Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние контроля качества арбузов и их электромеханической сортировки
1.1. Анализ существующих технологий товарной доработки арбузов и технических средств их реализации 7
1.1.1. Роль бахчевых культур в рационе питания человека и требования, предъявляемые к их качеству 7
1.2. Характеристика методов контроля качества арбузов на этапах заготовки и переработки 9
1.3. Основные направления разработок экспресс-методов
в бахчеводстве и специфика контроля качества арбузов 12
1.4. Электротехнологические методы воздействия на растительные объекты 20 '
1.5. Волновые инспекционные транспортеры 21
1.6. Устройства для товарной доработки арбузов 25
Цель и задачи исследований 31
ГЛАВА 2. Теоретические основы взаимодействуя электромагнитных и механических волн со средой
2.1. Теоретические основы взаимодействия электромагнитных волн со средой 32
2.1 1. Теоретические предпосылки к стандартизации органолептических методов оценки качества арбузов 32
2.1.2. Особенности электрофизического взаимодействия волн с растительными объектами 37
2.1.3. Обоснование характера и условий взаимодействия электромагнитных волн с двухслойной средой 41
2.1.4. К определению коэффициента внутреннего отражения 46
2.2. Теоретические основы функционирования волновых поверхностей с индивидуальным приводом 50
Ф 2.2.1. Условия дискретной подачи плодов инспекционным транспортером волнового типа 51
2.2.2. Регулирование длины волны инспекционного транспортера 52
2.2.3. Характеристика генераторов колебаний и электропривода узловых точек транспортера 55
2.3. Автоматизированная система управления процессом сортировки арбузов 59
Выводы к главе 2 60
ГЛАВА 3. Общая методика экспериментальных исследований
3.1. Программа экспериментальных исследований 62
3.2. Условия и объекты исследований 63
3.3. Методика определения колориметрических характеристик арбузов и их спектрометрические показатели 64
3.4. Методика определения физико-механических свойств арбузов 66
3,4.1. Методика определения плотности арбузов 66
3.5. Методика исследования СВЧ радиоволн для неразрушающего контроля качества 68
3.5.1. СВЧ - метод определения зрелости плода арбуза 68
3.5.2. Методика определения степени механических повреждений ^ плодов арбузов 72
3.6. Методика испытания технологических элементов линии по сортировке арбузов 73
3.7. Методика планирования многофакторного эксперимента 76
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований определения качества арбузов
4.1. Исследование физико-механических свойств арбузов, характеризующих зрелость плодов 82
4.1.1. Определение твердости коры и мякоти плодов 83
4.1.2. Определение плотности плодов арбуза 85
4.2. Влияние диаметральных размеров плодов на рефрактометрические показатели мякоти 87
4.3. Разработка контрольно-измерительной шкалы цветов мякоти арбуза 89
4.4. Изменение минерального состава арбузов с созреванием 91
4.5. Результаты экспериментов по оптимизации основных параметров СВЧ метода определения зрелости и механических повреждений арбузов.. 93
4.6. Экспериментальные исследования дискретности подачи плодов , транспортером волнового типа с индивидуальным приводом звеньев 100
Выводы к главе 4 104
ГЛАВА 5. Обоснование экономической эффективности электромеханической сортировки арбузов
5.1.Особенности технологии производства арбузов для фармацевтических целей и экономическая эффективность электромеханической сортировки арбузов 106
5.1.1. Агротехнические мероприятия 108,
5.1.2. Подготовка семян к посеву 108
5.1.3. Посев семян бахчевых культур 109
5.1.4. Уход за посевами 111
5.1.5. Механизированная уборка арбузов 112
5.1.6. Экономическая эффективность электромеханической сортировки арбузов 115
Общие выводы 122
Рекомендации производству 124
Литература 125.
- Анализ существующих технологий товарной доработки арбузов и технических средств их реализации
- Теоретические основы взаимодействия электромагнитных волн со средой
- Программа экспериментальных исследований
- Исследование физико-механических свойств арбузов, характеризующих зрелость плодов
Введение к работе
Основной задачей сельского хозяйства является увеличение производства продуктов, необходимых для полноценного, научно-обоснованного питания населения страны. Рост эффективности производства неотделим от решительного улучшения качества продукции. Наиболее целесообразный путь повышения качества - управление им, т.е. планирование, контролирование и оценка по совокупности всех характеризующих его свойств.
