Разработка систем оценки качества зернопродуктов по оптическим характеристикам

 

Читайте и узнаете:
• как обеспечивают единство измерений белизны муки;
• о замене органолептической оценки зерна по цвету инструментальным методом неразрушающего контроля качества;
• какие преимущества дает инструментальный метод оценки цвета муки из твердой пшеницы

 
Резюме. Разработка новых экспрессных методов и средств оценки качества продукции направлены на обеспечение получения безопасной и конкурентоспособной продукции. Внедрение разработанного инструментального метода «цифрового изображения зерна» без разрушения его структуры снимает субъективность органолептической оценки, повышает «экспрессность» анализа, исключает риск смешивания зерна разного качества при закладке его на хранение и обеспечивает сохранность зерна. Внедрение в России экспрессного метода для контроля качества муки, вырабатываемой из твердой пшеницы для макаронных изделий группы А, позволит не допустить наличие муки из мягкой пшеницы в макаронных изделиях из твердой пшеницы, как, например, в Италии, где законом установлено, что макаронные изделия могут быть произведены только из муки, выработанной из твердой пшеницы, и использование мягкой пшеницы является фальсификацией (см. справку).


Росту качества и конкурентоспособности отечественной продукции способствует оперативный и своевременный контроль на всех этапах производства продукции по показателям, регламентируемым стандартами, с использованием современных экспрессных методов контроля.

Для аналитических целей и контроля в самых различных областях науки и техники широко применяются оптические методы (особенно методы спектрального анализа). Они основаны на оптических свойствах материала — способности количественно и качественно изменять падающий на него световой поток. В результате проявляются такие свойства материала, как цвет, блеск, прозрачность, белизна и др.

Системы оценки качества зерна и продуктов его переработки по оптическим свойствам (белизне, цвету) представляют собой совокупность методов и средств контроля, нормативов и метрологического обеспечения. Исследования по созданию комплексной системы велись в направлениях:
1. Изучение спектрофотометрических характеристик зерна пшеницы, его анатомических частей, муки, установление взаимосвязей между ними и показателями качества муки и хлеба.
2. Фундаментальные исследования спектрофотометрических характеристик (цветовых) зерна пшеницы без разрушения его структуры.
3. Комплексное исследование спектрофотометрических характеристик (цветовых) зерна твердой пшеницы различных сортов, муки из твердой пшеницы и макаронных изделий из нее.
 
I. Спектрофотометрические характеристики и показатели качества муки и хлеба
 
Зольность муки является косвенным показателем, характеризующим содержание в муке отрубянистых частиц (оболочек). Соотношение содержания эндосперма и отрубянистых частиц (оболочек) в муке определяет ее сорт. Тип зерна, район произрастания, климатические условия влияют на содержание минеральных веществ в отдельных частях зерна (оболочках, алейроновом слое, эндосперме), вызывая значительные различия, что ограничивает значение зольности как показателя сорта муки. В современных условиях показатель зольности не обеспечивает требования промышленности к скорости проведения контроля и управления процессами производства муки.
На основании многолетних исследований фотометрических и цветовых характеристик зерна пшеницы, его анатомических частей и продуктов был разработан базис фотометрического анализа зернопродуктов [1], основные положения которого легли в создание и разработку:
? инструментального фотометрического метода оценки сортности муки по показателю белизна;
? средств измерения — современных специализированных фотоэлектрических приборов различных моделей для определения белизны муки, отличающихся конструктивными, метрологическими характеристиками, методиками настройки и пробоподготовки, комплектацией;
? нормативно-технической документации — межгосударственного стандарта на метод определения белизны муки ГОСТ 26361– 2013[1], нормативов белизны хлебопекарной пшеничной и ржаной муки, внесенных в ГОСТ Р 52189- 2003[2], ГОСТ Р 52809-2007[3];
? приемов технологического процесса производства муки  — формированию сортов муки по ее белизне и помольных смесей с учетом фотометрических характеристик зерна пшеницы [2];
? комплекса организационно-методических мероприятий, включая метрологическое обеспечение средств измерений.

