Электронный «нос»
Текст: Лимэй Инь, Хира Джаян, Цзяньрун Цай, Чжимин Го, Сяобо Цзоу, Университет Цзянсу; Хешам Эль-Сиди, Биологический медицинский центр Уппсальского университета, Университет Цзянсу. Источник: Журнал Foods, 2023, 12 (15). Текст печатается с сокращениями по лицензии Creative Commons.
В процессе хранения и логистики яблоки могут подвергаться физическим ударам или микробному заражению, что приводит к их порче и широкому распространению инфекции. В результате предприятие может понести серьезные экономические потери после сбора урожая.
С увеличением срока хранения грибы-патогены, находящиеся на поверхности яблок, проникают в них, образуя мицелий, который в конечном итоге приводит к порче. Кроме того, эти микроорганизмы могут продуцировать микотоксины, что создает риск заболеваний и угрожает здоровью покупателей. По этим причинам мониторинг и раннее предупреждение порчи плодов имеют важное практическое значение и могут обеспечить пищевую безопасность потребителей, а также оказать техническую поддержку устойчивому развитию садоводства.
НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
Традиционные исследования по обнаружению порчи фруктов и овощей включают в основном полимеразную цепную реакцию и газовую хромато-масс-спектрометрию. Несмотря на точность, эти методы сложны в эксплуатации и требуют привлечения профессиональных лаборантов, что не позволяет удовлетворить потребность в скором обнаружении порчи яблок в режиме реального времени. В связи с этим высокую практическую значимость имеет разработка быстрого и эффективного метода мониторинга порчи плодов.
Технология электронного «носа» является мощным инструментом, имитирующим обонятельную систему животных. В рамках нее химические сигналы преобразуются в электрические импульсы с помощью массива газовых сенсоров. Кроме того, технология комбинирует хемометрические методы обработки матрицы данных для осуществления качественного и количественного анализа обнаруженных образцов. Она объединяет сенсоры, компьютеры, математику и другие дисциплины и уже широко используется в пищевой промышленности, медицине и экологии.
Аромат фруктов является важным показателем для оценки их качества и состоит в основном из различных летучих компонентов. На их тип и концентрацию могут влиять различные факторы, в частности разновидность плода, его зрелость и время хранения. С развитием сенсорных технологий и хемометрии точность обнаружения газов постепенно повышается, и метод электронного «носа» начинает применяться в целях выявления порчи фруктов и овощей. При изменении их внутреннего качества происходят соответствующие перемены в содержании летучих газов. Анализируя тип и концентрацию этих веществ в плодоовощной продукции, можно определить степень ее порчи и обнаружить патогены.
РАЗРАБОТКА ПРОТОТИПА
Опытный образец оборудования был разработан для определения профилей летучих веществ, температуры и влажности в помещении во время хранения яблок. Прототип состоял из аппаратных, программных и механических компонентов. Система измерения летучих веществ включала микроконтроллер, матрицу газовых сенсоров, модуль TF-карты, микровакуумный насос, блок питания и экран дисплея. Микросхема в основном использовалась для управления сбором данных с датчиков и управления другими аппаратными устройствами, например вентиляторами. Массив газовых приемников применялся для получения сведений о содержании газа в яблочном хранилище. Для хранения информации использовался модуль TF-карты. На экране дисплея в реальном времени отображались данные измерений каждого датчика. Для управления микроконтроллером и взаимодействия с компьютером было разработано программное обеспечение. Механическая часть предполагала систему подачи газа, которая транспортировала летучие компоненты из хранилища к матрице датчиков. При их выборе в полной мере учитывалась сложность газового состава в среде хранения яблок.
При создании специалисты понимали, что прототип полевого макета должен быть небольшим и высокоточным, иметь низкое энергопотребление и высокую точность, чтобы соответствовать требованиям мониторинга порчи. После проведения обширных исследований и экспериментов были определены основные газы, необходимые в процессе выявления качества плодов, а C2H4, CO2, летучие органические соединения и O2 были оптимизированы как характерные вещества для склада, где хранятся яблоки. В качестве датчика СО2 был выбран инфракрасный газовый сенсор, а для остальных компонентов — электрохимические устройства. Такое решение обеспечило прототипу низкое энергопотребление и высокую точность, что удобно для длительного мониторинга на складах.
