СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНСИСТЕНЦИИ ПИЩЕВОГО ПРОДУКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА
FOOD PRODUCT CONSISTENCE DETERMINATION METHOD AND DEVICE FOR SUCH METHOD IMPLEMENTATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу определения консистенции пищевого продукта посредством измерения его вибрационного отклика на контролируемый вибрационный импульс. Предлагается также устройство для использования в этом способе.
Уровень техники
Из уровня техники известно использование технологии измерения вибрации с целью определения массового расхода газа или жидкости. Когда трубу, через которую проходит поток текучей среды, приводят в колебательное движение в направлении, перпендикулярном направлению потока, то на трубу воздействуют силы Кориолиса. Измерение смещения трубы под действием этих сил обеспечивает возможность количественного определения массового расхода. Расходомер, основанный на этом принципе Кориолиса, раскрыт, например, в WO 89/04463. Описанное в нем устройство содержит проточное приспособление, такое как труба или трубопровод, возбуждающее устройство и несколько датчиков, расположенных в различных местах на проточном приспособлении. Когда через устройство проходит поток текучей среды, то возбуждающее устройство используется для приведения в колебательное движение потока, и измеряются колебания с помощью датчиков. Силы Кориолиса, возникающие за счет потока текучей среды, вызывают фазовый сдвиг колебаний в различных местах проточного приспособления. Величина фазового сдвига определяется с использованием двух датчиков, расположенных в различных местах, и задает непосредственную меру массового расхода через приспособление. Дополнительно к этому, такие расходомеры можно также использовать для количественного определения плотности текучей среды в потоке, поскольку резонансная частота проточного приспособления зависит от массы протекающего материала. Однако указанный выше способ ограничивается газообразными или жидкими материалами и не дает информации о консистенции материала.
В журнале Applied Rheology (Прикладная реология) 17, 2511-1-25111-7 (2007) приведено описание способа с использованием принудительных вибраций и лазерного эффекта Доплера применительно к мягким сельскохозяйственным продуктам. В этом способе измерения твердый пищевой продукт, такой как дыня, помещают на генераторе вибраций, например, на вибрационном столе, и тем самым вынуждают совершать колебательные движения. Вызываемые тем самым колебания продукта исследуют посредством измерения движения его поверхности с помощью лазерного доплеровского виброметра. Анализ резонансных пиковых частот дает модуль упругости продукта, который может быть полезен для оценки качества продукта, спелости или твердости.
В журнале Measurement Science and Technology (Измерительная наука и техника) 14 (2003) 451-462 приведено описание устройства для реологических измерений, содержащего отрезок трубы с парой магнитов, прикрепленных к ней, и парой катушек, установленных на опорной раме, которое используется для исследования параметров потока жидкостей. Отрезок трубы, содержащей протекающую жидкость, приводится в торсионные колебания с помощью электромагнитного возбуждения с использованием пары магнит/катушка в качестве исполнительного механизма, и затем колебательный отклик трубы снимают с помощью той же пары магнит/катушка. Фазовый сдвиг между возбуждающим сигналом и сигналом отклика измеряют и используют для определения резонансной частоты и затухания в пробе жидкости. Затем из этих двух параметров определяют комплексную вязкость жидкости с помощью теоретической модели.
Сущность изобретения
Первой целью изобретения является создание надежного не разрушающего и неинвазивного способа определения консистенции пищевого материала. Согласно второму аспекту, изобретение имеет целью создание устройства для реализации указанного способа. Эти цели достигнуты с помощью способа, имеющего технические признаки пункта 1, и устройства, имеющего технические признаки пункта 15 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.
