Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Моделирование высокоинформативных методов системного анализа качества и безопасности пищевой агропродукции 15
1. Постановка задачи системного анализа экологической безопасности и качества пищевой агропродукции 15
2. Моделирование процедуры определения концентрации и размеров частиц в полидисперсных биосистемах методами нефелометрии 20
3. Эффекты самовоздействия лазерного излучения при многократном рассеянии в дисперсных биосредах 24
4. Нелинейные эффекты взаимодействия коротких импульсов лазерного излучения со случайно неоднородными биоматериалами в условиях многократного рассеяния 28
5. Оценка погрешностей измерения концентрации и размеров взвешенных в жидкостях биочастиц по характеристикам рассеиваемого импульсного лазерного излучения. Алгоритмы расчёта исследуемых параметров биосистем 37
6. Высокоточный лазерный экспресс-анализ малых концентраций оптически активных веществ в прозрачных пищевых растворах 40
Глава 2. Унифицированный экоаналитическии комплекс государственных эталонов состава веществ и материалов 48
7. Стандартные образцы в метрологическом обеспечении систем экомониторинга и контроля качества пищевой продукции 48
8. Государственные стандартные образцы состава почв 50
9. Государственные стандартные образцы состава растительных материалов 58
10. Государственные стандартные образцы состава биоматериалов 76
11. Государственные и международные эталоны состава спиртосодержащей продукции 78
Глава 3. Методология применения государственных эталонов состава веществ и материалов для повышения информативности экоаналитических измерений 95
12. Сравнительная оценка экоаналитических методов с помощью государственных стандартных образцов веществ и материалов 96
13. Использование стандартных образцов для повышения точности системного анализа показателей безопасности при проведении экоаналитических исследований пищевой агропродукции 104
14. Метрологическая оценка погрешностей методик измерений и системного анализа показателей качества и безопасности агро- и пищевой продукции 110
Заключение 112
Литература ...114
- Постановка задачи системного анализа экологической безопасности и качества пищевой агропродукции
- Моделирование процедуры определения концентрации и размеров частиц в полидисперсных биосистемах методами нефелометрии
- Стандартные образцы в метрологическом обеспечении систем экомониторинга и контроля качества пищевой продукции
- Сравнительная оценка экоаналитических методов с помощью государственных стандартных образцов веществ и материалов
Введение к работе
1. Системный анализ безопасности и качества пищевой продукции как инструмент для управления социально-экономическими процессами
Интенсивное развитие промышленности, бесконтрольное освоение природных
ресурсов, химизация сельского хозяйства приводят к все большему загрязнению
окружающей среды (воздуха, водных ресурсов, почв, растений и т.д.) различными
высокотоксичными веществами, попадающими, в конечном счете,
в агросырье, готовую пищевую продукцию и организм человека [1-4]. Велики следствия от ущерба, наносимого токсикантами в продовольствии физическому и психическому состоянию, генетическому аппарату наследственности населения. Исследования последних лет показывают, что физическое и психическое состояние более половины школьников и молодежи призывного возраста в России неудовлетворительно, смертность российского населения существенно превышает рождаемость. С другой стороны, во всех странах с развитыми экономикой и социальной сферой роль государства и населения в контроле за качеством и безопасностью пищевой агропродукции является определяющей, что позволяет оптимизировать управленческие решения в социальных и экономических системах.
Проблема безопасности и качества пищевых продуктов повсеместно в мире имеет важнейшее экономическое и очень острое социальное значение. Системный анализ показателей качества и безопасности продукции является необходимым инструментом для решения задач управления и принятия решений в социальной сфере и экономике, повышения социально-экономической эффективности агропромышленного комплекса. Основой для производства полноценных экологически безопасных продуктов питания является агросырье, качество которого в последние годы снижается несмотря на применение более совершенных технологий для его производства. Причиной этого является ухудшение экологической ситуации, отсутствие эффективной научно обоснованной системы мониторинга и контроля качества, обеспечивающих высокую степень гарантии экологической чистоты агропродукции.
На многих международных конференциях по проблемам качества пищи и на всемирных форумах на высшем уровне по вопросам продовольствия и питания в 1996 и 2002 гг. подчеркивалось, что доступ к безопасному и высококачественному продовольствию является одним из основных прав человека. Подобно тому, как жизненно важное значение имеет качество чистого воздуха и воды, так и качество потребляемой пищи играет ключевую роль в формировании полноценного здоровья
и устранении социального неравенства в этой области. Создание систем безопасности и качества агро- и пищевой продукции является в настоящее время приоритетным направлением развития агропромышленного комплекса.
Для России это очень серьезная экономическая и социальная проблема. Она выражается, в частности, в том, что малообеспеченное население, как правило, не может себе позволить высококачественные экологически чистые продукты питания из-за их повышенной стоимости, в отличие от обеспеченных слоев общества. Население начинает проявлять большую озабоченность по поводу взаимосвязи между продуктами питания и здоровьем, однако пока не может самостоятельно устранить социальное неравенство в этой области, связанное как с различием материальных возможностей, так и отсутствием полной и достоверной информации по этой проблеме.
