ES2948683T3 - Aparato y procedimiento de medición cuantitativa de textura - Google Patents

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Abstract

Se divulga un aparato y un método de medición no destructivo para medir cuantitativamente la textura de un refrigerio. El aparato incluye una herramienta generadora de láser, un dispositivo de excitación de ultrasonidos, un dispositivo de captura acústica, un dispositivo de captura de ultrasonidos y una unidad de procesamiento de datos. La herramienta de generación de láser y la herramienta de excitación por ultrasonidos dirigen la energía hacia un refrigerio colocado sobre una superficie y producen una señal acústica y una señal de ultrasonido. La unidad de procesamiento de datos comprende además un módulo de procesamiento de señales digitales que procesa la señal acústica y la señal de ultrasonido recibidas. Un módulo de procesamiento estadístico filtra aún más la señal acústica de la unidad de procesamiento de datos y genera un modelo acústico cuantitativo para atributos de textura como dureza y fracturabilidad. El modelo cuantitativo se correlaciona con una medición de textura cualitativa realizada por un panel descriptivo de expertos. La textura de los snacks se mide cuantitativamente con el modelo acústico cuantitativo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Aparato y procedimiento de medición cuantitativa de textura
Campo de la invención
La presente invención se refiere a una medición cuantitativa de textura para productos alimenticios usando técnicas fotoacústicas no invasivas.
Técnica anterior y antecedentes de la invención
Antecedentes de la técnica anterior
La textura es una de las características sensoriales más importantes que determinan la preferencia del consumidor por productos alimenticios y generalmente se evalúa mediante evaluación sensorial. Sin embargo, la evaluación sensorial requiere mucho tiempo y es costosa y, por tanto, se necesitan procedimientos instrumentales fiables y prácticos para predecir con precisión los atributos sensoriales de textura y otras propiedades de aperitivos.
Cuando se fabrica un aperitivo tal como patatas fritas, las propiedades de textura dependen de las características de la materia prima (es decir, patatas con bajo contenido en sólidos o con alto contenido en sólidos) y las condiciones de procesamiento a las que se somete la materia prima, tal como el perfil de temperatura, el grosor de rodaja, así como las características del producto terminado, tales como la humedad, el contenido de aceite, etc.
La fragilidad, la suavidad y/o el crujiente de una patata frita son sólo unos pocos ejemplos de características de textura y sensación en la boca que hacen que los alimentos sean atractivos y que satisfagan a los consumidores. La textura es uno de los criterios principales que los consumidores usan para evaluar la calidad y frescura de muchos alimentos. Cuando un alimento produce una sensación física en la boca (dura, suave, crujiente, húmeda, seca), el consumidor tiene una base para determinar la calidad del alimento (fresco, rancio, tierno, maduro).
Un reto importante es cómo medir con precisión y objetivamente la textura y la sensación en la boca. La textura es una propiedad compuesta relacionada con varias propiedades físicas (por ejemplo, dureza y fracturabilidad), y la relación es compleja. La textura o la sensación en la boca no pueden medirse cuantitativamente en un único valor obtenido a partir de un instrumento. La sensación en la boca es difícil de definir ya que implica la interacción física y química completa del alimento en la boca, desde la percepción inicial en el paladar, al primer bocado, a través de la masticación y, finalmente, el acto de tragar. Existe la necesidad de medir cuantitativamente la interacción del alimento en la boca.
Un problema con la dureza es que las correlaciones con las pruebas sensoriales no siempre son tan altas como se espera. En muchos casos, la métrica de la fuerza máxima ejercida sobre una patata frita no replicó adecuadamente la textura experimentada por los consumidores. Por tanto, las opiniones de los consumidores sobre la dureza pueden ser más matizadas que una simple métrica de fuerza máxima a partir de una prueba analítica destructiva.
Actualmente, no hay una buena correlación de ningún tipo entre las lecturas del instrumento y las puntuaciones del panel de sabor. El problema es que ningún instrumento es capaz de manipular un producto alimenticio precisamente de la misma manera que la boca humana durante la masticación. Por ejemplo, un instrumento puede comprimir un producto alimenticio entre dos placas, mientras que un ser humano lo mordería con los incisivos. Por tanto, existe la necesidad de una medición cuantitativa de la textura que tenga una buena correlación con una medición cualitativa de un panel de expertos.
Sistema de medición de textura del estado de la técnica
El analizador de textura universal TA-XT2 de Texture Technologies Corp., puede realizar un cálculo de TPA completo y viene con múltiples sondas convencionales, incluyendo diversos tamaños de agujas, conos, cilindros, punzones, cuchillas y bolas. La figura 1 ilustra un sistema de la técnica anterior para medir atributos de textura tales como dureza y fracturabilidad con un Analizador de Textura TA-XT2. El sistema incluye una sonda (0101) que ejerce una fuerza sobre un aperitivo tal como una patata frita y mide la cantidad de fuerza requerida para romper la patata frita. La dureza puede medirse como una fuerza requerida para deformar el producto a una distancia dada, es decir, la fuerza para comprimir entre los molares, morder a través de los incisivos, comprimir entre la lengua y el paladar.
Procedimiento de medición de textura de la técnica anterior
Tal como se muestra generalmente en la figura 2, un procedimiento de medición de textura de la técnica anterior asociado con el sistema de la técnica anterior puede incluir las etapas que comprenden:
(1) colocar un aperitivo sobre una superficie (0201);
(2) con una sonda, ejercer una fuerza y romper/deformar el aperitivo (0202);
(3) generar una señal acústica a partir del aperitivo o medir la fuerza ejercida (0203);
La fuerza ejercida puede depender de la forma del aperitivo. Por ejemplo, un aperitivo en forma de U o un aperitivo con forma curvada puede colocarse en cualquier dirección y la fuerza ejercida para romper el aperitivo puede ser diferente. Por tanto, existe la necesidad de una medición de textura cuantitativa independiente de la forma.
(4) capturar la señal acústica con un dispositivo acústico de captura o registrar la fuerza requerida para romper el aperitivo (0204);
la señal acústica se captura durante un periodo de tiempo a frecuencias preestablecidas y la señal se representa gráficamente como tiempo (segundos) frente a intensidad (dB). Existe la necesidad de medir la señal acústica en un amplio intervalo de frecuencias.
(5) generar un modelo de textura a partir de la señal acústica (0205); y
Se desarrolla un modelo para atributos de textura tales como dureza y fracturabilidad a partir del gráfico de tiempo frente a intensidad para el aperitivo. Alternativamente, también puede usarse un modelo a partir de la fuerza medida para desarrollar un modelo.
(6) medir el atributo de textura del aperitivo a partir del modelo de textura.
Los atributos de textura de un aperitivo se miden a partir del modelo desarrollado en la etapa (0205). Los atributos de textura están correlacionados con un número de atributos de textura cualitativos de un panel de expertos tal como se describe a continuación en la figura 3.
Procedimiento de correlación de textura de la técnica anterior
Tal como se muestra generalmente en la figura 3, un procedimiento de correlación de textura de la técnica anterior puede incluir las etapas que comprenden:
(1) enviar muestras de aperitivos a un panel de expertos (0301);
El envío de las muestras de aperitivos puede tomar tiempo y el aperitivo puede experimentar un cambio de textura durante el procedimiento de envío. Por tanto, existe la necesidad de limitar el número de veces que los aperitivos se envían al panel de expertos.
(2) analizar cualitativamente las muestras de aperitivos (0302);
El procedimiento comienza con un panel sensorial bien entrenado para llevar a cabo un análisis de perfil de textura significativo, un panel de evaluación debe tener un conocimiento de calificación previo del sistema de clasificación de textura, el uso de escalas de calificación convencionales y los procedimientos correctos relacionados con la mecánica de la prueba. El entrenamiento de los panelistas comienza con una definición clara de cada atributo. Además, las técnicas usadas para evaluar el producto alimenticio deben especificarse de manera explícita, explicando cómo se coloca el producto alimenticio en la boca, ya sea si se actúa sobre el mismo con los dientes (y qué dientes) o con la lengua y qué sensación particular va a evaluarse. Los panelistas reciben patrones de referencia para su evaluación, por lo que pueden poner en práctica sus técnicas de evaluación sensorial y el uso de escalas. La dureza y la fracturabilidad generalmente se consideran el atributo de textura más importante. Actualmente no hay una buena correlación de ningún tipo entre las lecturas del instrumento y las puntuaciones del panel de sabor. Actualmente no hay instrumentos capaces de manipular un producto alimenticio exactamente de la misma manera que la boca humana durante la masticación. Por ejemplo, un instrumento puede comprimir un producto alimenticio entre dos placas, mientras que un ser humano lo mordería con los incisivos. De hecho, lo que un instrumento mide puede no estar relacionado con lo que percibe el consumidor. Por tanto, existe la necesidad de tener un sistema que pueda medir cuantitativamente los atributos de textura y correlacionarlos con las puntuaciones del panel de sabor.
(3) asignar un número del panel descriptivo para los atributos de textura de la muestra de aperitivo (0303);
Se realiza una evaluación sensorial organoléptica en la que los panelistas entrenados asignan niveles de intensidad en diversos descriptores/atributos de textura. Por ejemplo, para evaluar las patatas fritas, la dureza puede considerarse un atributo importante. En este caso, los panelistas asignan una puntuación de dureza basándose en una escala, donde 1 es extremadamente blando y 15 es extremadamente duro. Los panelistas pueden calificar la dureza de las muestras de patatas fritas como A, B y C. Después de que se completen los paneles de sabor, las lecturas del instrumento del producto alimenticio se realizan tal como se describe a continuación en la etapa (0304).
(4) medir los atributos de textura usando un procedimiento analítico invasivo (0304);
Existe la necesidad de que la técnica instrumental seleccionada replique en la mayor medida posible cómo manipula la boca el producto alimenticio particular. El instrumento debe aplicar la misma cantidad de fuerza en la misma dirección y a la misma velocidad que la boca y los dientes durante la masticación. El instrumento puede registrar señales acústicas durante un periodo de tiempo y generar un modelo.
Sin embargo, los instrumentos actuales están limitados por el registro de acústica a frecuencias discretas tales como entre 4000 y 8000 kHz. Por tanto, existe la necesidad de registrar sonido en un intervalo de frecuencias más amplio. (5) correlacionar los atributos de textura analíticos y cualitativos (0305); y correlacionar estadísticamente entre datos sensoriales (número del panel descriptivo) y mediciones instrumentales. Actualmente, la correlación basada en las mediciones de intensidad frente a tiempo, genera una correlación estadísticamente débil. Por tanto, existe la necesidad de una fuerte correlación entre el número del panel descriptivo y el modelo analítico.
(6) generar un modelo de correlación (0306).
La solicitud de patente de Estados Unidos US-2017/097222 A1 describe una medición de atributo de textura no destructiva cuantitativa de un producto alimenticio que comprende un generador láser y un dispositivo de captura acústica.
En consecuencia, existe la necesidad de una medición de textura cuantitativa no invasiva que logre los siguientes objetivos:
• Proporcionar un procedimiento cuantitativo para medir atributos de productos terminados tales como contenido de aceite, humedad, grosor de rodaja y contenido de sal.
• Proporcionar una medición analítica cuantitativa de los atributos de textura tales como dureza, fracturabilidad, textura crujiente y oleosidad de la superficie.
• Proporcionar un análisis de los datos de dominio de frecuencia para modelar con precisión los atributos de textura.
• Proporcionar una captura de señal acústica en un intervalo amplio de frecuencias de desde 0,1 hasta 200 kHz.
• Proporcionar una prueba cuantitativa independiente de forma para la medición de la textura.
• Proporcionar una medición cuantitativa no destructiva de la textura de un aperitivo.
• Proporcionar una medición cuantitativa de textura con muestras mínimas con mayor precisión y confiabilidad.
• Proporcionar una prueba de medición de textura cuantitativa menos costosa.
• Proporcionar resultados instantáneos de las mediciones cuantitativas.
• Proporcionar mediciones cuantitativas repetibles y reproducibles de aperitivos.
• Proporcionar mediciones de frecuencia en el intervalo de ultrasonidos.