Изобретение предлагает способ определения консистенции пищевого материала, содержащий стадии приложения, по меньшей мере, одного вибрационного импульса (такого как колебательное возбуждение, звуковой импульс или любой другой импульс, который служит для приведения в колебания или «сотрясения» пищевого материала) с частотой внутри заданного диапазона частот и с определенной длительностью во времени к пищевому материалу, измерения вибрационного отклика (такого как смещение, перемещение, колебания и т.д. пищевого материала) пищевого материала, по меньшей мере, на один вибрационный импульс, и сравнения вибрационного отклика, по меньшей мере, с одной опорной величиной, определенной перед измерением. При этом понятие «консистенция» относится к физическим и/или химическим свойствам (или к структуре) подлежащего исследованию пищевого материала, включая, но не ограничиваясь этим, твердость, плотность, вязкость, упругость, кристаллическая структура, гомогенность (например, сосуществование различных фаз или кристаллических структур), химический состав, молекулярный состав (микроструктура) и т.п. Подлежащий исследованию пищевой материал находится в жидком или полутвердом состоянии и/или содержится внутри контейнерного тела, такого как труба. Если измерения выполняются на пищевом материале, содержащемся в контейнерном теле, то пищевой материал может быть стационарным во время измерения, т.е. не в движении (например, потоке) относительно контейнерного тела. Для измерения указанного вибрационного отклика может быть достаточным единственный датчик. Измерение вибрационного отклика может включать, например, измерение частоты и/или амплитуды вибраций. Опорную величину можно определять перед измерением, например, посредством измерения вещества с хорошо известной консистенцией или посредством измерения подлежащего исследованию пищевого материала при определенном наборе хорошо заданных внешних параметров, таких как температура и давление. Вибрационный отклик зависит от различных параметров пищевого материала, таких как вязкость, плотность или консистенция (например, одновременное существование различных фаз в материале). Таким образом, способ, согласно изобретению, можно применять для мониторинга процесса затвердевания пищи, например, в полутвердых пищевых материалах в результате воздействия охлаждения или сжатия, посредством обнаружения изменений в консистенции в виде изменений в вибрационном отклике материала. Таким образом, можно идентифицировать и исключать неполное затвердевание пищи посредством регулирования времени охлаждения и/или температуры, например, в туннеле охлаждения или даже посредством изменения конструкции такого туннеля охлаждения. Таким образом, указанный способ можно применять, по меньшей мере, двумя путями. Во-первых, можно осуществлять оперативный мониторинг процесса изготовления. Во-вторых, указанный способ можно использовать для определения консистенции пищевого процесса путем изменения параметров процесса и/или конструкции машин и/или аналогичных параметров. Результаты, полученные с помощью указанного способа, можно использовать затем для определения подходящих параметров процесса, конструкции машин или аналогичных факторов.
С другой стороны, параметры затвердевания пищевого материала во времени дают ценную информацию о качестве и твердости материала. В этом случае достаточно измерять пищевой продукт еще в полутвердом состоянии без необходимости ожидания полной кристаллизации материала. Таким образом, способ, согласно изобретению, обеспечивает инструмент для определения заранее качества пищевого продукта перед завершением его изготовления.
Измерение является не разрушающим и неинвазивным и тем самым не вызывает никакого повреждения исследуемого пищевого материала. Поэтому способ можно использовать для проверки качества готовых пищевых продуктов или для контролирования пищевых свойств во время процесса изготовления. В первом случае способ можно применять, например, для проверки кондитерских изделий с наполнением, например, покрытых шоколадом бисквитов. Такое измерение может обеспечивать важную информацию о состоянии продукта, например, является ли покрытие полным и равномерным, или же поврежден ли бисквит в процессе изготовления (например, образование трещин, неполное слоение между двумя материалами). Во втором случае можно мгновенно распознавать изменения в структуре или консистенции и компенсировать их, посредством выбора подходящих параметров производственного оборудования, таких как температура и давление. Таким образом, можно поддерживать правильную работу производственной линии, особенно при высокой рабочей скорости линии. Жесткое контролирование параметров пищевого продукта особенно важно, когда процесс изготовления включает стадию комбинирования различных пищевых компонентов с изменяющейся структурой и/или консистенцией для обеспечения желаемого соотношения компонентов. Это относится, например, к так называемой разовой технологии в кондитерском деле, когда все составляющие наносятся в одной стадии изготовления и должна обеспечиваться, например, 50% доля заполнения, для плоских таблеток, изготавливаемых внутри одной стадии в режиме нанесения ленты (когда удлиненные заполненные кондитерские изделия изготавливаются посредством бокового движения экструдирующего пищевые продукты сопла с нанесением пищевого материала с помощью сопла), выполняемого постоянно с высоким уровнем скорости и с использованием неблагоприятной комбинации рецептов (т.е. с наполняющими и покрывными материалами с различными консистенциями и/или текучими свойствами). Дополнительно к этому, указанный способ можно также использовать для идентификации различных уровней включения газа в жидком или твердом материале, например, во время процесса деаэрации шоколада. Способ, согласно изобретению, применим к многообразным пищевым материалам, таким как сливочный сыр (например, для получения правильного уровня сливочности), соусы, подливки, любые виды эмульсий и суспензий, любые жидкости, твердые или жидкие наноструктуры, полунаноструктуры, выпечки (например, для мониторинга свойств теста) или пастообразные продукты с дополнительным распространением на косметические средства, такие как лосьоны или кремы, или на фармацевтические средства.