Употребление некачественной пищи, содержащей разного рода токсиканты, ведет к ускоренной физической и интеллектуальной деградации малоимущей части населения, что в свою очередь дополнительно стимулирует неравенство и ущемление прав человека. Это выражается не только в появлении у малоимущих слоев населения новых проблем со здоровьем, преждевременной смертности, но усугубляет экономическое неравенство. В США, ЕС, Японии выработаны в последние годы механизмы решения вопросов, связанных с качеством и безопасностью пищевой продукции. В России, к сожалению, эти механизмы развиты сравнительно слабо. Кроме того, в России в настоящее время имеет место гораздо большая имущественная дифференциация, чем в экономически развитых странах. Это существенно обостряет решение вопросов качества и безопасности пищевой продукции, в связи с чем они в России имеют свою специфику. Вместе с тем обостряется и необходимость скорейшего решения этих вопросов.
Эффективное управление связанными с АПК социальными и экономическими системами, выполнение технологических процессов в земледелии, растениеводстве, животноводстве и пищевой промышленности невозможны без измерений и системного анализа параметров качества почвы, кормов, молока, мяса и других компонентов. В сфере агропромышленного комплекса аналитический контроль проводится лишь на определенных технологических звеньях при отсутствии взаимоувязанной документации между различными отраслями, причем число анализируемых показателей по мере приближения по технологической цепочке к конечному продукту возрастает [5-9].
Полученная при этом экологическая информация о состоянии пищевого сырья имеет низкую достоверность, а отнесение готовой продукции к браку или высокому
качеству не всегда обосновано в силу отсутствия необходимого метрологического обеспечения для применяемых аналитических методов. Одним из наиболее эффективных способов решения данного вопроса является использование стандартных образцов химического состава. Вне всякого сомнения, концентрация контроля на завершающих этапах технологий переработки пищевого агросырья приводит к излишнему расходованию средств на производство продукции, которая впоследствии не застрахована от выбраковки. Экономически выгодной является концентрация контроля за будущей продукцией в начале ее формирования на этапах: поле, луг, ферма и убывание по технологической цепи - от выращивания кондиционных по качеству кормов до поставки конечной пищевой продукции потребителю.
Имеется и целый ряд проблем научно-технического плана, которые необходимо решить для повышения эффективности контроля за качеством пищевой продукции. Так многие исследования показали, что обычно применяемые в стране методы контроля качества сельскохозяйственного сырья и пищевой продукции не могут гарантировать населению ее экологическую безопасность. Данные измерения содержания токсикантов в продукции, полученные разными лабораториями, очень часто сильно различаются, причем различия достигают сотен процентов. Исследования и первые практические действия показали, что хорошим средством устранения этой неопределенности является использование эталонных стандартных образцов состава агрообъектов, пищевой продукции и ее компонентов [4,10].
Ни один из применяемых методов анализа не может быть с полной уверенностью отнесен в разряд самых надежных, достоверных. Каждому из них свойственны свои преимущества и недостатки, конкретная оперативность и чувствительность, точность и воспроизводимость. Предпочтение тому или иному способу анализа может быть отдано в зависимости от поставленной цели производства или научного поиска, количества имеющегося материала, химического его состава, наличия соответствующего аналитического оборудования, реактивов и посуды, квалификации кадров и пр. Главный же критерий в оценке методов анализа заключается в оптимальных для указанного комплекса метрологических параметрах [И].
Для сравнения различных и давно применяемых, а также вновь
разрабатываемых методов количественного обнаружения компонентов
в веществе [12-25], оценки их уровня, градуировки приборов-анализаторов, выявления подлинной квалификации исполнителей, достижения требуемой
правильности и точности, необходимо иметь стандартные образцы соответствующих материалов, надежно аттестованные по своим характеристикам [4,26-48].
Международной организацией по стандартизации (ИСО) разработаны требования (стандарты ИСО серии 9000) к системам качества. Эти стандарты приняты как национальные более чем в 90 странах: России, США, Японии, всех членов Евросоюза и др. Применение систем качества в агропромышленном комплексе позволяет решить проблему стабильного обеспечения населения экологически безопасными пищевыми продуктами надлежащего качества.
Для метрологического обеспечения методов анализа, применяемых в системах качества, должны использоваться государственные стандартные образцы (ГСО) контролируемых агро- и пищевых сред. Наличие ГСО играет определяющую роль для достижения требуемой точности измерений показателей безопасности сельскохозяйственного сырья (токсичных элементов, радионуклидов, и т.п.) на всех этапах технологической цепочки его производства и переработки, начиная от почвы до готовых продуктов питания.
ГСО несут также важнейшую юридическую нагрузку. Они включены в законодательные акты о качестве пищевой продукции, где выполняют функцию, аналогичную сигналу точного времени. С их помощью устанавливают правильность данных протоколов измерений аккредитованных испытательных лабораторий и обоснованность заключения органов по сертификации о безопасности пищевой продукции.
С целью обеспечения единства измерений всех агрообъектов, участвующих в процессе производства пищевой продукции, была создана единая система государственных стандартных образцов. Она включает ГСО состава почв, растительных материалов, мясных и молочных продуктов, спиртов, напитков (водки и другие). В исследованиях по их созданию было задействовано более 300 аналитических лабораторий в республиках бывшего СССР, а также США, Германии, Болгарии, Польши, Венгрии, Монголии и других странах.
Для перехода на единые критерии оценки качества пищевых продуктов и взаимоувязки методов их анализа в октябре 1997 года Объединением метрологических служб стран Центральной и Восточной Европы (КООМЕТ) было принято решение о создании на основе ГСО единой расширенной системы международных стандартных образцов агропродукции. В Концепции государственной политики в области здорового питания населения России сформулированы основные задачи, которые должны решаться наукой в агросекторе, пищевой и перерабатывающей промышленности в ближайшие годы.
