Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования .
1.1. Общая характеристика нежелательных компонентов содержащихся в молоке и молочных продуктах 5
1.2. Классификация биологической чистоты молочной продукции 7
1.3. Система информационных потоков, позволяющая контролировать содержание нежелательных компонентов в молоке и молочной продукции 11
1.4. Анализ систем мониторинга 15
1.5. Представление биотехнологического комплекса как системы производства биологически безопасных молочных продуктов 20
1.6 Биокибернетический анализ технологий переработки биосырья как объектов оптимизации по критерию биологической безопасности 25
1.7 Исследование вопроса математического моделирования с точки зрения динамики популяций микроорганизмов в продукцуионных системах 29
1.8 Классические модели развития популяций 31
1.9 Модели инактивации микроорганизмов под действием температуры.36
1.10 Цель и задачи исследований 39.
Глава 2. Объекты и методы исследований.
2.1 Методика проведения исследований 41
2.2. Классификация микробиоценозов содержащиеся в молоке и молочной продукции; факторы, влияющие на их развитие 43
2.3. Критерии безопасности для оценки сырья и технологической переработки сырья 49
2.4. Структура базы данных информационно - поисковой подсистемы 54
2.5. Концепция подсистемы управления производством биологически безопасных молочных продуктов 55
Глава 3. Математические модели изменения биокомпонентов в процессах переработки и хранения молока .
3.1. Методика разработки математических моделей 59
3.2. Модели развития и инактивации вегетативных микробиоценозов .64
3.3. Обобщенные математические модели динамики взаимодействия популяций в процессах сквашивания молока 71
3.4. Автопоиск оптимальной математической модели изменения микробиоценозов в процессе переработки 75
Глава 4. Разработка компьютерной системы мониторинга и управления производством биологически безопасных молочных продуктов .
4.1. Структура компьютерной системы мониторинга и управления производством биологически безопасных продуктов 81
4.2. Алгоритм выявления опасных факторов и контрольных критических точек 83
4.3. Описание работы компьютерной системы для пользователя 89
Выводы 98
Литература 100
Приложения 111
- Классификация биологической чистоты молочной продукции
- Классификация микробиоценозов содержащиеся в молоке и молочной продукции; факторы, влияющие на их развитие
- Обобщенные математические модели динамики взаимодействия популяций в процессах сквашивания молока
- Алгоритм выявления опасных факторов и контрольных критических точек
Введение к работе
Проблемы качества и безопасности пищевой продукции неразрывно связаны друг с другом и актуальны во всем мире. Последние десятилетия характеризуются прогрессирующим ухудшением показателей здоровья населения России: снижением средней продолжительности жизни. Среди причин заболеваний и смертности ведущее место занимают сердечнососудистые и онкологические заболевания, развитие которых в определенной степени связано с питанием. В то же время, ухудшилась экологическая обстановка в мире и в России, появились неблагополучные в радиационном отношении зоны. Окружающая среда становится источником загрязнения сырья и пищевых продуктов. [29,50].В связи с этим сейчас как никогда остро стоит проблема обеспечения качества и безопасности пищевых продуктов. Под безопасностью продуктов питания будем понимать отсутствие опасности для здоровья человека, как при их употреблении, так и в плане неблагоприятного воздействия на здоровье настоящего и будущего поколений. Учитывая роль питания в здоровье нации, многие страны приняли национальные концепции государственной политики в области здорового питания, исходя из значимости здоровья населения для развития и безопасности страны. Так постановлением Правительства Российской Федерации от 10 августа 1998г №917 принята "Концепция государственной политики в области здорового питания населения Российской Федерации на период до 2005 года", а Государственной Думой 1 декабря 1999г принят федеральный закон "О качестве и безопасности пищевых продуктов", одобренный Советом Федерации 23.12.1999 г.
В общих положениях закона в статье 5 указано: на обязательность "проведения производственного контроля за качеством и безопасностью пищевых продуктов, материалов и изделий, условиями их изготовления,
хранения, перевозок и реализации, внедрением систем управления качеством пищевых продуктов, материалов и изделий"
Под государственной политикой в области здорового питания понимается комплекс мер направленный на создание условий, обеспечивающих удовлетворение потребностей населения в рациональном, здоровом питании, в соответствии с требованиями медико-биологических норм [69].
