Оценка возможности и перспективы применения мультисенсорной системы для определения степени свежести рыбы

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В условиях рыночной экономики решающим фактором коммерческого успеха товара является его конкурентоспособность. Это понятие включает множество аспектов и означает соответствие товара условиям рынка, конкретным требованиям потребителей не только по своим техническим и экономическим характеристикам, но и по показателям качества.

Рыба является одним из важнейших элементов пищевого рациона человека и относится к категории скоропортящегося продукта. Поставки рыбы нестабильны, а свежую рыбу можно хранить очень непродолжительное время. Процесс порчи начинается с момента вылова рыбы, и постепенно качество рыбы, предназначенной для последующей переработки, ухудшается. По оценкам ФАО, 25% всей выловленной рыбы теряется вследствие порчи и отбраковки. Эта важнейшая проблема заслуживает самого внимательного изучения.

«Свежесть» - один из важнейших аспектов рыбопродуктов и играет важную роль и в их качестве [1]. Однако относительно его трактовки нет общего мнения - этот термин широко используется в самом разном контексте - иногда он относится к недавно выловленной рыбе, иногда - к замороженной или мало обработанной, а в ряде случаев - к «только что замороженной». Расширенный подход к общей концепции «свежести» предложен в работе [2] - под «свежестью» там понимается совокупность характеристик недавно выловленной рыбы или собранных морепродуктов, определяющих их соответствие заданным требованиям, продукт не должен быть поврежден и иметь признаки порчи. В свежей рыбе начальная утрата признаков свежести обычно связана с ферментативными и химическими реакциями. Точку, принятую для начала оценки изменений, называют «пиком свежести» [3].

Важным индикатором свежести является запах сырой рыбы [4]. Летучие компоненты гидробионтов, обладающие запахом, рассматриваются как самый важный определяющий фактор в оценке флейвора [5] (термин, характеризующий комплексные ощущения, возникающие при одновременном восприятии запаха и вкуса) и общего качества рыбопродуктов. Выделяют три основных запаха:

§ приятный растительный, «дынный, огуречный» запах очень свежей рыбы;

§ сильный неприятный запах испорченной сырой рыбы;

§ запах термобработанной рыбы, моллюсков и ракообразных [6].

Первый тип запаха определяется эндогенными ферментными системами. Эти ферменты совместно с бактериями порчи несут ответственность и за запах, характерный для тухлой рыбы. Запах тепловой обработки обусловлен действием активных вкусоароматических соединений, также частично продуцируемых эндогенными ферментами.

Теоретической предпосылкой для поиска объективного показателя степени свежести служат изменения, происходящие с запахом рыбы в процессе ее хранения. В настоящее время существует значительное количество различных методов оценки качества рыбы, которые, как правило, разделяют на две категории - сенсорные и инструментальные, при этом результаты инструментальных методов (отклики) выражаются в виде показателей качества, коррелирующих с органолептической оценкой [5, 7].

Для определения количественных показателей качества рыбопродуктов используют как анализы на основе одного маркерного соединения (содержание азота летучих оснований, триметламина, гипоксантина), так и анализы на основе нескольких маркерных соединений (соотношение продуктов разложения АТФ (К-индекс) и соотношения суммарных концентраций различных аминов микробиологического происхождения).

Между тем, методы оценки свежести рыбопродуктов, основанные на количественном определении веществ, образующихся в сырье при хранении, применимы только к пограничным состояниям качества, например, на тех стадиях, когда сырец имеет явные, органолептически обнаруживаемые признаки порчи. Подавляющее большинство установленных до настоящего времени корреляционных связей между органолептическими и химическими показателями степени свежести действительны лишь для конкретных видов рыб и строго определенных условий их хранения. Но даже в тех случаях, когда эти методы применимы, анализ занимает много времени, довольно дорогостоящ, выполнять его могут только высококвалифицированные сотрудники. Кроме того, из указанных химических веществ ни одно не может быть принято в качестве универсального критерия оценки степени свежести рыбы из-за отсутствия четкой корреляции с органолептическими показателями [8]. Поэтому химические показатели очень редко включают в нормативно-техническую документацию в качестве объективных показателей степени свежести гидробионтов.