Приоритетными направлениями фундаментальных исследований отечественной агронауки признаны получение качественно новых пищевых продуктов общего и специального назначения с направленным изменением химического состава, конструирование новых пищевых продуктов для укрепления защитных функций организма, профилактики различных заболеваний.
Следовательно, совершенно необходимы исследования на макро- и микроэлементном уровне качества и технологических свойств сырья растительного и животного происхождения, продуктов его переработки с целью выявления закономерностей и взаимосвязей, позволяющих обосновать требования к ним. Прежде всего это относится к созданию экологически безопасных технологий производства продуктов детского, диетического и лечебного питания [4], нового поколения высококачественных продуктов детского и специального питания.
Как показывает опыт экономически развитых стран от реализации экологически безопасной и качественной пищевой продукции выигрывает не только население, но и бизнес в торговой и промышленной сферах и бюджеты всех уровней.
В частности, создание системы качества и безопасности пищевой продукции позволит:
защитить население от опасной и некачественной пищевой продукции, включая алкогольные напитки;
навести порядок в сфере производства и оборота агро- и пищевой продукции на территориях муниципальных образований и регионов в соответствии с современными международными требованиями;
предоставить депутатам и администрациям городов и регионов конкретные возможности и законные права для государственного управления и регулирования в этой сфере деятельности;
увеличить объемы производства высококачественного продовольствия и услуг, непосредственно связанных с этой сферой деятельности (производство стройматериалов, оборудования, удобрений и т.д.);
обеспечить рост бюджетных доходов всех уровней за счет увеличения поступления налогов на заработную плату, налогов на добавочігую стоимость, акцизов на алкогольную продукцию местного производства и др.;
уменьшить бюджетные расходы на лечение населения от заболеваний и отравлений, связанных с некачественной пищевой продукцией;
снизить бюджетные расходы, направляемые на решение проблем занятости местного населения и др.
Создание системы качества и безопасности пищевой продукции может стать стратегически важным направлением деятельности по защите населения от опасной и некачественной продукции, включая детские, диетические, лечебно-профилактические продукты питания и алкогольные напитки, по улучшению потребительских свойств и повышению конкурентоспособности отечественных пищевых продуктов.
Показатели качества пищевого агросырья и продуктов, подлежащие контролю в России, а также предельно допустимые концентрации различных веществ в них, определены санитарными нормами Минздрава РФ. К примеру, для молока и молочных продуктов требуется контролировать более 80 показателей качества, в том числе концентраций 64 токсичных элементов и других опасных для здоровья человека веществ: концентрации тяжелых металлов, радионуклидов, пестицидов, нитратов и т.п.
В России имеются и свои специфические проблемы, связанные с наличием видов пищевой продукции, требующих экологического контроля, непредусмотренного обычными нормами. Это, прежде всего, алкогольные напитки: для них необходимо определять вид используемого спирта и отделять продукцию, изготовленную из пищевого спирта, от продукции из синтетических, технических спиртов и других суррогатов, опасных для здоровья и жизни человека, но реально в крупных масштабах поступающих в продажу.
Контрольно-измерительные приборы для анализа сырья и пищевой продукции должны быть метрологически обеспечены стандартными эталонами (образцами) сырья, продукции или почв, подлежащих контролю, где аттестованы значения контролируемых показателей качества. В настоящее время в российских государственных стандартных образцах состава почв, сырья и пищевой продукции растительного и животного происхождения, включая водки и спирты, аттестованы более 80 различных показателей качества. В этих государственных эталонах аттестованы даже концентрации некоторых микроэлементов, которые пока не нормированы Минздравом РФ, но начинают вводиться в требования к качеству агросырья и пищевой продукции в ряде экономически развитых стран. Так в Японии нормируется предельное содержание алюминия в воде.
. В 1995 г. в России, впервые в мире, аттестованы подвижные формы тяжелых металлов в почвах, т.е. такие формы этих металлов, которые попадают из почвы в растения, а затем передаются животным и человеку, представляя для них наибольшую опасность. Именно эти формы и необходимо контролировать при создании систем качества пищевой продукции, что определяет перспективу развития
и совершенствования этих систем и, соответственно, контрольно-измерительной техники.
Стандартизация метрологического обеспечения создает одну из основных предпосылок для обеспечения единства и требуемой точности измерений. На этой основе вырисовывается взаимосвязь различных систем стандартизации со стандартами Государственной системы обеспечения единства измерений.
В соответствии с решениями Организации ООН по сельскому хозяйству и пищевой продукции (ФАО) и Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) любые законодательные и нормативные акты, касающиеся экологической безопасности и контроля качества продуктов питания, могут опираться на широко признанное собрание стандартов и рекомендаций в этой области, называемое Codex Alimentarius [49].
К задачам стандартизации метрологического обеспечения относятся: установление номенклатуры измеряемых параметров и норм точности измерений, средства измерений, разработка и внедрение методик выполнения измерений.
