Оптические люминесцентные свойства яиц
Электромагнитное излучение оптического диапазона достаточно давно применяется для улучшения эмбриогенеза куриных яиц при предынкубационной обработке. Однако в последнее время заметный интерес вызвали исследования по выявлению и классификации дефектных яиц с использованием методов машинного обучения и компьютерного зрения. Предложен метод обнаружения трещин на поверхности яиц.
Ранее были проведены исследования по определению свежести яиц с использованием спектроскопии в ближней инфракрасной области и гиперспектральных изображений. В настоящее время используется тепловизионный метод определения оплодотворенности яиц до инкубации. Измерения перечисленными способами ряда параметров перспективны для получения ценной информации в процессе инкубации и хранения яиц. В работах, проводимых для обнаружения дефектных яиц, выполнялось только обнаружение трещин, поэтому в исследовании было выбрано использование системы машинного зрения в реальном времени, разработанной для классификации грязных, окровавленных, треснувших и твердых яиц.
Оптические методы используются для предварительного отбора самцов во время эмбрионального развития. Этот метод позволяет более гуманно отбраковывать самцов. Была разработана и проверена надежная и неинвазивная методика определения пола по цвету in ovo. С этой целью была использована точечная спектроскопия видимого и ближнего инфракрасного диапазона (749–861 нм), которая имеет преимущества перед современной гиперспектральной визуализацией с точки зрения точности и стоимости. Также известно, что в технологиях переработки яиц используется метод колориметрического контроля цвета внешней оболочки желтка в зависимости от времени варки.
Цель работы — исследование оптических фотолюминесцентных характеристик и параметров столовых и инкубационных яиц для дальнейшего создания методики их диагностики.
Материалы и методы
Для спектральных исследований были использованы куриные яйца кроссов китайская шелковая (светлоскорлупные) и Хайсекс браун (темноскорлупные), а также утиные, гусиные и перепелиные яйца, предоставленные ФГБОУ ВО «Смоленская государственная сельскохозяйственная академия» (г. Смоленск, Россия).
Исследования проводились на спектрофлуориметре «Флюорат-02-Панорама» (ООО «Люмэкс», Россия) с выставлением соответствующих настроек в программном обеспечении Panorama Pro (разработчик — ООО «Люмэкс», права на использование переданы вместе с прибором).
Исследуемое яйцо находилось в темном футляре (для защиты от посторонних засветок). Световод подводили к острому концу яйца. Измерения проводились с 2015 по 2023 год на базе филиала ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет “МЭИ”» в г. Смоленске и ФГБНУ ФНАЦ ВИМ.
Были измерены спектры возбуждения ηэ(λ) и фотолюминесценции φл(λ) яиц. Повторность измерения — 20. Расчеты погрешностей проведены по общепринятой методике с р = 0,9. Рассчитаны энергетические и статистические параметры спектров. Интегральные энергетические параметры фотолюминесценции: Η — интегральная поглощательная способность (в относительных единицах) и Φ — относительный поток люминесценции (в относительных единицах). Определяются по формулам:
где ηэ(λ) — спектральная характеристика возбуждения, λ1–λ2 — пределы интегрирования характеристики возбуждения.
где φл(λ) — спектральная характеристика люминесценции, λ1–λ2 — пределы интегрирования характеристики люминесценции.
где φ(λ) — дифференциальная функция распределения (распределение плотности вероятности), λ1–λ2 — пределы интегрирования.
Дисперсия σ2, характеризующая степень разброса длин волн люминесценции относительно центра тяжести, рассчитывается по формуле:
Для оценки асимметрии (скошенности) спектра используют коэффициент асимметрии As, который определяется по формуле:
где μ3 — центральный статический момент 3-го порядка.
За оценку коэффициента крутости приняли искусственно созданную величину, которую назвали эксцессом Eλ (вычисляется по формуле):
где μ4 –— центральный статический момент 4-го порядка.
Полная энергия люминесценции в диапазоне длин волн λ1–λ2 вычисляется по формуле:
В процессе обработки был вычислен стоксов сдвиг, который равен разности длин волн максимумов кривых спектров люминесценции и возбуждения.
Результаты и обсуждение
Трехмерный спектр люминесценции представлен на рисунке 1.
Спектр возбуждения находится в спектральном диапазоне 220–320 нм (ультрафиолетовое излучение) и имеет несколько максимумов: наибольший на длине волны примерно 290 нм, далее по убыванию — 275 нм, 265 нм, 248 нм и 230нм. Спектр фотолюминесценции одномодальный с максимумом примерно на 337 нм и расположен в области 310–440 нм.
Были проведены сравнительные исследования спектров инкубационных яиц кур, уток, гусей и перепелов. Усредненные результаты представлены на рисунке 2.