Традиционные микробиологические методы являются весьма трудоемкими и дорогостоящими и в большинстве случаев вообще не дают какой-либо информации о пищевом качестве и свежести сырья, поскольку перед началом хранения или сразу после вылова общая численность бактерий составляет от 101 до 104 КОЕ/г или см2, однако к моменту органолептической оценки она может составлять уже от 105 до 108 (как правило, 106-107 КОЕ/г или см2) [9]. Так как многие из этих микроорганизмов не вызывают изменений, которые мы называем порчей (выделение нежелательных летучих соединений), то они могут служить лишь косвенными индикаторами свежести.

Среди перспективных физических методов можно отметить неразрушающие методы, которые занимают мало времени и довольно дешевы. Тем не менее, выводы, полученные для одного вида рыбы, очень трудно экстраполировать на другие из-за высокой меж- и внутривидовой изменчивости. Некоторые приборы, основанные на измерении диэлектрических свойств (Torrymeter, Freshmeter и Fishtester), требуют тестирования большого количества рыбы и не учитывают совокупного влияния времени и температуры [10]. В целом существующие физические методы оценки качества гидробионтов имеют тот же основной недостаток, что и большинство химических или биохимических методов в виде отсутствия четкой корреляционной связи с органолептическими оценками [8].

Вследствие этого своего рода «золотым стандартом» является органолептическая оценка продукта. Методы органолептической оценки качества рыбной продукции получили широкое распространение потому, что считаются наиболее адекватными, поскольку они лучше отражают мнение потребителей. Выполняемые надлежащим образом органолептические методы являются довольно точными, надежными, неразрушающими (для сырой рыбы) и не требуют применения дорогостоящих приборов.

Органолептический анализ должен проводиться профессионально подготовленными дегустаторами с соблюдением всех условий проведения дегустации. Однако в состав производственных дегустационных комиссий обычно входят инженерно-технические работники производственных цехов и лабораторий предприятий, тогда как исследования показывают [11], что способностью к органолептическому контролю обладают не более 15% соискателей. Но даже при наличии высококвалифицированных специалистов органолептический метод имеет ограничения и известные недостатки, связанные с трудностью соотнесения результатов между собой, дороговизной и большими затратами времени, особенно в случае привлечения большого числа дегустаторов-экспертов. Именно поэтому для дополнения и замены органолептического тестирования необходимы инструментальные методы.

Возможности современной аналитической аппаратуры легко позволяют получить разнообразную и точную информацию о качественном и количественном химическом составе самых разнообразных объектов. Однако такие исследования, как правило, требуют больших затрат времени, часто оказываются дорогостоящими и лишь за редкими исключениями могут проводиться во внелабораторных условиях. Именно по этим причинам для экспрессной оценки качества рыбопродуктов в практических условиях становятся приоритетными разработки более простых, дешевых и быстрых анализаторов на основе сенсорных систем.

Две области знаний оказали наибольшее влияние на разработку мультисенсорных систем. С одной стороны, это новые достижения в биологии, а именно - понимание устройства и функционирования органов чувств человека; с другой стороны, новые возможности и подходы в обработке многомерных данных, предложенные в рамках хемометрики.

Разработка химических мультисенсорных систем в значительной степени являлась попыткой имитировать строение и свойства биологических сенсорных систем, а именно - органов обоняния млекопитающих [12] (рис. 1).

Рис. 1. Концепция функционирования мультисенсорной системы

Новым направлением в сенсорном анализе является использование мультисенсорных газоанализаторов, получивших название «электронный нос» [13]. Основу такого устройства составляет массив сенсоров, каждый из которых характеризуется некоторой «перекрестной» чувствительностью, т.е. чувствительностью к широкому набору или целевому классу аналитов (аналит - вещество, подлежащее качественному или количественному определению). Фундаментальным для области мультисенсорного анализа является представление о том, что каждый сенсор в массиве должен характеризоваться различными парциальными чувствительностями по отношению к пространству анализируемых «запахов» и иметь свой характерный профиль откликов в ответ на предъявление любого аналита из заданного набора. Результирующая картина откликов всех сенсоров является достаточно сложной и может быть использована для идентификации данного «запаха» или извлечения информации о составе многокомпонентной смеси. Селективность отдельных сенсоров к измеряемым компонентам не имеет решающего значения, наоборот, важно, чтобы такие сенсоры характеризовались существенной перекрестной чувствительностью.