НЮАНСЫ СТРОЕНИЯ
Требования к конструкции прототипа подразумевали обеспечение портативности оборудования. Для повышения скорости и эффективности работы газоконтактной сенсорной поверхности рассматривалось строение газовой камеры, при этом учитывались ее размер, структура и материал. Конструкция оболочки с воздушными отверстиями позволила обернуть массив газовых сенсоров, причем каждое из устройств рассеивалось и располагалось на дне. Для обеспечения циркуляции потока внешний газ всасывался в прототип вентилятором и равномерно проходил через поверхность массива датчиков, что позволяло лучшим образом получать информацию о микросреде хранилища. Для этого миниатюрный воздушный насос создавал поток в камере, а односторонний клапан управлял закрытием воздуховода. Силовой модуль подавал питание на прототип, и напряжение поддерживалось до 5В через схему стабилизатора.
В соответствии с программной системой вышеупомянутого специализированного прототипа была проведена интеграция программно-аппаратных комплексов, и сборка образца была завершена. По окончании отладки и оптимизации была выполнена проверка повторяемости и стабильности работы созданного устройства путем получения информации о яблочных образцах со склада. После достижения ожидаемых результатов были осуществлены серийные испытания.
ТЕСТОВОЕ ЗАРАЖЕНИЕ
Для моделирования условий хранения яблок в лаборатории было создано девять имитационных помещений. На тестовых складах использовалась комбинация контролируемой атмосферы и охлаждения, и концентрация газов менялась в реальном времени. В каждой из имитационных камер хранилось по 30 свежих образцов, и в течение двух дней с помощью прототипа собирались данные газового зондирования, а также сведения о температуре и влажности яблок. Затем из каждого моделируемого склада отбиралось 10 плодов для инокуляции грибком-патогеном Aspergillus niger, после чего они помещались обратно.
Последующий сбор информации осуществлялся каждые 24 ч в течение шести дней. Система обнаружения формата данных хранилась в виде двумерной таблицы. Время получения сведений одним датчиком составляло 500 с, частота — 1 с. Информация касательно каждого образца в моделируемом складе собиралась в виде двумерного массива 500 × 6 на основе шести устройств. Затем данные были преобразованы из него в одномерную матрицу 3000 × 1 путем обработки сглаживания для последующего построения модели. В итоге с помощью прототипа была получена сенсорная информация с имитационного склада яблок, и на основе различных методов была создана многофакторная синтезированная модель раннего оповещения о порче продукции. Оптимальным оказался вариант имитации отжига по методу частичных наименьших квадратов с коэффициентом корреляции набора предсказаний и их среднеквадратичной ошибкой, равных 0,936 и 0,828 соответственно. Данная модель продемонстрировала наиболее высокий коэффициент корреляции как в калибровочном, так и в прогностическом наборе.
ВЫСОКАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
На основании полученных результатов было установлено, что с увеличением времени порчи образцы потребляли O2 и выделяли CO2, летучие органические вещества и C2H4. При этом с ростом степени развития патогенных процессов в плодах концентрация последних двух компонентов постепенно повышалась, в то время как уровень CO2 и потребление O2 в целом сокращались. Это объясняется тем, что по мере развития порчи снижалась метаболическая способность яблок. В итоге высокая чувствительность сенсоров и разработанного прототипа помогала обнаружить порчу плодов на ранней стадии. Следует отметить, что в созданную платформу были включены модули загрузки информации, удаленного мониторинга и раннего предупреждения. Эти компоненты позволяли загружать сведения с датчиков, визуализировать тенденции данных с течением времени и визуально отображать уровни порчи.
Таким образом, исследование показало, что анализ изменения газового состава в помещении для хранения яблок, а также мониторинг и предупреждение порчи в реальном времени являются эффективными способами снижения послеуборочных потерь плодов. Разработанная модель на основе прототипа газового датчика может быть использована для раннего обнаружения патогенных процессов в плодоовощной продукции, что позволит с помощью нового подхода значительно снизить экономический ущерб.