Использование контейнерного тела является особенно предпочтительным для экспериментов, зависящих от температуры и давления, поскольку это обеспечивает возможность точного управления этими внешними параметрами. Например, контейнер может быть соединен с охлаждающим или нагревающим устройством.
В одном варианте выполнения изобретения несколько вибрационных импульсов с различными заданными частотами и с заданными дискретными интервалами времени прикладывают к пищевому материалу и измеряют вибрационный отклик пищевого материала на каждый из вибрационных импульсов. Тем самым повышается точность способа, что позволяет обнаруживать небольшие изменения в вибрационном отклике.
Способ, согласно изобретению, может дополнительно содержать стадию определения частот и амплитуд резонансного режима пищевого материала. Изменения в пищевом материале могут влиять на частоты или амплитуды резонансных режимов пищевого материала или же на оба этих параметра. Посредством мониторинга двух параметров можно оптимизировать точность измерения. Процесс измерения может состоять из приложения вибрационных импульсов с различными заданными частотами к пищевому продукту, измерения вибрационного отклика пищевого продукта на каждый из вибрационных импульсов и построения графиков амплитуды колебаний вибрационных откликов в зависимости от частоты вибрационных откликов. При этом частоты и амплитуды вибрационных откликов можно извлекать из данных измерения с использованием способа анализа с преобразованием Фурье. В таком графике зависимости амплитуды от частоты можно идентифицировать пики резонансных режимов и определять их высоту и положение. Дополнительно к этому, из графика можно извлекать ширину линии резонансного пика (например, полную ширину на половине максимума), что дает дополнительную информацию о вибрационном отклике, в частности о затухании соответствующего вибрационного режима, и тем самым о консистенции исследуемого пищевого материала. Сравнение таких графиков в различные моменты времени, при различных температурах, давлениях, различных изменениях температуры или различных положениях в производственной линии раскрывает изменения в консистенции пищевого материала. В частности, результат такого сравнения не будет зависеть от таких факторов как текущая температура пищевого материала, если выполняется точное управление ею. Предпочтительно, получают точную информацию относительно консистенции. Кроме того, графики можно сравнивать с графиками материалов с хорошо известными параметрами консистенции.
Когда пищевой материал содержится в контейнерном теле, таком как труба, вибрационный импульс можно прикладывать, согласно другому варианту выполнения, к контейнеру и/или можно измерять вибрационный отклик посредством измерения смещения контейнерного тела (например, линейного смещения или перемещения контейнерного тела). Такая конфигурация особенно полезна для исследования жидкого пищевого продукта. Кроме того, при использовании, например, трубопровода или трубы в качестве контейнера для пищи, консистенцию пищевого материала можно измерять в потоке. Контейнер может иметь подвижные части, такие как мембраны, прикрепленные или интегрированные в его стенки, которые могут служить для приложения вибрационного импульса к пищевому материалу и для измерения вибрационного отклика пищевого материала. Кроме того, вибрационный импульс можно прикладывать непосредственно к пищевому материалу и вибрационный отклик пищевого материала можно измерять посредством измерения смещения контейнерного тела. С другой стороны, вибрационный импульс можно также прикладывать к контейнерному телу и измерять вибрационный отклик пищевого материала непосредственно на пищевом материале.
Исследуемым пищевым материалом может быть шоколад. В процессе «темперирования» шоколада, в котором жировая фаза шоколадной массы (в основном в масле какао) претерпевает фазовый переход из жидкого в твердое состояние (в противоположность темперированию с зернами, в обычном процессе темперирования используется лишь охлаждение и сдвиг для образования кристаллов), тщательное управление процессом охлаждения является важным для получения желаемой кристаллической структуры и концентрации. Большинство жиров, таких как масло какао, являются полиморфными и могут кристаллизироваться во множестве различных форм с различной стабильностью, а также различными физическими и химическими свойствами. В случае темперированного шоколада в жирной фазе материала присутствуют различные кристаллические структуры (или формы) в зависимости от ее тепловой предыстории.
