CC BY
72
HayKOBMM BiCHMK ^tBiBCtKoro Ha^OHa^tHoro yHiBepcMTeTy
BeTepMHapHoi Megw^HM Ta öioTexHO^oriw iMem C.3. I^M^Koro
Scientific Messenger of Lviv National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies
ISSN 2519-268X print ISSN 2518-1327 online
doi: 10.32718/nvlvet9002 http://nvlvet.com.ua/
UDC 637'8:3384395
Method of determining the relaxation force of fish
S.L. Shapoval, O.V. Romanenko
Kyiv National University of Trade and Economics, Kyiv, Ukraine
Article info
Received 29.08.2018 Received in revised form
26.09.2018 Accepted 27.09.2018
Kyiv National University of Trade and Economics, Kyoto Street, 19, office 119, Kyiv, 02156, Ukraine. Tel.: +38-050-137-27-05 E-mail: Elenrom@ukr.net
Shapoval, S.L., & Romanenko, O.V. (2018). Method of determining the relaxation force of fish. Scientific Messenger of Lviv National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies. 20(90), 7-11. doi: 10.32718/nvlvet9002
There have been repeated cases offish sales during the spawning period in the Ukrainian market, which consumer value is much lower, and fish re-freezing products. The aforementioned methods of abuse can be identified by commodity experts, while ordinary consumers, unfortunately, often cannot independently determine the quality of the fish. The basis of the vast majority of sensory checks of the elastic properties offish is the process of compressing the product. The advantage of determining the surface relaxation rate is that it is non-destructive testing and the product appearance of the product after the examination does not change. However, this method requires some practical experience and depends essentially on the qualifications of an expert. The method and equipment for instrumental assessment of relaxation compression deformation force to define structural and mechanical properties offish is given; it makes possible to minimize the experimenter influence on the results and obtain a quantitative value of relaxation speed at anytime in the experiment. The method of investigation of relaxation force and the rate offish carcasses relaxation was theoretically grounded. A 3D-diagram of force that act on the indenter while pressing the surface of white cupid carcass is given. The type of dynamometer and measuring device for fixation of relaxation force dynamics is grounded. There was developed the sensor for determining the dynamics of the relaxation force with a constant depth of lowering of the indenter; scheme and photo of it is given. The mathematical models of relaxation velocity at axial deformation of compression and tension were constructed. The proposed method for quantifying the relaxation rate involves the construction of a compression deformation curve in the second of pressing a fish carcass and determining their angle of inclination. Based on the mathematical analysis of the deformation curves, it was found that for chilled meat of white cupid for 8 hours of storage, the relaxation rate at strain by 33% is greater than for the compression deformation; the primary force upon pressing on the product is 23% greater than when the specimen is subjected to a similar cross-sectional area. The developed methodology and system allows to determine the relaxation force when squeezing a fish sample just like a commodity science expert does and make quantitative assessment of its structural and mechanical properties.
Key words: structural and mechanical properties, relaxation force, speed (rate), ctenopharyngodon idella.