Aunque no debe entenderse que estos objetivos limiten las enseñanzas de la presente invención, en general estos objetivos se logran en parte o en su totalidad por la invención descrita que se discute en las siguientes secciones. Un experto en la técnica sin duda podrá seleccionar aspectos de la presente invención como se describe para afectar cualquier combinación de los objetivos descritos anteriormente dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripción de la invención
La presente invención en diversas realizaciones aborda uno o más de los objetivos anteriores de la siguiente manera. El aparato de medición de textura según la reivindicación 1 incluye una herramienta de generación de láser, un dispositivo de excitación de ultrasonido, un dispositivo de captura acústica, un dispositivo de captura de ultrasonido y una unidad de procesamiento de datos. La herramienta de generación de láser y la herramienta de excitación por ultrasonidos dirigen energía hacia un aperitivo que se coloca en una superficie y producen una señal acústica y una señal de ultrasonido. La unidad de procesamiento de datos comprende además un módulo de procesamiento de señales digitales que procesa la señal acústica recibida y la señal de ultrasonido. Un módulo de procesamiento estadístico filtra aún más la señal acústica de la unidad de procesamiento de datos y genera un modelo acústico cuantitativo para atributos de textura como dureza y fracturabilidad. El modelo cuantitativo se correlaciona con una medición cualitativa de la textura a partir de un panel de expertos descriptivo. La textura de los aperitivos se mide cuantitativamente con el modelo acústico cuantitativo.
El sistema de la presente invención se puede utilizar en el contexto de un procedimiento para medir cuantitativamente los atributos de textura de un producto alimenticio según la reivindicación 6, el procedimiento comprende las etapas de:
(1) impactar una superficie de un producto alimenticio con un láser, generando así una señal acústica desde una superficie del producto alimenticio;
(2) excitar un producto alimenticio con un dispositivo de excitación de ultrasonido, generando así una señal de ultrasonido del producto alimenticio;
(3) capturar la señal acústica con un dispositivo acústico de captura;
(4) capturar la señal de ultrasonido con un dispositivo acústico de captura;
(5) enviar la señal acústica y la señal de ultrasonido a una unidad de procesamiento de datos;
(6) convertir la señal acústica y la señal de ultrasonido de un dominio de tiempo a un dominio de frecuencia; (7) identificar frecuencias relevantes y sus intensidades asociadas; y
(8) cuantificar el atributo de textura del producto alimenticio basado en las frecuencias relevantes y las intensidades asociadas.
La integración de este y otros procedimientos de realización ejemplar preferidos junto con una variedad de sistemas de realización ejemplar preferidos descritos en esta invención se anticipa por el alcance general de la presente invención como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripción de los dibujos
Para una comprensión más completa de las ventajas proporcionadas por la invención, debe hacerse referencia a la siguiente descripción detallada junto con los dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 es un sistema invasivo de la técnica anterior para medir la textura en productos alimenticios.
La figura 2 es un gráfico de la técnica anterior para medir la textura con señales acústicas.
La figura 3 es un procedimiento de la técnica anterior para correlacionar mediciones de textura.
La figura 4 es un sistema para la medición cuantitativa de atributos de textura según una realización ejemplar. La figura 5 es una herramienta de excitación que dirige energía sobre un producto alimenticio según una realización ejemplar.
La figura 6 es una unidad de captura acústica que captura una señal acústica según una realización ejemplar. La figura 6a es un aparato de medición de textura que comprende una carcasa con forma de plato parabólico y un dispositivo de captura acústica colocado dentro del plato, según una realización ejemplar.
La figura 7 es una unidad de procesamiento de datos según una realización ejemplar.
La figura 8 es una unidad de procesamiento de señales digitales según una realización ejemplar.
La figura 9 es una unidad de procesamiento estadístico según una realización ejemplar.
La figura 10 es un procedimiento de diagrama de flujo para la medición cuantitativa de la textura según una realización ejemplar.
La figura 11 es un procedimiento de diagrama de flujo ejemplar para la correlación cuantitativa de la textura según una realización a modo de ejemplo preferida.
La figura 12 es un procedimiento de diagrama de flujo ejemplar para el desarrollo de modelo de textura cuantitativa según una realización a modo de ejemplo preferida.
La figura 13 es un procedimiento de diagrama de flujo ejemplar para la generación de señales acústicas según una realización a modo de ejemplo preferida.
La figura 14 es un procedimiento de diagrama de flujo ejemplar para el procesamiento de señales acústicas según una realización ejemplar preferida.
La figura 15 es un procedimiento de diagrama de flujo ejemplar para el procesamiento estadístico acústico según una realización a modo de ejemplo preferida.
La figura 16 es un procedimiento de identificación de aperitivos a modo de ejemplo según una realización a modo de ejemplo preferida.
La figura 17 es una tabla de emparejamiento de identificación de aperitivos a modo de ejemplo según una realización a modo de ejemplo preferida.
La figura 18 es un diagrama de transformación de dominio de tiempo a dominio de frecuencia de una señal acústica ejemplar según una realización a modo de ejemplo preferida.
La figura 19 es un gráfico de atributo de textura (dureza) ejemplar frente a frecuencias relevantes según una realización de ejemplo preferida.
La figura 20 es un gráfico de atributo de textura ejemplar (fracturabilidad) frente a frecuencias relevantes según una realización a modo de ejemplo preferida.
La figura 21 es otro gráfico de atributo de textura ejemplar (dureza) frente a frecuencias relevantes según una realización a modo de ejemplo preferida.
La figura 22 es un sistema para la medición cuantitativa de atributos de textura según una realización ejemplar de la presente invención.
La figura 23 es un procedimiento de diagrama de flujo para la medición cuantitativa de un atributo de textura con el sistema de la figura 22 que comprende un láser, un dispositivo de excitación de ultrasonido, un dispositivo de captura acústica y un dispositivo de captura de ultrasonido según una realización ejemplar de la presente invención.
Descripción de las realizaciones a modo de ejemplo del presente documento
Las numerosas enseñanzas innovadoras de la presente solicitud se describirán con referencia particular a la presente realización ejemplar, en donde estas enseñanzas innovadoras se aplican ventajosamente a la medición cuantitativa de los atributos de textura para el aparato y el procedimiento de aperitivos. Sin embargo, debe entenderse que esta realización es solo un ejemplo de los muchos usos ventajosos de las enseñanzas innovadoras en esta invención. En general, las declaraciones realizadas en la memoria descriptiva de la presente solicitud no limitan necesariamente cualquiera de las diversas invenciones reivindicadas. Además, algunas declaraciones pueden aplicarse a algunas características de la invención, pero no a otras.
El término “textura” , como se usa en esta invención, se define como una propiedad compuesta relacionada con una serie de propiedades físicas tales como dureza, fracturabilidad, adherencia dental, rugosidad de la masa, humedad de la masa, untosidad residual, rugosidad superficial y oleosidad superficial. Debe indicarse que el término “textura” y “atributo de textura” se usan de manera intercambiable para indicar una o más propiedades de textura. Debe indicarse que los términos “ número del panel descriptivo” , “puntuación del panel de sabor” , “ número de textura cualitativa” y “ número del panel de sabor” se usan de manera intercambiable para indicar una medición cualitativa de mediciones de textura por un panel de expertos. Debe indicarse que los términos “ modelo fotoacústico” , “ modelo acústico” , “ modelo acústico de textura” , “ modelo cuantitativo de atributos de textura” se usan de manera intercambiable para indicar un modelo cuantitativo para un atributo de textura de un aperitivo.
Sistema de realización ejemplar para medición cuantitativa de atributos de textura (0400-0900)
Un aspecto de la presente invención proporciona un procedimiento para medir cuantitativamente los atributos de textura de aperitivos. Otro aspecto de la presente invención implica correlacionar la medición cuantitativa de atributo de textura con un atributo de textura cualitativamente medido por un panel de expertos. La presente invención también se refiere a desarrollar un modelo de atributo de textura basándose en frecuencias relevantes en una señal acústica capturada. Según aún otro aspecto de la presente invención, se identifican aperitivos (“ identificación de alimentos” ) basándose en la medición cuantitativa fotoacústica de la propiedad de aperitivo.
Los solicitantes en esta invención han creado un sistema que comprende una herramienta de excitación de energía para dirigir energía hacia un aperitivo, un dispositivo acústico de captura para registrar/capturar una señal acústica a partir del aperitivo y una unidad de procesamiento de datos que procesa la señal acústica capturada y genera un modelo de atributos de textura. En una realización, la herramienta de excitación de energía es una herramienta generadora de láser que está configurada para generar un láser.
Realización a modo de ejemplo de herramienta de medición de textura (0400)
La presente invención puede observarse con más detalle tal como se ilustra generalmente en la figura 4, en donde una herramienta de medición de textura a modo ejemplar (0400) comprende una carcasa, una herramienta de excitación de energía (0401) que está unida a la carcasa y está colocada para dirigir una onda electromagnética (“energía” ) tal como un láser (0407) hacia un aperitivo (0409) colocado en una estación de puesta a disposición de alimentos (0405). Según una realización a modo de ejemplo preferida, el aperitivo es un aperitivo a base de almidón. Según otra realización a modo de ejemplo preferida, el aperitivo son patatas fritas. La estación de puesta a disposición de alimentos puede ser una superficie móvil o no móvil. Según una realización a modo de ejemplo preferida, la herramienta de excitación de energía es una unidad de generación de láser que genera láseres. Debe indicarse que cualquier herramienta que pueda generar excitación sobre un sustrato alimenticio puede usarse como herramienta de excitación de energía. La estación de puesta a disposición (0405) puede ser una superficie plana que se usa para desarrollar un modelo acústico. La estación de puesta a disposición (0405) puede ser una cinta transportadora que porta los aperitivos cuando la textura se mide en un procedimiento de fabricación en línea. Según una realización a modo de ejemplo, un dispositivo acústico de captura (0403) puede colocarse para registrar/capturar una señal acústica (0406) del aperitivo (0409). El dispositivo acústico de captura (0403) puede estar en comunicación con una unidad de procesamiento de datos (DPU) (0404) a través de un cable (0402) o de manera inalámbrica. El dispositivo acústico de captura puede capturar la señal acústica en un amplio intervalo de frecuencias de 0 kHz a 500 kHz. Adicionalmente, el dispositivo acústico de captura (0403) puede colocarse en un ángulo directamente por encima del aperitivo (0409). Según una realización ejemplar preferida, el dispositivo acústico de captura captura señales acústicas de manera unidireccional. El dispositivo acústico de captura puede estar en comunicación con una unidad de procesamiento de datos. Según otra realización a modo de ejemplo preferida, el dispositivo acústico de captura captura señales acústicas de manera omnidireccional. Según una realización a modo de ejemplo preferida, el dispositivo acústico de captura es un micrófono inalámbrico que contiene un transmisor de radio. En una realización a modo de ejemplo preferida, el dispositivo acústico de captura es un micrófono dinámico. En otra realización a modo de ejemplo preferida, el dispositivo acústico de captura es un micrófono de fibra óptica. El dispositivo acústico de captura (0403) puede colocarse a una distancia predeterminada y un ángulo predeterminado del aperitivo (0409). La distancia predeterminada puede elegirse de modo que produzca una densidad de energía máxima del aperitivo. La distancia (0408) desde la parte inferior de la herramienta de excitación de energía (0401) hasta la parte superior de la estación de puesta a disposición (0405) se selecciona de modo que el haz de energía (láser) sea seguro dentro del entorno de fabricación.
El dispositivo acústico de captura (0403) puede conectarse físicamente con un cable conductor a la DPU (0404) a través de un módulo de entrada-salida en la DPU (0404). En una disposición alternativa, el dispositivo acústico de captura (0403) puede reenviar una señal acústica al módulo de entrada-salida en la DPU (0404) de manera inalámbrica. El protocolo inalámbrico puede usar protocolos convencionales tales como WIFI o Bluetooth. En una realización a modo de ejemplo, el dispositivo acústico de captura (0403) puede estar ubicado de manera remota y la señal acústica puede reenviarse de manera inalámbrica a la DPU (0404) con un protocolo tal como LTE, 3G y/o 4G. En otra realización a modo de ejemplo, la DPU ubicada de manera remota (0404) puede estar conectada al dispositivo acústico de captura (0403) con protocolo por cable tal como Ethernet.
La herramienta de excitación de energía (0401) está colocada para dirigir energía hacia un aperitivo (0409). Debe indicarse que el ángulo de direccionamiento tal como se muestra es sólo con fines de ilustración. El ángulo de direccionamiento de la energía puede configurarse para producir una excitación óptima del aperitivo de modo que un dispositivo acústico de captura (0403) puede capturar una señal acústica completa después de que la herramienta de excitación dirija energía hacia el aperitivo. La señal acústica puede entonces capturarse durante un periodo de tiempo. La señal acústica puede representarse como intensidad (dB) frente a tiempo (s). Según una realización a modo de ejemplo preferida, la señal acústica se captura durante de 1 s a 5 minutos. Según aún otra realización a modo de ejemplo preferida, la señal acústica a partir del aperitivo se captura durante 2 s. Según una realización a modo de ejemplo más preferida, la señal acústica a partir del aperitivo se captura durante 1 s. Según una realización a modo de ejemplo más preferida, la señal acústica a partir del aperitivo se captura durante 10 s.
