Использование принципов колориметрии и люминесценции для оценки качества продуктов питания для военнослужащих Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 602

Использование принципов колориметрии и люминесценции

при оценки качества продуктов питания для военнослужащих

С. А. Романчиков, канд. техн. наук

Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулева, Санкт-Петербург

Организация полноценного и доброкачественного питания военнослужащих - неотъемлемая составная часть мероприятий по обеспечению боевой готовности войск. Первоочередной задачей продовольственной службы в организации продовольственного обеспечения военнослужащих в мирное и военное время является производство, получение, доставка и содержание качественного продовольствия, которое поступает от предприятий оборонно-промышленного комплекса России. В особых условиях (в зоне боевых действий, в зоне чрезвычайного положения и военных конфликтов на территории РФ, либо за ее пределами) продовольствие производится силами подразделений продовольственной службы. Вторая, не менее важная задача, состоит в приготовлении доброкачественной пищи и доведении до военнослужащих всех положенных продуктов с необходимым составом нутриентов, независимо от региона выполнения оборонных задач.

Выполнение этих условий возможно на основе исследования современных и перспективных технологий производства продовольствия, модернизации полевых технических средств и технологического оборудования продовольственной службы с учетом выявления влияния физико-химических процессов при производстве продовольствия на его качество.

К настоящему времени не в полной мере исследованы вопросы влияния искусственных полей на процессы обработки пищевых продуктов, не разработаны методы оценки безопасности воздействия волновых процессов на биологические и химические способы производства продовольствия, а также физические свойства пищевых продуктов. Требуют дальнейшей разработки вопросы повышения эффективности применения вепольных технологий в пищевой промышленности в целом и производстве продовольствия для ВС РФ.

Недостаточная изученность физических факторов производства продовольствия, отсутствие методик оптимизации технологических процессов и повышения эффективности технологического оборудования при комплексном воздействии на продовольствие волновых процессов, используемое в других отраслях промышленности - все это сдерживает разработку новых технических средств продовольственной службы ВС РФ. Сложность экспериментального познания технологических процессов при комплексном воздействии нескольких искусственных полей в процессе обработки пищевых продуктов обусловливает необходимость глубоких теоретических исследований в этом направлении. В настоящее время остро стоит вопрос получения не только количественных данных по взаимовлиянию

искусственных полей при обработке пищевых продуктов, но и безвредности данных процессов на пищевые продукты.

Требуется значительно расширить границы исследований в этой отрасли, что позволит провести модернизацию ПТС и технологического оборудования продовольственной службы для использования в районах Крайнего Севера и Арктической зоны Российской Федерации.

В целях реализации стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 г., стратегии повышения качества пищевой продукции в Российской Федерации до 2030 г. и реализации планов (программ) строительства и развития Вооруженных сил Российской Федерации, других войск, воинских формирований и органов, модернизации продовольственной компоненты оборонно-промышленного комплекса (ОПК) [1, 2, 3, 4] разработаны и предложены мобильные, автоматизированные, технические средства контроля качества продовольствия. В основе разработки этих технических решений лежат методы, основанные на физических принципах колориметрии, хроматографии и термодинамики, приведенные ниже:

метод определения и измерения цвета в спектрах видимого излучения;

метод измерения яркости поверхностей пищевых продуктов;

метод определения и измерения содержания летучих веществ, образующихся при порче;

электрохимический метод оценки качества свежести мясных и рыбных продуктов;

термодинамический метод оценки качества хлебопекарных дрожжей (прессованных и сухих) в стационарных и полевых условиях.

В целях экспертизы пищевых продуктов по степени их свежести методом определения и измерения цвета поверхности в спектрах видимого излучения предлагается фотоэлектронный измеритель для экспертизы свежести пищевых продуктов по цвету. Работа прибора обеспечивает экспресс-оценку свежести продуктов и основывается на физических принципах сравнения отраженного света от эталонного образца

сырья и готовой продукции, а также света, отраженного от исследуемого продукта питания или сырья для его приготовления.

Техническая задача этого устройства - обеспечение возможности анализировать качество исследуемого продукта посредством элементарного сравнения отраженного света в полном спектре световых волн (белого, красного, зеленого светов) с базовыми данными, а также изменение величины люминесценции при действии на продукты питания ультрафиолетовыми лучами [5].

Свежесть продуктов определяется за счет того, что фотоэлектронный измеритель для экспертизы свежести пищевых продуктов по цвету имеет внутри камеры зафиксированный источник ультрафиолетового облучения (УФО) и светодиоды красного, белого и зеленого цвета, соединенные с преобразователем напряжения (рис. 1). На внешней стороне жестко зафиксирован дисплей, соединенный с микроконтроллером. Внутри микроконтроллера встроен иБВ-разъем для коммутации с ЭВМ. Микроконтроллер через провод передачи питания связан с фоторезистором, светодиодами и источником УФО.