Споаб визначення релаксацшного зусилля тушок риби
С.Л. Шаповал, О.В. Романенко
Кигвсъкий нацюналъний торговельно-економiчний ун1верситет, м. Кшв, Украгна
На ринку Украти неодноразово спостеркалися випадки продажiв риби нерестового перюду, споживча цттстъ яког е значно нижчою, та рибних продуктiв повторног заморозки. Вищезгадат способи зловживанъ можутъ бути iдентифiкованi експертами-товарознавцями, тодi як переЫчт споживачi нажалъ, частШе не можутъ самосттно визначити ятстъ риби. В основу переваж-ног бiлъшостi сенсорних перевiрок пружних властивостей риби покладено процес стискання продукту. Перевагою визначення швидкостi релаксацп поверхт е те, що це неруйтвний контролъ i товарний вигляд продукту тсля експертизи не змтюетъся. Проте такий споЫб вимагае певного практичного досвiду та суттево залежитъ вiд квалiфiкацii експерта. Запропоновано методику та обладнання для iнструменталъноi оцтки релаксацшного зусилля деформацп стиску для визначення структурно-мехатчних властивостей риби, що дозволяе мтшгзувати вплив експериментатора на резулътати та отримати ктъмст значен-ня швидкостi релаксацп в будъ який момент часу експерименту. Теоретично обгрунтовано споЫб до^дження релаксацшного зусилля та швидкостi релаксацп тушок риби. Наведено тривимiрну схему сил, що дЮтъ на тдентор тд час натискання на повер-
хню тушки бтого амура, враховуючи зсув шар1в м 'яз1в. ОбТрунтовано тип динамометра та вим1рювального приладу для фжсацп динам1ки релаксацтного зусилля. Створено датчик для визначення динамки релаксацтного зусилля 1з сталою глибиною опускання тдентора, наведено його схему та фотографю. Встановлено в1дмттсть м1ж швидмстю релаксацп при деформацп стиску та розтягу. Побудовано математичт модел1 швидкост1 релаксацп при осьовт деформацп стиску та розтягу. Запропонована методика ктьюсног оцтки швидкост1 релаксацп передбачае побудову дотичних до кривог деформацп стиску на друг1й секунд1 натис-кання на тушку риби. Та визначення гх кута нахилу. На тдставг математичного анал(зу кривих деформацп, встановлено, що для охолодженого м 'яса бтого амура 8 годин збер1гання швидюсть релаксацп при деформацп розтягу на 33% большою тж при деформацп стиску, початкове зусилля при надавлюванж на продукт на 23,5% бтьше тж при розтягуванж зразка аналог1чног площ1 поперечного перер1зу. Розроблена методика та система дозволяе визначити релаксацшне зусилля при здавлюванн1 зразка риби под1бно до того, як це робить товарознавець-експерт та ктьтсно оцтити його структурно-механгчнг властивостг.
Ключовi слова: структурно-механгчнг властивостг, релаксацтне зусилля, швидмсть релаксацп, датчик для визначення релаксацтного зусилля, бтий амур.
Вступ
На сьогодшшнш день бшьшстъ пдробюнпв добу-ваеться за межами Укра!ни, що, ввдповвдно, визначае !х щну та створюе передумови для зловживань недо-бросовюними тдприемцями.
На ринку Укра!ни неодноразово спостер1галися випадки продаж1в лососевих риб нерестового перюду, бюлопчна цшшсть яких е значно нижчою. Також було зафжсовано непоодинош випадки продажу риб-них продукпв повторно! заморозки (Sydorenko, 2006).
Вс вищезгадаш способи фальсифжаци рибно! продукцп можуть з легшстю бути визначеними дос-ввдченими експертами ^аЫп аМ Servet, 2006), тод1 як пересчш споживач!, нажаль, найчастше не завжди можуть самостшно визначити яшсть риби.
В основу переважно! бшьшосп сенсорних перевь рок структурно-мехашчних властивостей рибно! си-ровини покладено процес стискання продукту. Тобто на продукт натискають пальцем та, шсля зняття зусилля, в1зуально спостер1гають за швидк1стю вир1в-нювання його поверхш (Safronova, 1998).
Одшею з переваг визначення швидкосп релаксацп поверхш продукту е той фактор, що це неруйшвний контроль 1 товарний вигляд продукту тсля експерти-зи не зм1нюеться.
Проте такий споаб оцшки консистенцп вимагае певного практичного досвщу, суттево залежить в1д самого експериментатора. Також складно шльшсно оцшити пружшсть риби ^ис' et а1., 2006).
Метою роботи е удосконалення методу визначення реолопчних властивостей тушки риби так, щоб вш був максимально наближений до сенсорно! оцшки експертом-товарознавцем.
