Инновационная технология контроля муки из зерна твёрдой пшеницы методом цифрового изображения

Макароны из муки высшего сорта (крупки) из зерна твёрдой пшеницы -  низкокалорийный продукт с низ­ким гликемическим индексом, бога­тый витаминами [5]. Это продукт для здорового и диетического питания.

Макароны из твёрдых сортов пше­ницы легко усваиваются, а входя­щие в их состав активные углеводы и полезные минеральные вещества улучшают пищеварение и, как след­ствие, обмен веществ, что благо­творно влияет на здоровье человека. Даже незначительная примесь муки из мягкой пшеницы существенно снижает качество макаронных изде­лий. Допускаемое содержание мяг­кой пшеницы: по ГОСТ Р 52554-2006 - до 15%, ГОСТ Р 52810-2007 - не более 15%, по Стандарту Роскачества - до 10%. В Италии, Франции и Гре­ции законодательно установлено, что макаронные изделия могут быть произведены только из муки, выра­ботанной из зерна твёрдой пшеницы, а использование мягкой пшеницы -фальсификация.

Контроль качества и безопасности продукции, борьба с её фальсифика­цией - одна из задач государствен­ной политики страны в области здо­рового питания населения.
Основной вид фальсификации при переработке зерна твёрдой пшеницы -  введение более дешёвых компо­нентов (высококачественное сырьё - твёрдая пшеница значительно дороже мягкой). Стоимость твёрдой пше­ницы и недостаточный объём её про­изводства [4] подчас толкают произ­водителя к фальсификации. Мето­дов контроля (идентификации) муки из твёрдой пшеницы на наличие муки из мягкой пшеницы при производ­стве макаронных изделий достаточно много. Однако эти методы сложны, трудоёмки, требуют высокой квали­фикации персонала, большого коли­чества оборудования и материалов [1,2].

Поэтому создание инструмен­тального метода контроля(иденти­фикации) муки из твёрдой пшеницы на наличие примеси мягкой (бело-и краснозёрной) муки по цветовым характеристикам, несомненно, акту­ально. Данный метод гарантирует объективную оценку продукции, обе­спечивает получение муки высшего сорта (крупки), идущей на производ­ство макаронных изделий группы А, спрос на которые в настоящее время растёт [3].

Цель исследования - разработка метода определения наличия муки из мягкой пшеницы в муке из зерна твёрдой пшеницы по цветовым харак­теристикам для оперативного уста­новления и предотвращения выпуска фальсифицированной продукции.
Объекты исследования - «эта­лоны» муки, сформированные из муки высшего сорта (крупки), полученной в лабораторных условиях при раз­моле зерна твёрдой и мягкой (бело-и краснозёрной) пшеницы. Содержа­ние муки из мягкой пшеницы в состав­ленных «эталонах» варьировало от 10 до 30% (с дискретностью 5%).

Были изучены цветовые харак­теристики семи линеек «эталонов» муки, каждая из которых составлена из пяти - шести «эталонов» с различ­ными по цвету исходными компонен­тами (муки высшего сорта из твёрдой пшеницы).
Цветовые характеристики изучали в основных системах описания цвета - RGB* и Lab (табл. 1).

 
При исследовании использовали разработанный ВНИИЗом совместно с НИЦ «Интеллектуальные ска­нирующие системы» аппаратно-программный измерительный ком­плекс - сканирующий анализатор муки «АПИК - САМ» [6, 7], предна­значенный для получения в цифровом формате изображения исследуемой пробы муки и её математического анализа, обеспечивающего измере­ние восьми цветовых характеристик в системах цвета RGB и Lab.
 
Проиллюстрируем выше перечис­ленные результаты исследования, которые послужили основой разра­ботки метода контроля (идентифика­ции) муки из перерабатываемой твёр­дой пшеницы на содержание примеси муки из мягкой пшеницы.

