کاربرد روش طیف نگاری توان دی‌الکتریک با یک حسگر صفحه موازی برای تشخیص تازگی شیر

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشگاه شهرکرد

2 استادیار، گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشگاه شهرکرد

3 استادیار، گروه علوم دامی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد

4 دانشیار، گروه بهداشت و کنترل کیفی مواد غذایی، دانشکده دامپزشکی، دانشگاه شهرکرد

چکیده

شیر و فرآورده‌های لبنی به عنوان یک منبع پروتئین دامی و با ارزش غذایی بالا، جایگاه ویژه‌ای را در تغذیه انسان دارا هستند. هدف از این مطالعه، توسعه یک روش جدید برای ارزیابی سریع تازگی شیر با اندازه‌گیری توان دی‌الکتریک با استفاده از یک حسگر دی‌الکتریک می‌باشد. در این مطالعه با استفاده از روش طیف‌نگاری توان دی‌الکتریک، سه نمونه شیر با نام‌های تجاری پاک، کاله و دامداران و یک نمونه شیر فله‌ی دامداری در طی هفت روز ماندگاری با استفاده از حسگر صفحه موازی و دستگاه تحلیل‌گر طیف مورد اندازه‌گیری قرار گرفت و توان خازن در محدوده فرکانس 0 تا 150 مگاهرتز با سه تکرار در روز ثبت شد. نتایج نشان داد که محدوده فرکانسی 100-75 مگاهرتز طیف‌های توان، با گذشت ماندگاری شیر تغییر قابل ملاحظه‌ای کرده طوری که فرکانس دره موجود در این ناحیه افزایش یافته که این تغییرات تا حد زیادی با تغییرات pH شیر بواسطه ماندگاری قابل توجیه می‌باشد. نتایج آنالیز رگرسیون تک متغیره خطی نشان داد که فرکانس دره به عنوان یک مشخصه طیف، روز ماندگاری شیر را با ضریب تببین 84/0 و خطای 8/0 پیش‌بینی نمود. ارتباط pH شیر با فرکانس دره نشان داد که در چهار روز اول ماندگاری علی‌رغم تغییر ناچیز pH، فرکانس دره تغییر نسبتا زیادی داشته که می‌تواند بیانگر تغییرات فیزیکی- شیمیایی دیگری در شیر باشد. تحلیل‌های همبستگی نشان داد که توان دی-الکتریک در دو فرکانس 7/2 و 4/89 مگاهرتز به ترتیب روز ماندگاری و pH را با ضرایب تبیین 95/0 و 94/0 و خطای 4/0 و 22/0 پیش‌بینی نمود. توسعه مدل‌های خطی چند متغیره این خطا را به 26/0 و 11/0 به ترتیب برای روز ماندگاری و pH کاهش داد. بر اساس یافته‌های این تحقیق، طیف‌نگاری توان دی‌الکتریک می‌تواند به عنوان یک روش غیر‌مخرب، ساده و دقیق برای تعیین تازگی شیر پیاده‌سازی شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Application of dielectric power spectroscopy with a parallel plate sensor for freshness detection of milk

نویسندگان [English]

  • Nushin Ghatreh Samani 1
  • Mojtaba Naderi-Boldaji 2
  • Mahdi Ghasemi-Varnamkhasti 2
  • Hossein Mehrban 3
  • Mojtaba Bonyadian 4
1 M.Sc. Student, Dept. of Mechanical Engineering of Biosystems, Faculty of Agriculture, Shahrekord University
2 Assistant Prof., Dept. of Mechanical Engineering of Biosystems, Faculty of Agriculture, Shahrekord University
3 Assistant Prof., Dept. of Animal Science, Faculty of Agriculture, Shahrekord University
4 Associate Prof., Dept. of Health and Food quality control, Faculty of Veterinary Medicine, Shahrekord University
چکیده [English]

Milk and dairy products as an animal protein source with a high nutritional value has a particular importance in human diet. Development of non-destructive and quick methods for assessing the quality and freshness of milk is of particular importance in ensuring product safety before consumption. The aim of this study was to measure the dielectric power with the use of a parallel-plate sensor to develop a new method for rapid assessment of milk freshness. Three milks with commercial names of Pak, Kaleh and Damdaran and a milk from dairy farm were dielectrically measured during seven storage days. Sinusoidal voltage wad applied to the milk samples and capacitor power within the frequency range of 0-150 MHz was measured using a spectrum analyzer. Results proved that the frequency range of 75-100 MHz varied considerably with storage time so that the frequency of the valley within this frequency range increased with storage time. The frequency of the valley as a spectrum characteristic predicted the storage day by a linear regression model with R2 and RMSE of 0.84 and 0.8, respectively. The correlation of milk pH and the frequency of the valley showed that during the first four days of storage with a minor change in pH, the frequency of valley varied significantly indicating further physico-chemical changes in milk with storage that affects the dielectric properties of milk. The dielectric power at the frequencies of 2.7 and 89.4 as the most effective frequencies, predicted the storage day and pH, respectively with RMSEs of 0.4 and 0.22. Multiple linear regression models decreased the errors of prediction to 0.26 and 0.11 for storage day and pH, respectively. Based on the findings of this study, dielectric power spectroscopy can be implemented as a non-destructive, simple and accurate method to milk pH and freshness determination.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Milk freshness
  • Capacitor sensor
  • Dielectric power spectroscopy
  • Shelf life
[1] Sadat A., Mustajab P., Khan I.A. (2006). Determining the adulteration of natural milk with synthetic milk using ac conductance measurement. J. Food Engineering.,77, 3.472-477.