Мультисенсорные газоаналитические системы на основе массивов сенсоров с перекрестной чувствительностью находят все более широкое применение для анализа разнообразных химических объектов. В настоящее время уже имеются значительные достижения в использовании таких систем для мониторинга окружающей среды, обеспечения пожаробезопасности, в криминалистике, парфюмерии и медицинской диагностике и оценки качества пищевых продуктов. Подобные системы могут оказаться удобным средством для оперативного контроля качества рыбопродуктов.

В отличие от другой аналитической аппаратуры сенсорные системы обычно просты по конструкции, потребляют низкую мощность и способны работать при окружающих температуре и давлении. Выбор типа и количества сенсоров в массиве определяется, как правило, сложностью решаемой аналитической задачи. В настоящее время в сенсорных массивах может быть использован широкий ассортимент типов сенсоров (рис. 2) [14], различающихся как принципом преобразования, так и набором сенсорных характеристик.

Рис. 2. Классификация химических сенсоров

рыбопродукт мультисенсорный пищевой

Таким образом, для создания сенсорных массивов в настоящее время доступны разнообразные чувствительные материалы с достаточно широким набором характеристик. Однако при разработке конкретного измерительного устройства необходим отбор сенсоров по критерию наибольшей их пригодности в достижении главной цели решаемой прикладной задачи, т.е. по максимальной эффективности сенсоров при обнаружении требуемых аналитов.

Большинство из представленных типов сенсоров способны проявлять чувствительность к тем или иным компонентам летучих веществ, что допускает возможность их применения в составе массивов сенсорных анализаторов рыбного сырья. Однако с учетом требований портативности, мобильности и невысокой цены таких систем в первую очередь предпочтительно использование простых устройств, например, полимерных сенсоров, относящихся к классу электрохимических сенсоров. Использование в сенсорном массиве оптических, масс-чувствительных, а также потенциометрических сенсоров часто требует существенных усложнений аппаратуры для обеспечения соответствующих условий их работоспособности.

Газовые сенсоры на основе электропроводящих полимеров проявляют чувствительность, прежде всего, к электроактивным газам. Эти газы способны окисляться или восстанавливаться в области потенциалов, определяемой свойствами полимера, и одновременно изменять степень его окисления. Полимерные сенсоры работоспособны при комнатных температурах, поэтому они более просты в наладке и эксплуатации в составе портативных приборов.

Проводящие полимеры обладают несколькими потенциально выгодными особенностями для использования в сенсорных массивах [15]. В первую очередь это доступность широкого диапазона разнообразных по свойствам полимеров, которые можно синтезировать из мономеров различных типов электрохимической или химической полимеризации. Чувствительность сенсорных элементов также может легко изменяться при изменении условий полимеризации и заряда компенсирующих противоионов. При этом состоянии окисленности полимера может изменяться и после его осаждения, что бывает необходимо для коррекции электронных свойств полимера и улучшения его совместимости с интересующим аналитом. Технология электрохимического осаждения полимерных пленок из растворов пригодна для массового производства сенсоров и позволяет легко их миниатюризировать. Обратимые отклики сенсоров могут быть получены при комнатной температуре.

Для создания массивов полимерных сенсоров с различающимися откликами на аналиты применяют несколько подходов [16, 17]. Во-первых, при синтезе элементов массива в качестве мономеров могут использоваться в качестве мономеров различные однокольцевые и многокольцевые гетероциклы, которые с легкостью подвергаются электрохимической и химической полимеризации. Некоторые из них могут включать пиррол, тиофен, анилин, индол и карбазол. Во-вторых, каждый из таких гетероциклов может быть замещен различными боковыми группами. В-третьих, для создания электропроводящего состояния при окислении проводящего полимера могут использоваться различные противоионы, компенсирующие положительный заряд (р-легирование полимера). В-четвертых, в зависимости от условий полимеризации для каждого проводящего полимера достижимы различные состояния окисленности. Изменяя потенциал окисления, окислитель, температуру, растворитель, концентрацию мономера, можно из одного мономера создавать массив различных сенсоров. При этом основные свойства полимера, такие как морфология, молекулярная масса (длина цепи), связанность мономеров, проводимость, ширина запрещенной зоны и другие будут зависеть от условий полимеризации.