На протяжении ряда лет ФГБНУ «ВНИИЗ» совместно с ФБУ «Ростест–Москва» обеспечивают единство измерений белизны муки сочетанием поверки белизномеров по набору мер белизны (НМБ), аттестованному ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений» («ВНИИОФИ»), и настройки приборов по аттестованным Испытательным Центром ФГБНУ «ВНИИЗ» пробам муки. С помощью этих проб осуществляется «перенос» единицы белизны муки с групповой меры ИЦ на поверяемый прибор. Это позволяет уменьшить регламентируемую погрешность измерения (± 3,0 усл. ед. РЗ-БПЛ[4] в соответствии с ГОСТ 26361-2013) до 0–1,0 усл. ед. РЗ-БПЛ. Благодаря этому предприятие имеет возможность вырабатывать продукцию с заданной, оптимальной для заказчика белизной с «запасом» в 1,0 усл. ед. Обеспечение воспроизводимости результатов измерений белизны муки на белизномерах различных моделей исключает пересортицу продуктов, а также взаимные претензии производителя и потребителя муки.

Центры стандартизации и метрологии России (ЦСМ) используют для поверки белизномеров средства поверки, аттестованные ФГУП «ВНИИОФИ». Некоторые ЦСМ для поверки белизномеров различных моделей своего региона на договорных началах при- обретают аттестованные Испытательным Центром ФГБНУ «ВНИИЗ» по показателю «белизна» пробы муки для фиксации (определения) воспроизводимости измерений поверяемого прибора по муке. Рекомендации по использованию проб муки при поверке приборов для снижения погрешности измерения были внесены в Акт приемочных испытаний РЗ-БПЛ с целью аттестации его типа. Алгоритм работ по метрологическому обеспечению измерения белизны муки на приборах различных моделей представлен на рис. 1.
Предприятия высоко оценили возможность за несколько минут определить качество выпускаемой продукции по показателю «белизна», оперативно контролировать и управлять технологическим процессом производства муки, что дает возможность эффективно использовать перерабатываемое зерно. В настоящее время любое предприятие (мукомольное, хлебопекарное и др.) может по желанию работать с показателем «белизна» вместо показателя «зольность».
 
II. Исследование цветовых характеристик зерна пшеницы без разрушения его структуры
 
Цвет зерна пшеницы — сортовой признак, а также признак свежести зерна, его доброкачественности, соблюдения режимов послеуборочной обработки и хранения. Он регламентируется стандартами при классификации зерна на типы, подтипы. Цвет зерна определяют визуально. Объективные инструментальные методы и средства оценки цвета зерна в нативном состоянии отсутствуют, так как зерно пшеницы является чрезвычайно сложным объектом для измерения.
Исследования, результаты которых здесь представлены, проведены на пробах зерна озимой и яровой пшеницы различных типов основных почвенно-климатических зон произрастания пяти лет урожая с возможно большей разницей показателей качества. Также было изучено зерно, поврежденное погодными условиями, послеуборочной обработкой, ненадлежащим хранением и раз- личными заболеваниями.
 
 
Результаты исследований цветовых характеристик зерна в нативном состоянии с использованием общепромышленных отечественных и зарубежных спектрофотометров показали, что классические традиционные методы, средства измерения и опробованные методики экспонирования зерна не фиксируют достоверно различия цветовой окраски зерна. Поиск принципиально иного подхода к измерению цвета зерна в нативном состоянии привел к разработке новой технологии контроля методом математического анализа цифрового изображения зерна с использованием аппаратно-программного измерительного комплекса (АПИК) — сканирующего анализатора зерна (создан экспериментальный образец), а также математического аппарата для расчета показателей и формирования цифрового эталона зерна. Одним из узлов анализатора является специально разработанный сканер, обеспечивающий одновременное двустороннее сканирование каждого зернышка исследуемой пробы и исключающий мешающие факторы при измерении его цвета [3, 4]. Кроме этого для сканера разработано специальное программное обеспечение (СПО).

