Оптический способ недеструктивной количественной оценки степени зрелости томатов

Оптический способ недеструктивной количественной оценки степени зрелости томатов

Реферат

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для объективной оценки степени зрелости различных ботанических сортов томатов, при высокоточном отборе плодов необходимой стадии зрелости (для последующей транспортировки, хранения, реализации, отбора на семена), при оптимизации режимов хранения и дозаривания и т.п.

Наиболее распространенный прием анализа зрелости томатов заключается в определении цвета плодов, как визуальном, так и с применением оптического оборудования, работающего по принципу изменения коэффициентов отражения света определенных длин волн [1, 2]. Глазомерная оценка, несмотря на очевидную легкость организации и отсутствие дополнительных материальных затрат на специальное оборудование, существенно зависит от индивидуальных свойств зрительного аппарата оператора, освещенности, степени усталости, очень трудоемка и непригодна для массового анализа. В целях увеличения ее эффективности и снижения субъективного фактора прибегают к использованию специальных колориметрических таблиц или специфического освещения [3-5]. Но и эти приемы не позволяют избежать основного недостатка всех колориметрических методов анализа, как ручных, так и аппаратурных. Он заключается в неоднозначной связи цвета и степени зрелости томатов, особенно у ботанических сортов, имеющих окраску, отличную от красной даже в стадии перезревания, например сорта с оранжевой, желтой или коричневой окраской, или сортов с малым изменением цвета в процессе созревания [3]. Поэтому для увеличения точности определения стадии зрелости приходится прибегать к дополнительным деструктивным методам анализа биохимического состава плодов.

Существуют более объективные методы оценки зрелости, менее зависимые от ботанического сорта, которые заключаются в определении синтезируемого плодами этилена, управляющего процессом созревания фруктов и овощей [3, 6]. Данный способ довольно трудоемок, требует специального прецизионного дорогостоящего оборудования для точной оценки низких концентраций этилена и дает значительный разброс показаний внутри выборок плодов одной и той же стадии зрелости. В связи с низким уровнем выделения этилена метод мало пригоден для выявления начальных стадий созревания томатов. Анализ эндогенного этилена (содержащегося внутри плодов) проводиться с нарушением целостности плодов и не может быть применен в тех случаях, когда требуется сохранение товарного качества плодов (например, при последующей реализации, дальнейшем хранении или наблюдениях за динамикой созревания).

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является оптический метод недеструктивной оценки зрелости плодов груши, томата, абрикоса, заключающийся в определении степени когерентности светорассеяния лазерного излучения от экваториальной зоны поверхности плодов [7]. Основным недостатком метода является необходимость использования сложного интерферометрического оборудования и недостаточная точность в оценке стадии зрелости плодов, близких к полному созреванию.

Цель изобретения - повышение точности и эффективности анализа степени зрелости томатов посредством количественной оценки функционального состояния фотосинтезирующего аппарата кожицы и прилегающей к ней мякоти по величине и вариабельности максимума медленной индукции флуоресценции хлорофилла.

Способ заключается в том, что определение зрелости проводят на основании установленной экспериментальным путем связи между зрелостью плодов томата, максимумом медленной индукции флуоресценции хлорофилла и его вариабельностью. Параметры медленной индукции флуоресценции хлорофилла определяют с помощью хлорофилл-флуорометра, при этом угол падения зондирующего оптического излучения на исследуемый объект должен быть близок к нормальному, его спектральный состав - соответствовать максимуму поглощения хлорофилла в синей или красной области спектра, а измеряемая зона поверхности плода не должна иметь каких-либо видимых признаков болезней или других дефектов. О зрелости плодов томата судят по уровню и вариабельности максимума медленной индукции флуоресценции хлорофилла. Стадия незрелых плодов отличается высокими значениями уровней максимума медленной индукции флуоресценции хлорофилла при его низкой вариабельности. Стадия, предшествующая созреванию, отличается средними значениями максимума медленной индукции флуоресценции хлорофилла при его высокой вариабельности; а стадия полного созревания характеризуется низкими значениями максимума медленной индукции флуоресценции хлорофилла при его низкой вариабельности. Разделение плодов на группы зрелости внутри каждой стадии проводят в соответствии со следующими критериями: для двух первых стадий созревания - чем меньше уровень максимума медленной индукции флуоресценции хлорофилла и выше его вариабельность, тем плод более зрелый; для стадий полного созревания - чем меньше уровень максимума медленной индукции флуоресценции хлорофилла и ниже их вариабельность, тем плод более зрелый (перезрелый).

