Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

РОДИКОВ Сергей Афанасьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И ОПТИн ЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЯБЛОК ПРИ СОЗРЕВАНИИ И ХРАНЕНИИ

Специальность 05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Мичуpинск-наукоград РФ 2010

Работа выполнена в ГНУ Всероссийский НИИ садоводства им.И.В.Мичурина и ФГОУ ВПО Мичуринский государственный аграрный университет

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Гордеев Александр Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Судник Юрий Александрович доктор технических наук, профессор Погонин Василий Александрович член-корреспондент РАСХН, Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Утков Юрий Андреевич

Ведущая организация: Государственное научное учреждение Всероссийский научноисследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии)

Защита диссертации состоится л 2010 года в 10:00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 при ФГОУ ВПО УМичуринский государственн ный аграрный университетФ по адресу: 393760, Тамбовская область, г.Мичуринск, ул.

Интернациональная, д.101, зал заседаний диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО УМичуринский государн ственный аграрный университетФ.

Автореферат размещен на сайте и разослан л 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Н.В.Михеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В технологии производства и хранения плодов на сегон дняшний день существуют проблемы, которые до сих пор решены не полностью: опрен деление оптимальных сроков съема, прогноз потерь плодов некоторых сортов яблони во время хранения.

Оптимальные сроки съема характеризуются показателями, при которых плоды вполне развились и оформились, достигли характерной для сорта величины. Плоды в данный момент находятся в предклимактерическом периоде и имеют минимальную фин зиологическую активность. Существующие биохимические методы с одной стороны не дают достаточной точности о состоянии зрелости, например: содержание крахмала в ткани яблок, с другой - трудны в методическом исполнении и требуют сложного и дорон гостоящего оборудования, например при определении этилена в плодах: газожидкостнон го хроматографа. Кроме того, для проведения массовых анализов, например: определить зрелость плодов нескольких сортов, кварталов, использование данного оборудования не позволит провести анализ в короткие сроки для принятия своевременного решения по использованию плодов.

За последние годы были разработаны приборы и методы, позволяющие контролин ровать электрические и оптические показатели плодов. По электрическим характеристин кам ткани плодов это разработки Н.И. Кожановой, А.С. Гордеева, А.Е. Михалева, по опн тическим показателям качества плодов разработки А.С. Гордеева, В.И. Старовойтова, А.М. Башилова и др. Все эти методы рассматривали плод с позиции механического пон вреждения его поверхности, что достаточно для автоматизированного сортирования.

Анализ существующих методов и устройств определения качества плодов позвон лил выделить несколько направлений, по которым проводились исследования.

1. Методы определения качества яблок спектрозональными способами в видин мой и инфракрасной области (А.С. Гордеев, О.Н. Будаговская, Д.А. Выродов, А.П. Вын родова, В.К. Андрющенко, П.Н. Жужа, В.В. Скрыпник, В.М. Найченко, А.В. Мельник, Г.С. Гайдай, Н.М. Осокина).

2. Способ контроля качества плодов, осуществляемый путем возбуждения флун оресценции и измерения спектров излучения флуоресценции (А.М. Башилов, А.Т. Гран дюшко, А.Л. Замотаев, А.Е. Михалев, В.И. Старовойтов, А.Д. Хилько).

3. Способ неразрушающего контроля объектов, состоящий в том, что через исн следуемый объект пропускают электрический ток (Б.Н. Тарусов, В.И. Тарушкин, А.Е.

Михалев, В.И. Старовойтов, А.Д. Хилько, А.Т. Градюшко, А.С. Гордеев, Н.И. Кожанова, Г.Г. Снапян, А.В. Жучков, С. Гринхем).

Вместе с тем, на данный момент отсутствуют работы, посвященные контролю прон цесса созревания плодов с применением электрических и оптических методов, опреден лению оптимальных сроков съема в саду и с хранения, прогнозу потерь при хранении.

Для того, чтобы решить вопросы, связанные с данными задачами, необходимо усоверн шенствовать приборы и оборудование, адаптировав их к новым требованиям, а также методы контроля зрелости яблок, основанные на их физических показателях: электричен ском сопротивлении ткани, отражении света поверхностью плода, флуоресценции пон верхности плода. Данные методы позволяют проводить оценку функционального состон яния плода неразрушающим способом, получать ответ в реальном масштабе времени для принятия решения о дальнейшем действии по срокам съема плодов, прогнозе забон леваний, что позволит контролировать качество плодов, начиная при съеме и далее при хранении.

Выполнение данной работы в частности осуществлялось в соответствии с програмн мами: постановление Государственного комитета СССР по науке и технологиям № 13от 24 октября 1991 г. о проведении дополнительных научно-исследовательских и опытн но-конструкторских работ в области агропромышленного комплекса, распоряжение № 1637 от 13 мая 1993 г. Министерства науки, высшей школы и технической политики РФ о выделении ассигнований из республиканского бюджета, распоряжение № 714ф от 16 марта 1994 г. и № 7453ф от 6 января 1995 г. Министерства науки и технической полин тики РФ о выделении ассигнований из республиканского бюджета на создание автоман тизированного стенда для комплексных исследований электрофизических и оптических характеристик плодов, программа Разработка прогрессивных экологически безопасных технологий подготовки к хранению плодов от 1999 г.

Цель исследования. Повышение эффективности методов электронно-оптического контроля качества яблок в процессе созревания и закладки на хранение на основе элекн трического сопротивления их ткани, отражения света и флуоресценции поверхностью плодов.

Объект исследований. Процесс созревания плодов в саду и при хранении, технон логии уборки и закладки на хранение, послеуборочной обработки плодов для повышен ния их сохранности.

Предмет исследования. Методы электрического и оптического контроля качества яблок при созревании и хранении, установление взаимосвязи и зависимости между факн торами и явлениями, характеризующими качество плодов.

Задачи исследования.

1. Сопоставить методы оценки зрелости плодов и выявить наиболее эффективн ные с точки зрения контроля процесса созревания, отличающиеся оперативным съемом информации, характеризующие физиологическое состояние объекта и позволяющие оценить необходимый объем возможных вариантов для принятия решения о последуюн щем их использовании.

2. Обосновать целесообразность использования физических методов в технолон гии уборки плодов в саду и хранения в холодильнике, сформулировать методологию контроля качества физическими методами; установить научно-методические основы их использования в процессе созревания плодов, исследовать физические методы, характен ризующие зрелость плодов.

3. Определить структуру основных физических показателей зрелости с целью использования их для определения оптимальных сроков съема плодов в саду и с хранен ния, отличающихся тем, что они должны быть достаточно чувствительными к изменен ниям созревания плодов, что также предполагает их высокую информативность; опреден лить место их использования в технологическом процессе контроля созревания плодов.

4. Провести экспериментальные исследования методов контроля зрелости яблок при их созревании в саду и во время закладки на хранение, а также во время хран нения для оценки их качества и сроков хранения; разработать алгоритм использования физических показателей для эффективной оценки степени зрелости плодов.

5. Определить погрешности методов, характеризующихся как инструментальн ные, так и методические, связанные с неоднородностью плодов по зрелости; разработать методы, позволяющие снизить погрешность от неоднородности плодов; оценить точность взаимосвязи физических показателей с физиологическими показателями качен ства плодов.

6. Исследовать влияние температуры воздуха и солнечного излучения на оптин ческие и электрические характеристики плодов. Разработать методы определения оптин мальных сроков съема плодов для хранения, а так же с хранения с помощью физических показателей таких, как: электрическое сопротивление ткани плодов, коэффициенты флун оресценции, отражения поверхности плодов для последующего хранения с минимальн ными потерями качества.

7. Разработать методы раннего прогноза величины потерь плодов при хранении и времени их хранения с целью своевременного принятия решения по их использован нию; разработать принципы построения системы контроля процессами созревания с исн пользованием физических показателей зрелости.

8. Провести производственные испытания методов контроля, дать рекомендан ции к практическому применению системы контроля и оценить ее экономическую эфн фективность.

Научная новизна работы.

1. Обоснованы физические методы контроля зрелости яблок, основанные на использовании отношения коэффициентов отражения поверхности яблок в видимой обн ласти спектра, отношения электрических сопротивлений ткани яблока при прохождении через них попеременно электрического тока двух частот: 1 и 10 кГц, отношения коэффин циентов флуоресценции на двух длинах волн красной области спектра, а также индукн ции флуоресценции красной области спектра, позволяющие контролировать процесс сон зревания плодов.

2. Обоснована целесообразность совместного использования электрических и оптических свойств ткани плодов для контроля зрелости яблок, которые повышают точность в определении оптимальных сроков съема плодов, снижающие потери при хран нении.

3. Разработана новая методика контроля зрелости яблок с учетом солнечной и теневой сторон их поверхности, позволившая обнаружить неизвестное ранее явление побурения кожицы неокрашенных яблок во время хранения исключительно на теневой их стороне. Методика позволит снизить погрешность определения оптимальных сроков съема плодов и прогноза их побурения во время хранения.

4. Выявлены 6-8 дневные периодические процессы в изменении электросопрон тивления ткани и отражения света поверхностью плодов в ходе их созревания, позволян ющие повысить точность прогнозирования оптимального срока съема плодов с погрешн ностью до двух дней.

Практическая значимость. Разработанные методы контроля позволяют:

планировать сроки уборки плодов в саду и съем их с хранения, определять сон став и регламент использования применяемых при уборке машин и оборудования;

сохранить потери продукции до 30%.

Реализация результатов исследований. Разработанные методы и устройства обн работки плодов защитными препаратами используются в хозяйствах ЗАО Агрофирма лимени 15 лет Октября, Липецкой области, ЗАО Агрофирма Сад-Гигант, Краснон дарского края, КСП Светлогорское Краснодарского края, методы контроля качества плодов перед закладкой на хранение реализованы в плодовом хозяйстве ЦентральноЧерноземной Плодово-Ягодной Компании Воронежской области.

Результаты исследований приводят к новым обобщениям относительно природы загара плодов и роли периодических процессов при определении качества плодов. Разн работанные методы позволяют осуществить ранний прогноз загара яблок, сроки съема плодов в саду и с хранения. В научную и производственную практику внедрены следуюн щие результаты:

Методы контроля оптических и электрических характеристик яблок.

Устройства для обработки плодов защитными препаратами (А.с. № 1528418, 1630754, патент № 2085085, патент № 2190331);

Способ отбора внутритканевых газов из плодов и устройство для его осуществлен ния (патент № 2137103);

Способ определения срока съема плодов яблони с хранения (патент № 2365088).

Апробация. Основные положения и результаты исследований доложены на метон дических и научно-технических советах ВНИИ садоводства им.И.В.Мичурина, 19892005 гг., на Всесоюзном научно-техническом симпозиуме Проблемные вопросы автон матизации производства, Воронеж, 1987 г., на третьей и четвертой областных научных конференциях молодых ученых Проблемы интенсификации садоводства, Мичуринск, 1989, 1990 гг., научно-практической конференции Действие СВЧ-излучений на биолон гические компоненты агроценозов и их применение в АПК, Москва, 1989 г., Всесоюзн ной конференции по Теоретической и прикладной карпологии, Кишинев, 1989 г., Международной конференции Научные основы устойчивого садоводства в России, 11-12 марта 1999 г., Мичуринск, Международной конференции Электромагнитные изн лучения в биологии (БИО-ЭМИ-2000), Калуга, 3-5 октября 2000, Международной научн но-методической конференции Прогрессивные методы хранения плодов, овощей и зерн на: 27-28 апреля 2004 г., Мичуринск, VIII Международной научной экологической конн ференции Актуальные проблемы сохранения устойчивости живых систем, Белгород.

27-29 сентября 2004 г., на научной сессии РАСХН Роль научного наследия И.В.Мичун рина в повышении эффективности отечественного садоводства (к 150-летию со дня рон ждения И.В.Мичурина), 13-16 сентября 2005 г., Мичуринск, научно-практическая конн ференция Научно-практические достижения в садоводстве и овощеводстве и инновацин онные пути их развития.