Анализ корреляционных связей по линейкам «эталонов» муки, исход­ными компонентами которых была крупка, полученная при лаборатор­ных помолах зерна твёрдой пшеницы разного качества (табл. 2), и по трём выбранным характеристикам цвета (табл. 3) показал, что связь во всех случаях сильная. Аналогичные резуль­таты характерны для всех изученных семи линеек «эталонов» муки, каж­дая из которых составлена из пяти - шести «эталонов» муки с различ­ными по цвету исходными компонен­тами (муки высшего сорта из твёрдой пшеницы).
 

 

 
Взаимосвязь между показателями желтизны «эталонов» муки, опреде­лёнными по методу цифрового изо­бражения на приборе «АПИК - САМ», и содержанием в них муки из мягкой пшеницы представлена на рис. 1.

Уравнения аппроксимирующей (сглаженной) кривой и достовер­ность аппроксимации, равная 0,92-0,96, свидетельствуют о высокой чув­ствительности рассчитанного пока­зателя к содержанию муки из мягкой пшеницы III и IV типов. На основе ана­лиза экспериментальных данных по цветовым характеристикам проб муки высшего сорта (крупки) из твёрдой пшеницы для макаронных изделий, а также сформированных «эталонов», полученных на «АПИК - САМ», уста­новлены показатели цвета, чувстви­тельные к содержанию муки из мяг­кой пшеницы. Таким образом, выяв­лены показатели цвета, по которым можно определить наличие примеси муки из мягкой пшеницы в муке из твёрдой пшеницы.

Эти данные послужили базой для корректировки разработанного ранее системного программного обеспе­чения (СПО). Из восьми цветовых характеристик, определяемых на «АПИК - САМ» в системах цвета RGB и Lab, исключены отдельные характе­ристики. Введены три обобщённые характеристики цвета (насыщенность, интенсивность и желтизна, рассчиты­ваемая по специальному алгоритму с учётом установленных метрологиче­ских характеристик), характеристика цвета в синем (В) участке спектра, и цветовые характеристики линеек «эталонов» муки. Новое СПО обеспе­чивает надёжное фиксирование раз­личий при сравнении испытуемого образца с «эталоном».

Схема контроля (идентифика­ции) муки из зерна твёрдой пшеницы с неизвестным содержанием муки из мягкой пшеницы представлена на рис. 2.
 

 
Исследуемую пробу муки отби­рают дозатором, помещают в специ­альную кювету с прозрачным дном, выполненным из оптического стекла, и крышкой-уплотнителем в виде дозатора, равномерно прижимаю­щей муку ко дну кюветы и обеспечи­вающей определённую высоту и плот­ность уплотнения. Пробу уплотняют поршнем дозатора с получением ров­ного слоя муки на дне. Кювету поме­щают на шаблон-фиксатор, установ­ленный на поверхность стекла экс­понирования сканера. Поверхность дна кюветы сканируют и получают изображение муки в цифровом фор­мате, которое передаётся в ком­пьютер. Полученное цифровое изо­бражение обрабатывается СПО для вычисления цветовых характери­стик в системе RGB: характеристики цвета в синем участке спектра, пока­зателя «желтизна», насыщенности и интенсивности цвета. Измеренные характеристики сравнивают с цве­товыми характеристиками аттесто­ванных «эталонов» муки, данные по которым введены в СПО. По результа­там сравнения определяется содер­жание примеси муки из мягкой пше­ницы в исследуемом образце и дан­ные вводятся в протокол испытаний. Для сканирования используют стан­дартный планшетный сканер типа Epson Perfection с разрешением от 300 точек на дюйм, подключённый к компьютеру со специальным про­граммным обеспечением.

Разработанный способ предна­значен для контроля (идентификации) муки из твёрдой пшеницы для мака­ронных изделий группы А на наличие примеси (добавок) мягкой пшеницы (бело-и краснозёрной).

