Далее оператор заполняет пустые строки второй формы и нажимает кнопку "Сохранить" для сохранения усредненного кадра объекта, а также всех необходимых параметров изображения (цветовой тон, яркость, насыщенность, площадь объекта).

8. Нажатием кнопки "Следующее", оператор сообщает программе о готовности к анализу следующего объекта.

9. На основе полученных в результате эксперимента значений цветового тона, яркости и насыщенности, строятся графики всех перечисленных выше показателей.

Параллельно описанным измерениям осуществляется химико-биологическое исследование объектов анализа, позволяющее отследить изменения значения pH и аминоаммиачного азота с течением времени в каждом образце.

В результате проведенных предварительных экспериментальных исследований получены следующие результаты (рис. 6).

Рисунок 6 - Изменение яркости и насыщенности с течением времени отдельных образцов говяжьего мяса (3 образец - 80% NaCl, 20% KCl; 5 образец - 50% NaCl, 50% KCl)

Очевидно, что с каждым днем порчи количество пикселей, окрашенных в характерный для свежего мяса красный цвет, уменьшается, следовательно, продукт тускнеет и становится более темным. Именно это можно наблюдать на графиках яркости и насыщенности образцов (рис. 6). Однако на фоне этой общей тенденции заметен пик на дате 15-17 чисел, природу которого пока объяснить не удалось.

В графике цветового тона, наиболее интересными являются области красных оттенков. Для примера на рисунке 7 продемонстрированы зависимости двух образцов, которые хорошо показывают найденную корреляцию параметров. По графикам цветового тона видно, что с каждый днем по мере хранения количество пикселей, окрашенных в характерный для свежего мяса красный цвет, уменьшается. На основе обратной зависимости накопления аминоаммичного азота возможно прогнозирование свежести анализируемой мясной продукции.

Значение pH для оценки свежести мяса имеет второстепенное значение, так как зависит не только от степени свежести мяса, но и от состояния животного перед убоем, а также и от условий хранения. По мере развития процесса разложения мяса значение pH должно закономерно увеличиваться, но в конкретном эксперименте такого результата не наблюдается, поэтому выявить какую-либо корреляцию цвета и значения pH не удалось.

Рисунок 7 - Графики изменения цветового тона, значения аминоаммиачного азота и величины pH с течением времени

Таким образом, предварительные эксперименты показали, что прогнозирование свежести мяса на основе цвета возможно. Это доказывается наличием обратной зависимости между графиками цветового тона и аминоаммиачного азота. При этом найденные корреляции, конечно, нуждаются в повторной проверке.

Работа выполнена при частичной государственной финансовой поддержке ведущих университетов Российской Федерации (Госзадание 2014/190).

Список используемых источников

1. Алейников А.Ф., Пальчикова И.Г., Чугуй Ю.В., Классификация методов оценки свежести мясного сырья // Сборник ГНУ СибФТИ Россельхозакадемии, Новосибирск, 6 ст.

2. Мурашев С.В., Воробьев С.А., Жемчужников М.Е., Физические и химические причины возникновения красного цвета мяса // Научный журнал НИУ ИТМО, Серия "Процессы и аппараты пищевых производств", выпуск 1(9), 2010 год, 12 ст.

Размещено на Allbest.ru