Для управления технологическими процессами сельскохозяйственного производства необходимо располагать объективной и достоверной информацией, сведениях о характеристиках и состоянии протекающих процессов. Одним из действенных инструментов улучшения качества и сохранности сельскохозяйственной продукции является нормативный метод управления производством в сочетании с объективным метрологическим контролем, как основы повышения технологической дисциплины.
Продукция бахчеводства занимает особое место в рационе питания человека. Годовое потребление достигнуто около 15 кг. Пищевая ценность плодов связана с содержанием в них большого количества Сахаров легкодоступных форм. Мякоть богата биологически активными веществами: витаминами, минеральными солями, пектиновыми веществами. Продукция бахчеводства имеет пищевую и целебную значимость, поэтому необходимо выдерживать возросшие требования к качеству выращенного продукта и сохранности его в течение длительного срока, идущего для реализации в свежем виде, пригодного для глубокой товарной переработки в фармацевтических целях.
К началу 90-х годов индустриальные технологии производства бахчевых культур с учетом зональных особенностей позволили обеспечить урожайность арбузов до 280 ц/га. Улучшение качества и сохранности бахчевой продукции сдерживается недостаточным метрологическим обеспечением отрасли на этапах заготовки. Отраслевая специфика бахчеводства предъявляет особые требования к способам и методам определения качественных показателей арбузов, их зрелости и поврежденное. Заготовка свежей продукции и идущей на фармацевтическую переработку сдерживается отсутствием приборов, обладающих надежностью, точностью и достоверностью показаний, экспрессивностью проводимых измерений, а также отсутствием производительных технических устройств сортирования арбузов, инструментального выявления некачественной продукции и автоматизации ее выбраковки.
Создание современного отраслевого приборного обеспечения, устройств по выявлению поврежденной и нестандартной продукции позволит поднять уровень контроля качества потребительских и фармацевтических свойств арбузов в системе заготовки, хранения ,и переработки бахчевой продукции.
Анализ существующих технологий товарной доработки арбузов и технических средств их реализации
Плоды бахчевых культур обладают пищевой, диетической и лечебной ценностью. Питательная ценность плодов связана с содержанием в них большого количества Сахаров легкодоступных форм. В арбузе содержится от 6 до 10% сахара, в плодах дыни процент содержания сахара еще выше и достигает от 6 до 18%, в тыквах он колеблется от 2 до 6% [11, 12, 13, 29, 32, 33, 47, 96]. Мякоть богата биологически активными веществами, минеральными солями железа, калия, магния и кальция, пектиновыми веществами. В мякоти плодов тыквы обнаружено 4—15% Сахаров, пектины, сравнительно мало клетчатки — 0,7%, микроэлементы, калий — 155 мг%, кальций — 17 мг%, фосфор — Г1 мг%, магний — 10 мг%, железо — 1,7 мг% и другие, витамины Вь Вг, РР, С, каротин — до 16 мг%. Поскольку совокупность содержащихся биологически активных веществ способствует выведению холестерина и улучшает водно-солевой обмен, бахчевые рекомендуют при заболеваниях, вызванных сердечной недостаточностью. При малокровии и истощении назначают плоды в свежем виде, которые богаты железом. При почечных и урологических заболеваниях, а также при сахарном диабете и подагре, заболеваниях сердца, сосудов, почек, печени рекомендуется арбузная дието- и витаминотерапия.
Большую ценность имеют семена бахчевых культур. В семенах тыквы и арбузов содержится от 40 до 52 % масла, имеющего высокие вкусовые качества. В состав масла входят витамины А, Е, В, С, РР, D, триглицериды пальмитиновой, стеариновой, олеиновой и линолевой кислот [11, 12, 129].