[2] Kim, B.S., Lee, M., Kim, J.Y., Jung, J.Y., Koo,J. (2016). Development of a freshness-assessment model for a real-time online monitoring system of packaged commercial milk in distribution. J. Food Science and Technology. 68, 532-540.

[3] Guo, W., Zhu, X., Liu, H., Yue, R., Wanga,Sh. (2010). Effects of milk concentration and freshness on microwave dielectric properties. J. Food Engineering. 99, 344-350.

[4] نواب پور، ث.؛ کمال زاده، ع.؛ چمنی ح. (1392) پاسخ به سیصد و سی و سه سؤال شیری. چاپ دوم، انتشارات تهران لمپا، ص 49

[5] Wang,Y., Ding, W., Kou, L., Li, L., Wang, Ch., Jurick, W. (2015). A Non-destructive method to assess freshness of raw bovine milk using FT-NIR spectroscopy. J. Food Sci Technol. 52, 8.5305-5310.

[6] Winquist, F., Krantz-Rulcker, C., Wide, P., Lundstrom, I. (1998). Monitoring of freshness of milk by an electronic tongue on the basis of voltammetry. J. Measurement Science and Technology. 9, 1937-1946.

[7] Nelson, S.O., & Bartley, P.G.Jr. (2000). Measuring frequency and temperature dependent dielectric properties of Food materials. Transactions of the ASAE. 43, 6.1733-1736.

[8] Nelson, S. O., & Trabelsi, S. (2012). Factors influencing the dielectric properties of agricultural and food products. J. Microwave Power and Electromagnetic Energy. 46, 2.93-107.

[9] Garcıa, A., Torres, J.L., De Blas, M., De Francisco, A., & Illanes, R. (2004). Dielectric characteristics of grape juice and wine. J. Biosystems Engineering. 88, 3.343-349.

[10] Soltani, M., Alimardani, R., & Omid, M. (2011). Evaluating banana ripening status from measuring dielectric properties. J. Food Engineering. 105, 625-631.

[11] Guo, W., Zhu, X., Nelson, S.O., Yue, R., Liu, H., & Liu, Y. (2011). Maturity effects on dielectric properties of apples from 10 to 4500 MHz. LWT-Food Science and Technology. 44, 224-230.

[12] Ragni, L., Cevoli, C., & Berardinelli, A. (2010). A waveguide technique for non-destructive determination of egg quality parameters. J. Food Engineering. 100: 343-348.

[13] Castro-Gir_aldeza, M., Botella, P., Toldr_a, F., & Fito, P. (2010). Lowfrequency dielectric spectrum to determine pork meat quality. Innovative Food Science and Emerging Technologies. 11, 376-386.

[14] Guo, W., Zhu, X., Liu, Y., & Zhuang, H. (2010). Sugar and water contents of honey with dielectric property sensing. J. Food Engineering. 97, 275-281.

[15] Kudra, T., Raghavan, G.S.V., Akyel, C., Bosisio, R., Voort, F.R.v.d. (1992). Electromagnetic properties of milk and its constituents at 2.45 GHz. J. Microwave Power and Electromagnetic Energy. 27, 4.199-204.

[16] Nunes, A.C., Bohigas, X., Tejada, J. (2006). Dielectric study of milk for frequencies between 1 and 20 GHz. J. Food Engineering. 76, 2.250-255.

[17] Mabrook, M.F., Petty, M.C. (2003). Effect of composition on the electrical conductance of milk. J. Food Engineering. 60, 3.321-325.

[18] Skierucha, W., Wilczek, A., & Szypowska, A. (2012). Dielectric spectroscopy in agrophysics. J. International Agrophysics. 26, 187-197.

[19] Bagheri, R. (2014). Non-destructive moisture content determination of date fruit by dielectric method (MSc. thesis). Isfahan, Iran: Isfahan University of  Technology.

[20] Mireei, A., Bagheri, R., Sadeghi, M., Shahraki, A. (2016). Developing an electronic portable device based on dielectric powerspectroscopy for non-destructive prediction of date moisture content. J. Sensors and Actuators. A 247, 289-297.

[21] Naderi-Boldaji, M., Fazelian-Dehkordi, M., Mireei, A., Ghasemi-Varnamkhasti, M. (2015). Dielectric power spectroscopy as a potential technique for the non-destructive measurement of sugar concentration in sugarcane. J. Biosystems Engineering. 140, 1-10.

[22] Kaps, M., Lamberson, W.R. (2009). Biostatistics for Animal Science. CABI publishing, Cambridge, MA, USA.

[23] Skierucha, W., Wilczek, A., Szypłowska, A. (2012). Dielectric spectroscopy in agrophysics. Int. Agrophysics. 26, 187-197.

[24] Jha, S.N., (2010). Nondestructive Evaluation of Food Quality. Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

[25] Gu, X., Hua, Z., (2005). Experimental study on effect of storage time on quality of milk. J. Refrigeration. 26, 4. 48-50. (in Chinese).

[26] Weng, H., Gao, Y., Yuan, J. (2006). Milk and milk products detection technology. Chinese Light Industry Publisher. Peking.