При учёте необходимости разработки требований не только к состоянию средств измерений, но и к результатам измерений, были установлены положения, закрепляющие основные задачи и обязанности за министерствами и ведомствами по обеспечению повышения государственной дисциплины в части соблюдения метрологических правил координации деятельности, направленной на достижение стабильных показателей качества, надежности и высокого технического уровня выпускаемой продукции, активное воздействие на качество продукции путем систематического совершенствования метрологического обеспечения. Под метрологическим обеспечением понимается установление и применение научных организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений [11,12]. Достоверность измерительной информации является основой для системного анализа, прогнозирования, планирования и управления агропроизводством, служит повышению эффективности учёта сырья, готовой продукции и энергетических затрат, а также улучшению качества пищевой продукции.
2. Краткое содержание диссертации
Актуальность. Охрана экологической безопасности является важной социально-экономической функцией современного государства, в существенной мере определяющей его жизнеспособность и устойчивое развитие. Интенсивная индустриализация, бесконтрольное освоение природных ресурсов и другие техногенные процессы приводят к загрязнению окружающей среды
высокотоксичными веществами, попадающими в агросырье, пищевую продукцию и в конечном итоге в организм человека, что наносит ущерб населению и экономике. Потребность в объективной информации об экологической безопасности и качестве агросырья и продуктов его переработки весьма велика. В ней и высокоэффективном современном оснащении для ее получения остро нуждаются многие структуры управления экономикой и социальной сферой, практически все отрасли АПК, медицинские учреждения, а также государственные службы санэпиднадзора, стандартизации и метрологии, экологического и таможенного надзора, центры судебной экспертизы. Однако весьма часто экологическая информация о продукции АПК имеет низкую достоверность вследствие неэффективности применяемой контрольно-измерительной техники и в силу отсутствия необходимого метрологического обеспечения экоаналитических технологий.
Достоверность экологических измерений является базой для системного анализа и прогнозирования экологической обстановки, управления ею как важным фактором устойчивости социальных и экономических систем. Главный критерий в оценке методов и технологий экологического анализа заключается в оптимальных метрологических параметрах. Контрольно-измерительная техника для экологических исследований, экоаналитические технологии должны быть метрологически обеспечены государственными стандартными образцами (эталонами) анализируемых сред, надежно аттестованными по своим характеристикам. Стандартизация метрологического обеспечения создает одну из главных предпосылок для достижения единства и требуемой точности измерений и системного анализа показателей экологической безопасности (концентраций токсичных элементов, радионуклидов и т.п.
Целью настоящей диссертационной работы является создание высокоинформативных методов системного анализа экологической безопасности и качества агросырья и пищевой продукции. Научно обоснованное решение этой комплексной задачи содержит следующие этапы, связанные между собой объектами исследований:
- моделирование нелинейных лазерно-нефелометрических методов
диагностики концентрации и размеров частиц в дисперсных биосредах для
системного анализа пищевой продукции;
-разработка высокоточного метода экспресс-анализа малых концентраций оптически активных веществ для технологий системного анализа прозрачных пищевых растворов;
- создание унифицированного экоаналитического комплекса государственных
эталонов состава веществ и биоматериалов для проведения системного анализа показателей качества пищевой продукции по всей технологической цепочке;
- исследование возможностей и разработка методологии применения стандартных эталонных образцов состава веществ и материалов для повышения достоверности системного анализа показателей качества и безопасности агро- и пищевой продукции.
Научная новизна работы определяется ее основными положениями, выносимыми на защиту.
Предложены высокоинформативные лазерно-нефелометрические методы определения концентрации и размеров частиц в дисперсных биосредах для системного анализа безопасности и качества пищевой продукции. Разработан высокоточный лазерный метод оперативного анализа малых и сверхмалых концентраций сахара, глюкозы, фруктозы и других веществ, растворенных в прозрачных пищевых жидкостях, на основе использования эффекта естественной оптической активности этих веществ.
Создан и метрологически аттестован унифицированный экоаналитический комплекс эталонных государственных стандартных образцов состава биоматериалов и спиртосодержащей продукции для проведения системного анализа показателей их безопасности и качества.
3)Дана сравнительная оценка методов системного анализа техногенных загрязнений, качества пищевой продукции, измерений содержания токсикантов и радионуклидов в исследуемых объектах на основе использования разработанных государственных эталонов.
4) Предложена и реализована методология применения разработанных государственных и международных эталонов состава веществ для метрологического обеспечения и существенного повышения информативности системного анализа показателей качества и безопасности агросырья и пищевой продукции.
Практическая ценность работы. Значительная социально-экономическая эффективность данной работы проявилась в том, что ее основные научно-технические результаты практически внедрены в большинстве российских регионов и ряде европейских стран при формировании региональных и межрегиональных систем контроля и мониторинга экологической безопасности, а также широкомасштабном производстве экологически чистой пищевой продукции. Созданные экоаналитические методы и средства по своим показателям находятся на уровне лучших мировых аналогов или их превосходят. Они используются в многих
аналитических лабораториях промышленных предприятий и медицинских учреждений, службы санитарно-гигиенического надзора, центров метрологии и стандартизации, экологического и таможенного надзора, судмедэкспертизы и криминалистики в России и за рубежом.
Высокоинформативный системный анализ содержания токсичных элементов в пищевой агропродукции на базе стандартных образцов с известным химическим составом, учитывающих для выбранной зоны ее геологические и географические особенности, токсикологическое состояние почв, воды атмосферы, растительного сырья, влияние техногенных загрязнений, при экомониторинге позволяет осуществлять взаимоувязку производства и переработки агросырья в соответствии с коэффициентами перехода токсикантов по всей технологической цепочке от почвы до готовой пищевой продукции, что обусловливает возможности оптимизации управленческих решений в социальных и экономических системах.