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 37 научн ных публикациях, монографии (грант РФФИ № 09-08-07005), в том числе 11 - в реценн зируемых изданиях, рекомендуемых экспертным советом ВАК, 2 - авторских свидетельн ства, 4 - патента на изобретения. Общий объем публикаций составляет 27,8 п.л., из кон торых 27,4 п.л. принадлежит лично соискателю.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

1. Методология контроля зрелости яблок с использованием физических методов в технологии уборки плодов в саду и хранения в холодильнике, основанных на принципах целостности ткани яблок во время анализа; определение оптимальных состояний зрелон сти для длительного хранения при анализе процесса созревании яблок, при котором пон казатели зрелости подвержены периодическим изменениям.

2. Физические методы контроля зрелости яблок, основанные на использовании отн ношения коэффициентов отражения поверхности яблок в видимой области спектра, отн ношения электрических сопротивлений ткани яблока при прохождении через них пон переменно электрического тока двух частот: 1 и 10 кГц, отношения коэффициентов флун оресценции на двух длинах волн красной области спектра, а также индукции флуоресн ценции красной области спектра, позволяющие контролировать процесс созревания плон дов.

3. Методика учета периодических процессов в изменении электросопротивления ткани плодов и отражения света поверхностью плодов в ходе их созревания, позволяюн щая их прогнозировать при определении оптимальности сроков съема плодов, а также повышать точность в их определении.

4. Принципы построения технологического процесса, в котором предусмотрена система контроля, обеспечивающая эффективность ее применения при съеме плодов в саду и при их хранении.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка, включающего 279 наименований, и приложен ний, включающих 42 таблицы на 22 страницах. Основной текст изложен на 328 листах машинописного текста, содержит 152 рисунка, 32 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность работы, сформулированы научная проблема, цель и объект исследования, научная новизна и основные положения, выносимые на зан щиту. Предложена методология контроля зрелости яблок с использованием физических методов в технологии уборки плодов в саду и хранения в холодильнике, основанных на экспресс-анализе качества яблок; сформулированы принципы определения оптимальн ных состояний зрелости плодов для длительного их хранения, при котором показатели зрелости подвержены периодическим изменениям, что делает важным их контроль при принятии решения об оптимальности.

В первой главе дана общая характеристика процесса созревания и хранения яблок, определены показатели качества яблок при созревании и хранении, показаны физичен ские методы контроля качества при созревании и хранении яблок, а именно: контроль качества яблок по полному электрическому сопротивлению их ткани, контроль качества яблок по спектрам отражения их поверхности, контроль качества яблок по флуоресценн ции их поверхности.

Под контролем качества плодов понимают действия, осуществляемые при оценке их зрелости физическими методами и при отклонении ее от оптимального значения, компенсация с помощью защитных препаратов недостаточности зрелости и последствий с этим связанных, а также прогноз качества плодов во время хранения в зависимости от исходного состояния их зрелости, которое может быть следующим: недозрелость, съемн ная зрелость, потребительская зрелость, перезревание.

Анализ качества плодов проводится за некоторый период до их съема с дерева, когда уже начинается процесс созревания, невидимый глазу (рис. 1). В этот момент нан рабатывается статистический материал для последующей оценки степени зрелости плон дов и принимаются решения о предварительных сроках их съема. Оптимальность срон ков съема определяется по комплексу физических показателей, которыми характеризун ется зрелость плодов.

Анализ физических показателей плодов Определение сроков Определение сроков съема плодов съема плодов Послеуборо Созревание Съем Транспорти Хранение Реализация чная плодов плодов ровка плодов плодов обработка Метеоролог Обработк Метеорологиче Организац ические Сорти а плодов Режим Хране ские условия, ия уборки, условия, ровка, Транс агротехнически организаци качество для ы ние у порти е приемы я уборки, транспорт лучшей хранен потреб ровка Упако качество повышения ировки сохранно ия ителя уборки вка качества плодов плодов сти плодов Е Е t1 t2 t3 tn Созревание Е Съем плодов Е Хранение Е Потребление Е Т О С У Т Рис. 1. Схема технологического процесса производства и хранения плодов.

Учитывая, что период съема плодов продолжается несколько дней, а уборка сознан тельно начинается раньше того времени, когда плоды достигнут съемной зрелости, для плодов раннего срока съема принимается решение о дополнительной послеуборочной обработке защитными препаратами или ингибиторами созревания для предохранения плодов во время хранения от физиологических расстройств.

Зрелость плодов определяется в частности состоянием клеток ткани плода. Размен ры клеток, прочность мембран, их проницаемость для ионов, наличие межклеточного пространства, заполненного воздухом влияет на электрическое сопротивление (ЭС) ткан ни. Переменный ток может проходить через мембраны как через ёмкости, обладающие реактивным сопротивлением. Ток низких частот идёт в основном по клеточным стенн кам, так как активное сопротивление мембран протопластов больше, чем сопротивление клеточных стенок. При повреждении клеток электрическое сопротивление стенок уменьшается в результате увеличения в них концентрации ионов, так как увеличивается проницаемость мембран (Fensom D. S., Hayden R. J. и др.). Известно также, что при прон хождении через ткани яблока переменного тока, мембраны клеток служат ёмкостями, влияние которых увеличивается с увеличением частоты. Также ЭС зависит от количен ства содержащихся в их порах раствора и концентрации в нём ионов.

В дополнение к мембранной теории, Вагнером разработана теория поляризации дин электриков, в основу которой положена гипотеза Максвелла о слоистой структуре дин электриков. В этом случае живая клетка рассматривается как гетерогенная система, сон стоящая из слоев с различной проводимостью и поляризация может быть во всем объеме клетки. Клетка представляется как система, состоящая из нескольких слоев с разной электрической проводимостью. При внешнем электрическом поле на границе раздела слоев диэлектрика начинает накапливаться заряд, что в свою очередь вызывает изменение поля и токов в слоях. Поляризация достигает максимума при выравнивании токов в слоях.

Учитывая, что измерения происходят при переменном токе, следует рассмотреть влияние температуры на механизм поляризации. Под действием внешнего электричен ского поля в соответствии с проницаемостью мембран на внутренней и наружной сторон не ее индуцируются ионы противоположного знака. При этом получается конденсатор, в котором мембрана является диэлектриком. Внутри клетки образуется поляризационное поле, противодействующее внешнему полю и в результате компенсации внешнего поля при достижении максимальной поляризации движение ионов прекращается. Полное электрическое сопротивление определяется емкостью мембраны, а также мембранной и внутриклеточной электропроводностью.

Молекула при воздействии электрического поля приобретает электрический мон мент и становится упругим диполем. При наличии в клетке дипольных молекул последн ние располагаются в направлении силовых линий. Ориентационная поляризация молен кул в результате их поворота в электрическом поле определяется временем релаксации (рис. 2), зависящим от величины полярного момента, вязкости среды и температуры.

Для проведения измерений электрического сопротивления яблоки снимают с дерен ва за час-два до начала измерений в одно и то же время суток. Для проведения темперан турной коррекции электрического сопротивления измеряют температуру воздуха (плон да) в помещении, где проводятся измерения.

При измерениях электроды датчика поочередно вводят в ткань солнечной и тенен вой сторон яблока на глубину 5 мм. Расстояние между электродами 5 мм.

Известно, что качество плодов по мере роста, развития и созревания достигает определенного функционального состояния, после которого начинается спад, старение и разрушение тканей.

I I Б А f f Рис. 2. Схема влияния частоты внешнего переменного напряжения на величину тока, проходящего через ткань плода. А - время релаксации диполей меньше частоты внешнего элекн трического поля; Б - время релаксации диполей равно частоте внешнего электрического поля. 1 - электрический ток, создаваемый внешним электромагнитным полем, 2 - электрический ток, проходящий через диполи.

Известно, что большая часть видимого света, поглощённого фотосинтетическими пигментами, хлорофиллами и каротиноидами, используется в фотосинтезе для фотохин мического преобразования. Небольшая часть абсорбированного света переиспускается в виде тепла или как красная флуоресценция хлорофилла, характеризующаяся двумя макн симумами в области 685 и 735 нм при воздействии синего света с длиной волны 470 нм.

Облучение поверхности яблока светом с длиной волны 470 нм во времени также привон дит к индукции флуоресценции на длине волны 685 нм и ее изменениям I =(F -F )/F.

хл m s s Отношение F =F /F используется в качестве указателя содержания хлорофилла, а пон хл 685 7казатель I =(F -F )/F - изменения фотосинтетической активности, где I изменение хл m s s хл флуоресценции от времени при действии возбуждающего излучения.

В основу контроля качества плодов положена концепция использования неразрун шающего метода при контроле функционального состояния плодов, к которому отнон сятся методы, использующие оптические, электрические (условно неразрушающие) и другие методы, при которых не происходит разрушения ткани объекта и, таким образом, появляется возможность отслеживать в них ход физиологических процессов. Показатен ли, полученные с помощью данных методов, являются интегральными, т.е. учитывают влияние, в частности, метеорологических и агротехнических факторов. Возможность прогнозировать изменение зрелости плодов во время хранении позволяет управлять кан чеством плодов. Кроме того, для корректировки качества плодов применяются различн ные способы их обработки химическими веществами. Необходимость обработки и конн центрация препаратов определяются состоянием зрелости плодов: при меньшей зрелон сти увеличивается доза корректирующего воздействия.

Наиболее существенными факторами, влияющими на изучаемый объект, являются метеорологические условия: температура, освещенность, водообеспеченность, минен ральное питание. На качество хранения яблок влияют следующие факторы: время отрын ва плода от дерева, предыдущая история воздействия на яблоки метеорологических условий, температура и влажность в помещении, где содержатся плоды.

Учитывая, что внешнее воздействие на процесс созревания является периодичен ским (температура, освещение), предположено, что и функциональное состояние плодов оцениваемое по физическим показателям, также будет подвержено периодическим прон цессам. Таким образом, рассмотрены ряд способов и устройств, принцип использования которых позволяет анализировать их с одной стороны как неразрушающие, с другой стороны предполагающие качество и в том числе зрелость плодов с позиции их функцин онального состояния.

Использование физических показателей при оценке зрелости плодов позволит точн но определить оптимальные сроки съема плодов в саду и с хранения, в результате чего увеличится выход с хранения качественных плодов.

В результате анализа состояния существующих разработок в области контроля кан чества яблок, показана недостаточность проработки физических методов контроля в технологическом процессе выращивания, уборки и хранения плодов. В настоящей рабон те предлагается разработать научно-методические основы контроля качества яблок в процессе созревания и закладки на хранение на базе электрического сопротивления их ткани, отражения света и флуоресценции поверхностью плодов. Для чего необходимо:

2. Определить структуру основных физических показателей зрелости с целью их использования для определения оптимальных сроков съема плодов в саду и с хранен ния, отличающихся тем, что они должны быть достаточно чувствительными к изменен ниям созревания плодов, что также предполагает их высокую информативность; опреден лить место их использования в технологическом процессе контроля созревания плодов.

3. Определить погрешности методов, характеризующихся как инструментальн ные, так и методические, связанных с неоднородностью плодов по зрелости; разрабон тать методы, позволяющие снизить погрешность от неоднородности плодов; оценить точность взаимосвязи физических показателей с физиологическими показателями качен ства плодов.

4. Исследовать влияние температуры воздуха и солнечного излучения на оптин ческие и электрические характеристики плодов. Разработать методы определения оптин мальных сроков съема плодов для хранения, а также с хранения с помощью физических показателей, таких как: электрическое сопротивление ткани плодов, коэффициенты флун оресценции, отражения поверхности плодов для последующего хранения с минимальн ными потерями качества.

5. Разработать методы раннего прогноза величины потерь плодов при хранении и времени их хранения с целью своевременного принятия решения по их использован нию; разработать принципы построения системы контроля процессами созревания с исн пользованием физических показателей зрелости.

Во второй главе рассмотрены теоретические основы контроля качества плодов на основе их физических характеристик на стадии съема в саду, описаны методология и методы контроля качеством плодов. В основу методологии положено представление о связи процесса созревания плодов и их физических характеристик, что дает возможн ность по изменению физических показателей судить о зрелости плодов. Контроль зрелон сти яблок осуществляется по коэффициенту отражения и полному электрическому сон противлению. В качестве внешнего воздействия внешних условий показано влияние солнечного излучения на оптические характеристики поверхности плода, температуры воздуха на полное электрическое сопротивление ткани плода, выявлены периодические процессы показателей качества. Контроль зрелости яблок происходит на стадиях роста, съема и хранения плодов.

