Введение к работе
Основное направление и актуальность исследований.
Данная работа направлена на разработку методов экспресс диагностики и анализа пищевой продукции на наличие генетической модификации или существенного отклонения от нормы. В работе представлены результаты исследований и оценки перспектив применения СВЧ техники для анализа продукции.
Любое растение или животное имеет тысячи различных признаков. Например, у растений: цвет листьев, величина семян, наличие в плодах определённого витамина и тому подобное.
За наличие каждого конкретного признака отвечает определённый ген. Ген - от греческого genos, и переводится как "род", "происхождение". Ген представляет собой небольшой фрагмент молекулы ДНК генерирующий определённый признак растения или животного. Устранения гена, отвечающего за наличие определённого признака, вызывает исчезновение этого признака, и наоборот, добавление нового гена приводит к появлению нового признака. Изменённое таким образом растение или животное становится мутантом (с латинского -изменённый).
На сегодняшний день существует несколько сотен искусственно генетически изменённых продуктов. На протяжении нескольких лет некоторых из них употребляют в пищу миллионы людей во многих странах мира. Такие крупные концерны, как Unilever, Nestle, Danon и другие используют в производстве продукции генномодифицированные компоненты и экспортируют их во многие страны мира. Лишь в некоторых странах такие продукты обязательно должны содержать на упаковке надпись "Сделано из генетически модифицированного продукта".
Самые распространенные ГМП - соя, кукуруза, масличный рапс и хлопок. В некоторых странах для выращивания одобрены трансгенные помидоры, рис, кабачки, картофель. Эксперименты проводятся на подсолнечнике, сахарной свекле, табаке, винограде, плодовых деревьях и т. д. В ряде стран, где пока нет разрешения на выращивание трансгенов, проводятся полевые испытания.
Распространено мнение, что, внося изменения в генный код растения или животного, учёные делают то же самое, что происходит в природе, полагая, что живые организмы от бактерии до человека - это результат мутаций и естественного отбора. Но есть и противоположное мнение.
Уже доказано, что многие ГМ растения, такие, как табак или технический рис, применяемый для производства пластика и лекарственных веществ, смертельно опасны для живущих на поле или рядом с ним грызунов. Пока эти растения произрастают лишь на опытных полях, а что произойдет после полного вымирания грызунов в районах их массовых засевов - не берется предсказать никто.
На сегодняшний день одной из самых актуальных задач является обеспечение экспресс анализа продукта на наличие в нём геномодифицированных компонентов или наиболее распространённых пищевых добавок. К сожалению, в условиях современной жёсткой экономики наличие маркировки не упаковке продукта не может полностью гарантировать соответствие содержимого указанной информации.
Основной задачей данной работы является получение результатов, подтверждающих принципиальную возможность проведения экспресс анализа методом зондирования исследуемого объекта направленным электромагнитным сверхвысокочастотным излучением. В ходе работы были выявлены зависимости изменения электромагнитных характеристик исследуемых объектов от основных воздействующих факторов, таких как температура, влажность, расположение относительно апертуры излучающего элемента и др. Была создана действующая установка по анализу продуктов в диапазоне 2 ГГц - 8 ГГц.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка доступного метода для проведения экспресс анализа продуктов питания с помощью СВЧ техники.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:
1. Расчёт и создание экспериментального стенда для проведения исследований.
Получение зависимостей результатов анализа продуктов при их различной влажности и температуре с помощью измерения амплитудных и фазовых характеристик проходящего через объект излучения.
Получение экспериментальных зависимостей результатов при изменении его диэлектрических свойств (для сухих продуктов).
4. Получение зависимостей при изменении процентного
содержания белка в продукте.
Выявление возможности безусловного распознавания наличия примесей генетически модифицированных компонентов (в первую очередь сои).
Реализация возможности тестирования для определения типа продукта и его состав (продукты на основе сои и мяса) СВЧ методом.
Определение оптимальной полосы частот, (с точки зрения эксплуатационных параметров) для работы с продукцией имеющей различное процентное содержание влаги (до 70 - 80%).
8. Получение экспериментальных данных для разработки автоматизированной системы экспресс анализа на соответствие продукта требуемым нормам (ГОСТ, условия контракта и т. д.), в условиях единичного теста и большого товаропотока (например, таможенный терминал проверки грузов).
Объектом исследования являются наиболее
распространённые компоненты, используемые в пищевой промышленности:
Соевая мука, содержащая 50% белка
Соевый концентрат, содержащий 70% белка
Соевый изолят, содержащий 90% белка
Соя генетически модифицированная
Соя натуральная, без генетической модификации
Животный белок, полученный из свиной шкурки
Животный белок, полученный из говяжьей шкурки
Растительный белок, полученный из банановых культур.
Предмет исследования - параметры электромагнитного поля в процессе его прохождения сквозь исследуемый продукт.
Научная новизна работы.
В диссертационной работе впервые получены следующие научные результаты:
впервые создана автоматизированная система на основе волноводного (рупорного) и микрополоскового излучателей в качестве антенн СВЧ с секторной диаграммой направленности для исследования продуктов на основе изменения таких характеристик поля как мощность (амплитуда сигнала), смещение фазы и изменение КСВн антенны.
