بافت سنج مواد غذایی چیست و چگونه اندازه گیری می شود؟ آزمون بافت به منظور سنجش خواص مکانیکی و فیزیکی مواد خام، ساختار مواد غذایی و کنترل کیفی اولیه و نهایی مواد در رنج گسترده ای از انواع مواد غذایی کاربرد دارد. در آزمون بافت مواد غذایی، آزمون‌های استانداردی از قبیل فشار، کشش و خمش جهت اندازه گیری سختی، شکنندگی، تردی، نرمی، فنریت، چسبندگی و دیگر خواص مواد غذایی مورد استفاده قرار می گیرد.

در این مقاله یک کنترل کننده فازی (Fuzzy Controller) مناسب جهت کنترل نیرو در تجهیزات سختی سنج طراحی می شود.

برای تحقق بخشیدن به این امر، ابتدا کنترل کننده فازی را با توجه به رفتار تجربی سیستم طرح نموده سپس برای اطمینان از صحت عملکرد و برتری نسبت یه کنترلر های دیگر در محیط SIMULINK نرم افزار MATLAB شبیه سازی شده و خروجی با یک کنترلر PID مقایسه می شود. نتایج نشان می دهد که استفاده از کنترلر فازی با توجه به مشخص نبودن مدل سیستم و وجود عدم قطعیت ها با سرعت پاسخ مناسبی همراه بوده و دقت نیرو اعمالی بسیار مطلوب می باشد.

دستگاه های تست سختی کاربرد گسترده ای در متالوژی و صنایع مختلف دارند. در دستگاه های سختی سنجی یک قطعه به نام ایندنتور که نوک آن از جنس الماس می باشد با نیروی از پیش تعیین شده به جسم مورد آزمایش نیرو اعمال کرده و در آن فرو میرود. با بررسی سطح اثر و عمق نفوذ سختی محاسبه می گردد. این دو عامل شدیدا وابسته به دقت نیروی اعمالی می باشد. در واقع نیروی اعمالی نباید بیش از درصد ناچیزی کمتر یا بیشتر از نیروی تعیین شده از قبل باشد. [۲,۱]

ساختار یک دستگاه سختی سنج به صورت ساده به شرح زیر است.

نیروی لازم توسط یک موتور الکتریکی که معمولا از نوع DC است، ایجاد می شود. این نیرو معمولا با یا بدون واسطه به یک بال اسکرو منتقل شده و آن را به گردش در می آورد. در انتهای بال اسکرو یک مهره قرار دارد که ایندنتر به آن متصل است و با گردش بال اسکرو به بالا یا پائین حرکت می کند و باعث می شود ایندنتر در قطعه فرو رود. جهت اندازه گیری نیرو معمولا از سنسور هایی مانند لودسل استفاده می گردد. لودسل معمولا به همراه ایندنتر و در بالای آن به مهره بال اسکرو متصل می گردد. نیرو توسط یک سیستم میکروپروسسوری اندازه گیری شده و متناسب با آن سرعت موتور الکتریکی کنترل می گردد. (شکل ۱)

شکل (۱) ساختار ساده شده دستگاه سختی سنج

در شکل ۱، نمونه ای از تستر مکانیکی دستی نمایش داده شده که برای تعیین سفتی میوه و سبزیجات مناسب است. این دستگاه از اندازه گیری نیروی مکانیکی یا دیجیتالی قابل حمل برای اندازه گیری کششی یا فشاری استفاده می کند. تستر را می توان با یک اهرم یا چرخ دستی راه اندازی کرد، و عمق سوراخ را به کمک یک شاخص دیجیتال یا خط کش اندازه گیری نمود.

برای تست سفتی یا پیوند مربوطه، اکستروژن فشاری، تنش برشی، تست کشش و فشار، می توان از تستر موتوری با کنترل دستی استفاده کرد. این دستگاه دارای یک سوئیچ دستی یا سوئیچ پایی اختیاری برای کنترل سرعت و جهت تستر است.