В основу метода положено сопоставление исследуемого зерна со сформированными «цифровыми эталонами зерна» пшеницы I и IV типов различных сортов и различной степени обесцвеченности (проросшего, потемневшего). Установлено, что отнесение пшеницы к тому или иному типу, сорту, степени обесцвеченности в сравнении с созданными «цифровым эталонами» происходит с вероятностью 80–85 %. Достигнутый процент достоверности определения качества зерна достаточен для применения инструментального метода контроля в практических целях. Новый метод определения цвета зерна испытан на 200 пробах зерна пшеницы пяти лет урожая и рекомендован взамен существующих органолептических методов.

Разработка и продвижение новых технологий контроля качества зерна с применением разработанного сканирующего анализатора зерна АПИК актуально и перспективно. Внедрение комплексной системы оценки качества зерна снимет субъективность органолептической оценки, повысит «экспрессность» анализа, снизит трудоемкость анализа, исключит риски смешивания зерна разного качества при закладке его на хранение, обеспечит сохранность зерна при хранении, будет способствовать выработке продукции, безопасной для здоровья человека.

Аппаратно-программный комплекс предназначен для определения типа зерна, наличия поврежденного, мелкого, аномального по цвету зерна (обесцвеченность, фузариоз) и может быть использован на всех этапах системы хлебооборота — при селекции, производстве, хранении и переработке зерна. На базе разработанного инструментального метода неразрушающего контроля качества зерна по цвету (технологии математического анализа цифрового изображения зерна) подготовлен проект инновационной технологии контроля качества зерна, заложенного на длительное хранение.
 
III. Спектрофотометрические характеристики зерна, муки и макаронных изделий из твердой пшеницы
 
Товарный вид макаронных изделий характеризует показатель цвета, для которого разработаны методы определения и потемнения с использованием трехкоординатного колориметра в системе цветовых координат Lab (ГОСТ 32197-2013[5]). Цвет муки из твердой пшеницы (ГОСТ 31463-2012), обусловливающий цвет макаронных изделий, определяют визуально по ГОСТ 27558-87[6], так как в России для муки из твердой пшеницы для макаронных изделий отсутствуют стандартизованные инструментальные методы контроля качества муки по цвету. Органолептическая оценка субъективна и даже для специалиста с высокой квалификацией затруднительна. На вопрос Росаккредитации: «В каких программах проверки квалификации заинтересована ваша испытательная лаборатория (центр)?» наименьшее число ответов получило «определение органолептических показателей при оценке пищевой продукции и продовольственного сырья» — 0,33 % [6]. Введение инструментального метода определения цвета макаронных изделий диктует необходимость разработки и подчеркивает актуальность и своевременность разработки средств измерения цвета для муки, выработанной из твердой пшеницы.
Исследования проведены на пробах:
? макаронной муки, выработанной по ГОСТ Р 52668-2006[7] и ГОСТ 31463-2012[8] , полученных нами от основных самых крупных на сегодняшний день производителей муки из твердой пшеницы для макаронных изделий;
? муки из твердой пшеницы, полученной в лабораторных условиях;
? зерна твердой пшеницы различных сортов;
? зерна мягкой белозерной и краснозерной пшеницы.
На основе всестороннего изучения спектрофотометрических, цветовых характеристик (в различных системах цвета) зерна твердой и белозерной пшеницы, его анатомических частей, установленных различий, закономерностей и взаимосвязей между цветовыми характеристиками изучаемых объектов были разработаны:
1. Методика «пиксельного» анализа соотношения в исследуемой пробе белых включений (эндосперма) и серых (неэндоспермных, отрубей) с учетом размера и формы.
2. Инструментальный метод оценки цвета муки из твердой пшеницы. Основное отличие метода в том, что наряду с оценкой цвета муки, выравненной по крупности, проводится инструментальный подсчет неэндоспермных включений на 1 дм2 поверхности измеряемой пробы муки из твердой пшеницы при доминантных длинах волн λ = 457 нм, λ = 540 нм и λ = 617 нм [5]. Это позволяет своевременно принять меры по улучшению качества муки и изделий из нее за счет:
? изменения режимов подготовки зерна к помолу — дополнительной очистки зерна от примесей, испорченных зерен, обогащения крупок в процессе помола;
? направленного улучшения качества и внешнего вида макаронных изделий с использованием либо технологических приемов, например дополнительного просеивания муки, либо изменяющих цвет изделий ингредиентов: томат-пасты, шпината, чернил каракатицы.
3. Экспресс-метод контроля (идентификации) качества муки из твердой пшеницы на наличие примеси мягкой (белозерной и краснозерной) по цветовым характеристикам для установления фальсификации (см. справку 1).
В основе метода — анализ цифровых изображений муки с использованием подключенного к компьютеру стандартного планшетного сканера и СПО.
Время проведения анализа на определение наличия в муке из твердой пшеницы муки из мягкой по разработанному методу составляет 3–4 мин. Это несопоставимо с временными затратами на анализы методами электрофореза, иммуноферментного анализа и др. (сложных, трудоемких, требующих высокой квалификации персонала и большого количества оборудования) — 5–6 часов. Экспресс-методов, аналогичных описанному, на мукомольных предприятиях и на предприятиях по выработке макаронных изделий в России пока нет.
 