Определенная часть представленных разработок общегосударственной значимости получена в рамках важных государственных и межгосударственных программ, среди которых Федеральные целевые программы «Реабилитация населения и социально-экономическое развитие регионов Алтайского края, подвергшихся радиационному воздействию в результате ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне», «Оказание медицинской, социальной помощи населению и нормализация санитарно-гигиенического состояния населенных пунктов Республики Алтай, подвергшихся радиационному воздействию в результате ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне», «Развитие индустрии детского питания», «Исследования по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», а также научно-исследовательская программа Объединения метрологических служб стран Центральной и Восточной Европы.
Разработанные высокоинформативные методы системного анализа качества и безопасности агросырья и пищевой продукции успешно применены в разработках показателей и критериев для оценки степени токсического и радиационного воздействия, что позволило научно обосновать и реализовать программы государственных мер социальной, медицинской профилактики и реабилитации населения, экономического развития экологически неблагополучных территорий.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на Международной конференции по точной диагностике агропродукции и патогенных состояний (Бостон, 1998); III Сибирском конгрессе по прикладной математике (Новосибирск, 1998); Уральской научно- практической конференции по метрологии (Екатеринбург, 1998); 5 Совещании стран-участниц Объединения метрологических
служб стран Центральной и Восточной Европы (Екатеринбург, 1999); Научно-практической конференции «Сибирский стандарт жизни: экология питания» (Новосибирск, 1998); VII Всероссийском конгрессе «Здоровое питание населения России» (Москва, 2003); VII Российской конференции «Аналитика Сибири и Дальнего Востока» (Новосибирск, 2004); Международной научно-технической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (Новочеркасск, 2006); VII Международной научно-технической конференции «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2007); Всероссийской научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 2007); научных семинарах Международного института нелинейных исследований РАН.
Публикации. Основные результаты диссертации представлены в опубликованных работах [10,21-24,29-44,46-48].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы по теме диссертации. Общий объем работы составляет 122 страницы, в том числе 24 иллюстрации, 21 таблицу; список литературы содержит 94 наименования.
В главе 1 исследуются эффекты взаимодействия когерентного электромагнитного излучения со случайно неоднородными биоматериалами и оптически активными пищевыми средами и на этой основе моделируются новые лазерные методы системного анализа качества и безопасности пищевой агропродукции. Глава 2 посвящена результатам создания унифицированного экоаналитического комплекса государственных эталонов состава биоматериалов и спиртосодержащей продукции. Вопросы метрологического обеспечения высокоинформативного системного анализа качества и безопасности агросырья и пищевой продукции исследуются в главе 3.
Пользуясь случаем, автор выражает глубокую благодарность д.т.н. С.С. Беднаржевскому, д.ф.-м.н., проф. В.П. Голубятникову и д.ф.-м.н. Г.И. Смирнову за поддержку и всестороннюю помощь.
Постановка задачи системного анализа экологической безопасности и качества пищевой агропродукции
Как хорошо известно, загрязнение окружающей среды токсичными промышленными отходами, повышенная химизация народного хозяйства и бесконтрольное освоение природных ресурсов наносят существенный ущерб населению и экономике. Поэтому чрезвычайно важной и актуальной является проблема создания высокоинформативных методов и систем экологической безопасности и контроля качества агросырья и пищевой продукции.
Рассмотрим контроль качества и безопасности агро- и пищевой продукции с позиции системного анализа [4, 10]. Представим процесс её производства в виде системы взаимосвязанных через показатели качества технологий, где контроль за содержанием токсиканта осуществляется последовательно на каждом этапе технологической цепочки: почва-растения-животные-пищевое сырье-продукты питания. Схема движения токсикантов при производстве и переработке сельскохозяйственной продукции представлена на рис. 1.1. На схеме показано, что дополнительными источниками накопления токсикантов могут быть вода и атмосфера.
Получение точной и надежной информации о химическом составе веществ и материалов - актуальная задача, которая может быть решена только с привлечением физических и физико-химических методов исследования. От качества аналитических измерений зависит достоверность многих научных гипотез, эффективность и правильность решений в различных областях народного хозяйства.
При производстве пищевой агропродукции и в процессе её переработки аналитики проводят многочисленные дорогостоящие измерения. Отличительной особенностью большинства аналитических методов и приборов является условность (относительность) измерений, вследствие чего при выполнении анализа возникает необходимость калибровки выходных сигналов по веществам с известным составом, а таковыми могут являться только стандартные образцы (СО) [4, 31].
Они предназначены для обеспечения единства измерений посредством использования их для следующих целей: калибровка, градуировка, аттестация и поверка средств измерений, аттестация методик выполнения измерений, измерений состава и свойств веществ и материалов.
Под аттестованным значением СО понимают установленное при аттестации значение воспроизводимой им физической величины, характеризующей его состав или свойства. В свидетельствах на стандартные образцы приводят и погрешность аттестации, которая учитывает кроме погрешности методов и средств измерений, применяемых для аттестации, также однородность и стабильность значения аттестуемой величины в течение срока действия образца. Отсутствие в агропромышленном комплексе необходимой номенклатуры СО затрудняет извлечение достаточно надежной информации о химическом составе пищевой продукции. По этим же причинам громадный информационный материал, получаемый в лабораториях различных организаций, часто несопоставим.