Вщповщно до мети були поставлен! завдання: встановити р!зницю мгж релаксац!йними зусиллями при деформацп розтягу та стиску, та визначити яка !з зазначених характеристик бшьше вщповщае сенсор-н!й експертн!й ощнщ; розробити датчик для фшсу-вання динам!ки релаксац!йного зусилля при деформацп стиску, який може працювати безпосередньо на тушц! риби без попередньо! п!дготовки зразка.
Намагання шструментально вим!ряти релаксац!ю продукт!в тваринного походження неодноразово ввд-бувалися ! рашше !ншими науковцями.
Зокрема в'язк1сно-реолог!чн! властивосп колагену з коропа визначали на структурометр!, що дозволило визначити динамшу, проте для неруйн!вного досл1-дження структурно-механ!чних властивостей неодно-
р1дних структур структурометри не п!дходять (Safandowska аМ Pietrucha, 2013).
Науковцями з Нацюнального ун!верситету харчо-вих технолог!й запропоновано визначати консистен-ц!ю м'яса риби за допомогою гравггацшного пенетрометра, що дозволяе визначати готовшсть пресерв!в, коли органолептична оц!нка неможлива ^ис' et a1., 2006). Такий споаб дозволяе визначити м!цн!сть ф!ле риби, але не дозволяе визначити аш межу м!цност! шк1ри н! пружш характеристики зразка.
Було визначено релаксацшне зусилля фше !ндика р!зного термшу збер!гання та наведено математичний споаб його ощнювання (Shapova1, 2017).
Також запропоновано використовувати такий параметр, як швидшсть релаксацп для дослвдження реолопчних властивостей рибних пресерв!в (Romanenko, 2013).
Проте, в ус!х зазначених вище випадках дослвджу-валося релаксацшне зусилля деформацп розтягу, а в рекомендациях щодо сенсорно! оц!нки структурно-механ!чних властивостей тушки риби вказано, що потр!бно натиснути на поверхню продукту (Safronova. 1998).
Окр!м того, анал!з релаксац!! розтягу потребуе ви-р!зання зразшв !з ч!ткими геометричними розм!рами, що не завжди зручно у виробничих умовах.
Досл1дження впливу х!м!чних сполук, зокрема пд-роколо!д!в, на механ!чн! властивосп м'яса риби ввд-бувалося через визначення модуля пружносп (Ramírez et a1., 2011), проте цей метод не дозволяе оцшювати швидк!сть релаксац!!, яка е виршальною для сенсорно! оцшки пружних властивостей риби.
Також було визначено температурну залежн!сть меж1 м!цност! на розрив та гранично! напруги зсуву м'яса палтуса та тунця (Iso et a1., 1986). Було застосо-вано руйн!вний метод, який зручно використовувати у лаборатори, проте у виробничих умовах цей метод застосовувати не рацюнально, через втрату зразком товарного вигляду.
Матерiал i методи дослвджень
Для реестрац!! та фжсування результат!в роботи датчиков було обрано вим!рювальну систему концеп-цИ "все в одному" МЮ-1.4 (Shapova1 et a1., 2017). Головним критер!ем вибору вим!рювально! системи була зручн!сть проведения експерименту у виробни-чих умовах.
Розроблений датчик було в1дкал1бровано вщповвд-но до значень динамометра PD-3N виробництва ТОВ "ГГМ".
Апробацш розробленого датчика проводили на охолодженш тушц бшого амуру (Ctenopharyngodon idella), яка зберйалася протягом 8 годин.
Сенсорну експертну оцшку пружносп тушки бшо-го амуру проводили проввдними фах1вцями в лабора-тор1ях кафедри товарознавства, управлшня безпечшс-тю та яшстю Кшвського нацюнального торговельно-економ1чного ушверситету.
Релаксацшне зусилля риби визначали у трикратному повторюванш, щоразу на новому мющ в товщ1 м'яз1в близько центру тушки.
Результати та ïx обговорення
В тушщ риби шари м'язово! тканини розташовано тд кутом до повздовжньо! оа, тому поверхня шд навантаженням прогинаеться не р1вном1рно, а дещо зсуваючись у напрямку голови. Протидш шар1в продукту деформаци при натисканш плоского 1ндентора при умов1, що поверхня не зруйнована, зображено на рис. 1.