Según una realización a modo de ejemplo preferida, la herramienta de excitación de energía dirige energía hacia el aperitivo durante una duración de pulso o tiempo de disparo de 5 nanosegundos a 5 minutos. Según aún otra realización a modo de ejemplo preferida, la herramienta de excitación de energía dirige energía hacia el aperitivo durante 1 nanosegundo. Según una realización a modo de ejemplo más preferida, la herramienta de excitación de energía dirige energía hacia el aperitivo durante 1 minuto. Según la realización a modo de ejemplo más preferida, la herramienta de excitación de energía dirige energía hacia el aperitivo durante 9-12 nanosegundos.
Herramienta de excitación de energía a modo de ejemplo (0500)
Tal como se ilustra generalmente en la figura 5 (0500), una herramienta de excitación de energía ejemplar (0500) que es similar a (0401) en la figura 4 (0400) comprende una unidad de generación de energía (0504) que está montada dentro de un cerramiento de energía (0505). La unidad de generación de energía (0504) puede generar una onda electromagnética que puede excitar moléculas de un sustrato alimenticio provocando que las moléculas ganen energía térmica y vibren produciendo un sonido. La onda electromagnética puede comprender una longitud de onda en el intervalo de 512 nm a 2048 nm. Un intervalo más preferido de la onda electromagnética puede comprender una longitud de onda en el intervalo de 470 nm a 1 mm. La unidad de generación de energía (0504) puede excitar moléculas de un sustrato alimenticio provocando que las moléculas vibren produciendo un sonido. La excitación puede definirse como una elevación en el nivel de energía por encima de un estado de energía de referencia arbitrario. Cuando las moléculas se excitan, la expansividad térmica puede estar relacionada con el tipo y la densidad del material de acuerdo con la siguiente ecuación. La textura puede estar relacionada indirectamente con la expansividad térmica y, por tanto, la textura está relacionada indirectamente con el tipo y la densidad del material.
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Expansividad térmica; = función (material, densidad)
Textura = función (material, densidad)
Una definición técnica específica para el nivel de energía está asociada a menudo con un átomo que se eleva a un estado excitado. La herramienta de excitación de energía, en una realización a modo de ejemplo preferida, es una herramienta de generación de láser que produce un haz de luz muy estrecho y altamente concentrado. Un láser es un dispositivo que emite luz a través de un procedimiento de amplificación óptica basándose en la emisión estimulada de radiación electromagnética. La coherencia espacial en el láser permite que un láser se enfoque a un punto estrecho. La coherencia espacial también permite que un haz de láser permanezca estrecho a lo largo de grandes distancias (colimación). Los láseres también pueden tener una alta coherencia temporal, lo que les permite emitir luz con un espectro muy estrecho, es decir, pueden emitir un único color de luz. La unidad de generación de energía (0504) (“ unidad de generación de láser” ) puede incluir un medio de ganancia, energía de bombeo de láser, reflector alto, acoplador de salida y un haz de láser. El haz de láser (0502) puede desplazarse a través de un tubo hueco (0503) e impactar en un espejo (0501). El tubo hueco (0503) puede estar sostenido por un brazo metálico (0512) que está conectado mecánicamente al cerramiento de energía (0505). En una realización a modo de ejemplo preferida, el haz de láser puede desplazarse sin la necesidad de un tubo hueco. El brazo metálico puede estar fabricado de un metal que puede portar el peso del tubo hueco (0503) y el alojamiento (0506). El láser puede contener elementos adicionales que afecten a las propiedades de la luz emitida, tal como la polarización, longitud de onda, tamaño de punto, divergencia y forma del haz.
El espejo (0501) refleja el haz de láser (0502) hacia un sustrato de aperitivo colocado sobre una superficie. Según una realización a modo de ejemplo preferida, el espejo está en un ángulo de entre 1 grado y 89 grados con respecto a la vertical. Según la realización a modo de ejemplo más preferida, el espejo está en un ángulo de 45 grados con respecto a la vertical. Puede usarse cualquier combinación de múltiples espejos, múltiples lentes y extensores para producir un láser de tamaño puntual consistente que impacta en el aperitivo. El haz de láser procedente de la unidad de generación de láser puede ser redirigido, expandido y enfocado a medida que el haz pasa a través de una combinación de espejos y lentes. Debe indicarse que, aunque en la figura 5 se ilustran un único espejo y una única lente, no debe interpretarse como una limitación y puede usarse cualquier combinación de los espejos, lentes y extensores para producir un haz de láser de tamaño puntual constante. El haz de láser reflejado (0509) pasa a través de una ventana estrecha (0511) en un alojamiento (0506). Un cerramiento de dispositivo acústico (0507) para alojar un dispositivo acústico de captura puede estar montado en el alojamiento (0506). Debe indicarse que el cerramiento (0506) tal como se ilustra en la figura 5 (0500) tiene forma rectangular, sin embargo, puede usarse cualquier forma para el cerramiento que sea capaz de estar aislada acústicamente y sea segura para las personas. Según una realización a modo de ejemplo preferida, el alojamiento (0506) puede ser cilíndrico, cúbico, cónico, esférico o triangular. De manera similar, el cerramiento de dispositivo acústico (0507) puede tener forma de prisma rectangular, cilíndrica, cúbica, cónica, esférica o triangular. El cerramiento de dispositivo acústico (0507) puede alojar un dispositivo acústico tal como un micrófono. El cerramiento de dispositivo acústico (0507) también puede mantener una presión de aire positiva para garantizar un entorno libre de partículas dentro del cerramiento (0507). La presión de aire positiva puede mantenerse soplando aire a través del cerramiento con una bomba de aire. Según una realización a modo de ejemplo preferida, la ventana estrecha (0511) puede estar fabricada de material de zafiro o sílice fundida. Puede usarse cualquier ventana translúcida que separe el haz de láser del producto alimenticio como una ventana estrecha. Según otra realización a modo de ejemplo preferida, la ventana estrecha (0511) está alineada de modo que el haz de láser (0509) está a ± 1 grado con respecto a una dirección deseada. La dirección deseada puede ser vertical o en un ángulo con respecto a un plano vertical. Un sensor de nivel de láser (0510) está colocado dentro del alojamiento (0506) para detectar el nivel de alimento de la superficie. El sensor láser (0501) puede impedir la entrada no deseada de personas en el alojamiento (0506). Por ejemplo, si el sensor láser detecta un objeto o una mano humana sobre el aperitivo, puede apagarse automáticamente el láser y evitar la exposición de la persona al láser. Según una realización a modo de ejemplo preferida, el nivel de láser proporciona un entorno láser seguro para las personas. Según otra realización a modo de ejemplo preferida, el nivel de láser detecta un aperitivo dentro de ± 5 cm (2 pulgadas) de una superficie de puesta a disposición. Un sensor de temperatura (0511) puede estar colocado dentro del alojamiento (0506) para medir la temperatura. Según una realización a modo de ejemplo preferida, una medición de atributo de textura del producto alimenticio puede compensarse por fluctuaciones de temperatura del producto alimenticio.
El haz de láser del generador láser también puede dirigirse a través del cable de fibra óptica al lecho de producto, con cualquier número de ópticas de enfoque y expansión acopladas con el cable de fibra óptica entre el láser y el producto. El cable de fibra óptica no necesita ser paralelo a la trayectoria del haz, aparte del extremo en el que el haz de láser entra en los cables de fibra óptica.
Herramienta de excitación de energía a modo de ejemplo y dispositivo acústico de captura a modo de ejemplo (0600)
Tal como se ilustra generalmente en la figura 6, se muestra una excitación de energía antes y después de una herramienta de excitación de energía. La herramienta de excitación de energía (0601) está colocada para dirigir energía (“onda electromagnética” ) hacia un aperitivo (0602). Debe indicarse que el ángulo de direccionamiento tal como se muestra es sólo con fines de ilustración. El ángulo de direccionamiento de la energía puede configurarse para producir una excitación óptima del aperitivo de modo que un dispositivo acústico de captura (0603) puede capturar una señal acústica completa después de que la herramienta de excitación dirija energía hacia el aperitivo. La señal acústica puede entonces capturarse durante un periodo de tiempo. La señal acústica puede representarse como intensidad (dB) frente a tiempo (segundos o microsegundos). Según una realización a modo de ejemplo preferida, la señal acústica se captura durante de 1 segundo a 3 minutos. Según aún otra realización a modo de ejemplo preferida, la señal acústica a partir del aperitivo se captura durante 10 s. Según una realización a modo de ejemplo más preferida, la señal acústica a partir del aperitivo se captura durante 1 s. Según una realización a modo de ejemplo más preferida, la señal acústica a partir del aperitivo se captura durante 10 segundos.
Según una realización a modo de ejemplo preferida, la herramienta de excitación de energía dirige energía hacia el aperitivo durante de 1 s a 3 minutos. Según aún otra realización a modo de ejemplo preferida, la herramienta de excitación de energía dirige energía hacia el aperitivo durante 1 microsegundo. Según una realización a modo de ejemplo más preferida, la herramienta de excitación de energía dirige energía hacia el aperitivo durante 1 minuto. Según la realización a modo de ejemplo más preferida, la herramienta de excitación de energía dirige energía hacia el aperitivo durante 10 segundos.
Según una realización a modo de ejemplo preferida, la fluencia (energía por unidad de área) en el lecho del producto es de entre 0,15 mJ/mm2 y 700 mJ/mm2. Según una realización a modo de ejemplo más preferida, la fluencia en el lecho del producto es de entre 62,5 mJ/mm2 y 594,5 mJ/mm2. Según una realización a modo de ejemplo más preferida, la fluencia en el lecho del producto es de entre 300 mJ/mm2 y 350 mJ/mm2. Según una realización ejemplar más preferida, la fluencia en el lecho del producto es 311 mJ/mm2.
Para lograr la densidad de energía más óptima, el diámetro del haz de láser puede personalizarse a partir del generador láser. Según una realización a modo de ejemplo preferida, el diámetro del haz de láser oscila entre 100 micrómetros y 400 micrómetros. Según una realización a modo de ejemplo preferida, el diámetro del haz de láser oscila entre 250 micrómetros y 350 micrómetros. Según una realización a modo de ejemplo preferida, el diámetro del haz de láser es de 300 micrómetros. El diámetro del haz de láser puede ajustarse para asegurar que la densidad de energía de excitación máxima se logra dentro de una ventana de 4 pulgadas (± 2 pulgadas desde el punto central). El punto de impacto del haz de láser en el lecho del producto debería estar idealmente en el punto focal del haz (que es el punto de mayor densidad de energía), o dentro de ± 2 pulgadas del punto focal según una realización a modo de ejemplo preferida. El aparato puede usar espejos y lentes de enfoque con un recubrimiento antirreflejante (AR) para longitudes de onda de 1064 nm. Un ejemplo de la disposición del haz y el espejo de enfoque puede ser un haz que se origina en el generador láser, impacta en un espejo giratorio situado a 702 mm de distancia, y se refleja 400 mm hacia abajo para pasar a través de una óptica de enfoque, que también está recubierta con antirreflejante para longitudes de onda de 1064 nm. El haz puede entonces pasar a través de una ventana final que está diseñada para sellar la óptica lejos del entorno externo y evitar que se forme cualquier acumulación de aceite/residuo en la óptica. Según una realización a modo de ejemplo preferida, se logra un tamaño de punto preferido a 200 mm - 600 mm de distancia de la óptica de enfoque. Según la realización a modo de ejemplo más preferida, se logra un tamaño de punto preferido a 300 mm - 500 mm de distancia de la óptica de enfoque. Según la realización a modo de ejemplo más preferida, se logra un tamaño de punto preferido a 400 mm de la óptica de enfoque.
El dispositivo acústico de captura tal como un micrófono puede apuntarse direccionalmente al punto del impacto del haz en el lecho del producto y colocarse de manera que no esté a más de 2 pies de distancia. Según una realización a modo de ejemplo preferida, el dispositivo acústico de captura está colocado a entre 1 pulgada y 2 pies desde el punto de impacto del haz en el producto alimenticio. Según una realización a modo de ejemplo preferida, el dispositivo acústico de captura está colocado a entre 1 pulgada y 1 pie desde el punto de impacto del haz en el producto alimenticio. Según una realización a modo de ejemplo preferida, el dispositivo acústico de captura está colocado a entre 1 pie y 2 pies de distancia desde el punto de impacto del haz en el producto alimenticio.