Процесс производства плодов, съем с дерева и их хранение есть контролируемый процесс. Необходимо рассматривать каждый этап в процессе обеспечения качества, т.к.

оптимальные условия каждого этапа создадут, в конечном счете, высокое качество плон дов. В процессе контроля различные параметры, определяющие качество плодов, сравн ниваются с оптимальными для данного сорта.

Информация о несоответствии уровня качества оптимальным (сигнал рассогласон вания) поступает в базу данных (контролируемый элемент) и с помощью обрабатываюн щего устройства (ЭВМ) данные анализируются, и принимается решение о съеме или продолжении роста плодов до той поры, пока отклонения не станут минимальными, т.е.

параметры, определяющие качество плодов, приблизятся к оптимальным.

Контроль качества плодов предполагает прежде всего их оценку по выбранному критерию, по которому определяют насколько в данной партии плодов низкого, оптин мального или высокого для данных условий качества.

Необходимо определить оптимальные значения физических показателей (это будет оптимальная модель) на которые влияют внешние параметры (температура, осадки, солн нечное излучение), а отклонение этих параметров рассматривать как внешние воздейн ствия, формирующие сигнал рассогласования в физических показателях. Сигнал рассон гласования в значениях физических показателей влияет на срок съема плодов, сроки их хранения.

С помощью уменьшения сигнала рассогласования корректируются сроки съема.

Возможно появление некоторой составляющей, возникающей ввиду влияния на объект неучитываемых факторов, влияние которых трудно установить, что также должно учин тываться при определении последующего качества либо его прогнозирования. В качен стве физических показателей качества могут быть представлены электрическое сопрон тивление ткани плода, коэффициенты отражения поверхности плода, коэффициенты флуоресценции поверхности плода как вместе, так и по отдельности.

Оптимальную модель процесса формирования качества плодов при выращивании представим в виде функций:

К1 f Tопт, Оопт, СЭопт, соб, К2 f Tопт, Оопт, СЭопт, , соб К3 f Tопт, Оопт, СЭопт, , соб где К - показатель качества по отношению электрического сопротивления ткани плон да;

К - показатель качества по отношению коэффициентов отражения поверхности плода;

К - показатель качества по отношению коэффициентов флуоресценции поверхнон сти плода;

Т - оптимальная сумма активных температур воздуха вегетационного периода, опт равная среднегодовому значению за вегетационный период;

О - оптимальная сумма осадков вегетационного периода, равная среднегодовому опт значению за вегетационный период;

СЭ - оптимальная сумма солнечной энергии вегетационного периода, равная опт среднегодовому значению за вегетационный период;

- неучтенные физиологические процессы плода, влияющие на показатели качен соб ства.

Плоды исследуют с солнечной и теневой стороны дерева, с солнечной и теневой стороны плода, для чего плоды выбирают с заведомо выраженной солнечной и теневой стороной. В день измерения, плоды снимают с дерева и в кратчайшие сроки проводят измерения. Яблоко прикладывают поверхностью к измерительной площадке и для исн ключения попадания в сферу постороннего света накрывают светонепроницаемым колн паком.

Энергия поступает к плодам в виде солнечной радиации и потока теплоты от окрун жающей среды. Поступившая энергия рассеивается тремя путями: излучением, конвекн цией содержащегося тепла и расходованием скрытой теплоты при транспирации.

Отсюда энергетический баланс яблока складывается следующим образом:

QS QV QDL QR QI QV QE QF, где, Q - общая солнечная радиация, Дж;

S QV - теплообмен с окружающей средой путем адвекции, Дж;

Q - длинноволновая радиация из внешней среды, Дж;

DL Q - отражаемая плодами радиация, Дж;

R Q - радиация, излучаемая плодами, Дж;

I QV - теплообмен с окружающей средой путем конвекции, Дж;

Q - скрытая теплота, теряемая при транспирации, Дж;

E Q - энергия, используемая на метаболические процессы, в основном на F фотосинтез, Дж.

Формула кинетики нагрева яблока, на которое падает поток света, выглядит следун ющим образом:

Q 1e S t T, mc T k (6.2.2) S где Т - температура поверхности яблока, оС;

ябл k - корректирующий коэффициент теплоотдачи и потока радиации, достин гающей поверхности яблока, отн.ед.;

m - масса яблока, кг;

с - удельная теплоемкость яблока (воды), 4,19 кДж/(кг К);

- коэффициент теплоотдачи, 5.6+4v Вт/(м2 К);

S - площадь половины яблока, м2;

t - время действия светового потока, ч.

Т - температура воздушной среды, оС;

возд Поток тепла от солнца к яблоку составляет от 540 до 1000 Вт/м2 (Д. Гайнике) и мен няется в зависимости от времени суток. Скорость ветра в саду принята равной v = 1 м/с.

Масса плода, исходя из среднего диаметра яблок 0,075 м, составляет 0,14 кг.

Установлено, что основной теплообмен происходит через теплоотдачу между яблон ком и окружающей средой:

QV S tT T , где - коэффициент теплоотдачи, 5,6+4v Вт/(м2 К);

S - площадь поверхности, через которую происходит теплоотдача, м2;

t - продолжительность процесса теплоотдачи, с;

T - температура поверхности яблока, оС;

ябл T - температура окружающей среды (воздуха), оС.

возд На рис. 3 приведена зависимость нагрева яблока от температуры воздуха, как с солн нечной стороны яблока, так и внутри кроны. В отдельных случаях при переменной обн лачности солнечное излучение может вызывать перепады температуры ткани плода.

При высокой интенсивности света в полуденные часы происходит ингибирование фотон синтеза.

Солнечная и теневая стороны яблока испытывают воздействие солнечного излучен ния, причем на солнечную сторону воздействуют как прямые солнечные лучи, так и расн сеянные, на теневую сторону яблока только рассеянные.

Анализ температуры воздуха и динамики разрушения хлорофиллов показывает, что на созревание плодов влияет весь вегетационный период. Увеличение продолжин тельности воздействия температуры приводит к снижению отношения коэффициентов отражения R /R поверхности яблок (рис. 4). По физическим показателям при провен 750 7дении измерений в течение нескольких дней определяется динамика созревания по фин зическим показателям и находятся оптимальные сроки съема. При хранении плоды этон го срока съема будут обладать наилучшими органолептическими свойствами самое прон должительное время из всех других сроков съема. Во время хранения температурные рен жимы влияют на сохранность, что влияет на оптические и электрические характеристин ки ткани яблок.

1.3y = 0.0309x2 - 0.4147x + 21.149 1.3R2 = 0.R2 = 0.1.230 1.2R2 = 0.25 1.1R2 = 0.1.1y = 0.0216x2 - 0.1398x + 15.9R2 = 0.R2 = 0.1.05 R2 = 0.1.02000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2810 15 20 25 30 35 Температура воздуха, оС Сумма активных температур, оС Рис. 3. Зависимости нагрева яблока от Рис. 4. Зависимости отношения коэффин температуры воздуха. 1 - солнечной стороны циентов отражения R /R поверхности 750 7яблока, 2 - теневой.

яблока от температуры воздуха вегетацин онного периода по годам: 1 - 5 - 2003-07 гг.

В качестве рабочих гипотез для определения зрелости плодов выдвинуты следуюн щие:

1. Оптимальные сроки съема плодов можно определять по величине отношения электросопротивлений r /r, где высокий уровень отношения показывает более высокий 1 потенциал плодов по функциональному состоянию для хранения.

2. Снижение отношения коэффициентов отражения R /R в кожице плодов до 750 7определенного уровня показывает оптимальность срока съема для хранения, при котон ром плоды меньше всего будут поражаться физиологическими расстройствами.

3. Изменение показателей по электросопротивлению и отношению коэффициентов отражения R /R сопровождается определенными периодами, влияющими на качество 750 7плодов и определяющими оптимальность сроков съема плодов, и зависящими от того, на какой стороне яблока проводятся измерения: солнечной или теневой.

4. Снижение отношения коэффициентов отражения R /R в кожице плодов до 750 7определенного уровня при хранении показывает время окончания хранения.

5. Снижение отношения коэффициентов флуоресценции F /F, индукции флуон 685 7ресценции I =(F )/F до минимального значения показывает оптимальность срока хл m-F s s съема для хранения.

Изменение отношения коэффициентов отражения R /R в плодах происходит по 750 7нелинейному закону, представленному на рис. 5. Плавное снижение содержания отнон шения коэффициентов отражения R /R до определенного уровня, например: 10%, пон 750 7кажет оптимальный срок съема. Имеются две критические точки t и t. Также контролин 1 руется изменение электрического сопротивления (рис. 6).

Установлены многоэкстремальные периодические процессы, отражаемые физичен скими показателями во время созревания плодов. Данные процессы характерны для всех о 77R /R, отн.ед.

Температура яблока, С физических показателей. Так при изменении электрического сопротивления ткани плон дов наблюдаются аналогичные периодические процессы. Установлено, что при достин жении максимумов электрического сопротивления плоды имеют оптимальную степень зрелости, причем t > t, где t - наиболее оптимальный срок съема. В течение двух нен 2 1 дель до предполагаемого съема проводится измерение отношения коэффициентов отран жения R /R поверхности плодов.

750 7Снижение уровня отношения коэффициентов отражения R /R до минимума на 750 7теневой стороне, примерно до 5-10% относительно солнечной стороны, может характен ризовать оптимальный срок съема. По распределению значений хлорофилла в кожице яблок определяют количество яблок, склонных к поражению загаром и его интенсивн ность.

Б Б А 4 А Б Б t t1 tt0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 Время, дни Время, дни Рис. 5. Изменение отношения коэффицин Рис. 6. Изменение электрического сопрон ентов отражения R /R поверхности тивления ткани плодов при их осеннем 750 7плодов при их осеннем созревании. созревании.

Плод, находясь на дереве, подвергается многочисленным воздействиям внешней среды и к моменту уборки достигает определенного физиологического состояния. Торн можение полного созревания под действием низких температур начинается с этого мон мента. Развитие плодов, предшествующее этому состоянию, каждый год протекает по разному вследствие метеорологических колебаний и изменений агротехники. Рано или поздно убранный плод имеет различную физиологическую стадию развития; его созрен вание в холодильной камере может быть неодинаковым.

Контроль качества плодов происходит каждый день при их созревании. Во время хранения отношение коэффициентов отражения R /R изменяется по определенной 750 7зависимости, которая в основном нелинейна и асимптотически достигает минимального уровня. И это может служить окончанием сроков хранения. Изменение температуры мон жет привести к уменьшению срока хранения.

Анализ показал, что в основном используются два метода: измерение оптических и электрических характеристик ткани плодов. Причем оптические методы подразделяютн ся на два основных: измерение коэффициентов отражения и флуоресценции. Анализин руя зрелость плодов по двум показателям: электросопротивлению ткани плодов и отран жению их поверхности, следует отметить, что по каждому показателю можно опреден лить оптимальную степень зрелости. По электросопротивлению - это будет максимум отношений коэффициентов электросопротивления, по отражению - минимум отношен ния коэффициентов отражения.

Преимуществом разработки и использования приборов экспресс-анализа является то, что для их реализации используются неразрушающие методы, позволяющие в реальн ном масштабе времени оценить качество плодов и своевременно принять решение по управлению процессом уборки.

r /r, отн.ед.

77R /R, отн.ед.

В третьей главе определены показатели объектов исследования, приборы и оборун дование, изложено планирование экспериментов, а также методики анализа качества плодов во время хранения и измерения физических показателей.

Объектом исследования являлись плоды Антоновки обыкновенной, снятые в разн ное время в саду. В период созревания плодов в саду измерения проводились через 5-дней, а при достижении предполагаемого оптимального срока съема - ежедневно. Для анализа использовались плоды двух вариантов: солнечная сторона плода, теневая сторон на плода солнечной стороны дерева. Измерения проводились не позднее 30 минут после съема. Отражение регистрировали при разрешающей способности не более 0,3 нм на двухлучевом спектрофотометре Specord м40 с использованием фотометрического шара с внутренним диаметром 110 мм (рис. 6) или с помощью приставки к спектрофотометру СФ-26 (рис. 7) на длинах волн: 485, 678, 700, 750 нм.