Повышение качества информации о безопасности и составе различных видов агропродукции, а также эффективность применения методов аналитической химии в науке и в производстве в значительной мере связаны с развитием нового научного направления - метрологии пищевого анализа. Рассматривая анализ агропродукции как процесс измерения, можно исходить из положений метрологии. С этой точки зрения анализ сводится к измерению свойств исследуемых проб с целью определения их химического состава и заключается в передаче сообщений, информации. Сообщения передаются в форме сигналов, преобразуемых в измерительном устройстве. При анализе такими устройствами служат аналитические установки, методики определений, совокупность операций способа измерений. Химический сигнал, которому соответствует концентрация определяемого компонента, является входным по отношению к аналитической установке. На выходе этой установки при анализе возникает выходной аналитический сигнал. Задача заключается в нахождении величины входного сигнала по данным выходного и решается при реализации связи состав - свойство, что производится на основе известного закона действия аналитической установки (теории конкретного метода анализа).
В процессе анализа передаваемый сигнал и само измерительное устройство подвержены воздействию многих факторов, изменяющих и искажающих выходной сигнал. При оценке методов анализа мы вправе предполагать, что найденная концентрация определяемого компонента должна отражать его действительное содержание с погрешностью, величина которой соответствует современным возможностям способа анализа.
Используемые в мировой и отечественной практике для обеспечения единообразия аналитических измерений СО представляют собой узаконенные эталоны вещества с заданным составом или свойствами. Международным агентством по атомной энергии и другими организациями за рубежом регулярно проводятся сличительные испытания методов контроля за содержанием тяжелых металлов и других токсичных элементов в пищевых продуктах, согласование по ним стандартов и норм, регламентирующих выпуск продуктов питания. Аналогичным образом у нас в стране разработаны СО горных пород, почв, картофеля, пшеницы, продуктов растительного происхождения [4,31] и т.п. Так граммовая гранула СО сушеных трав характеризовалась 69 показателями химического состава данной травосмеси. Среди них концентрации тяжелых металлов, нитратов, нитритов, радионуклидов. Расхождение результатов анализа, проводимого при проверке с данными, заложенными в сам образец, - индикатор неблагополучия в работе испытательной лаборатории.
Таким образом, разработку системы СО агросред и пищевых продуктов следует рассматривать как один из наиболее эффективных путей метрологического обеспечения аналитических служб агропромышленного комплекса, обеспечивающих переход на высокоинформативные приборные методы анализа и прогрессивные, ресурсосберегающие технологии переработки агросырья.
Моделирование процедуры определения концентрации и размеров частиц в полидисперсных биосистемах методами нефелометрии
Широко используемые в биофизике и биотехнологиях нефелометрические методы анализа основаны на изучении светорассеяния макрочастицами в потоках жидкости или газов. Применение лазерных источников позволило резко повысить информативность, точность и оперативность нефелометрических методов диагностики полидисперсных сред. Однако до последнего времени лазерная нефелометрия использовалась в исследованиях биосистем с пониженной концентрацией суспензированных частиц, когда многократное рассеяние несущественно.
В настоящем разделе излагают результаты решения весьма актуальных задач моделирования нелинейно-оптических процессов при многократном рассеянии лазерного излучения в полидисперсных биосредах с высокой концентрацией взвешенных частиц [21 -24].
Начальный период развития общей теории многократного рассеяния электромагнитных волн на крупномасштабных неоднородностях был связан с использованием метода функции Грина, разработанного ранее для решения задач квантовой электродинамики. Для описания многократного рассеяния были применены полученные с помощью диаграммной техники Фейнмана [41] уравнения Дайсона для среднего поля [42] и уравнение Бете-Солпитера для функции корреляции [43]. Детальный обзор работ этого периода дан в [44], где основное внимание было уделено исследованиям применений геометрического приближения в задачах о распространении волн в случайно-неоднородных средах.
Среди методов геометрической оптики наиболее приспособленным к ситуации рассеяния в случайно-неоднородных средах оказался метод параболического уравнения (метод линейного уравнения Шредингера), впервые применённый Леонтовичем [45] для решения нестатической задачи о распространении радиоволн над земной поверхностью. В 1964 г. Черновым [46] и Долиным [47] этот метод был впервые использован для описания распространения волн в случайно-неоднородных средах (объёмная статистическая задача). Далее рассматривается остававшаяся до последнего времени открытой проблема нелинейного отклика дисперсной среды на рассеиваемое излучение высокой интенсивности.
Если интенсивность лазерного излучения достаточно велика, то его распространение в полидисперсных биосистемах с высокой концентрацией частиц может сопровождаться нелинейно-волновыми эффектами самовоздействия, обусловленным зависимостью показателя преломления среды п от амплитуды световой волны Е. В случае сред с кубичной нелинейностью эта зависимость имеет вид:
Выражение (1.17) справедливо не только для изотропных сред, но и для сред с анизотропией, не нарушающей аксиальную симметрию задачи. Анизотропия такого типа создаётся, к примеру, наложением постоянного электрического поля, вдоль которого ориентируются биочастицы.