Арбузное масло обладает антисептическим, противоспалительным и регенеративным свойствами, восстанавливает функцию печени, его можно применять в качестве сопутствующего средства при лечении заболеваний предстательной железы, профилактики и комплексного лечения атеросклероза. Арбузное масло способствует разрушению камней, усиливает экскрецию мочевой кислоты, а содержание витаминов А и Е ведет к уменьшению повреждений клеток и замедлению старения тканей. Это их свойство применяется в косметической практике при изготовлении масел, масок, гелей для лица, так как использование витаминов А и Е -в составе естественных растительных масел способствует полному и скорому всасыванию их как с кожи, так и из желудочно-кишечного тракта, что приводит к повышению эффекта как при наружном использовании, так и при внутреннем употреблении [31,52,87].
Широкое применение нашли бахчевые и в животноводстве. На корм скоту используется кормовой арбуз, кабачки, кормовые и столовые сорта тыкв, а также отходы от продовольственной бахчи. Обладая высокой сочностью, сахаристостью, приятным запахом, бахчевые очень хорошо поедаются животными и вполне могут соперничать с другими сочными кормами. По содержанию каротина кормовой арбуз почти в два раза превосходит кукурузный силос, а кормовая тыква по количеству перевариваемого протеина превосходит даже морковь [14, 25, 30].
Интенсивное развитие бахчеводства предъявляет высокие требования к бахчевым культурам как пищевому и лекарственному растительному сырью, вызывает необходимость учитывать факторы, оказывающие отрицательное влияние на качество продукции.
Многоцелевое использование бахчевых культур, как продукта питания и в медицине обуславливает необходимость исследования номенклатуры измеряемых параметров, характеризующих потребительское качество арбузов.
Рекомендуемая арбузная дието- и витаминотерапия подразумевает повышенные требования к качеству самой бахчевой продукции при заготовке для потребления в свежем виде, и глубокой товарной переработке.
Контроль за качеством бахчевой продукции и его метрологическое обеспечение позволит потребителю получать ценный пищевой, диетический продукт и сырье для фармацевтических целей.
Теоретические основы взаимодействия электромагнитных волн со средой
Специфика контроля качества арбузов как диетического продукта особенно проявляется на стадии заготовки. Арбузы значительно увеличиваются в размерах, отличаются от других плодов по форме и размерам, по сортовой окраске коры и неоднородностью окраски по плоду, по различию внешней окраски коры и внутренней оіфаски мякоти с созреванием плодов и т.д.
С ростом плода изменяются его физико-механические характеристики: плотность, прочностные свойства коры и мякоти арбуза, колориметрические характеристики мякоти, твердость коры и мякоти, диаметральные размеры. То есть степень зрелости арбузов является комплексным показателем и не определяется по внешним признакам.
Для фактического определения информации о состоянии контролируемых параметров, характеризующих биологические изменения, связанные с созреванием плодов, используются три основных метода: измерительный, лабораторно-химический и сенсорный.
Поиск критериев, позволяющих наиболее полно охарактеризовать качество плодов, базируется на сопоставлении результатов биохимических и физических анализов с результатами органолептических исследований.
Органолептический метод оценки качества арбузов применяется в основном, в селекционной практике. Суть этого метода заключается в количественной оценке потребительских качеств плодов. В основные показатели включены: внешний вид, сладость, сочность, консистенция мякоти, общая вкусовая оценка. На наш взгляд, окраска мякоти арбуза до известной степени служит индикатором его физиологического состояния. С изменением окраски мякоти в плоде происходят химические изменения, описываемые понятием «созревание», т.е. окраска мякоти может быть включена в перечень потребительских показателей качества арбузов. В процессе изменения окраски мякоти можно выделить четыре фазы (Приложение 1). Первоначальная фаза с бело-зеленой окраской мякоти соответствует зеленому плоду. На второй фазе заметно общее изменение окраски мякоти, появляется цветовая граница между корой и мякотью. Фаза соответствует недозрелому плоду. Третья фаза характеризуется интенсивной сортовой окраской мякоти, свойственной зрелому плоду. После оптимальной товарной зрелости наблюдается изменение интенсивности окраски мякоти - фаза перезревания плода. Определение интенсивности окраски мякоти на различных фазах возможно, в основном, двумя известными способами: - количественным химическим анализом красящих веществ; - физической оценкой оттенка путем определения индекса отражения окраски или процентной доли отраженного или поглощенного света.
Концентрационная колориметрия позволяет определить количество вещества в окрашенном растворе путем сравнения интенсивности поглощения света в стандартном и исследуемом растворах.