به منظور تعیین پیک نیروهای بکار رفته جهت آزمون سفتی نمونه، از یک گیج نیروی دیجیتال استفاده می شود. دقت نیرو تا ۰٫۱% مقیاس کامل بدست می آید. این دستگاه برای آزمایشگاه QA / QC یا محیط تولید یا تحقیق مناسب است.

شکل ۲، یک بافت سنج مواد غذایی با عملکرد کاملا خودکار در تجزیه و تحلیل بافت را نمایش می دهد. تجزیه و تحلیل بافت مکانیکی، که با یک بافت سنجِ کالیبره، توسط نرم افزار و با استفاده از الگوریتم های اساسی اجرا می شود، تمامی عناصر وابسته به طرز فکر شخصی را از آزمایش حذف می کند. یک سیستم استاندارد شامل دستگاه پایه، سینی قطره ای، پایه آزمایش مواد غذایی و یک پروب برای آزمایشات معمولی است. سیستم درایو حلقه بسته، دستگاه را در طی آزمون بطور دقیق کنترل می کند.

شکل ۲: بافت سنج مواد غذایی

برخی از پارامترهایی که می تواند با استفاده از یک بافت سنج اندازه گیری شود عبارتند از:

• چسبندگی (adhesiveness)
• جویدنیگی (chewiness)
• انسجام (cohesiveness)
• استحکام (consistency)
• تردی (crispiness)
• تراکم (crunchiness)
• الاستیسیته (elasticity)
• کشش (extensibility)
• سفتی (firmness)
• شکستگی (fracturability)
• قدرت ژل (gel strength)
• چسبندگی (gumminess)
• سختی (hardness)
• قدرت پارگی فنری (rupture strength springiness)
• سفتی (stiffness)
• تنش (stringiness)
• تجزیه و تحلیل پروفایل بافت (TPA texture profile analysis)
• سختی (toughness)
• کار برای برش (work to cut)
• کار برای نفوذ (work to penetrate)
• کار برش (work to shear)

همه کاره بودن تکنیک تجزیه و تحلیل بافت، به دلیل در دسترس بودن بیش از ۷۰ پروب، جیگ و فیکسچر است که می توانند استفاده از یک دستگاه واحد را در ایجاد طیف متنوعی از اندازه گیری ها و در انواع کاربردهای مواد غذایی، ممکن سازند. فیکسچر زیر مثال خوبی از این ابزارهاست که چگونگی تبدیل عمل صورت گرفته توسط انسان به یک مقدار قابل اندازه گیری را نشان می دهد. طراحی آن با الگوبرداری از نحوه‌ی برش گوشت، سبزیجات، میوه، و مواد غذایی ترد، توسط دندان است. فیکسچر فوق شامل تیغه های بالا و پایین (شکل ۳) است که آنقدر به هم نزدیک می شوند تا بهم برسند.

شکل ۳: فیکسچر

نمونه بر روی تیغه پایین قرار می گیرد و مقدار پیک نیروی مورد نیاز برای گاز زدن نمونه به عنوان نتیجه‌ی آزمون اندازه گیری می شود. نتایج به میزان رطوبت، سفتی و استحکام نمونه بستگی دارد. جهت کاربردهای مختلف، گیره ها و فیکسچرها از نظر اندازه، سطوح کارگیر، نوع کارگیر و ظرفیت در انواع مختلف موجود هستند. انتخاب اندازه‌ی نمونه بستگی به همگن بودن نمونه دارد. مواد غذایی با حفره های بزرگ نیاز به اندازه نمونه بزرگتر از یک ماده غذایی بدون حفره دارند تا تکرارپذیری یکسان بدست آید. انتخاب فیکسچرها بستگی به نمونه دارد. چنانچه نمونه دارای سطحی صاف باشد، معمولا از صفحات فشاری که بزرگتر از نمونه هستند، استفاده می شود. برای سطوح ناهموار، مانند میوه و سبزیجات، پروب های با قطر کوچک استفاده می شود.