А Б Рис. 7. Схема (А) фотометрической сферы (Б) для измерения коэффициентов отран жения поверхности плода.

1 - сферическое зеркало, 2 - луч потока сравнения, 3 - плоское оборотное зеркало, 4 - измерительная плон щадка, 5 - сферическое зеркало, 6 - луч образцового потока, 7 - плоское оборотное зеркало, 8 - измерительная площадка для проб сравнения, 9 - фотоумножитель, 10 - ловушка для устранения блеска.

А Б Рис. 8. Схема (А) приставки (Б) к спектрофотометру СФ-26 для измерения коэффин циентов отражения поверхности яблок.

1 - световод, 2 - общий конец световода, 3 - бленда, 4 - объект измерения (яблоко), 5 - приёмный отводок световода, 6 - щель спектрофотометра СФ-26, 7 - выходной отводок световода, 8 - фотоэлемент СФ-26, 9 - прин способление для крепления общего конца световода, 10 - прижимное устройство объекта измерения, 11 - фиксин рующее устройство приёмного отводка световода, 12 - фиксирующее устройство выходного отводка световода, - кюветное отделение СФ-26.

В качестве эталона 100% отражения использовали сульфат бария. Плоды исследон вались с солнечной и теневой сторон дерева, с солнечной и теневой сторон плода, для чего плоды выбирались с заведомо выраженной солнечной и теневой сторонами. После измерений рассчитывают два показателя отношения коэффициентов отражения: R / 7R, (R )/R.

700 485-R 678 7При измерениях флуоресценции использовали блок монохроматоров с дифракцин онной решеткой спектрофлуориметра JY 3 CS, в качестве источника света применялась ксеноновая лампа и фотоумножитель R928S для регистрации флуоресценции (рис. 9).

Флуоресценцию возбуждали светом с длиной волны 470 нм, излучение регистрировали после 650 нм.

С целью разработки прибора по измерению коэффициентов флуоресценции поверхн ности плодов разработана приставка на основе (рис. 10).

А Рис. 9. Фото спектрофлуориметра с прин Рис. 10. Фото приставки для измерения ставкой (А) для измерения флуоресценн флуоресценции поверхности яблок.

ции поверхности яблок.

Для исследования электрических свойств яблок использовался широкополосный синфазный мост переменного тока, генератор синусоидальных сигналов ГЗ-7А, осцилн лограф С1-48Б, датчик с посеребренными электродами (рис. 11), а также мост универн сальный Е7-4 (рис. 12). Электроды датчика погружались в исследуемый объект, и на чан стотах 1, 5, 10, 50, 100, 200, 250 кГц определялись сопротивление и ёмкость соответн ствующих плеч моста по минимальному сигналу осциллографа, служащего индикатон ром балансировки моста.

R2 RR1-я С1-я С1 R1 R4 СО Г Рис. 11. Схема моста для измерения элекн Рис. 12. Фото моста универсального, генен трического сопротивления ткани яблока. ратора сигналов и контрольной аппаратун R, R, R Цсопротивления плеч моста, R - сопротивн 2 3 4 1-я ры для измерения полного электрическон ление яблока, С - емкость плеча моста, С - емкость 4 1-я го сопротивления ткани яблока яблока, С, R - подстроечные емкость и сопротивлен 1 ние для начального уравновешивания моста, О - осн циллограф, Г - генератор.

Отклонение среднего значения при количестве измерений от 4 до 10 максимально на длинах волн в диапазоне 500Ц700 нм, до 2% и минимально при длинах волн 500 и 7нм, от 0,6 до 1,1%. Установлено, что количество измерений можно ограничить 10-15, при которых погрешность минимизируется. Для того, чтобы коэффициент детерминан ции был не менее 0,7, нужно, чтобы опыты продолжались в сезон не менее 15 дней. Кон личество опытов в сезоне не менее 10. В каждом опыте не менее 10 измерений.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований оптин ческих характеристик плодов на стадии созревания, хранения, а также при воздействии внешних условий, исследованы методы созревания плодов на основе измерения элекн трического сопротивления их ткани.

На рис. 13 показаны спектры солнечной и теневой сторон яблока. Видно, что на тен невой стороне яблока происходит интенсивн ное поглощение в красной области спектра с максимумом 678 нм. На солнечной сторон не яблока, подвергавшейся интенсивному солнечному облучению, вследствие разрун шения хлорофилла, поглощения в данной области практически не наблюдается.

Рис. 13. Спектр отражения в видимой области спектра поверхности яблока. 1 - солн 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 8нечная сторона яблока, 2 - теневая.

Длина волны, нм Для разработки метода измерения коэффициентов отражения поверхности яблока, а также, для того чтобы определить неоднородность поверхности яблока по коэффицин енту отражения, были проведены измерения по периметру яблока поперечного максин мального диаметра. Измерения проводились на пяти длинах волн: 485, 550, 678, 700 и 750 нм. На рис. 14 показана схема воздействия на плоды яблони солнечного излучения.

Установлено, что коэффициенты отражения поверхности, которая имеет желтую окрасн ку на длинах волн 678 и 700 нм имеют большее значение, что характеризуется большим разрушением хлорофилла, а это свойственно солнечной стороне яблока.

Таким образом, в целях снижения разброса значений кон эффициента отражения, целесообразно учитывать зоны пон 1 верхности, которые подвергаются оценке. Исходя из рисунка, 2 3 таковыми являются с одной стороны поверхность яблока, обн лученная солнцем, с другой - диаметрально противоположная - теневая сторона яблока.

Рис. 14. Схема воздействия на плоды яблони солнечного излучения. 1 - солнечная сторона дерева, солнечная сторона яблока, 2 - солн нечная сторона дерева, теневая сторона яблока, 3 - теневая сторона дерева, теневая сторона яблока, 4 - теневая сторона дерева, солнечная сторона яблока.

Установлено, что дисперсия коэффициента отражения различна в зависимости от стороны яблока и от длины волны. Так на длинах волн 400-420 нм дисперсия более знан чительна, чем на теневой, вследствие большей разнородности яблок, так как степень обн лученности яблок солнцем различна. В то же время яблоки по коэффициенту отражения на длине волны 678 нм более однородны по солнечной стороне, чем по теневой. Также на длинах волн 550, 700 и 750 нм точность опыта более высокая, чем на длинах волн 4и 678 нм.

Отражение, % Если измерения проводить в случайном порядке не выделяя группы измерений по солнечной и теневой сторонам, то получим другие значения среднего, которые будут нан ходиться в диапазоне значений средних, если бы было проведено предварительное разн деление плодов на группы с солнечной и теневой сторонами. При измерении показателя зрелости R /R поверхности яблок как с разделением на солнечную и теневую сторон 750 7ны в 4 случаях из 19 доверительные вероятности средних показателя зрелости R /R 750 7солнечной и теневой сторон яблок пересекаются. Это показывает то, что нужно тщан тельней подходить к отбору яблок по солнечной стороне.

Разделение необходимо для того, чтобы исключить в отдельных случаях влияние тех или иных факторов, например: солнечной радиации. Таким образом, для того чтобы повысить точность измерения коэффициента отражения необходимо проводить измерен ния с учетом стороны яблока, подразделяя их на солнечную и теневую стороны. Метод разделения яблок при измерении величин отношения коэффициента отражения солнечн ной и теневой сторон яблок с предварительным их отбором дает большую точность (по доверительному интервалу), особенно по теневой стороне, чем со случайным располон жением при измерении. Величина доверительного интервала среднего уменьшается при измерениях на теневой стороне яблок с предварительным их отбором от 2,1 до 3,7 раз по сравнению со случайным расположением при измерении.

Точность при данных методах измерения и рассчитанном количестве повторностей не превышает 5%. Установлено, что изменение стандартного отклонения коэффициента отражения в спектральном диапазоне от 350 до 750 нм имеет минимальное стандартное отклонение в диапазонах спектра 430-500 нм и 700-750 нм.

Установлено, что предварительное разделение яблока на стороны дает распределен ние значений, характерное для каждой стороны, причем распределение значений коэфн фициента отражения, полученных на теневой стороне, имеет меньший разброс. Если солнечная сторона четко выражена, то значения имеют небольшой разброс в распреден лении значений и величины значений будут меньше, чем величины значений теневой стороны.

Отражение кожицы и ткани отличается на солнечной и теневой сторонах на длине волны 750 нм. Теневая кожица пропускает 43,1, 49,6, 53,1% на длинах волн 555, 700, 7нм соответственно, а солнечная 35,8, 48,5, 47,2%, т.е. теневая кожица пропускает и поглощает больше света вследствие того, что она тоньше и в ней находится больше хлон рофилла. При большей глубине свет с теневой стороны имеет большую возможность отн разиться от клеток на глубине ткани и высветиться обратно с поверхности яблока. Отран жение света (за исключением поглощенного пигментами и растраченным на тепло) сон ставляет то диффузное отражение поверхности плода, которое происходит как от пон верхности, так и с различных глубин ткани яблока. Установлено, что свет проникает в ткань яблока в основном (95%) на глубину 5-7 мм.

На солнечной стороне дерева солнечная сторона яблока имела отражение на 3% меньше, чем теневая. Это может быть связано с большей степенью зрелости, от уровня накопления восков на поверхности яблок и более плотной структуры ткани. Предполан гается также, что отражение лучистой энергии в области 725 нм осуществляется только структурными элементами ткани, и наличие пигментов в них не изменяет величины кон эффициента отражения. На рис. 15 и 16 представлены спектры отражения кожицы с ткан нью разной толщины солнечной и теневой сторон плода сорта Антоновка обыкновенн ная. Из рис. 16 и данных, полученных на тканях, отдельно от кожицы (на рисунке не пон казаны), следует, что хлорофилл находится не только в кожице яблока (в большей степен ни), но и в ткани.

В области спектров, характерных для каротиноидов, поглощение от времени увелин чивалось, солнечная сторона яблока адсорбировала в среднем на 5% больше, чем тенен вая, что, по-видимому, связано с большим содержанием каротиноидов. Отражение света в области спектра поглощения хлорофиллов несколько снизилось и стабилизировалось на уровне 55 % в варианте солнечная сторона яблока и дерева. Отражение теневой стон роны яблока достигло несколько меньшей величины (около 50 %) уже во время хранен ния, тогда как плоды более позднего срока съёма достигли такой же величины ещё в саду.

80 70 5 60 50 3 40 30 20 10 10 0 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 8Длина волны, нм Длина волны, нм Рис. 15. Спектры отражения кожицы с ткан Рис. 16. Спектры отражения кожицы с ткан нью солнечной стороны плода сорта Антон нью теневой стороны плода сорта Антоновка новка обыкновенная, дата съема 20 сентября обыкновенная, дата съема 20 сентября 202004 г., дата анализа 28 января 2005 г. г., дата анализа 28 января 2005 г.

1 - кожица 0.3 мм, 2 - кожица с тканью 1.2 мм, 3 - кон 1 - кожица 0.25 мм, 2 - кожица с тканью 1.1 мм, 3 - кон жица с тканью 3.5 мм, 4 - кожица с тканью 7.3 мм, 5 - жица с тканью 2.2 мм, 4 - кожица с тканью 4.3 мм, 5 - кожица с тканью 18 мм. кожица с тканью 7 мм.

Образцы кожицы с тканью толщиной до 20 мм на длине волны 750 нм на теневой стороне яблока и на солнечной пропускают свет одинаково. Установлено, что свет прон никает в ткань яблока в основном до 5-7 мм. На длине волны 700 нм теневая сторона яблока пропускает на 4-5% больше. На длине волны 555 нм, наоборот, солнечная сторон на яблока пропускает на 2-4% больше. Установлено, что плоды сортов Лобо, Россон шанское полосатое и Карповское имеют толщину кожицы равную 151,86,0, 150,83,5 и 147,73,9 мкм на солнечной стороне яблока и 151,57,4, 128,33,5 и 132,83,9 мкм на теневой стороне соответственно. Известно, что толщина кожицы плода сортов Джонан тан и Старкинг равна в пределах 20-70 мкм. У плодов сорта Антоновка обыкновенная толщина кутикулы 19-23 мкм, толщина поверхностного воска 3 мкм.

