Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

ОБЗОР ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ТИПА «ЭЛЕКТРОННЫЙ НОС» ДЛЯ АНАЛИЗА КАЧЕСТВА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Кечкина Н.И. 1 Попов А.А. 1 Баранова Д.И. 1 Ловдар Ю.А. 1 Кулигина Н.О. 1 Токарев С.В. 1 Наумова Е.Г. 1 Зубков И.Л. 1 Бессонов С.Г. 1 Орлов Е.С. 1
1 Дзержинский политехнический институт филиал ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
Анализируется возможность применения современных мультисенсорных систем типа «электронный нос» для контроля качества пищевых продуктов. Обоснована необходимость их применения в пищевой промышленности. Обобщены результаты представленных экспериментов с целью определения возможностей современных «электронных носов» для задач контроля свежести, определения качественных показателей пищевых продуктов, определения фальсификата, классификации продуктов питания по различным показателям. Отмечена перспективность применения систем типа «электронный нос» и обозначены направления их совершенствования, а именно: минимизация количества датчиков в сенсорной системе, повышение порога чувствительности, снижение стоимости.
контроль качества продуктов питания
мультисенсорная система
электронный нос
1. Ганшин В.М., Фесенко А.В., Чебышев А.В. От обонятельных моделей к «электронному носу». Новые возможности параллельной аналитики // Специальная Техника. – URL: http://www.vrsystems.ru/stati/ot_obonyatelnix_modelei_k_elektronnomu_nosu_novie_ vozmojnosti _parallelnoi_analitiki.htm.
2. Долгополов Н., Яблоков М. Наносенсорная нейроподобная система «электронный нос» // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. – 2008. – № 1. – С. 60–65.
3. Berna А. Metal oxide sensors for electronic noses and their application to foodanalysis // Sensors. – 2010. – № 10. – pp. 3882–3910.
4. Ghasemi-Varnamkhasti M., Mohtasebi S.S., Siadat M., Balasubramanian S. Meat quality assessment by electronic nose (machine olfaction technology) // Sensors. 2009, vol. 9, № 8. P. 6058 – 6083.
5. Macias M.M., Manso A.G., Orellana C.J.G., Velasco H.M.G., Caballero R.G., Chamizo J.C.P. Acetic acid detection threshold in synthetic wine samples of a portable electronic nose // Sensors. 2012, № 13. – pp. 208–220.
6. Rodriguez J., Duran C., Reyes A. Electronic nose for quality control of colombian coffee through the detection of defects in «Cup Tests» // Sensors. – 2010. – № 10. – pp. 36 – 46.
7. Wilson A.D. Review of electronic-nose technologies and algorithms to detect hazardous chemicals in the environment // Procedia Technology. – 2012 – № 1. – pp. 453–463.

Качество продуктов питания определяется совокупностью свойств, обусловливающих их пригодность в удовлетворении определенных потребностей человека в соответствии с назначением. Для оценки потребительских достоинств пищевых продуктов широко используются сенсорные, или органолептические, методы, основанные на анализе ощущений органов чувств человека. Выяснение принципов функционирования биологической системы обоняния позволило сформулировать подходы к созданию на основе датчиков таких технических средств для анализа газового состава, которые сравнимы по эффективности с биологическим аналогом, называемых в литературе приборами вида «электронный нос» [6].

«Электронными носами» принято называть мультисенсорные системы распознавания газообразных веществ, работающие на различных физических принципах, в частности портативные анализаторы подвижности ионов, портативные газовые хроматографы. В отличие от традиционных сенсорных систем, требующих высокоселективных чувствительных элементов, «электронные носы» используют набор относительно неселективных сенсоров. Реализация систем типа «электронный нос» возможна благодаря современным технологиям наноэлектроники и методам обработки многопараметрической информации [2].

«Электронные носы» используются во многих областях, но необходимо подчеркнуть важность их применения в отношении продуктов питания (рис. 1).

ЭН внедряются в область пищевой промышленности с целью контроля качества, процесса мониторинга, оценки свежести продуктов, определения срока годности и т.д. Тем не менее реальные масштабы применения устройств данного типа в этой области являются все еще низкими вследствие сложности химического состава ароматов пищи, представляющих собой смесь многих различных пахучих молекул, которые находится в различной концентрации.