Según otra realización a modo de ejemplo preferida, el alojamiento puede tener forma cilíndrica. Según aún otra realización a modo de ejemplo preferida, el alojamiento puede tener forma de plato parabólico. Tal como se ilustra generalmente en la figura 6a (0610), un generador de haz de láser (0618) alojado dentro de un cerramiento de energía (0615) genera un haz de láser (0619). El haz de láser puede reflejarse desde un espejo (0611) y después de eso impactar en un producto alimenticio (0614) que puede hacerse pasar sobre una superficie móvil tal como una cinta transportadora (0617). Cuando el haz de láser impacta en el producto alimenticio, puede generarse una señal acústica. Un dispositivo acústico de captura (0612) tal como un micrófono puede estar colocado dentro de un alojamiento (0616) para capturar una señal óptica (0613) con máxima densidad de energía. El dispositivo acústico de captura (0612) tal como un micrófono puede estar centrado en un plato parabólico, que dirigiría las señales acústicas al micrófono. Un sensor de temperatura puede estar colocado dentro del alojamiento (0616) para medir la temperatura del producto alimenticio. Según una realización a modo de ejemplo preferida, una medición de atributo de textura del producto alimenticio puede compensarse por fluctuaciones de temperatura del producto alimenticio.
Unidad de procesamiento de datos a modo de ejemplo (0700)
Tal como se ilustra generalmente en la figura 7 (0700), una unidad de procesamiento de datos (DPU) (0701) comprende una unidad de control, una unidad de visualización, una unidad de procesamiento y un módulo de entradasalida. La unidad de control puede comprender además un microcontrolador (0707), un controlador lógico (0706), y un controlador de red (0705). La unidad de visualización puede estar conectada a la unidad de control a través de un bus host. La unidad de visualización puede comprender además un terminal de visualización (0708) que está configurado para visualizar una interfaz gráfica de usuario (GUI) (0709). Puede navegarse a través de la GUI (0709) con un dispositivo señalador o a través de un teclado conectado a la DPU. La GUI (709) puede usarse para introducir parámetros tales como frecuencias específicas de aperitivo, tiempo de captura acústica, intervalo de frecuencia de captura acústica.
La unidad de procesamiento puede incluir una unidad de procesamiento de señales digitales (0703) y una unidad de procesamiento estadístico (0704). La unidad de procesamiento de señales digitales (0703) puede recibir entradas desde un módulo de entrada-salida (0702). La unidad de procesamiento estadístico (0704) puede recibir entradas desde la unidad de procesamiento digital (0703) y procesar adicionalmente la entrada para encontrar frecuencias relevantes para generar un modelo acústico cuantitativo para un aperitivo. Cuando un dispositivo acústico de captura captura una señal acústica, la señal puede reenviarse a la DPU (0701) a través del módulo de entrada-salida (0702). El módulo de entrada-salida (0702) puede comprender además un hardware personalizado tal como un convertidor analógico-digital (ADC) para capturar y procesar una señal acústica capturada. La señal acústica puede reenviarse a la DPU usando una conexión por cable o inalámbrica. El protocolo de conexión y los cables conductores de conexión pueden elegirse de manera que haya una pérdida mínima de señal y la relación señal/ruido sea aceptable para su procesamiento adicional. Un bus de propósito general puede llevar datos a y desde diferentes módulos de la DPU (0701). Debe indicarse que el funcionamiento del bus está fuera del alcance de esta invención.
El microcontrolador (0707) puede realizar instrucciones de una memoria o una ROM (0710). El conjunto de instrucciones del microcontrolador puede implementarse para procesar los datos de la señal acústica. Un conjunto de instrucciones personalizadas también puede ser usado por el microcontrolador para priorizar y acelerar el procesamiento de la señal acústica en tiempo real durante una operación de fabricación. La personalización del conjunto de instrucciones está más allá del alcance de esta invención. El controlador lógico puede realizar operaciones tales como secuenciación, priorización y automatización de tareas. El controlador lógico también puede supervisar el protocolo de establecimiento de comunicación para la interfaz de bus. Según una realización a modo de ejemplo, el controlador lógico controla la lógica para identificar frecuencias relevantes en una señal acústica. El controlador lógico puede comprender un módulo de emparejamiento que contiene frecuencias predefinidas para una pluralidad de aperitivos. El controlador lógico puede emparejar posteriormente las frecuencias capturadas en la señal acústica y determinar rápidamente la textura del aperitivo y la calidad de la textura. Por ejemplo, el módulo de emparejamiento puede incluir frecuencias específicas tales como 14000 Hz y 75000 Hz. Cuando una señal acústica registrada comprende las frecuencias 14000 Hz o 75000 Hz, entonces el controlador lógico puede determinar un emparejamiento y alertar al microcontrolador con una señal de interrupción. El microcontrolador puede visualizar entonces la información de textura en la pantalla (0708) a través de la GUI (0709). El controlador lógico puede monitorizar adicionalmente de manera continua el estado de los dispositivos de entrada y tomar decisiones basándose en un programa personalizado para controlar el estado de los dispositivos de salida.
Módulo de procesamiento de señales digitales a modo de ejemplo (0800)
Similar a la unidad de procesamiento de señales digitales (0703) mostrada en la figura 7 (0700), una unidad de procesamiento de señales digitales (DSP) (0800) se ilustra generalmente en la figura 8 (0800). La DSP (0800) puede comprender además un módulo de alisado (0801), un módulo de transformación de datos (0802), un módulo de mejora de señal/ruido (0803) y un módulo de normalización (0804).
Según una realización a modo de ejemplo, el módulo de alisado acústico (0801) recibe la entrada desde un módulo de entrada en una unidad de procesamiento de datos y alisa la señal acústica sin procesar recibida. Las señales acústicas son inherentemente ruidosas y los datos son discretos. Las señales acústicas pueden representarse como intensidad (dB) frente a tiempo (s o microsegundos). Los datos se hacen continuos aplicando una función de partición de ventanas a los datos discretos. Las funciones de partición de ventanas que pueden aplicarse a los datos discretos pueden incluir funciones de partición de ventanas de Barlett, Blackmon, FlatTop, Hanning, Hamming, Kaiser-Bessel, Turkey y Welch. Puede elegirse una ventana de alisado con buena resolución de frecuencia y baja fuga espectral para un tipo de señal aleatorio para alisar los datos. Debe indicarse que cualquier función de partición de ventanas habitualmente conocida puede aplicarse a una señal acústica sin procesar para alisar e interpolar los datos acústicos sin procesar.
La señal acústica alisada del módulo de alisado (0801) puede reenviarse a un módulo de transformación de datos (0802). El módulo de transformación de datos (0802) puede transformar la señal acústica representada en el dominio de tiempo como intensidad (dB) frente a tiempo (s) en el dominio de frecuencia como intensidad (dB) frente a frecuencia (Hz) tal como se muestra generalmente en la figura 18 (1800). Según una realización a modo de ejemplo preferida, la transformación de la señal acústica de una representación en el dominio de tiempo a una representación en el dominio de frecuencia proporciona la correlación precisa de los atributos de textura a las frecuencias pertinentes de un aperitivo. La combinación de múltiples ondas acústicas produce un patrón complejo en el dominio de tiempo, pero la señal transformada usando FFT muestra claramente que consiste casi en su totalidad en frecuencias distintas. Según la realización a modo de ejemplo más preferida, puede usarse una técnica de transformación de Fourier rápida (FFT) para transformar la señal acústica de una representación en el dominio de tiempo a una representación en el dominio de frecuencia. Un ejemplo de la transformación puede observarse generalmente en la figura 18 (1800).
La señal de frecuencia transformada del módulo de transformación puede ser ruidosa. Un módulo de mejora de señal/ruido (0803) puede recibir la señal transformada del módulo de transformación de datos (0802) y mejorar la relación señal/ruido de la señal para su procesamiento adicional. Puede usarse una técnica para alisar los datos para aumentar la relación señal/ruido sin distorsionar en gran medida la señal. También puede usarse un procedimiento tal como la convolución para aumentar la relación señal/ruido. El procedimiento de convolución puede ajustar subconjuntos sucesivos de puntos de datos adyacentes con un polinomio de grado bajo mediante el procedimiento de mínimos cuadrados lineales. El módulo de normalización (0804) puede recibir la señal de dominio de frecuencia de señal/ruido mejorada a partir del módulo de mejora de señal/ruido (0803).
La DSP (0800) también puede identificar frecuencias pertinentes e intensidades asociadas de la señal de dominio de frecuencia de señal/ruido mejorada y almacenar la información en una base de datos. Una unidad de cálculo de atributo de textura (0712) en la DPU (0701) puede recuperar además la información almacenada de frecuencia e intensidad para calcular un atributo de textura de un aperitivo. Después de que se haya desarrollado un modelo fotoacústico, la unidad de cálculo de atributo de textura (0712) puede almacenar coeficientes para diferentes aperitivos. La unidad de cálculo de atributo de textura (0712) puede recuperar entonces los coeficientes almacenados y la información de la frecuencia e intensidad almacenada para calcular una medición de atributo de textura o para identificar un aperitivo.
Unidad de procesamiento estadístico a modo de ejemplo (0900)
Similar a la unidad de procesamiento estadístico (0704) mostrada en la figura 7 (0700), una unidad de procesamiento estadístico (SPU) (0900) se ilustra generalmente en la figura 9. La SPU (0900) puede comprender además un módulo de regresión de dimensionalidad (0901), un módulo de factor de inflación de varianza (0902), un módulo de análisis de componentes principales (0903), y un módulo de regresión de subconjuntos (0904).
La señal alisada, transformada y normalizada de la unidad de procesamiento de señales digitales (0703) se reenvía a la SPU (0704) para desarrollar un modelo de atributo de textura con buena correlación. La alta dimensionalidad de los datos espectrales requiere filtrado estadístico para construir modelos significativos. Por ejemplo, la señal acústicamente alisada puede muestrearse en 512 frecuencias separadas linealmente, y cada valor puede promediarse a través de réplicas y usarse para crear un modelo estadístico. Según una realización a modo de ejemplo preferida, el módulo de regresión de dimensionalidad reduce las frecuencias totales de los datos espectrales a un número razonablemente aceptable para el desarrollo del modelo con alta correlación. Según otra realización a modo de ejemplo preferida, la reducción de dimensionalidad de las frecuencias para la selección de variables se realiza usando el ejemplo anterior, las frecuencias totales pueden reducirse de 512 a 18.
Los datos del módulo de regresión de dimensionalidad (0901) pueden procesarse con un módulo de factores de inflación de varianza (VIF) (0902). El módulo de VIF mide cuánto se somete a inflación la varianza de los coeficientes de regresión estimados en comparación con cuando las variables independientes de la regresión no están relacionadas linealmente. El VIF se usa para describir cuánta multicolinealidad (correlación entre variables independientes de regresión) existe en un análisis de regresión. Como se sabe, la multicolinealidad es problemática porque puede aumentar la varianza de los coeficientes de regresión, lo que los hace inestables y difíciles de interpretar. La raíz cuadrada del factor de inflación de varianza indica cuánto mayor es el error estándar, en comparación con lo que sería si esa variable no se corrigió con las otras variables independientes de regresión en el modelo. Para el ejemplo, si el factor de inflación de varianza de una variable independiente de regresión fue 5,27 (V5,27 = 2,3) esto significa que el error estándar para el coeficiente de esa variable independiente de regresión es 2,3 veces tan grande como sería si esa variable independiente de regresión no se correlacionara con las otras variables independientes de regresión.
Los datos del módulo de factores de inflación de varianza (VIF) (0902) pueden procesarse adicionalmente con un módulo de análisis de componentes principales (0903). El análisis de componentes principales (PCA) es una técnica usada para enfatizar la variación y llevar a cabo patrones fuertes en un conjunto de datos. A menudo se usa para facilitar la exploración y visualización de datos. Tal como se define en la técnica, el análisis de componentes principales (PCA) es un procedimiento estadístico que usa una transformación ortogonal para convertir un conjunto de observaciones de variables posiblemente correlacionadas en un conjunto de valores de variables linealmente no correlacionadas denominadas componentes principales. El número de componentes principales es menor o igual que el número de variables originales. Esta transformación se define de tal manera que el primer componente principal tiene la varianza posible más grande (es decir, representa tanto la variabilidad de los datos como sea posible), y cada componente sucesivo tiene a su vez la mayor varianza posible bajo la restricción de que sea ortogonal (es decir, no correlacionada) con respecto a los componentes anteriores. Según una realización a modo de ejemplo preferida, se usa un análisis de componentes principales para determinar la mayoría de frecuencias relevantes en la señal acústica para desarrollar un modelo acústico cuantitativo de textura. Debe indicarse que cualquier otra técnica de análisis conocida en la técnica puede usarse para identificar componentes principales tales como las frecuencias relevantes.
