К.т.н. Федотов В.А., Воякина К.В., Максютова Н.Н.

Оренбургский государственный университет, Россия

Использование цифрового анализа данных гранулометрии для определения технологических качеств зерна

Одним из перспективных методов оценки твердозерности является гранулометрический анализ. Гранулометрический состав муки – один из наименее изученных показателей ее качества, поскольку его измерение сопряжено с трудностями применения прямых методов измерения, а также с отсутствием однозначных критериев оценки формы частиц муки [1]. Интенсивное развитие компьютерных технологий позволило для проведения микроскопических исследований дисперсных материалов задействовать информационные технологии, тем самым снизив трудоемкость анализа и максимально автоматизируя весь процесс исследований.

Для проведения гранулометрического анализа размола зерна пшеницы получали микроснимки размола зерна двумя способами – с помощью оптического микроскопирования на микроскопе Биолам с использованием цифровой камеры и с помощью сканера с CIS (Contact Image Sensor) матрицей.

Для обеспечения работы всей информационно-измерительной системы разработаны: модуль управления экспериментом, модули обработки экспериментальных данных и модуль визуализации результатов измерения. На разработанное программное средство было получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011610605 «Программное обеспечение для прогнозирования технологических качеств пшеницы на основе данных гранулометрического анализа». В качестве одного из гранулометрических показателей, описывающих форму частицы введен новый параметр, названный коэффициентом неровности частицы.

Определяемые в гранулометрии характеристики дисперсности и форм частиц муки предъявляют соответствующие необходимые требования к техническим качествам оптических систем, используемых в производстве микроснимков размола зерна. Одной из основных в данном случае характеристик является разрешительная способность оптической системы: разрешающая сила объектива микроскопа или разрешение матрицы цифрового сканера. Именно эта характеристика, в основном, определяет насколько детально можно описывать мелкие объекты. В оптике чаще всего разрешающая способность измеряется в единицах dpi (количество точек на линейный дюйм). Так разрешающая способность в 300 dpi означает способность распознать наличие 300 отдельных точек в одном дюйме или 90 000 (300·300) точек на площади в 1 квадратный дюйм (примерно 6,35 см²), а значит все объекты, чьи линейные размеры будут равны или менее 84 мкм (25,2 мм / 300 = 0,084 мм = 84 мкм) будут сливаться в одну сплошную точку, либо невидимы совсем [2].

Решение о минимально необходимом разрешении матрицы следуют принимать исходя из размеров частиц муки. В пшеничной муке примерно 36 % частиц имеют размер 17 – 28 мкм, еще 43 % частиц характеризуются размером более 35 мкм, только около 4 % имеют размер менее 14 мкм (проходовая фракция сита №004). Содержание частиц менее 4 мкм исчезающе мало (менее 1 %) [3]. Отсюда следует, что измерение и описание форм частиц менее 4 мкм статистически мало сказывается на результатах гранулометрического анализа муки, потому учетом размеров и характеристиками форм таких частиц можно пренебречь. Легко увидеть, что для анализа частиц более 4 мкм необходимая детализация изображения достигается при разрешении снимающей матрицы более 25,2 / 4 = 6300 dpi. При такой разрешение матрицы частицы размером 4 мкм при визуальном осмотре превращаются в бесформенные точки. Частицы размером в 14 мкм, обладая более чем в 10 раз большей площадью (14²/4² = 12,25), приобретают видимую форму и могут быть описаны в терминах гранулометрического анализа. Экспериментально установлено (рисунок 1), что пороговым значением данной характеристики является разрешение 7000 - 8000 dpi, поскольку дальнейшее увеличение разрешения не влияет на качество детектирования частиц более чем на 1 %.

Рисунок 1 – Зависимость качества детектирования частиц от

разрешающей способности оптической системы

Для наиболее распространенных показателей технологических качеств пшеницы – структурно-механических, хлебопекарных свойств установлены корреляционные зависимости с различными показателями гранулометрического анализа (таблица): средней площадью частиц , средним эквивалентным размером частиц , средним коэффициентом вытянутости частиц , средней компактностью частиц , средним коэффициентом неровности частиц . Определение водопоглотительной способности муки (ВПС) и валориметрической оценки муки произведено с помощью валориграфа, твердозерности - по показателю микротвердости зерна.

Наиболее высокие корреляционные зависимости показателей качества зерна обнаружены с параметрами эквивалентного размера частиц и коэффициентом их неровности . Устойчивые связи найдены в регрессиях линейного вида, а также в полиномиальных уравнениях 1-го порядка. Отсутствие выраженной корреляционной связи между параметрами и (коэффициенты парной корреляции составляли не более 0,32 - 0,34) позволило провести множественный регрессионный анализ с использованием этих параметров.

Таблица – Регрессионные зависимости показателей качества зерна пшеницы от данных ее гранулометрического анализа

Показатели	Тип уравнения	Коэффициент корреляции
		Водопоглотительная способность	Валориметрическая оценка	Твердозерность
	линейный	0,822*	0,791*	0,752*
	полином 2-го порядка	0,802*	0,752*	0,710*
	логарифмический	0,241	0,154	0,254
	экспоненциальный	0,200	0,157	0,134
	линейный	0,891*	0,829*	0,764*
	полином 2-го порядка	0,852*	0,801*	0,742*
	логарифмический	0,234	0,245	0,214
	экспоненциальный	0,116	0,024	0,024
	линейный	0,622*	0,592*	0,587*
	полином 2-го порядка	0,435	0,587*	0,578*
	логарифмический	0,547*	0,435	0,254
	экспоненциальный	0,245	0,342	0,247
	линейный	0,794*	0,815*	0,654*
	полином 2-го порядка	0,548*	0,542*	0,438
	логарифмический	0,154	0,187	0,024
	экспоненциальный	0,047	0,124	0,178
	линейный	0,902*	0,912*	0,764*
	полином 2-го порядка	0,850*	0,823*	0,754*
	логарифмический	0,478	0,578*	0,547*
	экспоненциальный	0,245	0,237	0,198

* - коэффициент корреляции существенен при уровне значимости α = 0,05

Для наиболее распространенных показателей хлебопекарных качеств пшеницы были построены уравнения регрессии и вычислены коэффициенты детерминации этих уравнений, показывающие насколько изменения этих хлебопекарных качеств могут быть объяснены влиянием гранулометрических характеристик муки (рисунок 2). В качестве показателей гранулометрии, от которых зависят хлебопекарные качества пшеницы были приняты: эквивалентный размер частиц и коэффициент их неровности , поскольку именно эти параметры отличаются наибольшими коэффициентами корреляции.

Рисунок 2 – Значения коэффициента детерминации для разных показателей

Результаты наблюдений свидетельствуют о возможности, анализируя данные гранулометрического анализа зерна, прогнозировать с большой точностью конечные хлебопекарные качества муки из этого зерна.

Список литературы

1. Кругляков Г. Н., Круглякова Г. В. Товароведение продовольственных товаров. - Ростов-на-Дону : издательский центр «МарТ», 1999.

2. Bradsky G., Kaehler A. Learning OpenCV. - O’Reilly, 2008. - 571 p.

3. Кругляков Г. Н., Круглякова Г. В. Товароведение продовольственных товаров. - Ростов-на-Дону : издательский центр «МарТ», 1999.