Фотоэлектронный измеритель для экспертизы свежести пищевых продуктов по цвету работает следующим образом: исследуемый пищевой продукт укладывается на лоток 12, который помещается в камеру 15, закрываемую задвижкой 14. Поочередно подается электрический ток низкого напряжения на источник белого, красного и зеленого света, а в последующем на источник УФО. Отраженный свет от пищевого продукта падает на фоторезистор 10, в котором возникает электрический ток с силой, пропорциональной силе отраженного цвета. Электрический ток фиксируется в микроконтроллере 4. В микроконтроллер 4 «прошивается» программа через ЭВМ 1, которая по величине силы тока позволяет производить элементарные сравнения базовых (эталонных) данных свежести продовольствия с получаемыми от исследуемых продуктов питания (табл. 1). В результате полученного анализа автоматически происходят сравнение и выдача результата на дисплей 18 [6].

Принцип работы прибора основан на взаимодействии электромагнит-

PRODUCTION QUALITY CONTROL

а б

Рис. 1. Фотоэлектронный измеритель для экспертизы свежести пищевых продуктов по цвету а - внешний вид; б - конструкция: 1 - ЭВМ; 2 - провод; 3 - иББ-разъем; 4 - микроконтроллер; 5 - корпус; 6 - выключатель; 7 - электропровод; 8 - преобразователь напряжения; 9 - тумблер; 10 - фоторезистор; 11 - источник света; 12 - лоток; 13 - электропровод передачи сигнала; 14 - задвижка; 15 - камера; 16 - электропровод питания; 17 - источник УФО; 18 - дисплей

Таблица 1

Сравнительные показатели при экспертизе свежести продуктов питания

в цветовой гамме

Показатель силы Красный Зеленый Белый

света С С Н С С Н С С Н

I 33 22 11 55 44 33 44 33 22

1ф 33 22 11 55 44 33 44 33 22

Примечание: 1э - сила света эталона, кд; 1ф - фактическая сила света исследуемого продукта, кд; Св - свежее; Сс - сомнительной свежести; Нс - несвежее.

Таблица 2

Длины световых волн

Длина волны, нм Цвет фильтра Цвет раствора

10 - 400 Ультрафиолетовый Черный

400 - 435 Фиолетовый Желто-зеленый

435 - 480 Синий Желтый

480 - 490 Зеленовато-синий Оранжевый

490 - 500 Сине-зеленый Красный

500 - 560 Зеленый Пурпурный

560 - 580 Желто-зеленый Фиолетовый

580 - 595 Желтый Синий

595 - 605 Оранжевый Зеленовато-синий

605 - 730 Красный Сине-зеленый

730 - 760 Пурпурный Зеленый

ных волн с веществом (продуктом питания). Атомы и молекулы исследуемого вещества (продукта питания) под воздействием световых волн становятся вторичными излучателями электромагнитных волн. В результате образуется отраженная световая волна (табл. 2), имеющая характеристики, соответствующие состоянию исследуемого образца [7].

Колебания частиц вещества (продуктов питания) под действием электромагнитной волны возбуждается электромагнитной компонентой первичной световой волны. Прибор позволяет проводить исследование образцов пищевых продуктов за счет того, что свет от осветителей, попадая на исследуемый образец, отражается и поступает на фотоприемник, где преобразуется в определенную величину тока постоянного напряжения, который измеряется

миллиамперметром. Для повышения точности оценок в приборе используются световые источники трех спекторов: красного, белого и зеленного цвета, имеющие разную длину волны. На рис. 2 показана работа прибора при освещении красным светом свежего (сомнительной свежести и несвежего) поверхности мяса говядины.

Новизна данного устройства состоит в том, что для повышения точности оценки качества используются два метода исследования: метод отраженного света и люминесцентный метод исследования свежести пищевых продуктов. Использование красного, белого и зеленого цветов для проведения экспертизы позволяет расширить контроль спектра отраженных волн с максимальной достоверностью, определить качество продукта питания и выявить фаль-

Рис. 2. Принципиальная схема работы фотоэлектронного измерителя для экспертизы свежести пищевых продуктов по цвету

сификат (варенье с сахарином и патокой вместо чистого сахара, краска в конфетах вместо натурального фруктового красителя). По сравнению с прототипом, предлагаемое техническое решение позволяет провести экспертизу качества продуктов питания и исходного сырья по длине волны отраженного света, а также величине люминесценции образца в результате ультрафиолетового облучения. При этом результаты экспертизы воспроизводятся в автоматическом режиме, без участия человеческого фактора, что значительно повышает (в отличие от органолеп-тической экспертизы) достоверность исследования качества продуктов и их компонентов.