Аналогов определения содержа­ния примеси муки из мягкой пшеницы в муке из твёрдой пшеницы по цвето­вым характеристикам методом мате­матического анализа цифрового изо­бражения муки, полученного с исполь­зованием промышленных сканеров, отвечающих определённым требова­ниям, на мукомольных предприятиях и макаронных фабриках нет.

Продолжительность анализа по разработанному методу составила 3-4 мин, что несопоставимо с продолжи­тельностью определения наличия муки из мягкой пшеницы в муке из твёрдой методом электрофореза и иммуно-ферментного анализа, равной 5-6 ч.
Контроль качества (идентифи­кации) муки на содержание мяг­кой пшеницы в перерабатываемом сырье позволит приблизить качество продукции, вырабатываемой в Рос­сии из твёрдой пшеницы, к продук­ции, производимой, например, в Ита­лии, отказаться от импорта итальян­ских макарон. Возможно увеличение экспорта муки из твёрдой пшеницы и макаронных изделий в различные страны. Замена зарубежных колори­метров на разрабатываемое средство контроля является также составляю­щей экономического эффекта.

Расчёт экономического эффекта показал, что для предприятия, как ни странно, более выгодно вырабаты­вать продукцию из высококачествен­ной твёрдой пшеницы, в которой прак­тически нет примеси мягкой пшеницы, увеличив объём производства на 20%, чем заниматься фальсификацией, добавляя 30% мягкой пшеницы.

Выводы
Впервые для установления фаль­сификации продукции разработан инструментальный экспресс-метод контроля качества (идентификации) муки из зерна твёрдой пшеницы для макаронных изделий на наличие при­меси муки из мягкой пшеницы (бело-и краснозёрной) по цветовым харак­теристикам. В основе метода - ана­лиз получаемых цифровых изо­бражений муки с использованием специально разработанного аппарата «АПИК - САМ», подключённого к ком­пьютеру, и специального программ­ного обеспечения (СПО) для мате­матического анализа изображения. Экспресс-метод может быть исполь­зован на предприятиях по перера­ботке твёрдой пшеницы в муку для макаронных изделий и на макарон­ных фабриках.

Экспериментальный образец аппаратно-программного измери­тельного устройства для получения в цифровом формате изображения исследуемой пробы муки и исход­ные требования на него разработаны в направлении импортозамещения.

Литература

1. Лазарев, С.В. Определение типового состава пшеницы по глиадиновым спектрам / С.В. Лазарев // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2002. - № 8. - С. 27.
2. Лазарев, С. В. Разработка тест-системы для дифференциации мягкой пшеницы в твёрдых сортах / С.В. Лазарев, В.М. Чмелев // Хра­нение и переработка сельхозсырья. -2000.-№ 10.-С. 3.
3. Межевикин, В. Состояние и пути развития макаронной отрасли / В. Межевикин // Хлебопродукты. -2011.-№2.-С. 4-5.
4. Мелешкина, Е. П. Твёрдая пшеница в России / Е.П. Мелешкина, Т.А. Леонова // Хлебопродукты. - 2008. - № 4. - С. 58-59; № 5. - С. 54-55.
5. Скурихин, И.М. Таблицы хими­ческого состава и калорийности российских продуктов питания: Спра­вочник/ И.М. Скурихин, В.А. Тутельян. - М.: ДеЛи принт, 2007. - 276 с.
6. Штейнберг, Т.С. О разработке инструментального метода оценки цвета муки, выработанной из твёрдой пшеницы для макаронных изделий / Т.С. Штейнберг [и др.] // Хлебопро­дукты. - 2014. - № 1. - С. 56-60.
7. Штейнберг, Т. С. Разработка метода и средств измерения цвета муки из твёрдой пшеницы, направ­ленная на импортозамещение / Т.С. Штейнберг, О. Г. Шведова // Материалы Междунар. конф. - Киев, 2015.-С. 30-35.

*  Система цвета RGB описывает любой цвет сложением трёх базовых цветов - красного (Red), зелёного (Green) и синего (Blue).
   

---