До настоящего времени присутствие этих различных структур обычно обнаруживается с использованием дифракции рентгеновских лучей не разрушающим и неинвазивным способом. Однако использование способа дифракции рентгеновских лучей обычно ограничивается лабораторными условиями. Кроме того, этот способ не позволяет проводить измерения на действительном шоколаде, поскольку кристаллы сахара в шоколаде вызывают дифракцию рентгеновских лучей в той же области, что и жирные кристаллы. Данное изобретение предлагает альтернативный подход, который обеспечивает преодоление этой проблемы тем, что он позволяет исследовать консистенцию шоколадной массы в любой момент времени фазового перехода без необходимости нарушения темперированной массы или выполнения сложных приготовлений.
В других способах используются сигналы отклика после воздействия на пробы различных режимов с изменением температуры во времени с использованием полностью других принципов измерения. Они называются DSC (дифференциальная сканирующая калориметрия) и заключаются в измерении кривых темперирования.
В этом случае способ DSC обычно применяют в лабораторных условиях и получают изменения энтальпии (ΔН) во время охлаждения с различной скоростью охлаждения и последующего нагревания с заданной скоростью нагревания (ΔТ/Δτ, где ΔТ обозначает изменение температуры в заданный интервал времени Δτ). Таким образом, способ DSC позволяет связывать пики плавления с определенным диапазоном температуры. Информация, получаемая о кристаллической структуре, ограничена различием температур и энтальпий в результате плавления кристаллической фазы. Из этих измерений нельзя выводить дополнительную информацию о консистенции.
Измерение кривых темперирования широко используется в кондитерских операциях. Пробу размещают в изотермических условиях, охлаждают и регистрируют температуру. Полученный наклон температуры дает так называемый индекс темперирования (излишнее темперирование, хорошее темперирование, недостаточное темперирование и отсутствие темперирования) и точку перегиба в °С замеса. Из таких измерений нельзя извлекать информацию о кристаллической структуре или консистенции.
В частности, способ, согласно изобретению, можно использовать для мониторинга изменений консистенции такой темперированной массы при почти постоянных температурах обработки, что позволяет выполнять соответствующие регулирования времени охлаждения или температуры в устройстве темперирования. Способ, согласно изобретению, совместим с указанной выше существующей техникой измерения степени темперирования. Кроме того, способ можно применять на производственных линиях изготовления жидкого шоколада с целью поддержания постоянства потока шоколадной массы, поскольку образование новой внутренней консистенции можно идентифицировать в потоке. Кроме того, пищевой материал может быть также сложным составом или обволакивающей массой или кондитерской наполнительной массой. Как указывалось выше, когда в процессе изготовления пищевого продукта комбинируются различные пищевые компоненты с изменяющейся консистенцией (например, вязкостью, плотностью или структурой), то способ, согласно изобретению, можно применять для обеспечения желаемого соотношения компонентов, например, в разовой технологии в кондитерском деле. С другой стороны, при исследовании пищевых продуктов с покрытием можно использовать способ для получения информации о покрытии, такую как завершенность, наличие трещин и/или равномерность толщины.
В другом варианте выполнения исследуемый пищевой материал может иметь наноструктуру. В этом случае материал может быть в полутвердом состоянии с газообразными или жидкими включениями нанометрового масштаба. С другой стороны, пищевой материал может быть наножидкостью (нанотекучей средой), такой как, например, жидкость с распределенными в ней наночастицами. Способ, согласно данному изобретению, можно применять для обнаружения присутствия такой сверхмалой структуры и для получения информации о ее свойствах, что является трудным (или невозможным) с помощью обычных технологий без нарушения или даже повреждения материала.