Учитывая, что при прогнозе качества плодов во время съема, возможна некоторая погрешность метода, то в связи с этим в течение 2-3-х месяцев после начала хранения производится контроль качества и его дальнейший прогноз с целью уточнения и коррекн тировки сроков съема с хранения. Таким образом, осуществляется контроль качества плодов во время хранения. Для определения методики контроля качества на ранней стан дии хранения проведены эксперименты в течение всего периода хранения с целью выявн ления и установления прогнозирующих зависимостей.

На рис. 17 представлено изменение функции коэффициента отражения R /R пон 750 7верхности яблок и 1-й производной функции коэффициента отражения R /R поверхн 750 7ности яблок во время хранения сортов яблок Флорина, Мутцу и Корей.

По достижению производной нулю, т.е. когда изменение коэффициента отражения R /R поверхности яблок прекратилось и яблоки исчерпали свой запас к дозреванию, 750 7следует считать временем съема плодов с хранения. Так в данном случае для сорта Флон рина это будет 18 января, для сорта Мутцу - 15 января, для сорта Корей - 18 апреля, а для сорта Ренет Симиренко - 28 мая.

Проведены исследования по обоснованию выбора частот электрического тока, пан раметров датчика электрического сопротивления, приведены результаты исследований Отражение, % Отражение, % влияния созревания плодов на электрическое сопротивление их ткани, влияния сроков съема плодов на электрическое сопротивления их ткани, а также результаты эксперин ментов по исследованию влияния времени хранения плодов на электрическое сопротивн ление их ткани.

0,02,0,00А Б 0,01,0,001,0,04 1,0,000,01,1 0,001,7 авг 6 сен 6 окт 5 ноя 5 дек 4 янв 3 фев 5 мар 4 апр 4 май 26 сен 15 ноя 4 янв 23 фев 14 апр 3 июн Время, дни Время, дни Рис. 17. Изменение функции отношения коэффициентов отражения R /R пон 750 7верхности яблок (А) и ее 1-й производной во время хранения (Б).

1 - сорт Флорина, 2 - сорт Мутцу, 3 - сорт Гранни Смит, 4 - сорт Корей, 5 - сорт Ренет Симиренко.

Для расчета погрешности измерения электрического сопротивления при таком недопогружении электродов не только из-за естественной кривизны поверхности яблока как сферы, но и от разницы в размерах радиуса яблока используем зависимость 0.60R1 85.1575r1 r12 l полученную при частоте электрического тока 1 кГц и длин не электродов 5 мм. Показано, что погрешность не превышает 1% при расстоянии межн ду электродами до 6 мм. На рис. 18 показаны зависимости электрического сопротивлен ния от глубины погружения электродов датчика в ткань яблока.

y = 85.1566x-0.60Рис. 18. Зависимость электрического сопрон R2 = 0.99тивления ткани яблока от глубины погружения в y = 58.906x-0.68нее электродов при фиксированном расстоянии 40 R2 = 0.992 y = 52.909x-0.89R2 = 0.9957 между электродами.

1, 2, 3 - сопротивление на частотах переменного элекн трического тока 1, 10 и 20 кГц соответственно.

0 2 4 6 8 10 12 Установлено, что наибольшую ёмкостную Глубина погружения электродов, S, мм составляющую имеет неповрежденная ткань яблока с кожицей, затем ткань и небольшую ёмкость имеет кожица плода (табл. 1).

Электрическое сопротивление (ЭС) ткани плодов достигает максимума, когда в плодах образуется в том числе больше углекислого газа, который характеризует момент подъема климактерического дыхания. При максимальном ЭС транспирация плодов мин нимальная. Т.е. следует предположить, что воды в плодах мало. С увеличением содерн жания воды в поверхностной ткани плодов, ЭС - снижается.

Таблица 1. Зависимости емкости ткани плода от частоты тока.

Уравнение зависимости емкости (мкФ) Вариант Коэффициент детерминации ткани от частоты тока (кГц) Ткань яблока с кожицей C = -0,39ln f + 2,1 (f = 0,1Е200 кГц) R2 = 0,Ткань яблока C = -0,07ln f + 0,39 (f = 0,1Е200 кГц) R2 = 0,Кожица C = -0,2ln f + 1,09 (f = 0,1Е200 кГц) R2 = 0,При измерениях электросопротивления ткани яблока электроды датчика поочередн но вводят в ткань солнечной и теневой сторон яблока на глубину около 5 мм. Расстоян ние между электродами 5 мм. В качестве показателя качества яблока определяют отнон шение электрических сопротивлений двух частот: К = r /r, где r - электрическое сон 1 10 dF/dt 77R R, отн.ед.

кОм Электрическое сопротивление, R, противление на частоте 1 кГц, Ом, r - электрическое сопротивление на частоте 10 кГц, Ом.

В качестве основного внешнего фактора, влияющего на электрическое сопротивлен ние, рассматривают температуру. Определяют зависимость электрического сопротивлен ния от температуры и проводят перерасчет электрического сопротивления или отношен ния К для того, чтобы исключить влияние температуры. Например, приводят все полун пр Кпр Кизм а в Тизм Кченные значения к температуре 18 оС по формуле:, где К - изм измеренное отношение электрического сопротивления; а, в - коэффициенты регрессии калибровочного уравнения, полученного по результатам предварительного исследован ния; Т - температура плодов в момент измерения электрического сопротивления; К - изм отношение электрического сопротивления при температуре плода 18 оС.

Проведен расчет погрешности от частоты электрического тока при измерении элекн трического сопротивления ткани яблока. Для ткани яблока с кожицей электрическое сон противление рассчитывалось по формуле:

r 2,0338ln f 12,771 ( f = 0,1Е200 кГц).

Для ткани яблока по формуле:

r 4,1588ln f 25,7( f = 0,1Е200 кГц).

Рассчитывались доверительные интервалы средних значений и определялись чан стоты, при которых не происходило пересечения их доверительных интервалов.

Экспериментально установлено, что доверительный интервал среднего значения электрического сопротивления снижается при изменении частоты от 0,1 кГц до 15 кГц с 2,5 до 2 кОм. Из расчетов следует, что средние значения электрического сопротивления ткани яблока на частотах 1 и 10 кГц отличаются с вероятностью 100%. Например, на чан стоте 1 кГц электросопротивление ткани яблока r = 29,0 3,4 кОм, измеренное на солн нечной стороне яблока и 30,1 3,2 кОм - на теневой стороне, для частоты 10 кГц r = 18,2 1,5 кОм - на солнечной стороне яблока и 18,3 1,7 кОм на теневой стороне. В кан честве доверительного интервала показано утроенное значение стандартного отклонен ния.

С целью обоснования метода контроля качества яблок проведены эксперименты по анализу различных структур плода: ткань с кожицей, ткань и кожица (рис. 19). Учитын вая, что изменение электрического сопротивления на низких частотах несколько превосн ходит электрическое сопротивление на высоких частотах, представляется возможным выбрать две частоты: низкую и высокую, где высокая частота может служить опорной частотой.

0,2.0,0,4 ткань с кожицей 0,1 - кожица плода, R2 = 0,0,3 1.2 - ткань плода, R2 = 0,3 - ткань плода с кожицей.

0,25 R2 = 0,ткань 0,0,кожица 0.0,0,0 50 100 150 200 250 30 50 100 150 200 250 3Частота, кГц Частота, кГц Рис. 19. Электрические характеристики различных структур плода.

Установлено, что с увеличением частоты проводимость исследуемых объектов возн растает, причём у неотделённой ткани с кожицей возрастание проводимости более знан -Ёмкость, х10 мкФ Проводимость, См чительно, чем по отдельности. Наибольшую проводимость имела ткань плода вместе с кожицей, наименьшую - ткань плода.

Проведен анализ плодов на содержание в них внутритканевых газов, содержание кальция, замерялась твердость ткани плодов, их масса. Получены зависимости между электрическим сопротивлением ткани плодов и данными основными показателями их качества. Установлена наиболее значимая взаимосвязь между электрическим сопротивн лением ткани и углекислым газом (r = 0,6) и кальцием (r = 0,8), содержащимися в плон дах. Кальций, влияя на прочность мембран клеток, косвенным образом увеличивает электрическое сопротивление ткани плодов, межклеточное пространство, заполненное соком и растворенным в нем углекислым газом также способствует увеличению элекн трического сопротивления плодов. Процессы дыхания плодов во время созревания, изн меняющие содержание углекислого газа в ткани способствуют изменению их электричен ского сопротивления. Этилен и кислород, как более нейтральные в электрическом отнон шении газы, в меньшей степени связаны с электрическим сопротивлением ткани. Покан зательно, что кислород имеет обратную зависимость по отношению к углекислому газу.

В пятой главе исследованы периодические процессы коэффициентов отражения поверхностной ткани плодов и полного электрического сопротивления ткани плодов, определены их характеристики.

Максимальная степень зрелости плодов сопровождается увеличением электричен ского сопротивления ткани. На рис. 20 показано изменение отношения электрических сопротивлений r /r в период созревания. Видно, что также наблюдаются периоды в изн 1 менении электрического сопротивления, аналогичные во все годы исследований. Из рин сунка видно, что к моменту оптимального созревания показатель r /r достигает максин 1 мального значения.

2.Рис. 20. Изменение отношения элекн 1.1.трических сопротивлений r /r ткани плода 1 1.1.80 в период созревания.

1.1.Практически каждый год при измерен 1.1.ниях коэффициентов электрического сон 1.противления ткани плодов, отражения и 1.26 авг 31 авг 5 сен 10 сен 15 сен 20 сен 25 сен флуоресценции F поверхности плодов во 6Время, дни время их созревания наблюдались изменен ния данных коэффициентов по сложной нен линейной зависимости (рис. 21, 22). Воспроизводимость подобного явления позволила предположить, что плодам свойственны периодические процессы, наличие которых можно фиксировать по изменению физических показателей.

При анализе данных сделан вывод, что величины периодов в изменении физичен ских показателей находятся в пределах 5-10 дней. Таким образом, данные периодичен ские изменения в зрелости плодов приходятся на период уборки и повторяются 2-3 раза.

Наблюдаются и более продолжительные периоды в 30 дней при измерении электричен ского сопротивления ткани яблока. Сравнительный анализ физических методов между собой показывает, что периоды по каждому из показателей соизмеримы. Развитие пон терь плодов от загара во время хранения тоже происходит неравномерно в зависимости от дня съема, т.е. на каждый день созревания яблок на него воздействуют различные внешние условия.

В результате проведения анализа данных по коэффициенту отражения спектральн ным анализом Фурье получены периоды изменения коэффициента отражения. Из аналин за следует, что период в изменении отношения коэффициентов отражения R /R пон 750 7R /R, отн. ед.

верхности яблок Антоновки обыкновенной на теневой стороне яблока равен в среднем 6,1 дням. Или от 5,4 до 6,8 дней. На солнечной стороне коэффициент отражения меняетн ся от 5 до 5,2 дней.

В распределении погрешности среднего, т.е. в изменении неоднородности плодов по флуоресценции хлорофилла существует периодичность. Причем, неоднородность возрастает при увеличении среднего значения интенсивности флуоресценции. Здесь такн же наблюдается совпадение периодов, связанных с интенсивностью и погрешностью.

Периоды за сентябрь во время созревания составили: 9,3 и 14 дней, во время хранения:

41,9 и 62,8 дней, что в 4,5 раза больше, чем во время созревания. Это может быть покан зателем того, на сколько замедляются процессы созревания во время хранения.

1.1,1.А Б 1.1,1.1,1.1.1,1.1,1.1,6 1.1.1,1.26 авг 29 авг 1 сен 4 сен 7 сен 10 сен 13 сен 16 сен 19 сен 1,10 авг 15 авг 20 авг 25 авг 30 авг 4 сен 9 сен 14 сен 19 сен Время, дни Время, дни Рис. 21. Изменение отношения электрических сопротивлений r /r (А) ткани плода 1 и коэффициентов отражения R /R (Б) поверхности плода в период созревания.

750 71Рис. 22. Изменение флуоресценции 1F поверхности плода в период созреван 6100 ния.