Пример. Способ был применен для инструментальной оценки степени зрелости томатов 5 ботанических сортов с различной окраской плодов:

1. Яхонт - сорт томата с красной окраской зрелых плодов;

2. Лучистый (Каротинка) - сорт томата с оранжевой окраской зрелых плодов;

3. Де барао золотой - сорт томата с желтой окраской зрелых плодов;

4. Черный принц - сорт томата с черно-малиновой окраской зрелых плодов;

5. Розовая груша - сорт томата с розовой окраской зрелых плодов.

По органолептическим признакам плоды томата были отсортированы на 7 групп по критерию различимых невооруженным глазом цветов с использованием шкалы цветности А.С. Бондарцева [5]. Затем случайным образом были отобраны по 6…8 плодов из каждой цветовой группы и проведены измерения параметров медленной индукции флуоресценции хлорофилла с помощью хлорофилл-флуорометра (длина волны 470 нм, интенсивность 4500 мкмоль × м^-2 × c^-1) в 3-4 точках поверхности каждого плода. Регистрировали максимум медленной индукции флуоресценции хлорофилла (Fm), достигаемый в течение первых 3-10 секунд засветки излучением, возбуждающим флуоресценцию. По результатам всех отсчетов определяли коэффициент вариабельности параметра Fm: K_Fm. Измерения проводили с помощью специализированного прибора LPT-3K [8].

Параллельно на тех же самых сортах и группах по степени зрелости оценивали содержание эндогенного этилена на газовом хроматографе.

Результаты измерений, представленные в таблицах 1-5, убедительно демонстрируют, что независимо от ботанического сорта прослеживается общая закономерность - по мере созревания уменьшается величина максимальной флуоресценции и увеличивается вариабельность. Наибольшая вариабельность параметра Fm предшествует стадии полного созревания. А состояние полной зрелости характеризуется низкими значениями указанных параметров - и максимума флуоресценции Fm, и коэффициента вариабельности K_Fm.

Предлагаемый способ существенно менее трудоемок, чем метод определения зрелости томатов по их окраске с помощью специальных цветовых шкал или по содержанию эндогенного этилена. Для более точного описания стадии зрелости, особенно, если возникает необходимость разделения плодов на несколько групп, приходится прибегать к сочетанию 2-3 оттенков цвета, при этом для каждого ботанического сорта необходим индивидуальный набор цветов (табл. 1). Содержание эндогенного этилена по мере созревания изменяется неоднозначно: сначала нелинейно растет с пиком, предшествующим стадии полного созревания, а затем снова снижается. Анализ данных синтеза эндогенного этилена показывает, что по этому параметру можно уверенно сортировать томаты только на две, максимум - три стадии зрелости: незрелые, начавшие созревать, и зрелые. Значения максимальной флуоресценции по мере созревания неуклонно падают. Благодаря этому с помощью предлагаемого метода с использованием параметров медленной индукции флуоресценции хлорофилла и их вариабельности разделение на 5-6 групп зрелости для всех 5 ботанических сортов происходит с высокой степенью вероятности (не менее 0,9).