Общая функциональная схема «электронного носа» представлена на рис. 2.

kech1.tif

Рис. 1. Области применения мультисенсорных систем типа «электронный нос»

kech2.tiff

kech2a.tif управляющий сигнал; kech2b.tif исследуемый газ; kech2c.tif информативный сигнал

Рис. 2. Общая функциональная схема «электронного носа»

Принцип работы заключается в осуществлении отбора пробы из среды контроля с помощью универсальных или специфических устройств пробоотбора с ее последующей подготовкой для газового анализа. Проведение газового анализа, как правило, осуществляется при стабилизированном расходе потока исследуемого газа, а полученные информативные сигналы с матрицы газовых сенсоров подвергаются дальнейшей обработке с помощью специализированного программного обеспечения для выделения полезных составляющих и определения их количественных характеристик.

В исследованиях [3 – 6] проведены эксперименты с целью определения возможностей современных «электронных носов» для задач контроля свежести, определения качественных показателей пищевых продуктов, определения фальсификата, классификации продуктов питания по различным показателям.

Например, с целью решения задачи классификации образцов кофе с различным уровнем обжарки возможно использование услуг дегустаторов с различным уровнем мастерства и подготовки. Однако данный способ ведения контроля качества является очень субъективным. В связи с этим целесообразно использование «электронного носа» в кофейной отрасли при анализе различных видов кофе, оценке качества кофе с целью определения лучшего периода для упаковки, выявления различных марок и смесей и др.

В работе [6] для демонстрации результатов распознавания кофе «электронным носом» «ЭНОС» (рис. 3) в исследовании использовался миндальный тип кофе Арабика. «ЭНОС» состоит из камеры концентрации, а также матрицы газовых сенсоров, обнаруживающих летучие соединения, электронной системы управления, программного обеспечения обработки данных, объединенных в одном блоке. Газовый датчик представлен набором из 8 металло-оксидных полупроводниковых (МОП) сенсоров фирмы Figaro. Сенсоры на основе МОП обладают очень высокой чувствительностью, быстрым временем реакции и восстановления. Хотя сенсоры на основе МОП реагируют на широкий спектр летучих веществ, они лучше позволяют распознать альдегиды, спирты и кетоны и менее чувствительны к молекулам ароматических соединений и органических кислот. Принцип действия таких сенсоров основан на изменении проводимости ряда широкозонных полупроводников на основе оксидов олова, цинка, титана, вольфрама, индия и иридия, легированных металлами с каталитическими свойствами (палладий, платина) при повышенной температуре в присутствии анализируемых газов [1].

kech3.tif

Рис. 3. Внешний вид «электронного носа» «ЭНОС» с камерой концентрации

Результаты измерений показали, что «электронный нос» может быть использован для контроля качества кофе, так как удалось классифицировать по степени обжарки большинство образцов. Однако образцы зеленого кофе не были классифицированы оборудованием из-за низких концентраций летучих компонентов кофейных зерен, что говорит о необходимости повышения порога чувствительности сенсоров.

Качество вина связано с его основными характеристиками: визуальной, вкусовой или ароматической. Это отражается на его цене. Среди недостатков вина выделяется один наиболее важный – чрезмерная концентрация уксусной кислоты, способной скрыть аромат и вкус, снижая тем самым качество вина и делая его менее привлекательным, иногда даже непригодным для питья. Таким образом, очень важно для винодельческой промышленности иметь методы исследования, обеспечивающие мониторинг чрезмерной концентрации уксусной кислоты в вине в реальном времени.

Для проведения исследования [2] концентрации уксусной кислоты в вине использовался портативный «электронный нос» PEN3 в сочетании с пробоотборником Headspace HSS32 (рис. 4). Портативный «электронный нос» (PEN3) состоит из аппарата отбора пробы, датчика, содержащего множество сенсоров, и программного обеспечения распознавания образов для записи и обработки данных. Датчик состоит из 10 МОП химических сенсоров. Было доказано, что сенсоры, установленные в «электронном носе» PEN3, способны обнаруживать присутствие уксусной кислоты в 10 %-х водных растворах этанола при концентрации большей или равной 2 г/л. Для более качественного анализа необходимо также повышать порог чувствительности сенсоров.

kech4.tif

Рис. 4. Внешний вид электронного носа PEN3

Свежесть мяса является одним из важных показателей его качества и безопасности. Определить степень свежести на начальных стадиях порчи очень сложно и вместе с тем это очень важно с гигиенической и экономической точек зрения. На практике ученые и технологи пытаются контролировать или изменять некоторые параметры (например, температуру), чтобы либо продлить срок хранения мяса, либо создать новые продукты с приемлемым сроком годности.