60 Определен переходный процесс по 40 электрическому сопротивлению ткани плон да после помещения яблока из температурн 0 ных условий хранения Т=3-4 оС в темперан 13 авг 23 авг 2 сен 12 сен 22 сен турные условия Т=18-20 оС. Установлено, Время, дни что значение периода гармоники, которая наиболее приближена к графику, равно дням. Для оценки периодичности переходного процесса электрического сопротивления в течение одного дня получены основной период равный 4 часам и две гармоники с пен риодами: 1 час 20 мин и 2 часа.

Во время роста и созревания плодов наблюдаются периодические процессы в измен нении электрического сопротивления. Рассмотрены некоторые свойства плодов, котон рые могли бы влиять на данный показатель. Показано изменение электрического сопрон тивления ткани яблок и убыли массы плодов во время созревания в июле-сентябре.

Установлено, что плоды, имеющие наибольшую транспирацию, имеют наименьшее электрическое сопротивление.

Сравнивая зависимости переходного процесса с зависимостями изменения электрин ческого сопротивления ткани яблока в вегетационный период, т.е. на дереве, следует отн метить совпадение размаха колебаний по амплитуде. На дереве изменения электричен ского сопротивления ткани яблока происходят с периодом приблизительно 30 дней.

Известно, что на созревание плодов влияют метеорологические условия, которые изменяются с определенной периодичностью. Физические показатели, оценивающие зрелость плодов, регистрируют возникающие периодические процессы в плодах. Данн R 7/R 7, отн.ед.

10, отн.ед.

r /r нм, отн.ед.

Интенсивность флуоресценции, 6ные процессы наблюдаются и при изменении содержания крахмала в плодах и их трансн пирации.

Учет данных периодических процессов позволяет своевременно отслеживать урон вень зрелости плодов - она нелинейна, и своевременно принимать решения о начале съема плодов, повышая точность оценки зрелости, а также контролировать процесс пон следующего созревания плодов во время хранения, прогнозируя и планируя время хран нения плодов.

В шестой главе рассмотрена практическая реализация системы контроля в технологическом процессе созревания, уборки и хранения яблок, модель прогнозирования качества плодов, прогноз оптимальных сроков съема плодов в саду, развития загара плодов во время хранения, оптимальных сроков съема плодов с хранения, разработан алгоритм системы контроля качества плодов, осуществлена техническая реализация системы контроля качества яблок.

Основные задачи, решаемые при контроле качества плодов, определены алгоритн мом контроля зрелости и качества плодов. Основными неуправляемыми факторами, влияющими на созревание плодов являются: температура окружающей среды, солнечн ное излучение, осадки. Для того, чтобы определить оптимальные сроки съема плодов в саду и с хранения, разработаны методы их расчета с использованием измерения коэффин циента отражения R /R.

750 7Учитывая, что содержание основных пигментов в плодах, в частности, хлорофилла зависит от климатических условий, которые в основном определяют созревание плодов, проводилось измерение коэффициента отражения R /R, как интегрального показатен 750 7ля созревания яблок. Плоды непосредственно в саду до начала рабочего дня анализирун ют в нескольких точках на солнечной и теневой сторонах по коэффициенту отражения R = R /R кожицы, коэффициенту электрического сопротивления К = r /r, коэффин хл 750 700 1 циенту флуоресценции F = F /F.

685 7Во время съема также прогнозируют по коэффициенту отражения R /R кожицы 750 7теневой стороны яблока степень поражения плодов загаром при хранении (рис. 23). По распределению значений измерения коэффициента отражения R /R при каждом изн 750 7мерении рассчитывается процент предполагаемого загара и его интенсивность. По полун ченному прогнозу принимается решение об уборке плодов. Если прогноз загара значин телен, более 10%, то уборка откладывается до следующего дня или принимается решен ние об обработке ингибитором загара с соответствующим расчетом концентрации прен парата.

Рис. 23. Прогноз потерь плодов от 1загара по отношению коэффициентов отн 80 R = 0,ражения R /R.

750 7После съема яблок в саду в этот же 30 Расчет день проводят первое измерение отражен Факт ния кожицы выборки яблок и по формуле K = f(R - R )/R определяют К солн 678 485 71.000 1.050 1.100 1.150 1.200 1.250 1.3нечной и теневой сторон яблока, после, отн.ед.

R750/R7чего яблоки закладывают на хранение, где отмечают всю партию яблок данного срока съема и в течение первых двух месяцев хранения еженедельно проводят измерен ние отражения кожицей одной и той же выборки яблок каждого дня съема. Учитывая, что яблоки с хранения начинают реализовать с декабря, до этого времени проводят анан лиз плодов, 2 - 4 раза в месяц по каждому сроку съема. По полученным данным опреден ляют зависимость времени хранения Д = а +b К от значений коэффициента отражен хр пр Загар, % ния, причем в качестве предельного значения будет являться значение коэффициента отн ражения К. Где a и b - коэффициенты регрессии, полученные по данным за первые 2-пр месяца хранения. Для различных сортов плодов, различающихся по степени созревания, устанавливают свои предельные значения коэффициента отражения К.

пр На рис. 24 показано определение оптимального срока съема плодов сорта Антоновн ка обыкновенная в саду по коэффициенту отражения R /R. Штриховыми горин 750 7зонтальными линиями показан уровень коэффициента отражения R /R солнечной 750 7стороны яблок по каждому году анализа.

На рис. 25 (кривая 1) показано время хранения плодов Антоновка обыкновенная в зависимости от сроков съема в саду по R, определяемым в области спектра поглощен хл-кар ния хлорофиллов и каротиноидов кожицей яблока на их теневой стороне. По данным рис. 16 можно определить, что оптимальными сроками съема для длительного хранения будут: 27 августа - 6 сентября. У яблок во время хранения при съеме после 6 сентября начинается процесс старения, это показано увеличением некоторого количества отходов плодов в результате их разложения (кривая 2). При отходах более 10% хранить плоды не рекомендуется.

Рассмотрена методика расчета погрешности среднего показателя зрелости, которая составляет s, это 2s единиц на день. Т.е. зрелость двух соседних дней практически ср ср будет одинакова. Таким образом, точность определения зрелости в днях будет составн лять 0.5 дня. Погрешности, например, значений показателя зрелости двух соседних дней пересекаются, следовательно, зрелость этих дней одинакова. Если изменение зрен лости за сутки составляет более 2s, то плоды имеют разную степень зрелости.

ср 300 1.250 1.200 1.150 1.Загар, % 100 1.3 50 1.2 1 3 0 1.17 авг 22 авг 27 авг 1 сен 6 сен 11 сен 16 сен 21 сен 26 сен 22 авг 27 авг 1 сен 6 сен 11 сен 16 сен 21 сен 26 сен 1 окт Сроки съема плодов в саду, дни Время, дни Рис. 24. Определение оптимального срока Рис. 25. Определение времени хранения плон съема плодов сорта Антоновка обыкновенная дов по отношению коэффициентов отражен в саду по коэффициенту отражения R /R. ния их поверхности в зависимости от сроков 750 7Сроки съема: 1 - 7 сентября 2005 г., 2 - 12 сентября съема в саду. 1 - время хранения плодов, 2 - разлон 2007 г., 3 - 16 сентября 2006 г., 4 - 22 сентября 2004 г., жение плодов, 3 - потери плодов от загара.

5 - 27 сентября 2003 г.

Учитывая, что каждый сорт яблок имеет свой уровень содержания хлорофилла в кожице, определенный генетически, для расчета оптимальной даты съема была разрабон тана унифицированная методика определения даты съема для каждого сорта яблок.

По зависимости изменения R Антоновки обыкновенной:

хл 0,00669329D 254,66206880, R хл рассчитано значение R на 31 августа. Оно равно R = 1,227. Таким же образом по хл хл зависимостям табл. 2 рассчитаны значения R для каждого сорта на 31 августа. Из знан хл чения R = 1,227, как базового, вычитают значения R для каждого сорта. Это и будет хл хл, отн. ед.

дни 77Разложение, % R /R Время хранения плодов, поправочный коэффициент при расчете сроков съема (табл. 3). По данным зависимон стям рассчитаны оптимальные даты съема плодов в саду (рис. 26).

Таблица 2. Динамика созревания плодов по уравнению регрессии, рассчитанного по отношению коэффициентов отражения R /R.

750 7Сорт Уравнение регрессии Сорт Уравнение регрессии Ренет золотой R = 0,00426956 D + 162,89810700 Кортланд, R = 0,00475250 D + 181,228754хл хл курский, 80 кв. 33 квартал Северный син R = 0,00389483 D + 148,94413706 Апрельское, R = 0,00588656 D + 224,695867хл хл нап, 83 квартал 83 квартал Лесостепное, 83 R = 0,00871395 D + 331,64866957 Россошанское R = 0,00555506 D + 211,829926хл хл квартал полосатое, 83 кв.

Таблица 3. Результаты расчетов оптимальных сроков съема плодов.

Поправочный кон Оптимальная дата съема Помологический сорт, Расчет R на эффициент отнон хл номер квартала 31 августа сительно R Анн хл Нижняя граница Верхняя граница тоновки Апрельское, 83 квартал 1,791 -0,563 18 сентября 23 сентября Кортланд, 33 квартал 1,261 -0,034 22 сентября 28 сентября Россошанское полосатое, 83 кварн 1,495 -0,268 23 сентября 27 сентября тал Ренет золотой курский, 80 квартал 1,219 0,009 25 сентября 1 октября Лесостепное, 83 квартал 1,853 -0,626 1 октября 4 октября Северный синап, 83 квартал 1,464 -0,237 1 октября 7 октября 1.4Рис. 26. Схема расчета оптимальной даты съен 1.3ма плодов в саду.

1.31 - Лесостепное, 2 - Северный синап, 3 - Ренет золотой курский, 4 - Антоновка обыкновенн 1.2ная, 5 - Апрельское, 6 - Кортланд, 7 - Россон 1.2шанское полосатое.

1.1y = 1.1 1.1Показано, что при снижении r /r 1 y = 1.01.0ткани плодов развитие на поверхности 1.022 авг 27 авг 1 сен 6 сен 11 сен 16 сен 21 сен 26 сен 1 окт плодов загара снижается (рис. 27). Пон Время, дни сле достижения r /r одного из максин 1 мальных значений, происходит снижен ние отношения r /r, что характеризует начало периода созревания. При достижении пон 1 требительской зрелости отношение r /r достигает минимального значения.

1 1Рис. 27. Зависимость развития заган ра яблок в декабре от отношения элекн трических сопротивлений r /r их ткани 1 во время съема.

40 y = -1106,27x2 + 3918,40x - 3383,R2 = 0,Во время хранения яблоки поражан ются побурением поверхности (загаром). На рис. 28 показано данное 1,500 1,550 1,600 1,650 1,700 1,750 1,800 1,850 1,900 1,9R1/R10, отн. ед. явления в зависимости от степени солн нечного облучения яблок. Плоды, снян тые в саду в оптимальный срок съема через несколько месяцев хранения будут иметь 77R /R, отн.ед.

Загар, % здоровый вид. Данная зависимость коррелирует с отношением коэффициентов отражен ния, что предполагает совместное их использование.

Рис. 28. Развитие побурения кожицы (загар) зен леных яблок (без антоциановой окраски) во время хранения проявляется исключительно на теневой их стороне.

Экспериментально установлено неизвестное ранее явление избиран тельного воздействия солнечного изн лучения на развитие побурения пон верхностной ткани яблок, заключаюн щееся в том, что в зависимости от направленности солнечного излучен ния на яблоки, содержащие в кожин це два основных пигмента: хлорофиллы и каротиноиды, на их поверхности, подвергн шейся воздействию прямых солнечных лучей, не развивается побурения кожицы яблок при холодном хранении через 2-4 месяца. Видимо, данное явление обусловлено повын шением антиокислительных свойств поверхностной ткани яблок, в то время, как на пон верхности яблока, облученной рассеянным солнечным светом, наблюдается возможное развитие побурения, тогда как, кожица яблок, имеющая в своем составе, кроме хлорон филлов и каротиноидов, антоцианы, может быть подвержена побурению после облучен ния прямыми солнечными лучами. Предполагается, что это является следствием экранин рования солнечного света определенных длин волн (М.Н.Мерзляк, О.Б.Чивкунова, 2000), который, по-видимому, ответствен за синтез веществ, обладающих антиокислин тельными свойствами.