Справка
Макароны из крупки твердой пшеницы (группы А) — низкокалорийный продукт для здорового и диетического питания, богат витаминами, обладает низким гликемическим индексом. Даже незначительная примесь муки из мягкой пшеницы существенно снижает качество макаронных изделий. Допускаемое содержание зерна других типов пшеницы по ГОСТ Р 52554-2006 — до 15 %, в том числе белозерной для 1–4 классов: 2%, 4%, 8% и 10% соответственно, по стандарту Роскачества — до 10%, отдельные российские производители позволяют себе включать при переработке твердой пшеницы мягкую, в количестве значительно превышающем нормы (до 30%). В Италии макаронные изделия могут быть произведены только из муки твердой пшеницы, использование мягкой пшеницы является фальсификацией.
Справка
Зольность — выраженное в процентах количество минеральных веществ, остающихся после полного сгорания органических веществ навески. ГОСТ 10847-74 «Зерно. Методы определения зольности», дата актуализации — 01.12.2013 г.
 
Список использованной литературы
 
1. Штейнберг Т.С. Оценка сортности муки по показателю «белизна» / Т.С. Штейнберг, Л.И.  Семикина, О.Г. Шведова, О.В.  Морозова // Хлебопродукты.  — 2011.  — № 2. — С. 46–47.
2. Штейнберг Т.С. Оценка сортности муки по показателю «белизна» / Т.С. Штейнберг, Л.И.  Семикина, О.Г. Шведова, О.В.  Морозова // Хлебопродукты.  — 2011.  — № 3. — С. 52–56.
 3. Штейнберг Т.С. Математическая модель формирования помольных смесей с учетом фотометрических характеристик зерна пшеницы различного качества» / Т.С. Штейнберг, Л.И. Семикина, О.Г. Шведова, О.В. Морозова // Хлебопродукты. — 2013. — № 5. — С. 54–57.
4. Штейнберг Т.С. О перспективах создания аппаратно-программных средств для контроля качества зерна. Экспериментальные исследования / Т.С. Штейнберг, А.Л. Аматуни, В.И. Болотов // Зерно и зернопродукты (КазНИИ). — 2004. — № 3(4). — С. 46– 51.
5. Штейнберг Т.С. Исследование оптических характеристик зерна пшеницы для разработки экспресс-методов оценки его качества / Т.С. Штейнберг, А.Л. Аматуни // Хлебопродукты. — 2010. — № 9. — С. 50–53.
6. Штейнберг Т.С. О разработке инструментального метода оценки цвета муки, выработанной из твердой пшеницы для макаронных изделий / Т.С. Штейнберг, Л.И. Семикина, О.В. Морозова // Хлебопродукты. — 2014. — № 1. — С. 56–60.
7. Никитина О.В. Профессиональное сообщество об МСИ // Контроль качества продукции. — 2015. — № 10. — С. 26–27.
 

---