суттево вплинути на результати експерименту, тому потр1бна додаткова бокова стабшзащя та, вщповщно, збшьшена довжина 1ндентора.
Оск1льки на ринку Украши ввдсутш датчики для визначення релаксацшного зусилля деформацй' стиску для харчово! сировини, то було розроблено датчик орипнально! конструкци.
Система передач! даних розробленого датчика по-вшстю сум1сна з цифровими протоколами вим1рюва-льних прилад1в ушверсального вим1рювального при-ладу виробництва ТОВ "1ТМ" м. Харшв (Elektronnyj vymirjuval'nyj blok) та сери прилад1в MIG розробки Кшвського нацюнального торговельно-економ1чного ушверситету.
Датчик для дослщження релаксацшного зусилля при надавлюванш на продукт виготовлено в корпус! системи мониторингу FreeStyle Libre. У подальшому плануеться надрукувати корпус датчика за 3D принтер!.
Для вим!рювання зусилля релаксацп використано тензометричний динамометр !з межами вим!рювання 0...49 Н, та цшою под!лки 0,98 мН. Пер!од передач! даних у використаного динамометра бшьше, нгж у пружинних, i складае 0,1 с, чого ц!лком достатньо для вим!рювання релаксацiйного зусилля. Динамометр живиться напругою 3В i струмом 200 мА.
Рис. 1. Схема сил при натисканш на поверхню продуту iндентором iз розширеним наконечником.
1 - шдентор; 2 - диск; 3 - шюрочка продукту; 4 - шари м'язово1 тканини риби; 5 - сила бокового змщення шденто-
ра; 6 - сила опору руху шдентора (релаксацшне зусилля); 7 - сила натискання на шдентор; 8 - сила боково1 деформаци
Як видно iз рис. 1. на iндентор (2) дiе деформуюча сила, що направлена у той же напрямок (5), в якому i зсуваються шари м'яса риби (8). Тому при визначенш релаксацшного зусилля важливо зафшсувати iндентор вертикально, щоб мiнiмiзувати вплив змщення шарiв продукту по горизонталi на значення сили релаксацп.
Кут мгж напрямом руху iндентора (6) та вектором бокового змщення (5) складае ввд 3 до 9°, що може
Рис. 2. Схема та фотография датчика для вимiрювання
релаксацшного зусилля фше риби. a) -схема датчика (1 - корпус-ручка; 2 - втулка; 3 - направ-ляюча труба; 4 - динамометр; 5 - пружина; 6 - шдентор; 7 - наконечник; 8 - ттмерш шайби; 9 - кабель живлення та передачi даних на MIG-1.4); b) - фотографiя датчика
Головною перевагою динамометра (4) е мшмаль-ний хвд iндентора (6), який складае 1,1 мм при повно-му навантаженш. У дослiдженнях спостерiгалося навантаження до 2 Н, що вщповщае ходу шдентора в динамометрi 0,4 мм. У виробничих умовах такою похибкою можна знехтувати.
Втулка (2), в якш розташовано динамометр та ш-дентор, рухаеться на пружиш (5) та мае фiксуючi виступи. Стальний iндентор вiльно рухаеться по вер-тикалi в трубi завдяки змазаним полiетиленовим вставкам (8)
Послщовшсть досл!дження релаксацп продуктiв наступна: датчик ставиться трубою (3) на продукт i експериментатор натискае на корпус (1) коли зусилля
перевищуе 3Н втулка (2) разом з динамометром (4) та 1ндентором (6) вистрелюеться завдяки пружиш (5). Також в програм1 "Лаборатор1я 1ТМ" запускаеться процес вим1рювання.