В диссертации рассматриваются вопросы создания систем компьютерного мониторинга и управления производством биологически безопасных молочных продуктов, поскольку эти продукты являются во многом определяющими для здоровья населения. Для организации биологического мониторинга технологий переработки молока предложен нетрадиционный подход к решению этой задачи, основанный на современных информационных технологиях и компьютерных средствах обработки информации. Для комплексного контроля и выявления основных причин, влияющих на качество и безопасность готовой продукции в ходе ее производства, а также выявления оптимальных маршрутов инактивации вредных компонентов предложен компьютерный вариант системы биологического мониторинга. Основой этой системы являются комплексы математических моделей, которые учитывают влияние технологических факторов на физико-химические и микробиологические показатели готовых молочных продуктов, что позволяет найти оптимальные технологии переработки сырья с целью выпуска безопасной продукции высокого качества. В связи с изложенным, компьютерное управление и оптимизация режимов производства, с целью выпуска биологически ценных и безопасных молочных продуктов, относятся к актуальным задачам, решение которых имеет важное народнохозяйственное значение.
Классификация биологической чистоты молочной продукции
Наряду с экологической чистотой большое значение для безопасности имеет биологическая или микробиологическая чистота продукции. Молоко представляет собой хорошую питательную среду для развития большинства микроорганизмов, как вносимых с заквасками, так и попадающих в него извне. При переработке молока и производстве молочных продуктов основную роль играют процессы расщепления лактозы, осуществляемые молочнокислыми бактериями и протеолитическими микроорганизмами, споровыми бактериями, микрококками, дрожжами, плесневыми грибами и т.д.[25]
С целью формирования структуры базы данных по разделу «безопасность» выполнена классификация микроорганизмов. Все микроорганизмы, встречающиеся в молоке и молочной продукции, можно разделить в зависимости от их роли в формировании качества и безопасности продукции на три основные группы [9]: технически важная микрофлора; патогенные микроорганизмы; санитарно-показательные микроорганизмы;
К первой группе относятся микроорганизмы, вводимые в закваски, а также посторонняя микрофлора вызывающая пороки. Некоторые представители технически важной микрофлоры могут играть как положительную, так и отрицательную роль в формировании качества и безопасности молочных продуктов. Так, молочнокислые бактерии участвующие в процессе сквашивания молока могут вызвать и прокисание продуктов. Дрожжи, участвующие в созревании кефира, кумыса, ацидофильно-дрожжевого молока, при излишнем размножении вызывают вспучивание этих продуктов. [46]
Патогенные микроорганизмы вызывают различные заболевания и отравления. Среди них встречаются возбудители инфекций (туберкулеза, бруцеллеза, ящура) и возбудители пищевых отравлений, которые в свою очередь делятся на возбудителей пищевых токсикоинфекций (сальмонеллы, шигеллы) и возбудители пищевых интоксикаций (коагулазоположительные стафилококки). [47]
Присутствие санитарно-показательных микроорганизмов свидетельствует о степени загрязнения молока выделениями человека и животных и о несоблюдении санитарно-гигиенических режимов производства. [49] Патогенные микроорганизмы подразделяют на: Возбудителей пищевых инфекций (Возбудители туберкулеза-Mycobacterium tuberculosis, микобактерии туберкулеза, туберкулезная палочка, Возбудители бруцеллеза, возбудители ящура,) Возбудители пищевых отравлений или токсикоинфекций могут быть вызваны различными возбудителями, в частности Шигеллами Зонне, сальмонеллами, Bacillus cereus, и некоторыми другими. Возбудители интоксикаций, микроорганизмы, которые вырабатывают токсины, накапливаясь в молоке и молочных продуктах вызывают отравления, типичными их представителями являются энтеротоксигенные стафилококки.
Санитарно показательные микроорганизмы
К ним относят микроорганизмы используемые для оценки качества молока и молочных продуктов - это бактерии группы кишечной палочки, энтерококки, коагулазоположительные стафилококки, бактерии группы протея, анаэробные, споровые сульфитредуцирующие микроорганизмы.
Эти микроорганизмы не являются опасными и, в настоящее время в основном используются для оценки санитарного состояния поступающего молока, а также санитарного состояния предприятий и соблюдения санитарно-гигиенических и технологических режимов производства. Продукты, в которых обнаружено большое количество санитарно показательной микрофлоры, не изменяющие органолептические показатели, нельзя считать пригодными к употреблению, так как значительное количество жизнеспособных клеток в пищевых продуктах свидетельствует или о недостаточной термической обработке сырья, либо о неудовлетворительной мойке и дезинфекции оборудования, или условиях хранения, при которых развиваются определенные группы микроорганизмов. Высокая бактериальная обсемененность свидетельствует о возможной порче продуктов. Содержание в пищевых продуктах 10 — 10 микроорганизмов в 1 г - признак недоброкачественности. [6 5,103]
На основании выше изложенного можно сделать вывод о том, что качество и безопасность пищевых продуктов неразрывно связаны друг с другом. В свою очередь говоря о безопасности пищи, необходимо выделить две компоненты - экологическую и микробиологическую.