Используя методику работы [48], можно показать, что в приближении геометрической оптики эффекты самовоздействия стационарного цилиндрически симметричного пучка описываются волновыми уравнениями:
Далее исследуются только световые пучки с плоским фазовым фронтом на границе среды при z=0. Этим пучкам соответствуют граничные условия:
Анализ процессов самовоздействия при различных значениях параметров п2, определяемых механизмом нелинейности, основывается, следовательно, на решениях уравнения (1.22), удовлетворяющего условиям (1.22). При «„ 0 лазерный пучок самофокусируется на расстоянии от границы среды. Следовательно, посредством регистрации длины самофокусировки лазерного излучения при его известной начальной интенсивности можно получать информацию о нелинейной добавке к показателю преломления п2, характеризующей биосистему (п0 «1 для большинства микроорганизмов в воде или физиологическом растворе). Положив а =. Поскольку Л2=1, так что b = njn] , приводим это уравнение к однопараметрическому виду аналитически оно не решается, был выполнен его численный анализ, результаты которого представлены на рис. 1.2-1.4. Для получения решений уравнения (1.28), описывающих контуры радиального распределения солитонных волновых пучков, использовался метод Рунге-Кутта. В частности, было показано, что при Zx-0.17 односолитонные режимы распространения радиалыю симметричных пучков невозможны. Сопоставление результатов численного анализа радиального распределения интенсивности пучков сильного лазерного излучения с результатами соответствующих измерений позволит получать информацию о полидисперсных биосистемах в условиях многократного рассеяния.
Стандартные образцы в метрологическом обеспечении систем экомониторинга и контроля качества пищевой продукции
Стандартным образцом (СО) состава и свойств веществ и материалов называют средство измерений в виде вещества или материала, состав или свойства которых установлены при аттестации [4]. Такого рода специально изготовленные эталоны состава и свойств природного вещества (почва, растения и т.п.), несущие о нём единообразную и достоверную информацию, могут найти весьма широкое и эффективное применение для экоаналитических исследований [4,31]. Обычно СО воспроизводят не одігу характеристику вещества или материала, а целый их ряд. Используемые в системах агромониторинга и контроля качества агропродукции СО, наряду с инструментальными методами анализа и другими средствами метрологического обеспечения, позволяют улучшить надёжность работы аналитических служб, всех предприятий, производящих продукты питания, и контролирующих структур.
СО применяются для контроля точности анализа, метрологической аттестации методик и средств измерений, измерения физико-химических характеристик веществ и материалов методами сравнения. При поверке новых измерительных приборов их надёжность устанавливается с помощью СО исследуемых объектов.
Существуют четыре категории СО, определяемые сферой применения и уровнем утверждения: межгосударственные, государственные СО (ГСО), отраслевые СО (ОСО) и СО предприятий (СОП). Кроме того, в зависимости от вида аттестуемого параметра, СО разделяются на СО состава и СО свойств.
Условием допуска СО к применению является их утверждение и регистрация в соответствующем реестре (государственном, отраслевом, предприятия). Сроки действия ОСО и СОП определяются порядком, установленным в конкретной отрасли. ГСО должны применяться всеми предприятиями и учреждениями страны во всех отраслях народного хозяйства для метрологического обеспечения государственных испытаний, поверки приборов, аттестации средств и методов анализа, контроля правильности результатов измерений, регламентированных государственными стандартами, и аттестации ОСО и СОП. Следовательно, существует непосредственная связь между СО и уровнем нормативно-технических документов (НТД) на продукцию, для анализа которой они предназначены. Во всех случаях допускается замена ОСО и СОП на ГСО. С другой стороны, на основе ГСО необходимо создавать, исходя из конкретных потребностей народного хозяйства, разнообразные ОСО и СОП. В системах агромониторинга и контроля качества агропродукции использование ОСО и СОП имеет фундаментальное значение.
Нормативными метрологическими характеристиками СО является аттестованное значение СО, параметры погрешности аттестованного значения СО, однородности и стабильности СО, функции влияния СО. Этим определяется специфика и особенности СО, как важной компоненты метрологического обеспечения. Аттестованные значения параметров СО выражаются в виде значений воспроизводимой стандартным образом физической величины.
Погрешность аттестованного значения СО определяется интервалом допускаемого значения погрешности для каждого аттестованного значения СО данного типа. Параметры величин, воспроизводимых СО, определяются не столько принятыми единицами измерения, сколько размерами величин, типичными для выбранного материала. В связи с этим весьма часто к характеристикам СО относят комплекс аттестованных значений параметров СО, что особенно характерно для СО сельскохозяйственной и пищевой продукции, обладающей сложным многокомпонентным составом.
Методы и средства анализа, контролируемые с помощью СО, признаются пригодными к применению, если разность между результатами измерения величины, воспроизводимой СО, и его аттестованным значением не превышает допустимого отклонения, которое устанавливается соответствующими НТД. Порядок и методы исследований СО, осуществляемых организациями-разработчиками СО, устанавливается в соответствующей технической документации.
Для целей агромониторинга используются СО, у которых одно или несколько химических, физических или биологических свойств можно надёжно измерить, что и позволяет считать такие образцы веществ или материалов эталонными. Наиболее известным примером СО агропродукции является так называемая "стандартная капуста Боуэна" [ 4 ], разработанная в Англии и используемая многими лабораториями для анализа растительных материалов. На основе анализа высушенного порошка капусты были рассчитаны значения концентраций и их интервалы для 9 макроэлементов и 30 микроэлементов, что позволило сертифицировать данный образец в качестве стандарта (эталона для сравнения). Другим хорошо известным примером СО агропродукции являются стандартные образцы состава злаковой травосмеси СБМТ-02, зерна пшеницы СБМП-02 и клубней картофеля СБМК-02, разработанные в нашей стране и используемые многими лабораториями для метрологического обеспечения методов анализа растений, кормов и продуктов питания растительного происхождения [30]. Образцы в усредненном и гранулированном виде были аттестованы на 68 элементов, радионуклидов и биохимических показателей.