Система контроля качества плодов при созревании и хранении предполагает полун чение информации о состоянии плодов с помощью приборов в процессе созревания и хранения и создание условий хранения с помощью оборудования, предназначенного для повышения качества яблок. В процессе созревания после получения информации о стен пени зрелости плодов при недостижении ими оптимальной зрелости для хранения прин нимается решение о досрочном их съеме с целью обеспечения непрерывного и необхон димого съема плодов. В связи с этим определяется степень зрелости и производится обн работка препаратами, которые рассчитываются в необходимой для этого концентрации, защищающими от физиологических расстройств плоды раннего съема,. На рис. 29 прин ведена структурная схема системы контроля качества яблок в процессе их созревания. В саду во время роста и созревания плодов на них воздействуют внешние факторы в вн виде погодных условий, включающих в себя в основном температуру воздуха, солнечн ное излучение и водообеспеченность.

В виде на плоды действуют неучтенные факторы, результатом которых могут явн с ляться, например, различной природы периодические процессы, протекающие в плодах.

В это время производится контроль зрелости яблок по электрическим и оптическим пон казателям. В результате организационной или иной необходимости яблоки могут быть сняты раньше оптимального времени. Для предохранения плодов от физиологических заболеваний, применяется обработка их защитными препаратами. Данные плоды заклан дываются на хранение и по отношению коэффициентов отражения производится контроль состояния зрелости и определяется время окончания хранения плодов.

вн с вн с Созревание Созревание вн с в саду в саду Съем Контроль Контроль Созревание оптимальный при хранении Съем Обработка препаратами ранний Съем с Контроль хранения Рис. 29. Структурная схема системы контроля качества яблок.

Перед обработкой яблок производится предварительный контроль степени зрелон сти яблок. Для этого разработан макет прибора для измерения коэффициентов отражен ния поверхности яблок (рис. 30).

Световод длиной 50 см с общим концом с одной стороны, с другой имеет восемь разветвлений, к четырем из них присоединяются интерференционные светофильтры, имеющие спектр пропускания, показанный на рис. 31, далее за фильтрами крепятся свен тодиоды, имеющие спектры испускания, соответствующие спектрам пропускания светон фильтров. К остальным отводкам крепятся фотодиоды, со спектральными характеристин ками, позволяющими регистрировать излучение, проходящее через систему: световодобъект исследования-световод-интерференционный светофильтр-светодиод. На общем конце световода находится прижимная бленда, обеспечивающая надежный фиксированн ный контакт с поверхностью яблока и предохраняющая от попадания внешнего света в оптическую систему. Спектральная характеристика световода показывает, что равнон мерное пропускание света через него обеспечивается в диапазоне 400-750 нм.

Расчет пропускной способности светофильтров будет определяться светофильтром с длиной волны в максимуме 466 нм, интегральной интенсивностью его спектра, равной 247 отн. ед.

Уменьшая интенсивность свечения светон диодов можно добиться равенства пропускной способности через фильтры с длинами волн в максимуме 546 и 700 нм. На рис. 32 показаны скорректированные спектры пропускания синего, зеленого и красного светофильтров.

Рис. 30. Макет прибора для измерения коэфн фициентов отражения поверхности яблок.

Расчеты показывают, что необходимо в 2,раза уменьшить интенсивность излучения СДКЛ525, а интенсивность излучения СДК-Б460 увеличить в 3,38 раза, чтобы все три светон фильтра пропускали одинаковое количество света.

Предварительно прибор калибруется относительно черного и белого тела. Данные должны соответствовать 0 В (черное тело) - соответствует 0% отражению и 5 В (белое тело) - соответствует 100% отражению. Световод общим концом прижимается к пон верхности яблока. Нажатием кнопки Пуск включается процедура последовательного включения светодиодов с длинами волн: 485, 678, 700 и 750 нм. Отраженный свет по световоду поступает в той же последовательности на фотодиод. Полученный сигнал кан либруется в соответствие со спектральной характеристикой фотодиода и поступает в микросхему памяти. Таблица в памяти формируется следующим образом. В столбцах матрицы фиксируются значения по каждому измерительному каналу, соответствующие коэффициентам отражения от поверхности яблока на указанных длинах волн. В строках формируются повторности измерений. Окончание процесса измерений определяется сигналом прерываний. Далее процесс измерений проводится в той же последовательнон сти с другим объектом. После завершения серии измерений данные передаются по шине на компьютер для последующей обработки и формирования базы данных.

Например, равенство коэффициентов отражения R, теневой стороны яблока и кон хл-т эффициента отражения R солнечной стороны яблока, предполагает оптимальный срок хл-с съема плодов.

190 466 нм 546 нм 700 нм 470 нм 522 нм Белый 2 400 450 500 550 600 650 700 750 8430 480 530 580 630 680 7Длина волны, нм Длина волны, нм Рис. 31. Спектры светофильтров с длиной волны Рис. 32. Скорректированные по интегральной пропускания в максимуме: 1 - 466 нм, 2 - 555 нм, 3 - интенсивности спектры пропускания светон 700 нм, и спектры светодиодов с максимальной длиной фильтров.

волны испускания излучения: 4 - 470 нм, 5 - 522 нм, 6 - белый широкий спектр (показан красный его участок).

На рис. 33 показана схема определения степени зрелости плодов по отношению кон эффициентов отражения поверхности плодов. Заштрихованная область представляет сон бой состояние недозрелости плодов по данным коэффициентам. Моменты времени t, t, 1 t представляют собой ранние сроки съема плодов в саду.

1,11,1Rхл-т 1,11,0Rхл-c 1,01,0t1 t2 t3 tопт 1,01,022 авг 27 авг 1 сен 6 сен 11 сен 16 сен Время, дни Рис. 33. Схема определения степени зрелости плон Рис. 34. Установка УЗП-15 для обработки плон дов по отношению коэффициентов отражения пон дов перед хранением защитными препаратами.

верхности плодов (пояснения в тексте).

В зависимости от величины значения R относительно R рассчитывается конн хл-т хл-с центрация препарата, равная максимальному значению за несколько дней до предполан гаемого оптимального срока съема. При достижении оптимального срока съема конценн трация препарата равна нулю, т.е. обрабатывать плоды не нужно.

Пропускание, % Интенсивность, отн.ед.

, отн.ед.

57R /R Предложенный способ обеспечивает при минимальном времени пребывания в устройстве полное взаимодействие раствора с поверхностью яблок, завершающее адн сорбционное взаимодействие, обеспечивает равномерное и достаточно полное покрытие поверхности каждого яблока по всей площади и высоте совокупности яблок и предотн вращает развитие такого физиологического заболевания яблок как субкутикулярное пон бурение кожицы - загар, позволяет снизить расход раствора (рис. 34).

Алгоритм контроля зрелости плодов перед хранением включает определение оптин мальных сроков съема, прогноз отходов плодов и время окончания сроков хранения включающее: подготовку приборов, корректировку методики и схемы процесса контрон ля, измерение коэффициентов отражения, электрического сопротивления, флуоресценн ции, формирование базы данных, расчет по уравнениям оптимальных сроков съема плон дов, расчет по уравнениям (прогноз) заболеваний, определение схемы уборки плодов, при необходимости производится расчет концентрации ингибиторов для обработки и обработка ингибиторами, либо уборка плодов в саду без обработки и закладка их на хран нение, в процессе хранения производится расчет оптимальной длительности хранения плодов.

Управляемым считается такой процесс, который при воздействии на него различн ными методами способствует выходу качественного и количественного потока плодов.

Новым в данном процессе является то, что на стадии созревания плодов в качестве метон дов контроля используются физические показатели, позволяющие при непрерывном процессе контролировать текущее состояние зрелости плодов, которое влияет на качен ство плодов во время хранения.

За весь период хранения прибыль по сорту Антоновка обыкновенная составила 1 650 000 рублей. Или в среднем 16,5 руб./кг.

На основании анализа зрелости плодов, предложены следующие рекомендации по оптимальным срокам их съема, рассчитанные по коэффициентам табл. 3. В табл. 4 предн ставлены фактические значения сроков съема плодов в плодовом хозяйстве ЦентральноЧерноземной Плодово-Ягодной Компании Воронежской области.

Таблица 4. Фактические сроки съема плодов и их объемы закладки на хранение.

Помологический сорт, № камен Объем плон Дата закладки ры дов, кг номер квартала Апрельское, 83 квартал 5 17 - 23 сентября 82 5Кортланд, 33 квартал 3 22 - 25 сентября 3 65 17 - 23 сентября 4 1Россошанское полосатое, 83 4 11 - 13 сентября 169 0квартал 6 12 - 17 сентября 168 5Ренет золотой курский, 80 2 26 сентября - 1 октября 32 2квартал 3 22 - 25 сентября 162 8Лесостепное, 83 квартал 2 26 сентября - 1 октября 20 03 22 - 25 сентября 38 8Северный синап, 83 квартал 2 26 сентября - 1 октября 94 95 17 - 23 сентября 100 5Итого: 877 4Проведен расчет дополнительного дохода и рентабельности хранения плодов по месяцам. Дополнительный объем сохраненных плодов составил 15% или 131 617,5 кг.

По месяцам хранения прибыль составила: декабрь 25 000 руб., январь 82 500 руб., февраль 550 000 руб., март 625 000 руб., апрель 159 263 руб. Итого за весь период хранен ния прибыль составила 1 441 763 руб.

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ 1. Разработана методология и методы контроля качества плодов на основе фин зических характеристик плодов во время их съема в саду, основанные на том, что измен нение электрических и оптических показателей происходит по нелинейному закону, а их экстремальные значения характеризуют оптимальные сроки съема плодов.

2. Предложена новая методика контроля созревания яблок с разделением их на две стороны: солнечную и теневую, в результате чего установлено, что это является наин более информативным показателем с одной стороны созревания, определяемого по солн нечной стороне яблока, на которой разрушение пигментов начинается раньше теневой примерно на две недели, а с другой стороны, как контроль развития потерь плодов во время хранения от загара.

3. Разработана модель контроля качества плодов во время хранения на основе изменения отношения коэффициентов отражения R /R, состоящая в том, что отношен 750 7ние R /R во время хранения стремится к значению равному единице, а производная 750 7функции отношения коэффициентов отражения R /R равна нулю, что является прин 750 7знаком окончания времени хранении плодов, а показатель (R - R )/R теневой стон 678 485 7роны яблока во время хранения достигает значения 0,5 при полном созревании плодов.

В качестве показателя зрелости плодов используются одно-трехкомпонентная система с использованием отношения коэффициентов отражения поверхности плодов R = R / хл 7R, R = (R ЦR )/R и отношения электросопротивлений ткани плодов на двух чан 700 хл-кар 678 485 7стотах r /r. Разработана модель прогноза сроков хранения, состоящая в том, что с одн 1 ной стороны, лимитирующим фактором является зрелость плодов, определяемая физин ческими показателями, с другой - физиологические заболевания плодов от недозрелости и их отходы от гнили, связанные со старением.

4. Установлены периодические процессы в изменении коэффициентов отражен ния во время созревания плодов, наблюдаются периоды с минимальной и максимальной интенсивностью данных процессов в плодах, затухающих при достижении ими полной зрелости. Показано изменение электросопротивления по периодическим циклам во врен мя вегетационного периода, по экстремальным значениям которых можно судить об опн тимальной стадии созревания плодов. Установлен периодический характер поражения яблок загаром в зависимости от срока съема, что позволяет определять оптимальные сроки съема плодов и при хранении избежать поражения яблок загаром.

5. Установлена корреляционная зависимость (r 0,8) между коэффициентом отражения R /R во время съема плодов и развитием загара на их поверхности через 750 7четыре месяца хранения. Показано, что по изменению 1-й производной функции отнон шения коэффициентов отражения R /R поверхности яблок в начальный период хран 750 7нения можно определить сроки съема с хранения, которые определяются значением 1-й производной, равной нулю. Установлено, что значения флуоресценции на длине волны 685 нм плодов теневой стороны яблока стремятся при созревании к уровню флуоресценн ции солнечной стороны яблока, так как эта сторона по своим качествам имеет свойства зрелого яблока. Отсюда, по равенству значений флуоресценции солнечной и теневой сторон яблока судят об окончании срока хранения плодов.