1ндентор тисне на зразок через пол1етиленовий наконечник (7), що не дозволяе прорвати поверхню продукту i забезпечуе вим1рювання релаксацшного зусилля на меж мiцностi. Глибина продавлювання iндентора в продукт вщносно поверхнi, на якш стоиъ датчик складае 6 мм. Ходом динамометра можна зне-хтувати. А для зменшення впливу локальних неодно-рiдностей форми поверхнi риби датчик слад встанов-лювати на рiвну поверхню зразка.
Динамометер на розтн- (6Н): 0.07 К Время: с
розробленого датчика: 1 - зона показникш динамометра без навантаження, 2 - початкове зусилля, 3 - крива релаксацп
В процеа вимiрювання спостерiгаеться падiння релаксацшного зусилля (рис. 3). При досягненш па-дiння релаксацiйного зусилля менше, шж на 0,05Н за кожш 10 с, експериментатор може зупиняти вимiрю-вання та знiмати датчик iз зразка.
Пiсля проведення дослвдження данi експортуються до табличного процесора MS Excel та порiвнюються з еталонними значеннями релаксаци фiле риби ввдповь дного виду, розмiру та способу збертання.
Оск1льки на структурно-мехашчш властивостi риби впливае багато додаткових факторiв, зокрема сту-тнь вгодованостi, вiк, спосiб вирощування тощо, то необхвдно зробити серш експерименлв не менше, нiж з трикратним повторюванням.
П1д час експорту даних до табличного процесора слад ввдкидати областi пiдготовки до експерименту (1), оск1льки вони обтяжують i не без того великий числовий масив (5-8 тис. рядшв)
Шсля експорту даних можливий або детальний аналiз кривих через побудову дотичних (Shapoval, 2017), якщо е потреба у кшьшснш оцiнцi, або, в бшь-шостi випадкiв, достатньо вiзуального аналiзу i порiв-няння криво1 з еталоном.
Чим швидше вiдбуваеться падiння релаксацiйного зусилля (крива (3) мае менший радiус) тим швидше руйнуеться структура продукту i тушка риби мае меншу пружнiсть, бiльший термш зберiгання. Якщо початкове зусилля (2) суттево менше шж в еталонно-му графiку, за умови порiвняння зразкiв одного вiку i терм^ зберiгання, то з високою вiрогiднiстю продукт пщдавався заморожуванню.
Результати дослщження релаксацiйного зусилля на стиск та на розтяг для тушки бшого амуру суттево в^^зняються (рис. 4)
VA
IV l.'KV.T . ' ':' -.им ri я, 111. м
\
[>,4
о,г
Ч;н- ]х-ч;жт;и|11 i1
0
1 4,5 S 11,5 15 IS,5 21 15,5 29 32,5 36
Рис. 4. Динамша релаксацшного зусилля при стиску та розтягу зразшв тушки бiлого амуру 8 год. збер^ання
На рис. 4 видно, що швидшсть релаксацй' на 1 см2 при деформаци розтягу на натискання не сшвпадае. Початкове зусилля при надавлюванш на продукт на 23,5% бшьше шж при розтягуванш зразка аналопчно! площ1 поперечного перер1зу.
Зпдно опитування експерпв-товарознавшв КНТЕУ час натискання на поверхню продукту для визначення його пружносп складае, в середньому, близько двох секунд.
На наступному еташ було проведено анал1з швид-косп релаксацй поверхш через пор1вняння купв на-хилу дотичних до графМв релаксацшного зусилля. Отримано р1вняння дотичних на 3 с експерименту (2 с натискання на шшру тушки):
Frei_r = - 0.06685t + 1.039 (1)
Frei_n = - 0.033t + 0.815 (2)
де: t - час експерименту, с
Frei_r - релаксацшне зусилля при деформаци розтягу, Н/см2;
Frei_n - релаксацшне зусилля при деформаци стис-ку, Н/см2
Кут нахилу дотичних до ос (час релаксацй) складае 2,82° для криво! деформаци розтягу i 1,89° для криво! деформаци стиску. Отже, структура м'яса 6i-лого амура при розтягуванш зразка ввдновлюеться на 33% швидше, шж при натисканнi на поверхню.