Los datos del módulo de PCA (0903) son objeto de una nueva regresión con un mejor módulo de regresión de subconjuntos (0904) que se usa para determinar cuál de estas frecuencias más relevantes es mejor para la construcción de un modelo de atributo de textura con buena correlación. Un valor de R2 mayor de 0,9 puede considerarse una buena correlación entre el valor de medida del modelo y el número del panel de expertos descriptivo.
Procedimiento de medición de atributo de textura a modo de ejemplo (1000)
Tal como se muestra generalmente en la figura 10, un procedimiento de medición de textura a modo de ejemplo puede describirse generalmente en términos de las siguientes etapas:
(1) impactar en una superficie de un producto alimenticio con un láser mientras el producto alimenticio está moviéndose sobre una línea de producción, generando de ese modo una señal acústica desde la superficie del producto alimenticio (1001);
(2) capturar la señal acústica con un dispositivo acústico de captura (1002);
(3) enviar la señal acústica a una unidad de procesamiento de datos acoplada al dispositivo acústico de captura (1003);
(4) convertir la señal acústica de un dominio de tiempo a un dominio de frecuencia (1004);
La señal acústica se captura durante un periodo de tiempo y la señal se representa gráficamente como intensidad (dB) frente a tiempo (segundos)
(5) identificar frecuencias relevantes y sus intensidades asociadas (1005); y
(6) cuantificar el atributo de textura del producto alimenticio basándose en dichas frecuencias relevantes y dichas intensidades asociadas (1006).
Este resumen general del procedimiento puede aumentarse mediante los diversos elementos descritos en esta invención para producir una amplia variedad de realizaciones de la invención consistentes con esta descripción general de diseño.
Procedimiento de correlación de atributo de textura a modo de ejemplo (1100)
Tal como se muestra generalmente en la figura 11, un procedimiento de correlación de textura a modo de ejemplo puede describirse generalmente en términos de las siguientes etapas:
(1) enviar muestras de aperitivos a un panel de expertos (1101);
El envío de las muestras de aperitivos puede tomar tiempo y el aperitivo puede experimentar un cambio de textura durante el procedimiento de envío. El número de veces que se envían muestras a un panel de expertos se reduce sustancialmente debido a un modelo de alta correlación desarrollado según una realización a modo de ejemplo preferida.
(2) analizar cualitativamente las muestras de aperitivos (1102);
Medir cuantitativamente los atributos de textura por un panel de expertos para asignar las puntuaciones del panel de sabor.
(3) Asignar un número del panel descriptivo para los atributos de textura de la muestra de aperitivo (1103); (4) medir los atributos de textura usando un procedimiento analítico acústico no invasivo (1104);
(5) correlacionar los atributos de textura analíticos y cualitativos (1105); y
(6) generar un modelo de correlación para los atributos de textura (1106). El R2 ajustado de la correlación debe ser mayor de 0,9.
Este resumen general del procedimiento puede aumentarse mediante los diversos elementos descritos en esta invención para producir una amplia variedad de realizaciones de la invención consistentes con esta descripción general de diseño.
Procedimiento de desarrollo del modelo de atributo de textura a modo de ejemplo (1200)
Tal como se muestra generalmente en la figura 12, un procedimiento de desarrollo del modelo de atributo de textura a modo de ejemplo puede describirse generalmente en términos de las siguientes etapas:
(1) recibir una señal acústica sin procesar (1201);
(2) filtrar, alisar y transformar la señal acústica sin procesar (1202);
La señal puede ajustarse para ruido de fondo. Por ejemplo, puede usarse una celda vacía para capturar frecuencias de fondo que pueden compensarse mediante adición o eliminación en la señal acústica capturada. El ruido de fondo puede compensarse por frecuencias por debajo de 20 kHz y puede no compensarse por frecuencias por encima de 20 kHz.
(3) Regresar e identificar frecuencias relevantes (1203); y
(4) generar un modelo para los atributos de textura (1204).
Este resumen general del procedimiento puede aumentarse mediante los diversos elementos descritos en esta invención para producir una amplia variedad de realizaciones de la invención consistentes con esta descripción general de diseño.
Debe indicarse que el procedimiento usado para generar el modelo de atributo de textura mencionado anteriormente puede usarse para generar modelos para otras propiedades de alimentos, tales como una humedad, contenido de sólidos, contenido de aceite, grosor de rodaja, densidad, densidad de ampollas y condimentos tópicos. Cualquier partícula en los condimentos con un tamaño de partícula de 100 micrómetros a 500 micrómetros puede medirse con un modelo usando el procedimiento fotoacústico no destructivo. Puede calcularse una concentración en peso de los condimentos a partir del tamaño de partícula. Por ejemplo, una concentración de un condimento tal como cloruro de sodio puede medirse con un modelo desarrollado con el procedimiento fotoacústico tal como se mencionó anteriormente en la figura 12. Las frecuencias relevantes y las intensidades asociadas y los coeficientes del modelo desarrollado pueden cambiar dependiendo de la propiedad del alimento que se mide con el procedimiento fotoacústico. Procedimiento acústico de generación de señales fotoacústicas a modo de ejemplo (1300)
Tal como se muestra generalmente en la figura 13, un procedimiento de generación de señales fotoacústicas a modo de ejemplo puede describirse generalmente en términos de las siguientes etapas:
(1) crear una pequeña región de material altamente calentado en un aperitivo (1301);
(2) expandir el material rápidamente (1302);
(3) crear ondas de presión a partir del material (1303); y
(4) propagar las ondas de presión a través del aire como sonido (1304).
Este resumen general del procedimiento puede aumentarse mediante los diversos elementos descritos en esta invención para producir una amplia variedad de realizaciones de la invención consistentes con esta descripción general de diseño.
El modelo acústico puede desarrollarse usando el procedimiento descrito en la figura 9 (0900). El modelo puede programarse en la herramienta (1306) para medir uno o más atributos de textura tales como dureza, fracturabilidad y densidad. A continuación puede describirse un modelo acústico para el atributo de textura dureza:
Figure imgf000014_0001
Donde, In es una intensidad asociada con una frecuencia Xn
Cn es un coeficiente asociado con la frecuencia Xn
Los coeficientes (Cl-Cn) se determinan usando el procedimiento de excitación de energía descrito en la figura 9 (0900). Una unidad de procesamiento de señales en la herramienta de medición de textura (1306) identifica las frecuencias relevantes (Xn) y las intensidades asociadas (In). La herramienta (1306) puede calcular un atributo de textura tal como la dureza a partir del modelo 1 anterior sustituyendo los valores de los coeficientes (Cl-Cn) de una tabla almacenada para el aperitivo y las intensidades (In) a partir de la señal acústica procesada. De manera similar, otro atributo de textura, tal como la fracturabilidad y la densidad, pueden calcularse a partir de sus respectivos modelos que comprenden los coeficientes respectivos. Debe indicarse que, aunque el modelo (1) representado anteriormente muestra una relación lineal entre el atributo de textura y las intensidades, también puede representarse un modelo cuadrático o polinómico para calcular los atributos de textura. La dureza también puede compensarse por cambios en la temperatura del aperitivo y la distancia del aperitivo desde del punto focal del haz de láser.
Pueden desarrollarse modelos acústicos similares para modelos para otras propiedades de alimentos, tales como humedad, contenido de sólidos, contenido de aceite, grosor de rodaja, densidad, densidad de ampollas y condimentos tópicos. Las frecuencias relevantes y las intensidades asociadas y los coeficientes del modelo desarrollado pueden cambiar dependiendo de la propiedad del alimento. A continuación puede describirse un modelo genérico que puede representar una propiedad de alimentos:
Figure imgf000014_0002
Donde, In es una intensidad asociada con una frecuencia Xn
Cn es un coeficiente asociado con la frecuencia Xn
Los coeficientes (D1-Dn) se determinan usando el procedimiento de excitación de energía descrito en la figura 9 (0900). Una unidad de procesamiento de señales en la herramienta de medición de textura (1306) identifica las frecuencias relevantes (Zn) y las intensidades asociadas (Pn). Además del atributo de textura, la herramienta (1306) puede calcular una propiedad de alimentos a partir del modelo (2) anterior sustituyendo los valores de los coeficientes (D1-Dn) de una tabla almacenada para el aperitivo y las intensidades (Pn) a partir de la señal acústica procesada. Las propiedades de alimentos pueden incluir contenido de sólidos, humedad, densidad, contenido de aceite, grosor de rodaja, tamaño de partícula de condimentos y elementos tales como sodio, calcio, cobre, zinc, magnesio y potasio.
Debe indicarse que, aunque el modelo (1) representado anteriormente muestra una relación lineal entre el atributo de textura y las intensidades, también puede representarse un modelo cuadrático o polinómico para calcular los atributos de textura. La propiedad de alimentos también puede compensarse por cambios en la temperatura del aperitivo y la distancia del aperitivo desde del punto focal del haz de láser. Puede usarse una tabla 1.0 para medir las propiedades de los alimentos tal como se muestra a continuación a partir de una señal acústica capturada y procesada. Los valores mostrados a continuación en la tabla 1.0 son sólo con fines de ilustración y no deben interpretarse como una limitación.
Tabla 1.0
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En un procedimiento de fabricación, a medida que los aperitivos en una cinta transportadora pasan desde una unidad de procesamiento hasta una estación de condimentación, la herramienta de excitación en una herramienta de medición colocada en línea puede impactar en el aperitivo repetidamente durante un periodo de tiempo establecido. Según una realización a modo de ejemplo preferida, la herramienta de excitación puede impactar continuamente en el aperitivo durante un periodo de 1 microsegundo. Según aún otra realización a modo de ejemplo más preferida, la herramienta de excitación puede impactar continuamente en el aperitivo durante un periodo de 1 segundo. Según una realización a modo de ejemplo más preferida, la herramienta de excitación puede impactar continuamente en el aperitivo durante un periodo de 1 microsegundo a 10 segundos. Según una realización a modo de ejemplo más preferida, la herramienta de excitación puede impactar continuamente en el aperitivo durante un periodo de 13 segundos. La herramienta de excitación puede impactar en un aperitivo particular en la cinta transportadora repetidamente de modo que se generan múltiples señales acústicas para toda la superficie del aperitivo. Se sabe que el atributo de textura puede no ser uniforme en toda la superficie. La energía de excitación puede impactar en el aperitivo a través de toda el área del aperitivo de modo que pueda detectarse cualquier imperfección, tal como ampollas, después de que se haya procesado la señal. Según una realización a modo de ejemplo preferida, las mediciones repetibles durante un periodo de tiempo permiten que la herramienta de medición identifique variaciones sutiles en toda la superficie de un aperitivo. La señal puede capturarse/registrarse mediante un dispositivo acústico de captura en la herramienta de medición de textura.
El dispositivo acústico de captura puede capturar la señal acústica en una amplia gama de frecuencias. Adicionalmente, el dispositivo acústico de captura puede colocarse en un ángulo directamente por encima del aperitivo. Según una realización ejemplar preferida, el dispositivo acústico de captura captura señales acústicas de manera unidireccional. Según otra realización a modo de ejemplo preferida, el dispositivo acústico de captura captura señales acústicas de manera omnidireccional. El dispositivo acústico de captura puede reenviar la señal acústica capturada a un dispositivo de procesamiento físicamente a través de un cable. Según una realización a modo de ejemplo preferida, el dispositivo acústico de captura es un micrófono inalámbrico que contiene un transmisor de radio. En una realización a modo de ejemplo preferida, el dispositivo acústico de captura es un micrófono dinámico. En otra realización a modo de ejemplo preferida, el dispositivo acústico de captura es un micrófono de fibra óptica. Un micrófono de fibra óptica convierte las ondas acústicas en señales eléctricas detectando cambios en la intensidad de la luz, en lugar de detectar cambios en los campos de capacitancia o magnéticos como con micrófonos convencionales. El dispositivo acústico de captura puede usar inducción electromagnética (micrófonos dinámicos), cambio de capacitancia (micrófonos de condensador) o piezoelectricidad (micrófonos piezoeléctricos) para producir una señal eléctrica de variaciones de presión de aire. Los micrófonos pueden estar conectados a un preamplificador antes de que la señal pueda amplificarse con un amplificador de potencia de audio o registrarse. Los micrófonos pueden calibrarse regularmente debido a la sensibilidad de la medición. En otra realización a modo de ejemplo preferida, el dispositivo acústico de captura tiene una interfaz digital que emite directamente una corriente de audio digital a través de un conector XLR o XLD macho. La transmisión de audio digital puede procesarse adicionalmente sin una pérdida significativa de señal. Según una realización a modo de ejemplo preferida, el dispositivo acústico de captura puede ser un hidrófono. El hidrófono puede estar en comunicación con una unidad de procesamiento de datos. El hidrófono puede usarse en entornos de fluido.