На рисунке 1 представлена классификация понятия безопасность, которая определяет структуру базы данных «Безопасность молочных продуктов» входящую в состав компьютерной системы мониторинга и управления производством биологически безопасных продуктов.
Классификация микробиоценозов содержащиеся в молоке и молочной продукции; факторы, влияющие на их развитие
Молоко представляет собой хорошую питательную среду для развития большинства микроорганизмов, как вносимых с заквасками, так и попадающих в него извне[2,25,46].
Все микробиоценозы, встречающиеся в молоке и молочных продуктах, можно разделить, в зависимости от их роли в формировании качества и безопасности продукции, на технически важную микрофлору, микроорганизмы вызывающие пороки, патогенные и санитарно-показательные микроорганизмы.
На рис. 11 представлена классификация микроорганизмов молока в зависимости от их роли в формировании качества и безопасности. К первой группе относятся микроорганизмы заквасок и микрофлора вызывающая пороки. Некоторые представители технически важной микрофлоры могут играть как положительную, так и отрицательную роль в формировании качества молочных продуктов.[72]
Другие технически важные микроорганизмы - плесневые грибы, психротрофные и спорообразующие бактерии - играют только отрицательную роль в производстве цельномолочных продуктов. [9,47] Патогенные микроорганизмы, образующие вторую группу вызывают различные заболевания. Среди них возбудители инфекций (туберкулеза, бруцеллеза, ящура) и возбудители пищевых отравлений, которые в свою очередь делятся на возбудителей пищевых токсикоинфекций (сальмонеллы, шигеллы) и возбудители пищевых интоксикаций (коагулазоположительные стафилококки).
Присутствие санитарно-показательных микроорганизмов (группа 3) свидетельствует о степени загрязнения молока выделениями человека и животных и о несоблюдении санитарно-гигиенических режимов производства.
При переработке молока и производстве молочных продуктов основную роль играют процессы расщепления лактозы, осуществляемые молочнокислыми бактериями, которые являются наиболее важной группой микроорганизмов. Эти бактерии подразделяются на семейства и рода. Особый интерес представляют бактерии семейства Streptococcaceae родов Streptococcus и Leuconostoc и семейства Lactobacillaceae рода Lactobacillus. Молочнокислые бактерии рода Streptococcus широко используются при производстве творога, сметаны, кисломолочных напитков с плодово-ягодными наполнителями. Этот род объединяет следующие виды: S. lactis , S. lactis subsp. diacetylactis, S. lactis subsp. acetoinicus, S. cremoris, S. thermophilus. Все эти микроорганизмы являются гомоферментативными, продуцируя в основном молочную кислоту из глюкозы, и, за исключением S. thermophilus, относятся к мезофильным бактериям, S. thermophilus является термофильным микроорганизмом. При производстве различных кисломолочных напитков они используются в чистой культуре или в сочетании с другими организмами.
Таким образом, на рисунке 11 представлена основа для формирования БАЗЫ ДАННЫХ по биологической безопасности молока и молочных продуктов.
Обобщенные математические модели динамики взаимодействия популяций в процессах сквашивания молока
Для комплексного решения задач мониторинга и управления производством биологически безопасной молочной продукцией нами разработана компьютерная система мониторинга и управления, включающая в себя большую иерархию подпрограмм, и имеющая многоуровневую структуру. Условно компьютерную систему мониторинга и управления можно разделить на два основных раздела: в сбора, хранения и обработки информации; управления; Компьютерная система мониторинга и управления состоит из множества встроенных подпрограмм, основными из которых можно назвать следующие: 1. подпрограмма заполнения и редактирования базы данных по результатам исследований; 2. одпрограмма, выполняющая поиск необходимой информации и выбор определенных значений из базы данных; 3. подпрограмма статистической обработки выбранных значений; 4. подпрограмма поиска адекватной математической модели изменения нежелательных компонентов по имеющимся экспериментальным данным; 5. подпрограмма графического отображения математических моделей и изменения концентраций нежелательных компонентов при технологической переработке. 6. подпрограмма выявления опасных факторов и контрольных критических точек с расчетом коэффициентов экологической и биологической безопасности для оценки технологических процессов по критерию безопасности; 7. подпрограмма поиска оптимальной технологической переработки молока по критерию биологической безопасности, Все выше описанные подпрограмм в свою очередь состоят из процедур и функций, которые связаны друг с другом общей программной оболочкой. Прикладные подпрограммы управляются программной оболочкой, которую мы видим на экране в виде меню.
Она осуществляет связь со всеми подпрограммами, модулями и библиотеками. С помощью этой программной оболочки мы вызываем необходимые функции и другие подпрограммы по специальным ссылкам, и командам полученные от мыши или клавиатуры. Когда мы выбираем какой-нибудь пункт из меню, то мы осуществляем вызов команд, которые по специальной процедуре вызывают какую-нибудь подпрограмму, основные из которых рассмотрены выше. В свою очередь, подпрограммы состоят из набора процедур и функций, каждая из которых выполняет простые задачи.