Следует отметить более четкую картину связи величины и вариабельности максимума медленной индукции флуоресценции хлорофилла с группами зрелости для красных томатов, чем для ботанических сортов томатов с оранжевой, желтой, розовой или темно-коричневой окраской. Это обусловлено тем, что отбор плодов по группам проводился по субъективным, органолептическим характеристикам и возможно были ошибки, которые для красных плодов меньше ввиду очевидности соотношения цвета и зрелости (и привычности для оператора). Так, судя по данным таблицы 2 для плодов с оранжевой окраской, в группу №3 попали плоды из 4 группы зрелости. Розовый сорт недостаточно точно разделен сразу по нескольким категориям: 1-2 и 4-5-6 и при этом вся шкала смещена в сторону зрелых плодов, незрелые плоды отсутствуют (таблица 3). У томатов сорта Черный принц (таблица 5) нет категории полной зрелости и перезрелых плодов, зато 1 и 2 группы дают очень близкие показания (что говорит о смещении шкалы в сторону незрелых плодов). Отсутствие количественных критериев при органолептической сортировке приводит к тому, что оператор пытается разделить томаты на 6-7 категории внутри заданной выборки плодов, в которой на самом деле могут отсутствовать крайние или промежуточные группы зрелости.

Использование предлагаемых параметров: максимума медленной индукции флуоресценции хлорофилла Fm и коэффициента его вариабельности K_Fm позволяет проводить такое разделение объективно и более точно, при этом метод подходит как для оценки категории зрелости партии плодов, так и для оценки степени зрелости каждого отдельного плода.

Литература:

1. ГОСТ Р 51810-2001. "Томаты свежие, реализуемые в розничной торговой сети".

2. Старовойтов В.И., Башилов А.М., Андержанов А.А. Автоматизация контроля качества картофеля, овощей и плодов. - М.: ВО Агропромиздат, 1987. - 197 с.

3. Гудковский В.А., Акишин Д.В., Сутормина А.В. Об использовании нового способа определения степени зрелости плодов томата в селекционной, научной и практической работе // Вестник МичГау. - 2013, №5. - С. 67-71.

4. Патент РФ №2032902. Способ определения степени зрелости плодов томатов. МПК⁷. G01N 21/00. // Авторы: Выродов Д.А., Выродова А.П., Андрющенко В.К., Жужжа П.Н.

5. Бондарцев А.С. Шлака цветов. Пособие для биологов при научных и прикладных исследованиях. - М.: Изд-во АН СССР, 1954. - 29 с.

6. Капотис Г., Пассам Г.К., Акумианакис К., Олимпиос К.М. Хранение томатов при низкой концентрации кислорода подавляет действие этилена и активность поли-галактуроназы // Физиология растений. - 2004, Т. 51. - №1. - С. 126-129.

7. Патент РФ №2453106. Неразрушающий оптический способ оценки зрелости плодов. МПК⁷ A01H 1/04, A01G 7/00 // Авторы: Будаговская О.Н., Будаговский А.В., Гончаров С.А., Исаев Р.Д., Ильинский А.С., Кружков А.В., Шорников Д.Г., Будаговский И.А. - Заявка №2010129128 от 13.06.2010. - Опубл. 20.06.2012, Бюл. №17.

8. Будаговский А.В., Будаговская О.Н., Будаговский И.А. Парадоксы оптических свойств зеленых клеток и их практическое применение // Фотоника. - 2010 - С. 22-28.

Способ оценки степени зрелости плодов томата, заключающийся в измерениях оптических характеристик ткани, отличающийся тем, что оценку зрелости осуществляют путем измерения максимума медленной индукции флуоресценции хлорофилла и его вариабельности, при этом стадия незрелых плодов характеризуется высокими значениями максимума медленной индукции флуоресценции хлорофилла при его низкой вариабельности; стадия, предшествующая созреванию, характеризуется средними значениями максимума медленной индукции флуоресценции хлорофилла при его высокой вариабельности; а стадия полного созревания - низкими значениями максимума медленной индукции флуоресценции хлорофилла при его низкой вариабельности; разделение плодов на группы зрелости внутри каждой стадии проводят в соответствии со следующими критериями: для двух первых стадий созревания - чем меньше максимум медленной индукции флуоресценции хлорофилла, но выше его вариабельность, тем более зрелый плод; для стадий полного созревания - чем меньше максимум медленной индукции флуоресценции хлорофилла, но ниже его вариабельность, тем более зрелый плод.