Для анализа качества мясных продуктов в исследованиях [4] была применена система «электронный нос» Cyranose 320 (рис. 5), состоящая из 32 сенсоров на основе проводящих полимеров (ПП). Исследовались образцы говядины в вакуумной упаковке, которые были переупакованы, имитируя условия розничных магазинов, и хранились при температуре 4 °С и 10 °С после прививки им сальмонеллы. Полученные результаты свидетельствуют о том, что «электронный нос» может определить образцы мяса, инфицированные сальмонеллой при уровне концентрации 0,7–2,6 log10 КОЕ/г. Точность классификации образцов двух выбранных типов мяса с помощью сенсоров на основе ПП достигает 95 %.

kech5.tif

Рис. 5. Внешний вид «электронного носа» Cyranose 320

Свежесть также является наиболее важным фактором для контроля качества рыбы. Традиционно оценка качества рыбы была основана на органолептических испытаниях. Этот тип тестирования является субъективным, даже если выполняется опытным и хорошо обученным персоналом. Использование для оценки «электронного носа» FishNose дало следующие результаты: уровень классификации в диапазоне между 93 % и 95 % для свежих образцов, тогда как для старых образцов значения колебались от 81 % до 93 % [3].

Молочная промышленность использует различные проверки качества, которые включают химические или физические анализы: определение жира, оценку осадка, определение количества бактерий, определение температуры замерзания, белка и т.д. Тем не менее, большинство из этих измерений являются дорогими и трудоемкими. На рынке молока и молочных продуктов, пользующихся стабильным спросом, находятся сотни его наименований и многие из них активно рекламируются, поэтому соблазн подделать или увеличить объемы молока и молочной продукции путем разбавления водой всегда имеется как у продавца, так и у производителя молочной продукции. Этот процесс разбавления молока водой (или обезжиренным молоком, нейтрализующими веществами) называется фальсификацией.

В работе [3] представлены результаты распознавания фальсификации молока с использованием «электронного носа» PEN2. «Электронный нос» был в состоянии различать фальсифицированное обезжиренное молоко с различными объемами воды и восстановленного молока, а также определить образцы обезжиренного молока, хранящиеся от 1 до 4 дней, однако не в состоянии различить образцы, хранящиеся в течение 5–7 дней.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что потенциал для дальнейшего развития и новых применений устройств «электронный нос» для пищевой промышленности огромен, новые технологические открытия в конструкции электронного датчика позволят ускорить развитие новых возможностей газового зондирования. Текущая тенденция развития «электронных носов» для конкретных узких применений, вероятно, продолжится, потому что такие инструменты дешевле и обеспечивают большую полезность, производительность и эффективность в операциях газового зондирования в специализированных промышленных применениях. Для успешного решения многих из перечисленных задач технологии, применяемые при изготовлении «электронного носа», должны быть значительно более совершенны [1].

Главное направление совершенствования системы типа «электронный нос» – миниатюризация датчиков в сенсорной системе, а также повышение порога чувствительности и снижение стоимости. Представленным условиям удовлетворяют сенсоры на поверхностно-акустических волнах (ПАВ), которые реализуются с применением современных фотолитографических технологий, развитых в микроэлектронике, что определяет технологические и стоимостные преимущества ПАВ по отношению к другим типам сенсоров [7].


Библиографическая ссылка

Кечкина Н.И., Попов А.А., Баранова Д.И., Ловдар Ю.А., Кулигина Н.О., Токарев С.В., Наумова Е.Г., Зубков И.Л., Бессонов С.Г., Орлов Е.С. ОБЗОР ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ТИПА «ЭЛЕКТРОННЫЙ НОС» ДЛЯ АНАЛИЗА КАЧЕСТВА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ // Современные наукоемкие технологии. – 2015. – № 2. – С. 77-81;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=34891 (дата обращения: 27.09.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074