Преимуществом прибора являются его незначительная масса (не более 1 кг) и небольшие габаритные размеры (210x100x150 мм), что обеспечивает его мобильность и эффективную эксплуатацию как в стационарных, так и в полевых условиях. Для применения этого прибора требуется создание информационной базы качества продуктов по степени их свежести. В связи с этим необходимы экспериментальные исследования продуктов питания для формирования базы данных для эталонных показателей свежести по трем состояниям: свежее, сомнительной свежести и несвежее. Применение данного прибора позволит повысить эффективность проведения контроля качества продуктов питания и сырья, используемого для их производства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Указ Президента Российской Федерации Пр-232 от 08.02.2013 г.

«Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечение национальной безопасности на период до 2020 года».

2. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 29.06.2016 № 1364-р «Об утверждении Стратегии повышения качества пищевой продукции в Российской Федерации до 2030 года».

3. Указ Президента Российской Федерации № 603 от 07.05.2012 г. «О реализации планов (программ) строительства и развития Вооруженных сил Российской Федерации, других войск, воинских формирований и органов и модернизации оборонно-промышленного комплекса».

4. Пьянков, А. А. Метод выбора парето-оптимальных вариантов государственной программы вооружения/ А. А. Пьянков, А. И. Буравлев // Вооружение и экономика. - 2012. -Вып. 1 (17).

5. Патент 166247 Российская Федерация, МПК С01М 33/ 02, С21М 21/ 27: Устройство для определения качества пищевых продуктов / Романчиков С.А. ^11), Баранов В. В. (1}11); заявитель и патентообладатель Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хруле-ва» (1^11). - № 2016108663/28; Заявл. 10.03.2016 г.; Опубл. 20.11.2016 г. Бюл. № 32. - 68 с.: ил.

6. Романчиков, С. А. Мобильное устройство для контроля качества продовольствия/ С. А. Романчиков, Я. С. Ро-манчикова, М. С. Романчиков // Сб. статей Международной научно-практ. конф. «Новые задачи технических

наук и пути их решения» (Самара, 13.05.2017 г.). - ООО НИЦ «Аэтерна», 2017. - С. 202 - 204.

7. Ипатов, П. А. Общая теория взаимодействий - альтернатива квантовой механике и теории относительности [Электронный ресурс] http://www.b-i-o-n.ru / theory / elektromagnitnye-vo lny/

REFERENCES

1. Decree of the President of the Russian Federation Pr-232 of 08.02.2013 "Strategies for the development of the Arctic zone of the Russian Federation and ensuring national security for the period until 2020". (In Russ.)

2. Order of the Government of the Russian Federation of June 29, 2016 No. 1364-p "On approval of the Strategy for improving the quality of food products in the Russian Federation until 2030". (In Russ.)

3. Decree of the President of the Russian Federation No. 603 of 07.05.2012 "On the implementation of plans (programs) for the construction and development of the Armed Forces of the Russian Federation, other troops, military formations and bodies, and modernization of the defense-industrial complex". (In Russ.)

4. P'yankov A.A., Buravlev A.I. [Method of selecting pareto-optimal variants of the state armament program]. Vooruzhenie i ekonomika, 2012, issue 1 (17) (In Russ.).

5. Romanchikov S.A. (RF), Baranov V.V. (RF) Ustroistvo dtya opredeteniya kachestva pishchevykh produktov [Device for determining the quality of food]. Patent RF No. 166247, MPK G01 N 33/02, G21N 21/27; 20.11.2016.

6. Romanchikov S.A., Romanchikova Ya.S. Romanchikov M.S. [Mobile device for food quality control]. Sb. statei Mezhdunarodnoi nauchno-prakt. konf. «Novye zadachi tekhnicheskikh nauk i puti ikh resheniya» (Samara, 13.05.2017 g.) [Collection of articles of the International Scientific and Practical Conference "New problems of technical sciences and ways to solve them" (Samara, May 13, 2017)]. «Aeterna» Publ., 2017, pp. 202-204.