Кроме того, способ, согласно изобретению, можно использовать для мониторинга процесса деаэрации пищевого материала. Например, при изготовлении шоколада, воздух может легко захватываться жидкой или полутвердой массой, например, в процессе размешивания или встряхивания материала. Захваченный воздух (или другой газ в зависимости от специальных производственных условий) может образовывать пузырьки, которые либо остаются в массе шоколада, приводя к снижению массы готового продукта, либо подниматься к поверхности шоколада, вызывая ее шершавость. Таким образом, при изготовлении высококачественного продукта важно минимизировать такие включения газа до допустимого уровня, например, в случае обработки высоким давлением для обеспечения улучшенной микробиологической стабильности. Однако при использовании обычной технологии невозможно определять с достаточной точностью количество воздуха (или другого газа), захваченного в пищевой продукт, без существенного вмешательства в производственный процесс. Эту задачу можно решать с помощью способа, согласно данному изобретению. В этом случае особенно предпочтительно, что измерения можно выполнять во время процесса изготовления, когда пищевой материал все еще находится в жидком или полутвердом состоянии без необходимости ожидания полного затвердевания продукта. Поэтому можно выполнять заключительные стадии процесса (например, темперирование в случае изготовления шоколада) лишь при достижении приемлемого уровня деаэрации. С другой стороны, способ, согласно изобретению, можно применять перед процессом изготовления с целью определения подходящих параметров процесса для получения готового продукта с желаемым количеством газовых включений. Однако данное изобретение не ограничивается процессами изготовления, в которых количество газовых включений необходимо удерживать на минимальном уровне, а может распространяться на исследование пищевого материала, для которого желательно контролируемое образование газовых включений, такого как шоколад с включенными воздушными пузырьками микрометрового масштаба. В этом случае можно применять способ для мониторинга, например, размера и распределения газовых пузырьков с целью обеспечения желаемой консистенции пищевого продукта.
В предпочтительном в настоящее время варианте выполнения пищевой материал является стационарным во время измерения, т.е. не движется (например, не течет) относительно измерительного приспособления (такого как контейнерное тело, если оно предусмотрено). Поэтому способ, согласно изобретению, можно использовать в массовом процессе изготовления. Кроме того, способ, согласно изобретению, можно использовать для исследования консистенции пищевого материала в различных местах внутри производственной линии. В этом случае подлежащий испытанию пищевой материал можно задерживать и изолировать от внешних влияний, например, посредством закрывания соответствующих клапанов, включенных в трубы или трубопроводы производственной линии. Такой процесс измерения можно выполнять в различное время и в различных местах производственной линии, что обеспечивает возможность непрерывного управления консистенцией пищевого материала.
В еще одном варианте выполнения, когда пищевой материал находится в жидком состоянии и содержится внутри контейнерного тела, таком как труба, пищевой материал может протекать через контейнерное тело. Хотя, как указывалось выше, применение способа, согласно изобретению, к стационарному пищевому материалу является предпочтительным в настоящее время, такой вариант выполнения изобретения может приносить преимущества. Например, указанный выше способ можно использовать для мониторинга потока пищевого материала в производственной линии. В этом случае любые колебания в структуре или консистенции можно мгновенно идентифицировать и соответствующим образом можно регулировать производственное оборудование для гарантии равномерного качества выпускаемого продукта при высокой рабочей скорости линии. Процесс нанесения можно снова запускать при завершении образования желаемой консистенции.
Направление потока пищевого материала может быть по существу перпендикулярным направлению прикладываемого вибрационного импульса и к направлению измерения вибрационного отклика пищевого материала. Эта геометрия обеспечивает возможность удобного и эффективного измерения, в частности, когда измерительное оборудование интегрировано в производственную линию.
Частота прикладываемого вибрационного импульса должна лежать в диапазоне 0-20 кГц, предпочтительно внутри диапазона 0-10 кГц. В этом частотном диапазоне вибрационные импульсы можно генерировать с помощью обычных способов, предпочтительно с использованием пьезоэлектрического исполнительного механизма, и вибрационный отклик можно измерять с использованием стандартных средств, предпочтительно виброметра. Поэтому стоимость оборудования можно удерживать на разумном низком уровне. Кроме того, использование пьезоэлектрического исполнительного механизма в комбинациях с виброметром обеспечивает возможность создания простого измерительного набора, который можно легко собирать и включать в производственную линию или линию обработки без создания помех окружающему оборудованию.
Способ, согласно изобретению, может дополнительно содержать стадию калибровки перед измерением. Эту стадию калибровки можно выполнять без пробы материала или с ней. Измерительную установку можно калибровать посредством измерения «калибровочного вещества» с хорошо известными параметрами материала, такими как вязкость и консистенция, или посредством измерения исследуемого пищевого материала для определенного набора хорошо заданных внешних параметров, таких как температура и давление.