показано, что любой продукт имеет отличные от другого тонкие характеристики, которые непосредственно влияют на прохождение сквозь него СВЧ поля, изменяя при этом его фазу и мощность. Изменение фазы сигнала свидетельствует об изменении скорости распространения электромагнитного поля, мощности затухания, вызванного структурой исследуемого продукта.
показана принципиальная возможность определения различия между продуктами СВЧ методом и создания автоматизированной системы для контроля качества и соответствия установленным нормам различных пищевых добавок. Зарегистрированы отличия образцов на генетическом уровне, при их прочих равных физических свойствах.
экспериментально показано, что лучшие результаты получены на верхних частотах диапазона ~ 8 ГГц, что предполагает дальнейшее развитие работы в области СВЧ от 8 ГГц и выше.
выявлено влияние на результаты таких характеристик продукта как его объём, форма, температура, влажность, диэлектрическая проницаемость.
Обоснована целесообразность:
использования разработанных установок на предприятиях
использующих для приготовления продукции различные соевые
и белковые компоненты и в местах проведения экспресс оценки
качества и состава продукции, например на таможенных
терминалах службы санитарно-эпидемиологического контроля.
Практическая значимость работы. Предложено решение одной из самых острых проблем в области питания, а конкретнее, в области употребления генетически модифицированных продуктов (ГМП) в качестве ингредиентов при приготовлении пищи. Недостаточность методов и соответствующих технических решений для быстрого качественного экспресс анализа пищевых продуктов на наличие в них ГМП, а также анализа ряда других широко распространённых химических элементов и консервантов делают конечного потребителя крайне незащищённым.
Одним из вариантов решения указанной задачи является разработанный автором метод для быстрого бесконтактного экспресс анализа продукции на наличие ГМП, а также анализ, к примеру, таких элементов как сульфат, широко используемый как стабилизатор при изготовлении полуфабрикатов, некоторые разновидности которого могут оказать негативное влияние на здоровье. Предлагаемое устройство реализации способа бесконтактного анализа продукции, основанное на радиочастотном сканировании в СВЧ диапазоне, может с высокой вероятностью различать ГМП соевый экстракт от натуральных сортов, а также указывать на отличие различных сортов других продуктов, к примеру, белка.
В работе:
- обосновано, что задачу определения качества пищи и экспресс
анализа на наличие ГМП можно решить путём сканирования
исследуемого объекта в диапазоне частот от 2ГГц до 7 ГГц. В
частности, для определения принадлежности определённого
сорта сои к классу ГМП оптимальной оказалась частота в 5,4 ГГц;
на основании практических результатов определены зависимости изменения проходящих сигналов сквозь образцы при различных условиях, таких как температура образца, его объём, положение относительно апертуры излучающего устройства;
- предложена и обоснована гипотеза о принципиальной
возможности использования сигнала с частотой 30 ГГц, для
определения параметров объекта;
подана заявка на получение патента на изобретение «Способ бесконтактного анализа продуктов в СВЧ диапазоне»;
подана заявка на получение патента на полезную модель
«Устройство для бесконтактного анализа продуктов в СВЧ диапазоне»
Реализация результатов. Основные результаты исследования, полученные Никоновым Ф.Б. в ходе работы (разработанный способ экспресс анализа), могут быть успешно применены в процессе контроля ингредиентов, используемых при создании пищевых продуктов, в частности, при изготовлении сосисок и колбас, при изготовлении которых используется соя, как основа, сульфат в качестве стабилизатора и белок животного или растительного происхождения в качестве добавки;
разработанный способ и предлагаемое устройство реализации могут быть использованы в дальнейшем в повседневном применении в случае их эргономичного изготовления, к примеру, при проведении указанного экспресс теста непосредственно во время приобретения товара конечным потребителем.
Научная обоснованность и достоверность положений, выводов и рекомендаций диссертации подтверждаются корректностью применения метода СВЧ фазометрии и измерения изменения мощности, КСВН, при определении отклонения сигнала от заданного, что может свидетельствовать, в частности, о принадлежности образца сои к ГМП. Все данные, полученные автором экспериментальным путём, согласуются с проведенными теоретическими расчетами в пределах ошибок экспериментов.
Основные результаты исследования реализованы в действующем макете, находящемся в Радиотехническом институте им. Минца. Указанный макет успешно справляется с задачей определения принадлежности объекта к классу генетически модифицированных продуктов.
Апробация работы. В рамках данной диссертационной
работы в ОАО «Радиотехнический институт им. Минца» (РТИ) была создана экспериментальная установка, на которой были проведены исследования продуктов, в том числе генетически модифицированных.
Результаты диссертации докладывались на семинарах посвященных конструированию и применению СВЧ техники в
ОАО «Радиотехнический институт им. Минца» в сентябре -октябре 2007г., и получили положительные отзывы. При этом были высказаны пожелания дальнейшего проведения работ в данном направлении.
Практические результаты работы отражены в ряде НИР, выполненных МГУТУ по заданию Министерства Образовании Российской Федерации: «Разработка принципов построения интеллектуальных экспертных систем реального времени для контроля состояний многопараметрических объектов и процессов», Per. № НИР №1.1.06
Публикации. Результаты по теме диссертации опубликованы в 6 научных работах, которые включают в себя 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 1 тезисы, доклада, в трудах сборника научной конференции, 1 монографию.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из