Квант света взаимодействует с частицами вещества - атомами или молекулами, которые делают раствор окрашенным, т.е. пропускающим свет только определенного диапазона длин волн. Остальные длины волн раствором поглощаются.
Эффективное сечение поглощения характеризует вероятность поглощения кванта света частицей. Численно эффективное сечение поглощения равно площади, центр которой совпадает с центром частицы. Эффективное сечение поглощения а может быть больше, меньше или равно геометрической площади сечения частицы. Рассмотрим раствор, в котором имеются поглощающие частицы с числовой концентрацией N AN AV (2.1) где AN - число поглощающих частиц в объеме AV ( рис. 2.1). Рис.2.1. К расчету эффективности поглощения света мякотью плода Суммарное эффективное сечение поглощения всех частиц в объеме AV равно AS = aAN = a n AV = an S АХ. (2.2) При записи в этой формуле предполагается, что частицы не перекрывают друг друга в плоскости S. Это эквивалентно малой концентрации раствора.
Так как доля эффективного сечения поглощения для частиц в общем сечении S пропорциональна доле, поглощенной на толщине АХ интенсивности света, то можно записать: AY (2.3) AS А/ = -an S I где знак минус указывает на уменьшение интенсивности с увеличением координаты X. При этом суммарное эффективное сечение поглощения AS увеличивается. Из сравнения ПОСЛЄДЕІЄЙ формулы с законом Бугера можно заключить, что показатель поглощения равен k = an. Учитывая связь числовой и молярной концентрации n = См NA, где NA - число Авогадро, получаем k = aNA Сц =хСм, (2-5) , где х = ст NA - показатель поглощения для раствора единичной концентрации, равный суммарному эффективному сечению поглощения одного моля частиц.
Показатели преломления первой среды п и второй п1 отличаются, наблюдается рассеяние потока. Рассеяние, как и поглощение, подчиняется закону Бугера: 1 = 1 , (2.6) где к - показатель поглощения; a - показатель ослабления потока вследствие рассеяния. Показатель поглощения к показывает, какая доля интенсивности монохроматического света поглощается единицей толщины вещества. Показатель поглощения зависит от природы вещества и от частоты падающего света v, т.е. k = f(v).
Программа экспериментальных исследований
Экспериментальными исследованиями должны быть решены следующие задачи: - исследовать колориметрические показатели арбузов, их минеральный состав и физи ко-механических свойства; - исследовать возможности использования СВЧ-метода для неразрушающего контроля качества плодов арбуза и температуры внутри плода, экспресс-метода определения влажности семян; - обосновать технологические параметры элементов линии по товарной доработке плодов арбузов с использованием радиометров и транспортеров волнового типа; - разработать математическую модель обоснования радиометрических параметров прибора для определения качественных показателей арбузов на основе многофакторного планирования эксперимента с выявлением оптимальных длин волн рабочего диапазона; - сравнительная оценка существующей и разработанной методики оценки качества арбузов.
Таблица 3.1 План проведения экспериментальных исследований № п/п Наименование опыта Показатели опыта 1. Исследование физико-механических свойств и товарных качеств арбузов Плотность плода, коры и мякоти, кг/м ; Твердость коры и мякоти, Н Устойчивость к ударнымнагрузкам, 2. Выявить особенности спектрометрических характеристик плодов в зависимости от условий выращивания Минеральный состав плодов 3. Исследовать сортовые особенности колориметрических показателей арбузов Колориметрические характеристики плодов 4. Исследовать возможности использования СВЧ-методов неразрушающего контроля для оценки качества и технологических параметров плодов арбузов Радиометрическиепоказатели плодов 5. Исследование радиометрического метода определения влажности семян Влажность, % 6. Экономическая эффективность разработанного электротехнологического метода сортировки арбузов Качество сортировки, %Снижение затрат, %Повышениепроизводительности,%Срок окупаемости, лет
Условия и объекты исследований
Работа проводилась в течение 1987 -2005 г.г. во Всесоюзном научно-исследовательском институте орошаемого овощеводства и бахчеводства, в Нижне-Волжском институте сельского хозяйства (г.Волгоград), на базе сельскохозяйственного научно - технического центра "Волна" и крестьянского хозяйства "Стрекалов" Урюпинского р-на Волгоградской области.