Согласно второму аспекту данного изобретения, предлагается устройство для определения консистенции пищевого материала, при этом устройство содержит устройство для генерирования вибрационного импульса, такое как пьезоэлектрический исполнительный механизм, устройство для измерения вибраций, такое как виброметр, удерживающий механизм и анализатор для сравнения измеренных вибраций, по меньшей мере, с одной опорной величиной, определенной перед измерением. Удерживающий механизм содержит контейнерное тело для содержания в нем пищевого материала (такое как труба или трубопровод) или же струну, к которой можно прикреплять пищевой материал. Последнюю конфигурацию можно использовать, например, для исследования полутвердого пищевого материала, например, во время процесса затвердевания.
В одном варианте выполнения в анализаторе измеряются и сравниваются частоты и амплитуды резонансных режимов пищевого материала.
В другом варианте выполнения удерживающий механизм содержит контейнерное тело для содержания в нем пищевого материала, которое выполнено из устойчивого материала, предпочтительно металла, такого как нержавеющая сталь. Контейнерное тело, выполненное из такого материала, имеет то преимущество, что оно является стабильным внутри широкого диапазона температур и давлений, обеспечивая возможность выполнения детального изучения свойств пищевого материала при изменяющихся внешних условиях. Этот признак может быть важным, в частности, для слежения за процессами частичного затвердевания.
В другом варианте выполнения, в котором удерживающий механизм содержит контейнерное тело для содержания в нем пищевого материала, устройство дополнительно содержит датчик с чувствительным к вибрации компонентом, таким как мембрана, в котором датчик соединен с контейнерным телом так, что чувствительный к вибрации компонент реагирует на вибрации контейнерного тела. Затем измеряется вибрационный отклик пищевого материала посредством измерения смещения чувствительного к вибрации компонента датчика. Такой датчик можно надежно прикреплять к трубе или трубопроводу в производственной или обрабатывающей линии без каких-либо связанных колебаний, и он обеспечивает возможность локального измерения консистенции пищевого материала.
Краткое описание чертежей
Ниже приводится пояснение не имеющих ограничительного характера примеров и результатов экспериментов со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - устройство для определения консистенции пищевого материала, согласно первому варианту выполнения;
фиг.2 - график амплитуды колебаний в зависимости от частоты колебаний для вибрационного отклика излишне темперированного и не темперированного шоколада при идентичной температуре, измеренный с помощью устройства, согласно первому варианту выполнения;
фиг.3 и 4 - графики амплитуды колебаний в зависимости от частоты колебаний и времени для вибрационного отклика не предварительно кристаллизованного и предварительно кристаллизованного шоколада, соответственно, при идентичной температуре, измеренные с помощью устройства, согласно второму варианту выполнения;
фиг.5 - часть устройства для определения консистенции пищевого материала, согласно второму варианту выполнения, включающему датчик; и
фиг.6 - график амплитуды колебаний в зависимости от частоты колебаний для вибрационного отклика силиконового масла (АК 5000) и раствора глюкозы (GLC), измеренный с помощью устройства, согласно первому варианту выполнения.