К этим задачам можно отнести: выбор каких-нибудь компонентов из базы данных, их сортировку по убыванию или возрастанию, расчет среднего значения, математическую обработку по формулам, представление данных на экране, нахождение минимального или максимального значения из ряда значений выбранного компонента, графическое представление ряда значений в координатах (X;Y), и т.д.. [33,36,37,51,54,55] Как упоминалось выше, система является не только инструментом мониторинга, но и управления. При ее помощи, возможно, не только получить необходимую информацию, но и провести расчет и прогноз основных контролируемых параметров, с использованием математических моделей, которые предскажут выходные данные готового продукта при различных технологических воздействиях на исходное сырье и помогут выявить оптимальные пути использования сырья для получения биологически безопасной готовой продукции.
Алгоритм выявления опасных факторов и контрольных критических точек
На основе проведенных исследований и ранее используемых методов контроля разработан новый алгоритм выявления опасных факторов и контрольных критических точек с расчетом коэффициентов биологической и экологической безопасности для системы мониторинга и управления производством биологически безопасных продуктов с использованием концепции «контрольной критической точки при анализе опасного фактора» ККТАОФ, (концепция ККТАОФ рассмотрена в первой главе, рис.5) которая относится к разделу «БЕЗОПАСНОСТЬ». Алгоритм выявления опасных факторов с расчетом необходимых коэффициентов биологической и/или/ экологической безопасности представлен на рис. 28. Цель этого алгоритма является выявление опасных факторов и контрольных точек на технологических линиях, а также определение критических значений нежелательных компонентов в ходе производства молока и молочной продукции.
В диалоговом режиме оператор-технолог выбирает варианты ответов на вопросы, после которых компьютер делает ряд проверок и сопоставлений данных, полученных при анализе сырья и готовой продукции между собой и данных ПДК, полученных из базы данных. При критических концентрациях нежелательных веществ. Программа может предложить на каком участке технологической линии или операции необходимо установить контрольную точку (т.е. где и на каком этапе желательно проводить лабораторные исследования). Если ее установить не представляется возможным, то программа рассчитает значения используя математические модели, описывающие этот технологический процесс, основанные на предшествующих исследованиях. Кроме того, подпрограмма также рассчитывает коэффициенты экологической и биологической безопасности оценивающие эффективность рассматриваемой технологической обработки сырья с точки зрения безопасности. Таким образом, при расчете этих коэффициентов для технолога-оператора будет предоставлена информация о «качестве» технологии переработки сырья с точки зрения безопасности для потребителя. В этом алгоритме (Рис.28) N - количество контролируемых опасных факторов, Сі - концентрация і-го опасного фактора, а М -количество этапов или операций в технологическом процессе.
Результатом работы этой подпрограммы является получение полной информации о содержании нежелательных компонентов, при их критических концентрациях, на всех технологических этапах переработки молока и технологической линии в целом.
Таким образом, эта подпрограмма выполняет функцию оптимальной организации контроля качества перерабатываемого молока при его переработке.
Как упоминалось выше компьютерная система мониторинга и управления состоит из блока заполнения базы данных, который формирует те данные, которыми программа будет пользоваться в дальнейшем. Здесь необходимо отметить, что информация создается и хранится в специальных структурированных файлах, которые, для наглядности могут быть представлены в виде таблицы, где каждая единица информации (будь то численное значение или название какого-нибудь компонента) имеет свою ячейку в этой условной таблице, тем самым упрощая поиск, редактирование и выборку необходимой информации. 2-Подпрограмма выполняющая информационно-поисковые функции по разным базам данных. Для поиска необходимой информации нужно выбрать соответствующую папку, затем выбрать команду «работа с документом» далее команду «искать» Как работает эта подпрограмма описано ниже. После работы этой подпрограммы на экране у пользователя появится выбранная информация, содержащаяся в документах выбранной папки. 3-подпрограмма поиска адекватной математической модели. Данная подпрограмма работает со значениями, которые были предварительно выбраны из базы по одному показателю. После чего можно включить в работу алгоритм поиска оптимальной математической модели подробно рассмотренный в третьей главе (Рис. 26а - 26д). По окончании работы данного алгоритма управление передается подпрограмме 4- графического отображения полученной информации которая визуально представляет график выбранной математической модели и математическую зависимость в виде Y = A0+Al{f (х)} с рассчитанными коэффициентами АО, А1 для рассматриваемого технологического процесса. Подпрограмма графического отображения по выбору пользователя может наглядно показать графики и математические зависимости не только математических моделей, она также может отобразить графики изменения нежелательных компонентов.