7. Ipatov P.A. Obshchaya teoriya vzaimodeistvii - afternativa kvantovoi mekhanike i teoriiotnositefnosti [General theory of interactions - an alternative to quantum mechanics and the theory ofrelativity]. [Electronic resource]. Available at: http://www.b-i-o-n.ru/ theory/elektromagnitnye-volny/

Использование принципов колориметрии и люминесценции для оценки качества продуктов питания для военнослужащих

Ключевые слова

автономность; качество; мобильность; прибор; результат; свежесть; фальсификат; экспресс-оценка

Реферат

Развитие пищевой промышленности определило не только перспективные методы, способы и технологии производства продовольствия, но и способствовало развитию фальсификации продуктов питания. В настоящее время показатели цены и качества продуктов питания имеют решающее значение для повышения эффективности продовольственного обеспечения. Однако часто качество продовольствия не соответствует требованиям стандартов и технических регламентов. В условиях жесткой конкуренции производители ищут варианты снижения себестоимости продукции, используя различные добавки (консерванты, БАДы и т. д.) в ущерб качеству. Помимо этого применяется глубокая переработка сырья, вплоть до безотходной с использованием новых, небезопасных физических факторов воздействия на продукты (рентгеновское облучение, вакуумная упаковка, фосфорная обработка, химические вещества и т. д.). Указанные обстоятельства свидетельствуют о необходимости разработки технических решений, обеспечивающих должный уровень качества продовольствия для военнослужащих, так как недоброкачественное продовольствие может негативно повлиять на здоровье потребителей. Наряду с этим существует и другая проблема, когда проверить качество продуктов питания и сырья органолептическими методами невозможно или данное исследование не дает полной картины о качестве. Особенно это актуально для потребителей, выполняющих специальные задачи в отдаленных от центральных районов местностях. Анализ приборов, позволяющих произвести оценку качества продовольствия, показал, что «линейка» таких приборов существует, но некоторые уже морально устарели и не позволяют в полном объеме охватить исследуемый диапазон. Нужны мобильные, автоматизированные приборы, позволяющие использовать физические методы определения показателей качества сырья и продуктов питания. Использование таких приборов позволит избежать нежелательных последствий при организации питания и исследовать продукт питания, не прибегая к лабораторному методу. Автор предлагает пять приборов, работа которых основана на физических принципах колориметрии, хроматографии и термодинамики. Предложен прибор, работа которого обеспечивает экспресс-оценку проверки свежести продуктов питания и основывается на физических принципах сравнения гаммы отраженного света, а также изменения величины люминесценции. Комплексный подход к оценке свежести с использованием цветовой гаммы трех цветов и ультрафиолета позволяет расширить и сформировать более полное представление о качестве (свежести) продовольствия и сырья, а автоматическое отображение результатов исследования на дисплей ускоряет и облегчает этот процесс.

Авторы

Романчиков Сергей Александрович, канд. техн. наук Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулева, 199034, Санкт-Петербург, наб. Макарова, д. 8., romanchkovspb@mail.ru

Using the principles of colorimetry and luminescence for assessing the quality of food for servicemen

Key words

autonomy; quality; mobility; device; result; freshness; freshness; falsification; express assessment

Abstracts

The development of the food industry brought not only promising methods, approaches and technologies for food production, but also contributed to the development of food falsification. Now, the price and quality of food products are crucial for improving the food security of the Russian Federation Armed Forces. However, the quality of food often does not meet the requirements of standards and technical regulations. In a highly competitive environment, manufacturers are looking for ways to reduce the cost of production, using various additives (preservatives, dietary supplements, etc.) to the detriment of the quality of food. In addition, deep processing of raw materials, down to waste-free, with the application of new, unsafe physical factors of influence on products (X-ray irradiation, vacuum packing, phosphor treatment, chemicals, etc.) is applied. These circumstances indicate the need to develop technical solutions that ensure the required level of food quality for the military personnel. Low-quality food is aimed at making profit by unscrupulous producers, but at the same time it can negatively affect the health of consumers. Along with this, there is another problem when it is impossible to check the quality of food and raw materials by organoleptic methods or this study does not give a complete assessment of the quality. This is especially true for consumers who perform special tasks in remote areas. The analysis of devices that allows assessing the quality of food showed that the «line» of such devices exists, but some are already obsolete and do not allow full coverage of the range under study. There was a need to develop mobile, automated instruments that allow us to use physical methods to determine the quality indicators of raw materials and food products. The use of such devices allows avoiding undesirable consequences in the organization of nutrition and examining the food product without resorting to a laboratory method. The author offers five instruments, which is based on physical principles of colorimetry, chromatography and thermodynamics. This publication suggests a device provides a rapid assessment of food freshness testing and is based on physical principles of comparison of the gamma of reflected light, as well as changes in the luminescence value. An integrated approach to assessing freshness using the color gamut of three colors and ultraviolet allows us to expand and form a more complete picture of the quality (freshness) of food and raw materials, and the automatic display of research results on the monitor accelerates and facilitates this process.

Authors

Romanchikov Sergey Aleksandrovich, Candidate of Technical Sciences Military Academy of of logistics named after General of the Army A.V. Khruleva, 199034, St. Petersburg, Makarova emb., 8, romanchkovspb@mail.ru