6. Установлено, что с увеличением степени зрелости плодов отношение коэфн фициентов электрического сопротивления К = r /r достигает своего максимального знан 1 чения. Установлены переходные, а также периодические процессы, происходящие в плодах в вегетационный период при нахождении плодов на дереве и после отрыва от материнского растения. Установлены несколько периодов в изменении показателя зрен лости во время хранения: 29,01,7, 62,88, 96,1 дней, а с увеличением продолжительнон сти хранения, периодичность отношения увеличивается, примерно с 31,4 до 32 дней.

7. Установлено, что на солнечной стороне яблока периодичность в изменении отношения коэффициентов отражения R /R равна 10,9 дней, на теневой 21,6 дня, крон 750 7ме того, имеются еще малые циклы - 4,6 дней на солнечной и 5,3 дня на теневой сторон нах яблока. Установлено, что по мере созревания яблок флуоресценция хлорофилла снан чала возрастает, затем снижается, а у пораженных загаром яблок интенсивность флуон ресценции по мере его увеличения снижается. Установлены периоды в изменении инн тенсивности флуоресценции 5,6 и 9,3 дней. Показано, что в распределении погрешнон стей показателей качества плодов во время их созревания наблюдается периодичность в 7,3 дней.

8. Разработан алгоритм контроля качества плодов, на основе чего производится прогноз качества плодов и при необходимости обработка защитными препаратами, снин жающая физиологические и паразитарные заболевания. Проведена оценка точности контроля зрелости и прогноза качества яблок, где показано, что данные физические мен тоды позволяют контролировать зрелость плодов с точностью до двух дней.

9. Приведены результаты практической реализации системы контроля качества яблок на примере плодового хозяйства Центрально-Черноземной Плодово-Ягодной Компании Воронежской области и УАгрофирмы Сад-ГигантФ, Краснодарского края.

Дана экономическая оценка системы контроля качества яблок. За весь период хранения плодов прибыль по сорту Антоновка обыкновенная составила 1 650 000 рублей. Или в среднем 16,5 руб./кг. Определение оптимальных сроков съема плодов в плодовом хозяйн стве Центрально-Черноземной Плодово-Ягодной Компании Воронежской области дало дополнительный объем сохраненных плодов в размере 131 617,5 кг., что составило за весь период хранения прибыль в размере 1 441 763 руб.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК 1. Родиков, С.А. Отбор проб внутритканевых газов из яблок [Текст] / С.А. Родиков // Сан доводство и виноградарство. - 2000. № 2. - С.6.

2. Родиков, С.А. Экспресс-диагностика зрелости яблок [Текст] / С.А. Родиков // Садон водство и виноградарство. - 2001. № 1. - С.9-12.

3. Родиков, С.А. Некоторые особенности измерения твёрдости и плотности яблок при созревании [Текст] / С.А. Родиков // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2002. № 11. - С.59-60.

4. Родиков, С.А. Оценка степени загара яблок при хранении [Текст] / С.А. Родиков // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2003, № 9. - С.69-70.

5. Родиков, С.А. Интенсивность синтеза этилена в плодах Антоновки обыкновенной при хранении [Текст] / С.А. Родиков // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2003, № 11. - С.76.

6. Родиков, С.А. Влияние температуры воздуха и солнечного излучения на повреждение яблок ожогами во время вегетации / С.А. Родиков [Текст] // Вестник РАСХН. - 2004, № 3. - С. 56-57.

7. Родиков, С.А. Опыт обработки плодов антиоксидантами перед закладкой на хранение в садоводческих хозяйствах [Текст] / С.А. Родиков // Хранение и переработка сельн хозсырья. - 2004, № 4. - С. 28-29.

8. Родиков, С.А. Исследование взаимосвязи коэффициентов отражения света и содержан ния хлорофиллов и каротиноидов в кожице яблок [Текст] / С.А. Родиков // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2006. № 3. - С. 30-31.

9. Родиков, С.А. Определение зрелости яблок [Текст] / С.А. Родиков // Хранение и перен работка сельхозсырья. - 2007. № 5. - С. 40-42.

10. Родиков, С.А. Влияние температурных условий вегетационного периода на содержан ние хлорофиллов в кожице яблок [Текст] / С.А. Родиков // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2007. № 10. - С. 10-12.

11. Родиков, С.А. Новые данные о влиянии солнечного излучения и -фарнезена на развитие побурения поверхностной ткани яблок при хранении [Текст] / С.А.Родиков // Доклады РАСХН. - 2008. № 3. - С. 21-23.

12. Родиков, С.А. Флуоресценция хлорофилла поверхности яблок при созревании и хранении [Текст] / С.А. Родиков // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2009. № 8.

- С. 33-34.

Публикации в других изданиях 13. Родиков, С.А. Исследование электрических свойств плодов яблони [Текст] / С.А. Рон диков // Теоретическая и прикладная карпология: Тез. докл. Всесоюзной конференн ции. - Кишинев, "Штиинца", 1989. - С. 298-299.

14. Родиков, С.А. Построение математической модели электрофизических параметров плода [Текст] / С.А. Родиков // Математическое моделирование в садоводстве: Сб.

научн. тр. Мичуринск, 1990. - С. 57-62.

15. Гордеев, А.С., Родиков С.А. Установки для обработки плодов защитными препаратан ми перед закладкой на хранение [Текст] / А.С. Гордеев, С.А. Родиков // Садоводство и виноградарство. - 1991. № 8. - С. 8-10.

1. Родиков, С.А. Технологические предпосылки и новые технические решения обран ботки плодов защитными препаратами перед хранением [Текст] / С.А. Родиков // Мен тоды эффективного ведения садоводства / ВНИИ садоводства им.И.В.Мичурина - Мичуринск, 1996. - С. 190-206.

2. Родиков, С.А. Методика проведения экспериментов с использованием экспресс-метон дов контроля качества плодов [Текст] / С.А. Родиков // Сб. докл. межд. научно-метод.

конф. - Мичуринск, Т.2. 1998. - С. 102-103.

3. Родиков, С.А. Обработка плодов защитными препаратами орошением в контейнерах перед хранением [Текст] / С.А. Родиков // Пути повышения устойчивости садон водства: Сб. научн. тр. - Мичуринск, 1998. - С. 224-230.

4. Горшенин, В.И. Исследование процесса заполнения тары плодами с помощью жидкон сти [Текст] / В.И.Горшенин, Ю.П.Ларшин, С.А.Родиков // Пути повышения устойчин вости садоводства: Сб. научн. тр. - Мичуринск, 1998. - С. 234-237.

5. Родиков, С.А. Диагностика физиологического состояния листьев и плодов по спекн трам отражения [Текст] / С.А. Родиков // Научные основы устойчивого садоводства в России: Сб. докл. конф. 11-12 марта 1999 г. / ВНИИС им.И.В.Мичурина. Мичуринск, 1999. - С. 112-114.

6. Кожина, Л.В. Влияние способов послеуборочной обработки плодов яблони различной степени зрелости на их лёжкость [Текст] / Л.В.Кожина, С.А.Родиков // Новые сорта и технологии возделывания плодовых и ягодных культур для садов интенсивного типа:

Тез. докл. и выступл. на межд. научно-метод. конф. - Орёл, 2000. - С. 101-103.

7. Родиков, С.А. О флуоресценции поверхности яблок [Текст] / С.А. Родиков // Электрон магнитные излучения в биологии (БИО-ЭМИ-2000): Тр. межд. конф. - Калуга. 2000. - С. 154-157.

8. Родиков, С.А. Применение приставки в спектрофотометре СФ-26 для измерения отран жения интактных растительных объектов [Текст] / С.А. Родиков // Вестник МГАУ:

Науч.-производственный журнал. Серия: механизация, социально-гуманитарные и естественные науки. - Мичуринск. 2001. Т.1. № 4. - С. 78-81.

9. Родиков, С.А. Методические основы определения зрелости яблок и предрасположенн ности их к загару по спектрам отражения [Текст] / С.А. Родиков // Основные итоги и перспективы научных исследований ВНИИС им.И.В.Мичурина (1931-2001 гг.): Сб.

науч. тр. - Тамбов, Изд-во ТГТУ. - Т.2. 2001. - С. 211-225.

10. Родиков, С.А. Методологический анализ контроля зрелости яблок во время уборки и прогноза загара при хранении [Текст] / С.А. Родиков // Прогрессивные методы хранен ния плодов, овощей и зерна: Материалы межд. науч.-метод. конф. (27-28 апреля 20года). - Воронеж: УКвартаФ, 2004. - С. 44-52.

11. Родиков, С.А. К вопросу об устойчивости биологической системы плодовых растений [Текст] / С.А. Родиков // Актуальные проблемы сохранения устойчивости живых син стем: Материалы VIII межд. научной экологической конф. - Белгород. 27-29 сентября 2004 г. - Белгород: изд-во БеГУ, 2004. - С. 182-183.

12. Родиков, С.А. Методологические подходы к определению зрелости и предрасполон женности яблок к физиологическим расстройствам [Текст] / С.А. Родиков // Научные основы садоводства: Тр. Всероссийского научно-исследовательского института садон водства им.И.В.Мичурина. - Воронеж: Кварта, 2005. - С. 373 - 383.

13. Родиков, С.А. Исследование электрических характеристик яблок в связи с их созреван нием [Текст] / С.А. Родиков // Научные основы садоводства: Тр. Всероссийского научно-исследовательского института садоводства им.И.В.Мичурина. - Воронеж:

Кварта, 2005. - С. 384 - 392.

14. Родиков, С.А. Влияние пигментов, кожицы и паренхимной ткани яблока на глубину проникновения в них света [Текст] / С.А. Родиков // Научные основы садоводства: Тр.

Всероссийского научно-исследовательского института садоводства им.И.В.Мичурин на. - Воронеж: Кварта, 2005. - С. 393 - 399.

Монография 15. Родиков, С.А. Методы и устройства анализа зрелости яблок / С.А. Родиков. - М.:

Физматлит, 2009. - 216 с.

Авторские свидетельства и патенты 16. А.С. № 1528418 СССР, МКИ А 23 В 7/16, А 23 N 12/00, А 01 F 25/00. Установка для обработки растительной продукции защитными препаратами / А.С. Гордеев, Р.П.

Кобозев, С.А. Родиков, Н.П. Гордеева. - Заявлено 13.06.87, № 4256293/30-13; 1989.

БИ № 46.

17. А.С. № 1630754 СССР, МКИ А 23 В 7/16, А 23 N 12/00, А 01 F 25/00. Устройство для обработки растительной продукции защитными препаратами / А.С. Гордеев, В.И.

Горшенин, В.А. Гудковский, В.И. Канапухин, Р.П. Кобозев, А.В. Огнев, С.А. Родин ков, А.В. Четвертаков. - Заявлено 20.03.89, № 4663523/13; 1991. БИ № 8.

18. Патент РФ № 2085085, МПК 5 А 23 В 7/16, А 23 N 12/00. Устройство для обработки яблок в контейнерах перед их хранением защитным раствором / С.А. Родиков, А.С.

Гордеев, В.А. Гудковский. - Заявлено 31.03.93, № 93016681/13; 1997. БИ № 21.

19. Патент РФ № 2137103, МПК 6 G 01 N 1/22, 1/00. Способ извлечения и отбора проб внутритканевых газов из плодов и устройство для его осуществления / С.А. Родиков. - Заявлено 01.03.95, № 95102857/25; 1999. БИ № 25.

20. Патент РФ № 2190331, МПК 7 А 23 В 7/16. Устройство для обработки яблок в контейнерах раствором защитного препарата перед хранением / С.А. Родиков. - Заявн лено 01.11.99, № 99123266/13; 2002. БИ №28.

21. Патент РФ № 2365088, МПК A 01 F 25/00. Способ определения срока съема плон дов яблони с хранения / С.А. Родиков. - Заявлено 06.06.2007, № 2007121246/12; 2009.

БИ № 24.

Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по техническим специальностям

Blog

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И ОПТИн ЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЯБЛОК ПРИ СОЗРЕВАНИИ И ХРАНЕНИИ