Улучшение качества продукции тесно связано с объективностью и оперативностью методов его оценки. Объективная оценка качества является основой принятия верных решений по вопросам разработки и совершенствования технологии, транспортировки и хранения продукции.

Особенно сложно установить объективный уровень качества продукции в тех случаях, когда оно оценивается субъективно. Это характерно для оценки показателей качества пищевых продуктов, в том числе и рыбных. Мультисенсорная газоаналитическая система на основе массивов сенсоров может, несомненно, оказать существенную помощь в обеспечении объективных и имеющих практическую значимость оценок такого объекта, как рыбное сырье.

Литература

1. Уlafsdottir, G. Method to evaluate fish freshness in reseаrch and industry / G. Уlafsdottir [and other] // Trends Food Sci. Technol. - 1997. - Р. 258-265.

2. Bremner, A. Critical Look at Whether “Freshness” Can be Determined / A. Bremner, M. Sakaguchi // J. Aquatic Food Prod. Techn. - 2000. - № 9. - Р. 5-24.

3. Bremner, H.A. Towards practical definitions of quality for food science / H.A. Bremner // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. - 2000. - № 40. - Р. 83-90.

4. Lindsay, R.C. Fish flavors / R.S. Lindsay // Food Reviews International. - 1990. - № 6. - Р. 437-455.

5. Ким, И.Н. Влияние компонентов флейвора на качество сырья гидробионтов / И.Н. Ким, Е.В. Мегеда // Экологическая экспертиза. - 2008. - №1.- С.18-57.

6. Бремнер, Г.А. Безопасность и качество рыбо- и морепродуктов / Г.А. Бремнер. - СПб., 2009. - 551 с.

7. Коренман, Я.И. Подходы к анализу пищевых продуктов. Разработка масс-чувствительных сенсоров / Я.И. Коренман, Т.А. Кучменко // Российский химический журнал. - 2002. - Т. XLVI.- №4. - С.34-42.

8. Сафронова, Т.М. Справочник дегустатора рыбы и рыбной продукции / Т.М. Сафронова. - М.: ВНИРО. - 1998. - 244 с.

9. Fu, B. Shelf-life prediction: theory and application / B. Fu, T.P. Labuza // Food Control. - 1993, 4(3). - Р. 125-133.

10. Bremner, H.A. Estimating time-temperature effects by a rapid systematic sensory method / H.A. Bremner, J. Olley, A.M. Vail // Seafood Quality Determination / D.E. Kramer, J. Liston. - Amsterdam: Elsevier 1987. - Р. 413-435.

11. Егорова, З.Е. К вопросу о гармонизации нормативной базы в области органолептического контроля с международными требованиями / З.Е. Егорова, Н.К. Масловская, А.Н. Кулакова // Производство рыбной продукции: проблемы, новые технологии, качество - 2007: Международная научно-практическая конференция (3-8 сен.): материалы / АтлантНИРО. - Калининград, 2007. - С. 61-65.

12. Власов, Ю.Г. Мультисенсорные системы типа электронный язык - новые возможности создания и применения химических сенсоров / Ю.Г. Власов, А.В. Легин, А.М. Рудницкая // Успехи химии. - 2006. - Т. 75. - № 2. - С. 141-150.

13. Arshak, K. A Review of Gas Sensors Employed in Electronic Nose Applications / K. Arshak [and other] // Sensor Review. - 2004. - V. 24. - № 2. - Р. 181-198.

14. Будников, Г.К. Что такое химические сенсоры / Г.К. Будников // Соросовский образовательный журнал. - 1998. - № 3. - С. 72-76.

15. Lange, U. Conducting polymers in chemical sensors and arrays / U. Lange, N.V. Roznyatovsraya, V.M. Mirsky // Analytica Chimica Acta. - 2008. - V. 614. - Р. 1-26.

16. Bai, H. Gas Sensors Based on Conducting Polymers / H. Bai, G. Shi // Sensors. - 2007. - V. 7. - P. 267-207.

17. Brady, S. The Development and Characterisation of Conducting Polymeric-based Sensing Devices / S. Brady [and other] // Synth. Met. - 2005. - V. 154. - № 1-3. - P. 25-28.

Размещено на Allbest.ru