Procedimiento de procesamiento de señales acústicas a modo de ejemplo (1400)
Tal como se muestra generalmente en la figura 14, un procedimiento de procesamiento de señales fotoacústicas a modo de ejemplo puede describirse generalmente en términos de las siguientes etapas:
(1) Recibir una señal acústica sin procesar (1401);
(2) alisar la señal acústica sin procesar con una función de partición de ventanas para crear una señal acústica alisada (1402); 3
(3) transformar la señal acústica alisada en una señal de dominio de frecuencia (1403);
(4) aumentar la señal/ruido de la señal de dominio de frecuencia (1404); y
(5) normalizar y categorizar la señal de dominio de frecuencia (1405).
Este resumen general del procedimiento puede aumentarse mediante los diversos elementos descritos en esta invención para producir una amplia variedad de realizaciones de la invención consistentes con esta descripción general de diseño.
Procedimiento de procesamiento estadístico acústico a modo de ejemplo (1500)
Tal como se muestra generalmente en la figura 15, un procedimiento de procesamiento estadístico a modo de ejemplo puede describirse generalmente en términos de las siguientes etapas:
(1) Recibir una señal acústica de dominio de frecuencia (1501);
(2) seleccionar variables basándose en la reducción de dimensionalidad de las frecuencias en la señal acústica de dominio de frecuencia (1502);
(3) filtrar las variables seleccionadas con análisis de componentes principales (1503);
(4) realizar la regresión de subconjuntos de las variables filtradas (1504); y
(5) generar un modelo de atributos de textura con las variables filtradas (1505).
Las variables filtradas pueden ser las frecuencias relevantes en la señal acústica que muestran una fuerte correlación. (R2 ajustado >0,9)
Este resumen general del procedimiento puede aumentarse mediante los diversos elementos descritos en esta invención para producir una amplia variedad de realizaciones de la invención consistentes con esta descripción general de diseño.
Procedimiento de identificación de aperitivos a modo de ejemplo (1600)
Tal como se muestra generalmente en la figura 16, un procedimiento de identificación de aperitivos a modo de ejemplo puede describirse generalmente en términos de las siguientes etapas:
(1) impactar en un aperitivo con energía procedente de una herramienta de excitación de energía (1601); (2) generar una señal acústica a partir del aperitivo (1602);
(3) capturar la señal acústica con un dispositivo acústico de captura (1603);
(4) reenviar la señal acústica a una unidad de emparejamiento de datos (1604);
(5) medir un número de propiedad de alimentos del aperitivo con un modelo fotoacústico (1605);
(6) comparar el número de propiedad de alimentos con una entrada en una tabla de emparejamiento (1606); (7) si existe un emparejamiento en la etapa (1606), identificar el aperitivo (1607); y
(8) si no existe un emparejamiento en la etapa (1606), añadir el aperitivo a la base de datos para su uso posterior (1688).
Este resumen general del procedimiento puede aumentarse mediante los diversos elementos descritos en esta invención para producir una amplia variedad de realizaciones de la invención consistentes con esta descripción general de diseño.
Tabla de emparejamiento de propiedades de alimentos a modo de ejemplo (1700)
Tal como se ilustra generalmente en la figura 17, se muestra una tabla de emparejamiento de propiedades de alimentos a modo de ejemplo (1700). La tabla puede incluir un aperitivo en una columna (1701) y una propiedad de alimentos asociada (1702) en otra columna. Las entradas (1711, 1712) pueden incluir datos para el aperitivo y la propiedad de alimentos respectivamente y las entradas pueden usarse con fines de emparejamiento. Por ejemplo, la columna de aperitivo (1701) puede comprender diversos sólidos y su textura asociada en la columna (1702). Cada una de las entradas de la tabla (1700) puede rellenarse después de que se haya desarrollado un modelo fotoacústico para el aperitivo mediante los procedimientos mencionados anteriormente descritos en la figura 12 (1200). Por ejemplo, una entrada (1711), puede ser una patata frita A. Puede determinarse un intervalo para la textura u otras propiedades de alimentos con el modelo fotoacústico para la patata frita A y se introduce como una entrada en la tabla (1700). De manera similar, las propiedades de los alimentos para otros productos alimenticios se miden con el modelo fotoacústico y se introducen en la tabla. El modelo fotoacústico puede correlacionarse o no con un número de panel de expertos. El número de propiedades de alimentos puede ser un único atributo de textura, una combinación de atributos de textura o un número compuesto que comprende una combinación de otras propiedades de alimentos tales como humedad, contenido de aceite, grosor de rodaja, fragilidad, contenido de sólidos y así sucesivamente. Cuando se mide un aperitivo para alimentos con un procedimiento de medición fotoacústica, se puede determinar un número de propiedad alimenticia. El número de propiedad de alimentos puede obtenerse a partir de una muestra única o de un promedio de múltiples muestras. El número medido de propiedades de alimentos puede buscarse en la columna (1702) en la tabla de emparejamiento (1700) y se determina un aperitivo correspondiente en la columna (1701). De ese modo, se identifica un aperitivo basándose en la medición fotoacústica. Según una realización a modo de ejemplo, los aperitivos con diferencias sutiles en la propiedad de alimentos pueden diferenciarse con la técnica de identificación de alimentos. Por ejemplo, diversas patatas fritas tales como horneadas, fritas y/o texturizadas pueden diferenciarse midiendo cada una de ellas y buscando la patata frita correspondiente en la tabla de emparejamiento (1700) a partir de los números medidos de propiedad de alimentos. Los alimentos pueden separarse en categorías con el procedimiento fotoacústico de medición y emparejamiento tal como se mencionó anteriormente en la figura 16 (1600).
Conversión de dominio de tiempo a dominio de frecuencia de señales acústicas a modo de ejemplo (1800)
Tal como se ilustra generalmente en la figura 18, una señal acústica a modo de ejemplo capturada en el dominio de tiempo (transitoria) (1810) se convierte en un dominio de frecuencia (1820) con transformación de Fourier. Cuando una onda electromagnética tal como un láser impacta en un aperitivo, se captura una señal acústica en el dominio del tiempo y se registra y se representa gráficamente como intensidad (dB) frente a tiempo (s). La señal acústica registrada puede transformarse en una señal de dominio de frecuencia tal como se ilustra en la figura 18 (1820). La señal acústica transformada puede procesarse adicionalmente para identificar frecuencias relevantes basándose en un análisis de regresión estadística. Puede desarrollarse un modelo acústico para medir cuantitativamente un atributo de textura con las frecuencias relevantes identificadas y sus intensidades asociadas como variables.
Gráfico de atributo de textura frente a frecuencias relevantes a modo de ejemplo (1900-2100)
Como se ilustra generalmente en la figura 19 y la figura 20, se puede usar una intensidad de atributo de textura ilustrativa frente a la gráfica de frecuencias relevante para calcular el atributo de textura de un aperitivo. Las frecuencias relevantes pueden identificarse mediante una regresión estadística para un atributo de textura particular y un aperitivo. Por ejemplo, las frecuencias (1901) pueden ser relevantes para la dureza y las frecuencias (2001) pueden ser relevantes para la fracturabilidad tal como se determina mediante un análisis estadístico descrito en la figura 9 (0900). Según una realización a modo de ejemplo preferida, las frecuencias relevantes y las intensidades correspondientes identificadas en una señal acústica transformada pueden sustituirse en un modelo acústico para medir cuantitativamente un atributo de textura tal como la dureza. Debe notarse que las frecuencias indicadas en el eje x son “categorías” de frecuencia tal como se determina mediante un algoritmo, y no las frecuencias literales (es decir, 400 pueden no ser 400 Hz, sino más como 18.000 Hz).
Tal como se ilustra generalmente en la figura 21, un gráfico a modo de ejemplo de intensidad (dB) de atributo de textura (2101) frente a frecuencias relevantes (2102) para un aperitivo se trató con diversas condiciones de entrada. El gráfico (2114), (2115), (2116) son gráficos de frecuencia frente a intensidad para una patata frita con diferente contenido de sólidos, contenido de humedad y dureza de los ingredientes de entrada tales como patatas. Por ejemplo, un gráfico (2114) puede ser un gráfico de frecuencia frente a intensidad para un aperitivo que tenga un contenido de sólidos diferente en los ingredientes de entrada. De manera similar, un gráfico (2115) puede ser un gráfico de frecuencia frente a intensidad para un aperitivo que tenga un contenido de humedad diferente y una dureza diferente en los ingredientes de entrada respectivamente. Un gráfico (2106) puede representarse gráficamente para el ruido de fondo de modo que el gráfico resultante pueda compensarse para el ruido. Después de identificar las frecuencias relevantes para un aperitivo tal como una patata frita, puede capturarse una señal acústica para cada una de las condiciones de entrada y la señal acústica puede procesarse adicionalmente para determinar las intensidades asociadas con las frecuencias identificadas para la propiedad de alimentos del aperitivo. Por ejemplo, en la figura 21, una frecuencia identificada de 40.000 Hz puede tener una intensidad de 75 dB (2103) para el gráfico (2113), una intensidad de 74 dB (2104) para el gráfico (2114) y una intensidad de 76 dB (2105) para el gráfico (2115). Las intensidades pueden sustituirse en un modelo de propiedad de alimentos generado por la ecuación (2) mencionada anteriormente y puede calcularse una propiedad de alimentos tal como un atributo de textura. Tal como se ilustra en la figura 21, las 3 condiciones de entrada diferentes de los ingredientes de los alimentos (contenido de sólidos, contenido de humedad y dureza) dieron como resultado 3 intensidades asociadas diferentes que dan como resultado además 3 atributos de textura diferentes. Por tanto, puede capturarse una señal acústica y procesarse para un producto alimenticio y puede calcularse un atributo de textura basándose en las frecuencias relevantes. Las condiciones de entrada pueden adaptarse para lograr un valor de atributo de textura deseable que esté dentro de un límite predefinido. El límite predefinido puede correlacionarse con un número del panel descriptivo cualitativo. De manera similar, las gráficas pueden generarse para diversas propiedades de alimentos mediante la captura de una señal acústica y su procesamiento. Las intensidades asociadas con las diversas propiedades de alimentos en sus frecuencias respectivas pueden determinarse y puede calcularse la propiedad de alimentos. Puede generarse un modelo para cada una de las propiedades de alimentos a través del procesamiento de señales y la regresión estadística tal como se mencionó anteriormente. Por tanto, puede usarse un procedimiento fotoacústico para identificar diferencias en un producto alimenticio basándose en cualquier propiedad de alimentos, tal como un atributo de textura, contenido de sólidos, humedad, contenido de aceite, densidad, densidad de ampollas y elementos tales como sodio, potasio, calcio y magnesio. Las diferencias en el producto alimenticio pueden ser tan pequeñas como ± 5 % del valor deseable. Por ejemplo, un valor de dureza deseable de 75 puede diferenciarse de un valor de dureza de 70 que puede ser no deseable para el producto alimenticio. El producto alimenticio con el valor no deseable (70) puede rechazarse y no procesarse o envasarse adicionalmente.