Висновки
За результатами проведених дослвджень встанов-лено, що релаксацiйне зусилля при деформаци стиску бшьш детально описуе пружш властивостi тушки бшого амуру, анiж релаксацiйне зусилля деформаци розтягу.
Застосування iнструментального методики оцшки релаксацiйного зусилля деформацй стиску для визначення структурно-мехашчних властивостей риби дозволяе мiнiмiзувати вплив експериментатора на результати пщ час сенсорно! оцшки та отримати шль-кiснi значення швидкостi релаксацй в будь-який момент часу експерименту.
Розроблена система дозволяе визначити релаксацшне зусилля при здавлюванш зразка риби подiбно до того, як це робить товарознавець-експерт та кшьш-сно оцшити його.
Встановлено, що для м'яса бшого амура, що зберь галося впродовж 8 год., швидшсть релаксацй при деформаци розтягу на 33% швидше, шж при дефор-мацй стиску, початкове зусилля при надавлюванш на продукт на 23,5% б№ше, шж при розтягуванш зразка аналопчно! площi поперечного перерiзу.
Перспективи подальших дослгджень. Плануеться автоматизувати процес натискання iндентора на продукт для мiнiмiзацi! коливань руки експериментатора
та тиску корпусу датчика на сумiжнi областi поверхнi
тушки риби.
References
Sydorenko, O.V. (2006). Formuvannja asortymentu ta jakosti ryboroslynnyh produktiv: monografija. K.: Ky-i'v. nac. torg.-ekon. un-t (in Ukranian).
Sahin, S., & Servet, G.S. (2006). Rheological properties of foods. Physical properties of foods. Springer, New York. doi: 10.1007/0-387-30808-3_2.
Safronova, T.M. (1998). Spravochnik degustatora rybnoj produkcii. M.: VNIRO (in Russian).
Guc', V.S., Sydorenko, O.V., & Tymofjejeva, O.V. (2006). Rybni preservy. Nova metodyka vyznachennja konsystencii'. Harchova i pererobna promyslovist', 7, 14-17 (in Ukranian).
Safandowska, M., & Pietrucha, K. (2013). Effect of fish collagen modification on its thermal and rheological properties. International journal of biological macromolecules, 53, 32-37. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2012.10.026.
Guc', V.S., Koval', O.A., Sydorenko, O.V., Tymofjejeva, O.V. (2006). Sposib vyznachennja konsystencii' harchovyh produktiv. Deklaracijnyj patent na korysnu model' №200511305; Zajavl. 29.11.2005; Opubl. 15.05.2006, Bjul. №5 (in Ukranian).
Shapoval, S. (2017). Improved method to determine structural-mechanical properties of turkey meat at axial deformation. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1, 10(85), 63-69. doi: 10.15587/1729-4061.2017.93453.
Romanenko, O. (2013). Metod vyznachennia s trukturno-mekhanichnykh vlastyvostei rybnykh preserviv. Tovary i rynky, 2, 58-65. http://nbuv.gov.ua/UJRN/tovary_2013_2_6 (in Ukranian).
Ramírez, J.A., Uresti, R.M., Velazquez, G., & Vázquez, M. (2011). Food hydrocolloids as additives to improve the mechanical and functional properties of fish products: a review. Food Hydrocolloids, 25(8), 18421852. doi: 10.1016/j.foodhyd.2011.05.009.
Iso, N., Mizuno, H., Saito, T., Wang, Z., & Narita, M. (1986). The changes in the rheological properties of fish meats during treatment at high temperatures. Nippon suisan gakkaishi, 52(6), 1055-1059, doi: 10.2331/suisan.52.1055.
Shapoval, S.L., Romanenko, R., & Forostjana, N.P. (2017). Diagnostyka fizychnyh vlastyvostej harchovyh produktiv. Monografija. Kyi'v.: KNTEU (in Ukranian).
Elektronnyj vymirjuval'nyj blok. Prylady. ITM laboratorija. https://www.itm.com.ua/Категорiя/prylady.