گیره ها و فیکسچرهای تجزیه و تحلیل بافت مدام توسعه می یابند تا بتوانند دامنه کاربرد بیشتری را تحت پوشش قرار دهند. بافت سنج نشان داده شده در شکل ۲ دو جیگ (Jig) تست دارد که یکی برای تجزیه و تحلیل ورق همبرگر خام است و استحکام همبرگر را اندازه گیری می کند. و جیگ دوم مقدار چسبندگی پاستا را اندازه گیری می کند. افزایش میزان تقاضای همبرگر و تلاش برای حفظ قیمت رقابتی موجب شده که ترکیب آنها به طور قابل توجهی از ۱۰۰ درصد گوشت گاو تا گوشت با کیفیت پایین که حاوی درصد زیادی از چربی ها، مواد فله، نمک و سایر مواد افزودنی است، متفاوت باشد.

جهت آزمون، برگر روی یک ورق نصب شده بر میز دستگاه که حاوی سوراخ به قطر ۲۷ میلیمتر می باشد، قرار می گیرد. به منظور اعمال نیرو به برگر، از یک پروب استوانه ای که دارای شکل مخروطی معکوس بوده و انتهای مسطح آن دارای قطر ۲۵ میلیمتر است، استفاده می شود(شکل ۴). این جیگ همچنین می تواند برای تست گوشت تازه پخته شده مورد استفاده قرار گیرد.

شکل ۴: جیگ آزمون استحکام همبرگر

شکل ۵: جیگ آزمون چسبندگی لازانیا

چسبندگی ورق های پخته شده‌ی پاستا مانند لازانیا به مقدار نشاسته‌ی ورق پاستا مربوط است که به نوبه خود به درجه حرارت و زمان پخت آن بستگی دارد. این پارامترها می توانند با اندازه گیری چسبندگی پاستاها بهینه شوند. ورق پاستای پخته شده، بین میز اصلی دستگاه و یک صفحه مستطیلی حاوی سوراخ مستطیلی سوار می شود. به منظور اعمال نیروی فشاری یکنواخت به ورق پاستا، از یک پروب مستطیلی هم اندازه با اندازه ی داخلی سوراخ مستطیلی استفاده می شود(شکل ۵). سپس نیروی مورد نیاز برای برداشت پروب اندازه گیری می شود. در صورت لزوم، ممکن است پروب در تماس با ورق پاستا برای زمانی از پیش تعیین شده قبل از خروج نگه داشته شود.

اگرچه جیگ ها برای کاربردهای خاص طراحی شده اند، وسایل جدید آزمون برای برنامه های کاربردی عمومی نیز مورد توجه هستند. مدل ۵ تیغه ایی Kramer Type Shear Cell جایگزینی برای مدل ۱۰ تیغه ایی معمولی است(شکل ۶) و برای اندازه گیری نیروی برشی و اکستروژنی از گوشت، میوه و غلات طراحی شده است، به ویژه در مواردی که نمونه ها دارای شکل و اندازه نامنظم بوده و نیروهای مورد انتظار برای مدل ۱۰ تیغه ایی قدیمی بسیار بالا باشد. Kramer Type Shear Cell شامل پنج تیغه‌ی موازی از جنس استیل است که از طریق اسلات های هدایت به یک ظرف مستطیلی دارای اسلاتهایی مطابق با تیغه ها، حرکت داده می شود.

شکل ۶: تیغه  Kramer Type Shear Cell 10

نمونه برش خورده، فشرده شده و از طریق مجراهای پایین اکسترود می شود.  از آنجاییکه تیغه ها نسبت به مدل ۱۰ تیغه از یکدیگر جداتر هستند، نیروی برش یا فشرده سازی کلی برای نمونه هایی با بافت غیر یکدست، کاهش می یابد.