La presente invención puede observarse con más detalle tal como se ilustra generalmente en la figura 22, en donde una herramienta de medición de textura a modo de ejemplo (2200) comprende una carcasa, una herramienta de excitación de energía (2201) tal como un generador láser que está unida a la carcasa y está colocada para dirigir una onda electromagnética (“energía” ) tal como un láser (2207) hacia un aperitivo (2209) colocado en una estación de puesta a disposición de alimentos (2205). Según una realización ilustrativa preferida, un aparato para la medición cuantitativa de atributos de textura no destructiva de un producto alimenticio comprende una carcasa, un generador láser (2201) unido a la carcasa, un dispositivo de captura acústica (2203) situado proximalmente a la carcasa; un dispositivo de excitación de ultrasonido (2221) unido a dicha carcasa; un dispositivo de captura de ultrasonido (2223) acoplado a dicho dispositivo de captura acústico; una unidad de procesamiento de datos (2204) en comunicación con al menos dicho dispositivo de captura acústica y dicho dispositivo de captura de ultrasonido (2223); en donde un láser (2207) de dicho generador láser se dirige para impactar dicho producto alimenticio (2209), produciendo así una señal acústica (2206) para ser detectada por dicho dispositivo de captura acústica (2203); y una señal de ultrasonido (2226) desde dicho dispositivo de excitación de ultrasonido (2221) está dirigida a impactar dicho producto alimenticio (2209), produciendo así una señal de ultrasonido para ser detectada por dicho dispositivo de captura de ultrasonido (2223); en donde además dicha unidad de procesamiento de datos está configurada para medir cuantitativamente dicho atributo de textura de dicho producto alimenticio basándose en la entrada de dicha entrada de dispositivo de captura acústica y la entrada de dicho dispositivo de captura de ultrasonido. La unidad de procesamiento de datos (2204) es similar a la unidad de procesamiento de datos (0404), el generador láser (2201) es similar a la unidad generadora de láser (0401) y el dispositivo de captura acústica (2203) es similar a la unidad de captura acústica (0403). Se puede colocar una segunda unidad de captura acústica (no mostrada) para capturar la señal acústica (2206).
Se sabe que la textura es una propiedad que es una mezcla de composición física, química y molecular (sólidos, almidón, agua, etc.) de un producto alimenticio tal como una patata frita. La excitación ultrasónica puede extraer las propiedades mecánicas, las mediciones fotoacústicas pueden extraer la información molecular, ya que las moléculas que absorben son las que generan ondas fotoacústicas (sonido). Por lo tanto, además de las mediciones de fotoacústica (PA) existentes, se pueden aplicar mediciones de ultrasonido (US) para comprender exhaustivamente la textura de la patata frita. La detección de ultrasonido está directamente relacionada con la incompatibilidad acústica de impedancia (Z), que es un producto de la densidad del material y de la velocidad del sonido en el material. El dispositivo de captura acústica puede capturar ondas longitudinales y no capturar ondas superficiales que se propagan a lo largo de la patata frita. Las ondas superficiales podrían proporcionar más información sobre la fracturabilidad. Dichas ondas superficiales se pueden medir fácilmente a partir de excitación ultrasónica junto con mediciones fotoacústicas.
La mayor parte del sonido generado por la ablación con láser puede estar asociado con la expansión de los gases producidos. Por otro lado, la respuesta acústica puede asociarse con la degradación térmica y las propiedades térmicas del material de la superficie. Sin embargo, la propagación del pulso elástico generado por ablación lejos del punto de ablación tomará tiempo y esos eventos acústicos detectados por el micrófono, en momentos posteriores al evento de ablación inicial, pueden asociarse con las propiedades elásticas, la estructura y las dimensiones del producto alimenticio. Por lo tanto, el examen de eventos posteriores en el tiempo, es decir, filtrar los eventos anteriores y examinar los eventos posteriores, puede permitir desacoplar cualquier evento de ablación de los eventos de la superficie del propio producto alimenticio.
Puede ser necesario eliminar la influencia del pulso de sonido transmitido directamente de los gases de ablación sincronizando la señal del micrófono y relacionándola con el tiempo de vuelo del sonido entre el producto alimenticio y los micrófonos. Un micrófono adicional puede ayudar a esto a través de la identificación del origen espacial del sonido del producto alimenticio, en oposición al sonido de los gases de expansión. Una diferencia o una integración de las señales acústicas puede permitir diferenciar la acústica de los gases de expansión del propio producto alimenticio.
Cabe señalar que la excitación por ultrasonido se puede lograr a través de excitadores ultrasónicos disponibles en el mercado, como dispositivos de medición de distancia, y sincronizarlos como medio de excitación. La sincronización de hasta 100 veces por segundo (10 ms) permite recopilar información en respuestas de frecuencia superiores a 1 KHz. Los dispositivos pueden ser robustos y tener vidas largas. Incluidos en su uso para este propósito sería una señal de distancia que podría usarse para la compensación de las señales acústicas. El otro beneficio es que los dispositivos de excitación ultrasónica se pueden enfocar generalmente en un ancho de haz bastante ajustado para detectar objetos relativamente pequeños que podrían entrar en su campo de visión. Se puede usar excitación ultrasónica en el intervalo de 1 a 18 MHz para generar imágenes junto con la excitación fotoacústica. Esta imagen adicional puede dilucidar diferencias estructurales adicionales no capturadas fácilmente por la excitación fotoacústica, sola, aunque las imágenes producidas proporcionan información normal a la dirección del pulso, y en el ancho del impulso. La adición de excitación ultrasónica a excitación fotoacústica puede permitir además construir una imagen de microestructura del producto alimenticio. Esta técnica también puede acoplarse con procedimientos fotoacústicos para normalizar los cambios en la profundidad del lecho a menudo observados en la configuración de producción.
Según una realización ejemplar, la excitación ultrasónica puede realizarse además de la excitación por láser (denominada en esta invención “excitación de banda ancha” ). Según una realización ejemplar, los dispositivos de captura ultrasónica se configuran para capturar señales ultrasónicas con frecuencias más bajas en el intervalo de 0,1 MHz a 6 MHz. Puede utilizarse excitación ultrasónica tal como transductores de contacto o sin contacto para excitar un producto alimenticio. Las frecuencias de excitación para el ultrasonido son mayores de 20 KHz. El propósito de una frecuencia más baja en relación con la excitación del láser es una excitación prolongada para capturar información fundamental tal como densidad. La excitación ultrasónica puede hacerse simultáneamente con el láser, o independientemente. Las altas frecuencias se capturan con el dispositivo de captura acústica. El receptor de ultrasonido puede configurarse para detectar frecuencias por debajo de 100 KHz y más específicamente 40 KHz y el dispositivo de captura acústica puede configurarse para detectar frecuencias por encima de 100 KHz para el láser. El dispositivo de excitación de ultrasonido puede ser un transductor sin contacto, un transductor de contacto, un tambor giratorio, un generador piezoeléctrico, un dispositivo vibratorio, un chorro de aire localizado a través de un oscilador u otros mecanismos. El ultrasonido por sí mismo puede realizarse para determinar las propiedades de los alimentos tales como la densidad y la porosidad. Además de una menor energía del láser, el tamaño del punto del láser puede aumentarse para que no se produzca la ablación. La captación de la señal acústica o de la señal ultrasónica puede ser disparada por láser y no por sonido. El uso de baja fluencia del láser elimina la onda de choque además de la ablación en el producto alimenticio. La señal capturada se puede muestrear a 1 MHz. Una región más altamente amortiguada de mayor frecuencia (60-80 kHz) podría ser indicativa de impacto de estructura en la señal sin ablación. El dispositivo de captura acústica (“ micrófono” ) se puede mover más cerca del lecho del alimento cuando no hay ablación y, por lo tanto, se puede lograr una disminución de la suciedad del micrófono. A continuación, el láser puede dirigirse a alta energía y puede usarse un atenuador para reducir la energía para garantizar energías más consistentes y un rendimiento de láser estable. Según una realización a modo de ejemplo preferida, la fluencia (energía por unidad de área) en el lecho del producto alimenticio es de entre 0,15 mJ/cm2 y 700 mJ/mm2. Una fluencia preferida en el lecho del producto es de 80 mJ/cm2. Según una realización a modo de ejemplo más preferida, la fluencia en el lecho del producto es de entre 1 mJ/mm2 y 700 mJ/mm2. Según otra realización a modo de ejemplo más preferida, la fluencia en el lecho del producto es de entre 1 mJ/mm2 y 350 mJ/mm2. La fluencia podría variar cambiando la energía del láser o el tamaño del punto (área) del láser. Por ejemplo, el tamaño del punto podría variar de 1 mm a 300 mm, aunque se pueden usar tamaños de punto menores de 1 mm para una fluencia más alta dado el mismo haz de energía y tamaños de punto mayores de 300 mm pueden usarse para una fluencia más baja, proporcionando la misma energía del haz. El tamaño absoluto y la energía absoluta del haz son menos materialmente importantes que la relación entre el tamaño y la energía del punto.
Según una realización a modo de ejemplo preferida, el aperitivo es un aperitivo a base de almidón. Según otra realización a modo de ejemplo preferida, el aperitivo son patatas fritas. La estación de puesta a disposición de alimentos puede ser una superficie móvil o no móvil. Según una realización a modo de ejemplo preferida, la herramienta de excitación de energía es una unidad de generación de láser que genera láseres y un dispositivo de excitación ultrasónica tal como un transductor que está configurado para generar una señal de ultrasonido. La herramienta de excitación de energía y el dispositivo de excitación ultrasónica pueden usarse en combinación o independientemente. Debe indicarse que cualquier herramienta que pueda generar excitación sobre un sustrato alimenticio puede usarse como herramienta de excitación de energía. La estación de puesta a disposición (2205) puede ser una superficie plana que se usa para desarrollar un modelo acústico. La estación de puesta a disposición (2205) puede ser una cinta transportadora que porta los aperitivos cuando la textura se mide en un procedimiento de fabricación en línea. Según una realización a modo de ejemplo, un dispositivo acústico de captura (2203) puede colocarse para registrar/capturar una señal acústica (2206) del aperitivo (2209). El dispositivo acústico de captura (2203) puede estar en comunicación con una unidad de procesamiento de datos (DPU) (2204) a través de un cable (2202) o de manera inalámbrica. El dispositivo acústico de captura puede capturar la señal acústica en un amplio intervalo de frecuencias de 0,1 kHz a 500 kHz. El dispositivo de captura de ultrasonido puede capturar la señal acústica en un amplio intervalo de frecuencias de 20 kHz a 18 MHz. Los intervalos de frecuencia de ultrasonido incluyen valores 20 KHz y más altos y cualquier cosa inferior a 20 KHz se considera en el intervalo de sonido estándar. Según una realización preferida a modo de ejemplo, el dispositivo de captura de ultrasonido capta señales de ultrasonido de forma longitudinal. El dispositivo acústico de captura y el dispositivo de captura de ultrasonido pueden estar en comunicación con una unidad de procesamiento de datos. Según una realización a modo de ejemplo preferida, el dispositivo acústico de captura es un micrófono inalámbrico que contiene un transmisor de radio. En una realización a modo de ejemplo preferida, el dispositivo acústico de captura es un micrófono dinámico. En otra realización a modo de ejemplo preferida, el dispositivo acústico de captura es un micrófono de fibra óptica. El dispositivo acústico de captura (2203) puede colocarse a una distancia predeterminada y un ángulo predeterminado del aperitivo (2209). La distancia predeterminada puede elegirse de modo que produzca una densidad de energía máxima del aperitivo. La distancia (2208) desde la parte inferior de la herramienta de excitación de energía (2201) hasta la parte superior de la estación de puesta a disposición (2205) se selecciona de modo que el haz de energía (láser) sea seguro dentro del entorno de fabricación.
La herramienta de excitación láser (2201) y el dispositivo de excitación de ultrasonido (2221) se colocan para dirigir energía hacia un aperitivo (2209). Debe indicarse que el ángulo de direccionamiento tal como se muestra es sólo con fines de ilustración. El ángulo de direccionamiento de la energía puede configurarse para producir una excitación óptima del aperitivo de modo que los dispositivos de captura (2203, 2223) puedan capturar una señal completa después de que las herramientas de excitación (2201,2221) dirijan energía hacia el aperitivo. La señal acústica y la señal de ultrasonido pueden entonces capturarse durante un periodo de tiempo. La señal acústica puede representarse como intensidad (dB) frente a tiempo (s). Además de la información de intensidad (dB), la información de fase también puede grabarse, muestrearse, filtrarse y analizarse para ajustar el modelo de correlación para el atributo de textura similar a la ecuación (2). Las ecuaciones para una propiedad alimenticia tal como la textura pueden desarrollarse estadísticamente usando los procedimientos mencionados anteriormente descritos en las figuras 7, 8 y 9. Según una realización a modo de ejemplo preferida, la señal acústica y la señal de ultrasonido se capturan durante de 1 s a 5 minutos. Según todavía otro ejemplo de realización preferida, la señal acústica y la señal de ultrasonido del aperitivo se capturan durante 2 segundos. Según un ejemplo de realización más preferido, la señal acústica y la señal de ultrasonido del aperitivo se captan durante 1 segundo. Según una realización ejemplar más preferida, la señal acústica y la señal de ultrasonido del aperitivo se capturan durante 10 segundos.