Основным объектом воздействия в данной работе является отрасль бахчеводства, в частности, те ее составляющие, которые при выполнении технологических процессов определяют формирование потребительских свойств арбуза.
При анализе всего технологического процесса можно отметить, что объектом воздействия плоды бахчевых культур, поэтому остановимся подробнее на их физико-механических, спектрометрических, колориметрических и технологических свойствах.
Для исследований были приняты сорта арбузов Астраханский, Мелитопольский -142, Волжский - 7, являющихся основными сортами, возделываемыми в Астраханской и Волгоградской областях.
Сорт Астраханский выведен Всесоюзным НИИ орошаемого овощеводства и бахчеводства путем скрещивания сортов Мелитопольский 64 142 и Чарлстон (с последующим семейственным отбором методом половинок). Сорт среднеспелый. Средняя масса плода - 5-6 кг. Мякоть красная, плотная, нежная, сладкая, сочная. Вкусовые качества оцениваются в 4,4 балла, выше стандарта на 0,6 балла.
Сорт Мелитопольский-142 среднего срока созревания. Выведен на Быковской опытной станции бахчеводства Волгоградской области. Рисунок коры темно-зеленый с синевой, шиповатые полосы средней ширины. Фон зеленый. Толщина коры 1,0...1,8 см. Мякоть красная, сладкая, сочная, зернистая. Содержание сухих веществ 10 - 12 %. Семена крупные, гладкие, без рисунка. Плоды хорошо хранятся и транспортируются на дальние расстояния.
Сорт Волжский-7 позднеспелый. Выведен на Быковской опытной станции бахчеводства скрещиванием сорта Мелитопольский-142 с кормовым арбузом.. При выращивании без орошения плоды шаровидные, крупные, гладкие, в незрелом виде светло-зеленые с еле заметным шиповатыми полосками капустного цвета. Созревшие плоды приобретают белую окраску и полосы почти исчезают. Мякоть ярко-розовой окраски, среднеплотная, содержит до 14% сухого вещества, 12% Сахаров. Семена мелкие, черные. Сорт высокоурожайный, лежкий, транспортабельный [ 12, 33].
Методика определения колориметрических характеристик арбузов и их спектрометрические показатели
Химический и минеральный состав коры и мякоти арбузов определяли лабораторно-химическими методами в подготовленных образцах от партии плодов согласно общепринятых методик для свежей продукции (ОСТ 4640-76...ОСТ 4652-76).
Содержание общего сахара в мякоти плодов определяли экспресс-методом, снимая рефрактометрические показатели. В остальных случаях определение качества плодов пользовались тестированными органолептическими методами, определяя при этом по различным внешним признакам степень зрелости, механическую поврежденность, пораженность плодов болезнями и т.д. (ГОСТ 7177-80 «Арбузы продовольственные свежие. Технические условия»).
Минеральный состав плодов арбуза определяли с помощью спектрофотометра СФ-26 атомно-абсорбционным методом по 14-ти исследуемых показателям, используя арбузы районированных сортов: Астраханский-1 и Ярило трех возрастов. Для всех возрастов определяли минеральный состав мякоти, коры и семян в трехкратной повторности.
Проведение исследований по разработке контрольно-измерительной шкалы мякоти арбузов проводили согласно инструкции на «Атлас стандартных образцов цвета и цветности», разработанного во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. Изучение и проверка метода визуального сличения проводилась на недозрелых, зрелых и перезрелых плодах сортов Астраханский-1 и Ярило селекции ВНИИ орошаемого овощеводства и бахчеводства. Наблюдения велись в естественных условиях освещения при исключении попадания прямого солнечного света. Для исследований использовались образцы приблизительно одинаковой толщины (до 10мм) произвольной формы из поперечного и продольного свежих срезов мякоти арбуза. Предел основной погрешности определения спектральных коэффициентов отражения составляет Др = 0,005.