Подробное описание предпочтительных в настоящее время вариантов выполнения
На фиг.1 показано устройство 10 для определения консистенции пищевого материала, согласно первому предпочтительному варианту выполнения. Исследуемый пищевой материал содержится внутри трубы 16, выполненной из нержавеющей стали. Устройство 10 может работать в режиме вне линии, когда пищевой материал неподвижен в трубе 16, или в оперативном режиме. В первом случае пищевой материал изолирован от внешних влияний посредством закрывания верхнего клапана 40 и нижнего клапана 42, которые включены в трубу 16. Во втором случае клапаны 40, 42 открыты, и пищевой материал протекает по длине устройства, входя в трубу через массовый вход 22 и покидая трубу 16 через массовый выход 24. Труба 16 может быть, например, частью производственной или обрабатывающей линии. Труба 16 закреплена в двух местах вдоль ее длины с помощью верхней опоры 18 и нижней опоры 20, и приводится в колебания в направлении, перпендикулярном ее продольной оси с использованием пьезоэлектрического исполнительного механизма 12. Колебательная часть трубы 16 является зоной между двумя опорами 18, 20. Смещение трубы 16 измеряется с помощью обычного виброметра 14, который можно размещать в разных местах вдоль устройства 10 с учетом природы волн отклика, вызванных разницей консистенции используемых пищевых материалов. Пьезоэлектрический исполнительный механизм 12 и обычный виброметр 14 соединены с платой персонального компьютера (не изображен). В процессе измерения можно прикладывать к трубе 16 несколько вибрационных импульсов с изменяющейся частотой с использованием пьезоэлектрического исполнительного механизма 12, и измерять вызываемое смещение трубы для каждого импульса с помощью виброметра 14. Затем анализаторный блок (не изображен) определяет частоту и амплитуду колебаний трубы для каждого приложенного вибрационного импульса. Таким образом, получают профиль изменения амплитуды в зависимости от частоты для заданного набора внешних параметров, таких как давление, температура, положение на производственной линии, точка удара (т.е. место приложения вибрационного импульса), форма и размер контейнера для пищевого материала и т.д. Любое изменение консистенции пищевого материала, которое может вызываться изменением внешних параметров или за счет взаимодействия пищевого материала с его окружением (например, охлаждение материала за счет теплообмена с окружением), отражается в соответствующем профиле зависимости амплитуды от частоты, который можно затем использовать для обнаружения изменений в свойствах пищевого материала.
На фиг.2 показаны характерные графики зависимости амплитуды от частоты для излишне темперированной и не темперированной шоколадной массы, которые были измерены при идентичных температурах в изотермических условиях с использованием указанного выше устройства 10 в режиме вне линии. Графики показывают явную разницу между профилями колебаний шоколадной массы, измеренными для образцов с различной тепловой и срезающей предысторией, которые наиболее проявляются вокруг центров резонансных пиков. В то время как все пики показывают заметное изменение высоты пиков для двух образцов, наблюдается также смещение между двумя пиками на частоте около 7700 и около 7800 Гц, соответственно. Таким образом, сравнение двух графиков (или лежащих в основе данных или выходных сигналов датчика) позволяет четко различать излишне темперированный и не темперированный шоколадный материал. Если известно примерное положение, по меньшей мере, одного из резонансных пиков для данного пищевого материала, то можно также идентифицировать изменение в консистенции с помощью одного измерения на частоте, близкой к центру этого пика. Если необходимо определять, например, является ли для данного набора внешних параметров шоколадный материал темперированным или нет, достаточно определить амплитуду колебаний шоколадной массы с идентичной температурой при частоте, например, вокруг 10800 Гц (см. фиг.2). Таким образом, можно быстро, надежно и несложно идентифицировать изменения в консистенции пищевого материала без разрушения или даже нарушения исследуемого материала.
На фиг.3 и 4 показаны графики зависимости амплитуды от частоты и времени для предварительно кристаллизованного и предварительно не кристаллизованного шоколада, соответственно, которые измерены при идентичной температуре (28°С) с интервалами времени 30 и с использованием устройства 10, согласно второму варианту выполнения (описание приводится ниже со ссылками на фиг.5) в режиме вне линии, т.