Зависимости ηэ(λ) и φл(λ) для всех исследованных видов яиц имеют схожий вид, отличие заключается лишь в количественной величине спектров: для куриных, утиных и гусиных яиц расположение кривых и значения максимумов выше, чем у перепелиных. При этом закономерно уровни максимумов для светлой части перепелиных яиц будут выше темной (примерно в 2,2–2,5 раза).
В коротковолновой области максимумы для утиных и гусиных яиц превосходят максимумы для куриных. Спектры перепелиных яиц имеют качественные отличия от куриных, утиных и гусиных. У них на 10 нм меньше стоксов сдвиг: примерно 36 нм для перепелиных, около 46 нм для остальных. Также точка пересечения графиков ηэ и φл находится в более коротковолновой области: 302 нм для темной части, 305 нм — для светлой, в то время как для куриных, утиных и гусиных — примерно на 308–309 нм.
Провели сравнительное исследование светлоскорлупных куриных инкубационных яиц и таких же яиц заведомо неоплодотворенных. Измерили спектры ηэ(λ) и φл(λ) и рассчитали интегральные параметры Η и Φ, а также стоксов сдвиг. Полученные результаты представлены в таблице 1.
Видно, что стоксов сдвиг для неоплодотворенных яиц меньше, чем для оплодотворенных инкубационных. Для инкубационных яиц отмечаются существенно большие (в 2,6–2,7 раза) средние интегральные параметры Η и Φ, чем у заведомо неоплодотворенных. Заметно отличается вариабельность: для неоплодотворенных яиц в 5,6–5,8 раза меньше. Это может объясняться связью параметров фотолюминесценции и параметров инкубации.
Был проведен эксперимент по измерению спектральных характеристик столовых и инкубационных светлоскорлупных и темноскорлупных яиц, по итогам которого были рассчитаны усредненные статистические параметры — математическое ожидание, дисперсия, асимметрия, эксцесс, энергия спектра, а также интегральная поглощательная способность и поток фотолюминесценции.Результаты расчетов представлены в таблицах 2, 3.
Математические ожидания для всех типов исследованных яиц практически не отличаются: 272–274 нм для возбуждения, 343–349 нм для люминесценции. Погрешность определения математического ожидания незначительная: 0,07–0,15%. Дисперсия мало отличается для различных типов яиц, но у спектров фотолюминесценции она примерно на 25% больше. Все графики возбуждения имеют левостороннюю асимметрию (As < 0), а графики фотолюминесценции — правостороннюю. Однако если для возбуждения асимметрия для всех типов исследованных яиц отличается мало, то у люминесценции темноскорлупных яиц (как столовых, так и инкубационных) асимметрия в 1,25–1,42 раза больше.
Подобная тенденция прослеживается для параметра островершинности — эксцесса. Для всех спектров он отрицательный, то есть кривые плосковершинные. Плосковершинность меньше для зависимостей φл(λ), причем для темноскорлупных столовых яиц кривая близка к колоколообразной.
Значения энергии спектров практически не зависят от типа исследованных яиц. Величины асимметрии, эксцесса и энергии спектра определяются с очень высокой точностью и мало отличаются в пределах каждой исследованной группы.
Интегральная поглощательная способность столовых яиц значительно (в 2,8–3,0 раза) меньше, чем у инкубационных, и имеет существенно меньшую погрешность определения — 4,1–9,7% против 14,4–31,7% у инкубационных. Аналогичная тенденция просматривается и для потока фотолюминесценции. Для инкубационных яиц он больше в 2,8–3,1 раза, погрешность его определения выше — 15–32%.
Выводы
Фотолюминесцентные свойства яиц сельскохозяйственной птицы проявляются в ультрафиолетовой области спектра при возбуждении около 290 нм и регистрации люминесцентного свечения в диапазоне 310–440 нм. Качественно спектры различных видов домашних птиц (кур, уток, гусей, перепелов) схожи с незначительным (около 10 нм) различием стоксова сдвига.
Для оплодотворенных куриных яиц поток фотолюминесценции в 2,7 раза больше, чем у неоплодотворенных, при этом разброс значений для неоплодотворенных яиц в 5,6 раза меньше (р = 0,9). Такие параметры спектров, как асимметрия и эксцесс, существенно различаются для люминесценции темно- и светлоскорлупных куриных яиц. Такие показатели, как математическое ожидание, дисперсия и энергия спектра, практически одинаковы для темно- и светлоскорлупных инкубационных и столовых куриных яиц. Для столовых яиц интегральные энергетические параметры в 2,8–3,1 раза больше, чем у инкубационных. Разброс интегральных параметров для инкубационных яиц в несколько раз больше — свыше 30%, в то время как у столовых не более 15%.
Об авторах
Михаил Владимирович Беляков, доктор технических наук, доцент лаборатории инновационных технологий и технических средств кормления в животноводстве
bmw20100@mail.ru; https://orcid.org/0000-0002-4371-8042
Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 1-й Институтский проезд, 5, Москва, 109428, Россия