Исследование физико-механических свойств арбузов, характеризующих зрелость плодов
Исследование физико-механических свойств арбузов, характеризующих зрелость плодов
Начало широкому изучению бахчевых культур положено трудами Пангало К.И. [96]. Дальнейшему исследованию физико-механических свойств плодов послужило определение качества производимой продукции в бахчеводстве, идущей для потребления в свежем виде, длительного хранения и переработки для фармацевтических целей. Было замечено, что образование и накопление в плодах арбуза ценных фармакологических веществ является динамическим процессом, изменяющимся не только в результате индивидуального развития, но также зависящим от многочисленных факторов, таких как технологии возделывания, способов заготовки и т.д.
Значительный вклад в изучение физико-механических свойств бахчевых и внесли Ульянов А.Ф., Гудков А.Н., Листопад Г.Е., Коба В.Г., Емелин Б.Н., Федоров В.А., Стрекалов С.Д., Сыроежкин П.И., Егоров И.С. и др.[26, 36, 37, 54, 113, 122, 126].
В связи с возросшим уровнем требований метрологического обеспечения отрасли бахчеводства, достоверности определения качественных показателей плодов, значимостью экспрессивности методов контроля качества, сохранности выращенной продукции и пригодности ее к товарной переработке для фармацевтических целей, следует полнее изучить факторы, влияющие на повышение качества арбузов.
Поэтому исследование параметров, участвующих в формировании потребительского качества арбузов, проводили по следующим показателям: 1. Плотность коры, мякоти и плодов арбузов; 2. Твердость коры, мякоти и плодов; 3. Диаметральные размеры; 4. Содержание сухих веществ в коре и мякоти арбуза; 5. Колориметрические свойства коры и мякоти плода; 6. Минеральный состав семян, коры и мякоти арбуза.
На основании полученных данных проводили исследования по разработке интегральной модели арбуза для использования ее характеристик при разработке контрольно-измерительной шкалы цветов мякоти арбуза и при создании неразрушающего экспресс-метода контроля качества плодов.
Исследования по созданию неразрушающего экспресс-метода контроля качества плодов — зрелости и механических повреждений арбуза, вели в направлении использования отражательных способностей арбуза для ЭМВ СВЧ диапазона в области длин волн, соизмеримых с размерными характеристиками плодов.
Разработанный метод неразрушающего контроля определения зрелости арбуза использовали при определении других качественных показателей: степени механических повреждений, степени пораженности плодов болезнями. Одновременно провели исследование по экспресс-методу определения влажности семян арбузов и внутренней температуре плодов при искусственном охлаждении для закладки на хранение. Результаты поиска информативных методов неразрушающего контроля качества плодов Определение твердости коры и мякоти плодов
У арбуза различают две основные части — кору и мякоть. Кора состоит из однослойного эпидермиса, покрытого сплошной кутикулой, далее размещен пояс хлорофилоносных или бесцветных клеток (8..,10 слоев), затем механический панцирь, состоящий из толстостенных одеревенелых клеток коровой паренхимы, толщиной 0,3 - 2 см, которая граничит с мякотью плода. Мякоть состоит из окрашенной части коровой паренхимы, на поверхности которой размещены семена [129] (рис.4.1). б) - вид механического панциря сверху; 1 - кутикула; 2 - эпидермис; 3 - хлорофилоносная паренхима; 4 - механический панцирь; 5 - паренхима мякоти; б) - вид механического панциря сверху
Прочностные свойства плода арбуза обеспечиваются за счет качества коры - ее защитные способности к истиранию, сопротивляемость усилию скольжения, устойчивости к динамическим и статическим нагрузкам и т.д.
Поэтому поисковые опыты по определению значимости разрушающих факторов воздействия на арбуз проводились вначале по прочностным свойствам коры.
Исследования проводили на арбузах сорта Астраханский-1, как наиболее устойчивым к механическим нагрузкам [32, 36].
Как показали исследования, твердость коры арбуза выше, чем мякоти. Это различие наблюдается на всех исследуемых сортах арбузов. Так для сорта Астраханский-1 отношение прочности коры к прочности мякоти (к=Тк/Тм, где Тк - прочность коры; Тм - прочность мякоти) возрастает с созреванием плодов (рис.4.2). Для зеленых плодов отношение прочности коры к прочности мякоти составляет 22,0, для недозрелых - 25,7, и для зрелых-37,2.