در حالی که جیگ های مکانیکی و فیکسچرها طیف گسترده تری از گزینه های آزمون را ممکن می سازند، کنترل نرم افزاری بافت سنج به اپراتور امکان کنترل و پایش تمام جنبه های سیستم و تنظیم خود آزمون را می دهد. نرم افزار تجزیه و تحلیل بافت دارای یک کتابخانه جامع از روش های آزمون استاندارد صنعتی است که مواد غذایی، لوازم آرایشی و آزمون‌های بسته بندی را با استانداردهای AACC، ASTM، DIN، EN، ISO، و دیگر استانداردها پوشش می دهد. نرم افزار همچنین قابلیت ایجاد آزمون تعریف شده توسط کاربر، جمع آوری داده ها، گزارش دهی و ارسال داده های تست، ضبط ویدئو و عکس، امنیت داده های آزمون و ردیابی حسابرسی، و اتوماسیون آزمون و سفارشی سازی را فراهم می سازد. آزمون استاندارد قابل تنظیم توسط کاربر می تواند برای ایجاد آزمایش های چند مرحله ای استفاده شود و به ویژه برای تجزیه و تحلیل پروفایل بافت (TPA) سودمند است که اثر دو گزش (Bite) را بر روی نمونه تکرار می کند.

نرم افزار در طول آزمون، نیرو، فاصله و زمان را نشان می دهد و پارامترهایی مانند نیروی چسبندگی (adhesion force)، چسبندگی(adhesiveness)، چسبندگی(chewiness)، انسجام(cohesiveness)، استحکام(firmness)، شکستگی(fracturability)، انعطاف پذیری(gumminess)، مدول سختی(hardness modulus)، انعطاف پذیری (resilience)، انعطاف پذیری (springiness) و سختی (stringiness)را محاسبه می کند.

علاوه بر امکانات اندازه گیری قدرتمند، نرم افزار قابلیت هایی را فراهم می کند که می توانند به طور چشمگیری در ارائه و درک نتایج آزمون موثر باشد. به عنوان مثال، تصاویر ویدئویی کل تست را می توان با داده های تنش/ کرنش همگام سازی کرد و برای تجزیه و تحلیل دقیق بعد از آزمون پخش کرد. از سوی دیگر، می توان در طول آزمون عکس‌هایی در نقاط خاص گرفت. این عکس‌ها در نمودار برای سهولت تجزیه و تحلیل ثبت می شوند.

علاوه بر این، دستگاه های پلاگ اند پلی خارجی مانند پروب های دما و رطوبت ممکن است به سیستم متصل شوند تا این پارامترها را در طی یک آزمایش نظارت کنند و در نرم افزار در کنار نیرو، فاصله و زمان گزارش شوند. شرایط شروع و توقف آزمون نیز ممکن است توسط این دستگاه های خارجی کنترل شوند.

علاوه بر بسیاری از آزمایشات استاندارد که از وسایل نامبرده در بالا استفاده می کنند، بسیاری از محققان تمایل به توسعه آزمایش های خود دارند. نرم افزار کنترل امکاناتی را جهت ایجاد و پیشبرد آزمون‌های مناسب فراهم می کند، تمام آنچه که مورد نیاز است جیگ یا فیکسچرهایی جهت نگه داشتن نمونه خاص برای آزمون مورد نظر است، که تولیدکنندگان بر اساس نیاز جیگ های مخصوص را طراحی و تولید می کنند.

«جدیدترین و دقیق ترین مدل دستگاه بافت سنج را داشته باشید.»

«بهترین انتخاب دستگاه بافت سنج کوپا است چون دستگاه بافت سنج کوپا بسیار پیشرفته اما کاربرپسند، تمام خودکار و مطابق با استانداردهای نوین طراحی و از دقت و قابلیت اعتماد بالایی برخوردار می باشد.»

«برای مشاهده اطلاعات بیشتر درباره دستگاه بافت سنج کلیک کنید»

• پروب فرو رونده بافت سنج
• پروب برش تیغه ای بافت سنج
• پروب برش سیمی بافت سنج
• پروب استوانه ای بافت سنج
• پروب گوی بافت سنج

• تست کشش میلگرد
• نمودار تنش کرنش مواد مختلف

«جدیدترین و دقیق ترین دستگاه های آزمون خواص مواد را داشته باشید.»

«کوپا بهترین انتخاب برای تجهیز آزمایشگاه است. چون دستگاه های کوپا بسیار پیشرفته اما کاربرپسند، تمام خودکار و مطابق با استانداردهای نوین طراحی و از دقت و قابلیت اعتماد بالایی برخوردار می باشند.»

• koopaco.com
• ametektest.com