е. обе пробы не протекают через трубу во время измерения. Такие графики можно использовать для мониторинга процесса затвердевания жидкого или полутвердого пищевого материала с получением важной информации о свойствах консистенции материала. В показанных на фиг.3 и 4 примерах, единственной разницей между двумя шоколадными материалами является наличие кристаллической структуры за счет разной тепловой предыстории шоколадного материала, для которого показан график на фиг.4. Это различие имеет важное значение для характеристик затвердевания двух материалов, которое отражается в соответствующих графиках. В то время как график зависимости амплитуды от частоты остается почти неизменным во времени (см. фиг.3), наблюдается явное изменение высоты пика как на частоте примерно 2, так и примерно 5 кГц для предварительно кристаллизованной шоколадной массы (см. фиг.4) на исследуемой шкале времени, которые отражают фазовые переходы материала. С другой стороны, эти данные (в частности, фиг.4) показывают, что способ, согласно изобретению, обеспечивает эффективный и чувствительный инструмент для мониторинга фазовых переходов и структурных изменений в жидких и полутвердых пищевых материалах. С другой стороны, показанные на фиг.3 и 4 примеры демонстрируют, что исследование характеристик затвердевания заданного образца пищевого продукта дает информацию о структурных деталях и тепловой предыстории образца. Поэтому данное изобретение можно применять для определения заранее структуры пищевого материала перед полным затвердеванием материала, что обеспечивает возможность ценного тестирования качества, например, во время процесса изготовления. Как показано на фиг.3 и 4, графики зависимости амплитуды от частоты двух шоколадных материалов имеют резонансные пики на частоте около 2 и около 5 кГц. В целом, обнаружение хорошо заданного вибрационного отклика исследуемого шоколадного материала является неожиданным открытием для этой системы из-за высокого уровня неравномерностей и низкого уровня концентрации доли включенного жира (примерно 1% жировой фазы становится твердым во время обычного темперирования). В частности, наблюдение резонансного режима при таких низких частотах является неожиданным, поскольку появление резонансных пиков обычно ожидается на более высоких частотах вплоть до ультразвукового диапазона для этого типа материала. Однако, как демонстрируют данные, показанные на фиг.2-4, для данного способа полностью достаточно выполнять измерения на частотах ниже 20 кГц, предпочтительно даже ниже 10 кГц. Этот диапазон частот легко доступен с помощью обычного измерительного оборудования, так что стоимость оборудования можно удерживать на низком уровне и минимизировать опасность нарушения или повреждения пищевого материала во время измерения.
На фиг.5 показана часть устройства 10 для определения консистенции пищевого материала, согласно второму предпочтительному варианту выполнения. Аналогично указанному выше первому варианту выполнения, пищевой материал содержится внутри трубы 16, где он может быть стационарным (режим вне линии) или протекать через устройство 10 (оперативный режим) через массовый вход 22 и выход 24. Кроме того, устройство 10 содержит пьезоэлектрический исполнительный механизм 12 и виброметр (не изображен). Дополнительно к этому, устройство 10, согласно второму варианту выполнения, содержит датчик 26, который окружает трубу 16 и закреплен на ней. Две мембраны 28, 30 прикреплены к датчику 26 с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном длине трубы 16, на заданное расстояние. Вибрационный импульс прикладывается к трубе 16 через первую мембрану 28 с использованием пьезоэлектрического исполнительного механизма 12. Возникающее в результате колебания трубы 16 вызывают колебания второй мембраны 30 с той же частотой и амплитудой, что и у самой трубы 18, и тем самым колебания трубы можно количественно определять посредством измерения колебаний второй мембраны 30 с помощью виброметра (не изображен). Колебательная часть трубы 16 по существу задана диаметром частей мембран 28, 30, которые находятся в контакте с трубой 16. Датчик 26 можно прикреплять к трубам 16 или трубопроводам в различных местах производственной или обрабатывающей линии без каких-либо связанных колебаний, что обеспечивает возможность локального измерения консистенции пищевого материала. Датчик 26 предпочтительно выполнен из металла, такого как нержавеющая сталь, для обеспечения высокой теплопроводности. Поэтому нагревательное или охлаждающее устройство (такое как электрический нагреватель или охлаждаемый теплообменник, не изображены) может быть соединено с датчиком 26, так что можно изменять температуру исследуемого пищевого материала и можно изучать воздействие температуры на консистенцию пищевого материала. Такой набор особенно полезен для подробного исследования процессов затвердевания, например, после процесса темперирования шоколада.
На фиг.6 показан график амплитуды колебаний в зависимости от частоты колебаний для вибрационного отклика силиконового масла (АК 5000 фирмы Wacker-Chemie GmbH) и раствора глюкозы (GLC), измеренного с помощью устройства, согласно первому варианту выполнения. Силиконовое масло и раствор глюкозы имеют идентичную вязкость (4,42 Па с), но разные плотности (950 г/л для АК 5000 и 1353 г/л для GLC). Как показано на фиг.6, графики двух измеренных материалов значительно различаются пиковой амплитудой и частотой. Способ измерения, согласно изобретению, является чувствительным к различиям химического состава и молекулярной структуры исследуемой системы и его можно применять для обнаружения даже небольших изменений консистенции, которые происходят на микроскопическом (молекулярном) уровне. В частности, как показано на фиг.6, эти изменения консистенции не обязательно должны относится к различной вязкости, но могут относиться, например, к различной плотности. То же можно ожидать для различных кристаллических структур, молекулярных структур и т.д.