Tal como se muestra generalmente en la figura 23, un procedimiento de medición de textura a modo de ejemplo puede describirse generalmente en términos de las siguientes etapas:
(1) impactar en una superficie de un producto alimenticio con un láser, generando de ese modo una señal acústica a partir de la superficie del producto alimenticio (2301);
El producto alimenticio puede moverse en una línea de producción o colocarse en una superficie estacionaria. La fluencia en el lecho del producto puede controlarse para evitar una ablación o un evento de plasma en el lecho del producto. La fluencia del láser en el lecho del producto puede variar de 0,15 mJ/cm2 a 700 mJ/mm2.
(2) excitar un producto alimenticio con un dispositivo de excitación de ultrasonido, generando así una señal de ultrasonido (2302);
El dispositivo de excitación de ultrasonido puede ser un transductor sin contacto, un transductor de contacto, un tambor giratorio, un generador piezoeléctrico, un dispositivo vibratorio, un chorro de aire localizado a través de un oscilador u otros mecanismos.
(3) capturar la señal acústica con un dispositivo acústico de captura (2303);
El dispositivo de captura acústica puede ser un micrófono.
(4) capturar la señal de ultrasonido con un dispositivo de captura de ultrasonido (2304);
El dispositivo de captura de ultrasonido puede configurarse para capturar frecuencias que varían de 0,1 MHz a 6 MHz en la señal de ultrasonido capturada.
(5) enviar la señal acústica y la señal de ultrasonidos a una unidad de procesamiento de datos (2305);
La señal acústica puede transmitirse a la unidad de procesamiento de datos a través de una conexión desde el dispositivo de captura acústica a la unidad de procesamiento de datos. De manera similar, la señal de ultrasonido puede transmitirse a la unidad de procesamiento de datos a través de una conexión desde el dispositivo de captura de ultrasonido a la unidad de procesamiento de datos
(6) convertir la señal acústica de un dominio de tiempo a un dominio de frecuencia (2306); La señal acústica y la señal de ultrasonido pueden capturarse durante un período de tiempo y la señal se representa como intensidad (dB) frente a tiempo (segundos)
(7) identificar frecuencias relevantes y sus intensidades asociadas en la señal acústica y ultrasónica convertida (2307); y
(8) cuantificar el atributo de textura del producto alimenticio basándose en dichas frecuencias relevantes y dichas intensidades asociadas (2308).
La adición de excitación ultrasónica a la excitación fotoacústica puede permitir además construir una imagen de microestructura del producto alimenticio.
Resumen del sistema
El sistema de la presente invención anticipa una amplia variedad de variaciones en el tema básico del aparato de medición de textura que incluye una herramienta generadora de láser, un dispositivo de excitación de ultrasonido, un dispositivo de captura acústica, un dispositivo de captura de ultrasonido y una unidad de procesamiento de datos. La herramienta de generación de láser y la herramienta de excitación por ultrasonidos dirigen energía hacia un aperitivo que se coloca en una superficie y producen una señal acústica y una señal de ultrasonido. La unidad de procesamiento de datos comprende además un módulo de procesamiento de señales digitales que procesa la señal acústica recibida y la señal de ultrasonido. Un módulo de procesamiento estadístico filtra aún más la señal acústica de la unidad de procesamiento de datos y genera un modelo acústico cuantitativo para atributos de textura como dureza y fracturabilidad. El modelo cuantitativo se correlaciona con una medición cualitativa de la textura a partir de un panel de expertos descriptivo. La textura de los aperitivos se mide cuantitativamente con el modelo acústico cuantitativo. Este resumen general del sistema puede aumentarse mediante los diversos elementos descritos en el presente documento para producir una amplia variedad de realizaciones de la invención consistentes con esta descripción general de diseño.
Resumen del procedimiento
El procedimiento de la presente invención anticipa una amplia variedad de variaciones en el tema básico de la implementación, pero puede generalizarse como un procedimiento cuantitativo para medir el atributo de textura de un aperitivo, el procedimiento comprende las etapas de:
a) impactar en una superficie de un producto alimenticio con un láser, generando de ese modo una señal acústica a partir de la superficie del producto alimenticio;
b) excitar un producto alimenticio con un dispositivo de excitación de ultrasonido, generando así una señal de ultrasonido del producto alimenticio;
c) capturar la señal acústica con un dispositivo acústico de captura;
d) capturar la señal de ultrasonido con un dispositivo de captura de ultrasonido;
e) enviar la señal acústica y la señal de ultrasonidos a una unidad de procesamiento de datos;
f) convertir la señal acústica y la señal de ultrasonido de un dominio de tiempo a un dominio de frecuencia; g) identificar frecuencias relevantes y sus intensidades asociadas; y
h) cuantificar el atributo de textura del producto alimenticio basándose en las frecuencias relevantes y las intensidades asociadas.
Este resumen general del procedimiento puede aumentarse mediante los diversos elementos descritos en el presente documento para producir una amplia variedad de realizaciones de la invención consistentes con esta descripción general de diseño.
Variaciones del sistema/procedimiento
La presente invención anticipa una amplia variedad de variaciones en el tema básico de una medición cuantitativa de textura. Los ejemplos presentados anteriormente no representan todo el alcance de posibles usos. Están destinados a citar unas pocas posibilidades casi ilimitadas.
Este sistema básico y procedimiento pueden aumentarse con una variedad de realizaciones auxiliares, incluyendo pero sin limitarse a:
• Una realización en donde el dispositivo de excitación de ultrasonido es un transductor sin contacto.
• Una realización en donde el dispositivo de excitación de ultrasonido es un transductor de contacto.
• Una realización en donde el producto alimenticio se coloca en una superficie estacionaria cuando el láser o la onda ultrasónica impacta el producto alimenticio.
• Una realización en donde el producto alimenticio pasa dentro de la carcasa cuando el láser o la onda ultrasónica impacta el producto alimenticio.
• Una realización en donde el dispositivo de captura de ultrasonido está configurado para capturar frecuencias en la señal de ultrasonido; las frecuencias van de 0,1 MHz a 6 MHz.
• Una realización en donde no ocurre ablación cuando dicho láser impacta dicho producto alimenticio.
• Una realización en donde el generador láser está configurado para generar el láser que confiere fluencia dentro de un intervalo de 0,15 mJ/cm2 a 700 mJ/mm2.
• Una realización en donde el producto alimenticio es un aperitivo a base de almidón.
• Una realización en donde el láser y la señal de excitación de ultrasonido están configurados para impactar el producto alimenticio simultáneamente.
• Una realización en donde el láser y la señal de excitación de ultrasonido están configurados para impactar el producto alimenticio en diferentes momentos.
• Una realización en donde el atributo de textura se selecciona de un grupo que comprende: dureza, fracturabilidad, adherencia dental, textura crujiente, densidad, rugosidad de la masa, humedad de la masa, untosidad residual, rugosidad superficial y oleosidad superficial.
• Una realización en donde el producto alimenticio permanece intacto después del impacto del generador láser o el dispositivo de excitación de ultrasonido.
Un experto en la técnica reconocerá que son posibles otras realizaciones basadas en combinaciones de elementos enseñados dentro de la descripción anterior de la invención y dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato para la medición cuantitativa de atributos de textura no destructiva de un producto alimenticio que comprende:
una carcasa (506, 616);
un generador láser (401, 500, 2201) unido a dicha carcasa;
un dispositivo de captura acústica (403, 603, 612, 2203), situado proximalmente a dicha carcasa y configurado para capturar señales acústicas en un intervalo de frecuencia de 0,1 a 500 Kz; un dispositivo de excitación de ultrasonido (2221) situado proximalmente a dicha carcasa; un dispositivo de captura de ultrasonidos (2223) colocado proximalmente con respecto a dicho dispositivo de captura acústica y configurado para capturar frecuencias en las señales de ultrasonido en un intervalo de frecuencia de 0,1 MHz a 6 MHz;
una unidad de procesamiento de datos (404, 701, 2204) en comunicación con al menos dicho dispositivo de captura acústica y al menos dicho dispositivo de captura de ultrasonidos;
en donde dicho generador láser está configurado para dirigir un láser para impactar dicho producto alimenticio, produciendo así una señal acústica para ser detectada por dicho dispositivo de captura acústico; y dicho dispositivo de excitación de ultrasonidos está configurado para dirigir una onda de ultrasonido para impactar dicho producto alimenticio, produciendo así una señal de ultrasonido para ser detectada por dicho dispositivo de captura de ultrasonidos;
en donde la unidad de procesamiento de datos se configura para (i) medir cuantitativamente dicho atributo de textura de dicho producto alimenticio basándose en la entrada de dicho dispositivo de captura acústica y entrada desde dicho dispositivo de captura de ultrasonidos, (ii) convertir la señal acústica de un dominio de tiempo a un dominio de frecuencia, (iii) identificar frecuencias relevantes y sus intensidades asociadas, y (iv) cuantificar el atributo de textura del producto alimenticio basándose en las frecuencias relevantes y las intensidades asociadas,
en donde el atributo de textura se selecciona de un grupo que comprende: dureza, fragilidad, paquete de dientes, textura crujiente, adherencia dental, rugosidad de la masa, humedad de la masa, untosidad residual, rugosidad superficial y oleosidad superficial.
2. El aparato de la Reivindicación 1, en donde dicho dispositivo de excitación de ultrasonido es un transductor sin contacto.
3. El aparato de la Reivindicación 1, en donde dicho dispositivo de excitación de ultrasonido es un transductor de contacto.
4. El procedimiento de la Reivindicación 1, que comprende además:
(a) una superficie estacionaria (405) para soportar un producto alimenticio para impactar por dicho láser o dicha onda de ultrasonido; o
(b) una superficie móvil (405) para soportar un producto alimenticio y que pasa a través de dicha carcasa.
5. El aparato de la Reivindicación 1, en donde el generador láser está configurado para generar el láser que confiere fluencia dentro de un intervalo de 0,15 mJ/cm2 a 700 mJ/mm2.
6. Un procedimiento cuantitativo de fotoacústica no destructiva para medir el atributo de textura de un producto alimenticio, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de:
a. impactar una superficie de un producto alimenticio con un láser, generando de ese modo una señal acústica a partir de la superficie de dicho producto alimenticio;
b. excitar un producto alimenticio con un dispositivo de excitación de ultrasonido, generando así una señal de ultrasonido de dicho producto alimenticio;
c. capturar dicha señal acústica con un dispositivo de captura acústica, estando configurado el dispositivo de captura acústica para capturar señales acústicas en un intervalo de frecuencia de 0,1 a 500 KHz;
d. capturar dicha señal de ultrasonido con un dispositivo de captura de ultrasonidos, estando configurado el dispositivo de captura de ultrasonidos para capturar frecuencias en las señales de ultrasonido en un intervalo de frecuencias de 0,1 a 6 MHz;
e. enviar dicha señal acústica y dicha señal de ultrasonido a una unidad de procesamiento de datos; f. convertir dicha señal acústica y dicha señal de ultrasonido de un dominio de tiempo a un dominio de frecuencia;
g. identificar frecuencias relevantes y sus intensidades asociadas; y
h. cuantificar dicho atributo de textura del producto alimenticio basándose en dichas frecuencias relevantes y dichas intensidades asociadas.
7. El procedimiento de la Reivindicación 6, en donde dicho producto alimenticio se mueve en una línea de producción durante dicha etapa de impacto o dicha etapa de excitación.
8. El procedimiento de la Reivindicación 6, en donde el láser imparte fluencia dentro de un intervalo de 0,15 mJ/cm2 a 700 mJ/mm2 en el producto alimenticio.
9. El procedimiento de la Reivindicación 6, en donde se produce dicha etapa de impacto y dicha etapa de excitación:
(a) concurrentemente; o
(b) no concurrentemente.
10. El procedimiento de la Reivindicación 6, en donde dicho producto alimenticio es un aperitivo a base de almidón.
11. El procedimiento de la reivindicación 6, en donde dicho atributo de textura se selecciona de un grupo que comprende: dureza, fragilidad, densidad, textura crujiente, adherencia dental, rugosidad de la masa, humedad de la masa, untuosidad residual, rugosidad de la superficie y oleosidad de la superficie.
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