В сертификаты СО включается описание состава и количества различных компонентов, используемые методы анализа и данные о его достоверности. Практически повсеместно СО используются в развитых странах для контроля качества агро- и пищевой продукции.
Для достижения достоверности и единства измерений при контроле качества сельскохозяйственной продукции на всех стадиях её производства и переработки должна применяться система стандартных образцов почв, растительных объектов, мясных, молочных и других продуктов питания.
Сравнительная оценка экоаналитических методов с помощью государственных стандартных образцов веществ и материалов
СО, согласно ГОСТ 8.315-97, могут использоваться в качестве как образцовых, так и рабочих средств измерений (СИ). Основное их назначение - градуирование, аттестация и поверка СИ; аттестация методик измерения концентраций токсикантов; контроль правильности результатов измерений; непосредственные измерения методами сравнения. Существенным и обязательным признаком СО как СИ является его материал и набор определяющих этот материал основных характеристик. В подавляющем большинстве случаев - это аналог исследуемых с его помощью веществ, заблаговременно прошедший метрологическую аттестацию.
В проведении исследований по Федеральной целевой программе "Реабилитация населения и социально-экономическое развитие регионов Алтайского края, подвергшихся радиационному воздействию в результате ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне" участвовало большое число аналитических лабораторий страны, имеющих различный уровень оснащённости приборами, методиками анализа токсикантов в почвах, растительных материалах, пищевых продуктах и средств их проверки. В процессе исследований было установлено, что аналитические данные, полученные разными лабораториями, но относящиеся к одним и тем же объектам исследования, оказываются несопоставимыми между собой, причём различия результатов измерений часто очень велики.
В этой связи была поставлена задача определения степени достоверности полученных результатов измерений токсикантов в природных материалах Алтая, их взаимоувязка для получения обобщённых данных и объективных выводов по данной проблеме. Необходимо было также оценить метрологический уровень лабораторий и применяемых ими методов анализа для обеспечения высокой точности измерения при проведении дальнейших исследований и научного обоснования разрабатываемых мероприятий по обеспечению производства экологически безопасных продуктов питания и оздоровления населения районов, расположенных в зоне влияния ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне.
Экоаналитические средства и технологии, контролируемые с помощью ГСО, признаются пригодными к применению, если разность между результатами измерения величины, воспроизводимой ГСО, и его аттестованным значением не превышает допустимого отклонения, устанавливаемого соответствующими научно-техническими нормативами.
Для проведения сличительных исследований были приготовлены по специальной методике контрольные образцы: почва, растительный образец и озоленный растительный образец. Высокий метрологический уровень и точное задание состава техногенных элементов в контрольных образцах при их подготовке обеспечивались на основе использования разработанных государственных стандартных образцов веществ и материалов.
Массовая доля элемента в контрольном образце расчитывалась по общепринятой формуле через массовые доли элементов входящих в него стандартных образцов и их процентное содержание в смеси [83]. В качестве контрольного образца золы использовали озоленный стандартный образец ГСО 3170-85. Полученные массовые доли токсикантов в контрольных образцах приведены в табл. 3.1.
Стандартный образец СБМТ-02 озоляли по следующей методике. Для озоления использовался муфель, который ранее не был в эксплуатации. Температура в нём контролировалась термопарой, откалиброванной по плавлению химических солей и проверенной на правильность измерений лабораторией Госстандарта.
Муфельная печь и новые фарфоровые чашки перед началом озоления СО предварительно выдерживались при температуре 500 С в течение 3 суток. Подача воздуха в муфель была принудительной и осуществлялась микрокомпрессором. Гранулы СО обугливались вначале при 250-300 С до полного прекращения выделения дыма, после чего температура постепенно повышалась до 450 ±2 С и оставалась такой в течение 4 часов. Затем зола истиралась в агатовой ступке и просеивалась полностью через капроновое сито с диаметром отверстий 100 мкм. После тщательного усреднения зольный материал запаивался в полиэтиленовые пакетики и рассылался на анализ.
На рис. 3.1-3.8 представлены математически обработанные результаты измерений различных лабораторий в контрольном образце озоленного растительного биоматериала массовой доли (в процентах) кадмия, меди, хрома, свинца, кобальта, цинка, никеля, марганца, соответственно. Лаборатории, принадлежащие к ведущим научным организациям страны, обезличены и пронумерованы от 1 до 10. На рисунках указаны также концентрации определяемых элементов в контрольных образцах и допустимый доверительный интервал ошибки их определения при уровне доверительной вероятности Р0 - 0,95.
Анализ данных измерений содержания вышеназванных элементов в контрольных образцах озоленного растительного биоматериала показывает, что при определении цинка (рис. 3.1), марганца (рис. 3.2) и меди (рис. 3.3) точные результаты показали лаборатории 1 и 2. В несколько раз занизили результаты по цинку и марганцу лаборатории 4 и 6. В 2-3 раза завысили по марганцу результаты по сравнению с контрольным образцом лаборатории 8 и 9.
