Формирование качества молочных продуктов с позиции теорий систем

В промышленных технологиях пищевых производств проблема повышения качества продукции является актуальной для предприятий молочной отрасли, особенно в современных экономических условиях, определяющих необходимость решения проблемы импортозамещения. Для молочной отрасли формирование качества и потребительских свойств продукции определяется комплексом факторов, в числе которых приоритетное значение имеют сырьевые компоненты и эффективность протекания технологических процессов, в том числе биохимические процессы преобразования исходных компонентов сырья.

Любое пищевое производство - это сложная система, поэтому к ней применимы основные принципы системной оптимизации сложных объектов, развитых и обоснованных в диалектической версии теории систем. Среди них следует выделить следующие: фокусирование действий, комплексность, выделение решающего звена, поэтапность развития (преобразования) системы, организационная гибкость и многофункциональность [1].

Известно, что применяемые технологии и технологические системы должны обеспечивать две составляющие - экономическую эффективность и гарантировать качество продукции, которые являются объективными критериями эффективности функционирования системы. Важным свойством, определяющим качество технологических систем, выступает их способность к адаптации при возникновении опасных нерегламентиро-ванных ситуаций в процессе функционирования. Применительно к молочной отрасли факторы риска нарушения стабильности качества производимой продукции можно отнести к внешней и внутренней среде производства [7].

Система должна противостоять опасным нарушениям, способным повлечь за собой ухудшение качества выпускаемой продукции. Создание принципиально новых, либо совершенствование известных технологий, оборудования, а также приборов для анализа и контроля производства возможно только на основе изучения процессов, происходящих в пищевых средах при обработке [2].

Специфика молочной отрасли заключается в том, что ряд выпускаемых ею молочных продуктов имеют ограниченные сроки хранения. Увеличение срока хранения естественным образом стимулирует внедрение в производство научных разработок. Внедрение инноваций на всех стадиях жизненного цикла товаров является ключевым направлением повышения конкурентоспособности предприятий отечественной пищевой промышленности. Вместе с тем потребитель заинтересован не только в качестве продуктов питания, но и их питательных свойствах, а также условиях, в которых они произведены, транспортированы, осуществляется их хранение.

В связи с этим производитель должен определить для себя, какого рода инновационные проекты необходимо внедрять в существующее производство – продуктовые или технологические.

Продуктовые инновации пищевой промышленности включают в себя разработку и производство экологически безопасных продуктов массового потребления; производство продуктов лечебнопрофилактического назначения с учетом современных медико-биологических требований; разработку продукции для детей и особых групп населения.

Технологические инновации включают ресурсосберегающие технологии, совершенствование технологических процессов с целью сокращения времени производственного цикла, совершенствование тары, упаковки и способов перевозок [3, 4].

Внесение изменений в технологические процессы производства должно базироваться, прежде всего, на приоритетах потребителей. Для оценки удовлетворенности потребителей качеством молочных продуктов и последующего учета значимости отдельных показателей был проведен опрос потребителей с учетом оценки каждого показателя по двум шкалам: шкале удовлетворенности и шкале важности (см. таблицу). Однако общая удовлетворенность зависит не только от вычисленной удовлетворенности качеством, но и от удовлетворенности ценой.

Одновременный анализ рейтингов удовлетворенности и важности показателей позволил рассчитать стандартизированное значение удовлетворённости потребителей. Удовлетворительным уровнем качества следует считать стандартизированные значения удовлетворенности показателями, приближающимися к 1,0, что свидетельствует о минимальном расхождении между оценкой удовлетворенности и важности. Полученные стандартизированные значения позволяют дать следующие рекомендации для производителей: либо сохранить достигнутые показатели, либо применить корректирующие мероприятия. Решения, принимаемые потребителями, зависят от имеющейся у них информации о продукции, поэтому в качестве субъективного фактора принятия решений необходимо учитывать условия отсутствия полной информации. Обобщенная информация удовлетворенности потребителей и оценки ими важности отдельных признаков позволяет определить относительную важность для потребителя конкретных показателей, формирующих качество продукции.

Анализ состояния молочной отрасли показывает, что реализация технологий в настоящее время осуществляется в условиях информационной неопределенности, которая обусловлена качественными нестабильными характеристиками сырья, постоянно меняющимися условиями производства, нечеткими целевыми технологическими, экономическими, социальными критериями управления и принятия решений. Все эти факторы требуют изменения методологических подходов при разработке новых и совершенствовании действующих технологий [9, 10].

В общем случае «неопределенность» связана с возможностью наступления некоторого события, влекущего за собой возникновение различного рода трудно прогнозируемых последствий. В связи со случайным, а иногда и неопределенным (нечетким) характером неопределенностей методы их количественного анализа базируются на теориях вероятности и математической статистики, теории нечетких множеств .

Разновидностью моделирования в условиях неопределенности качественных характеристик исходного сырья является моделирование с применением теории нечетких множеств, так как большинство классов объектов, встречающихся в реальном мире, не могут быть точно определены. Теория нечетких множеств, позволяющая математически обрабатывать неопределенные явления, с успехом использована Zhang.Q., Litchfield J. при оценке качества продуктов [14].

Научной основой современного технологического контроля стали математико-статистические методы. Среди множества подходов к моделированию технологических процессов можно выделить такое направление – от целого к частному, при котором не отрицается практика решения технологических задач от частного к целому. Установление общих исходных положений и последующий переход на составляющие компоненты повышают эффективность функционирования всего комплекса взаимосвязанных объектов.

В основе изучения функционирования технологических систем и процессов всегда лежит эксперимент – реальный или модельный. Большое распространение получила методология IDEM (Integration definition for function modeling) – методология функционального моделирования, позволяющая описать бизнес-процесс в виде иерархической системы взаимосвязанных функций.

В настоящее время общая методология IDEF включает ряд частных методологий для моделирования систем, в том числе такие: IDEF0 – функ-

Рейтинг потребительских предпочтений к качеству молока и ферментированных молочных продуктов

Показатели продукции	Рейтинг удовлетворенности	Рейтинг важности	Стандартизированное значение
Молоко питьевое
Внешний вид	4,18	4,16	1,20
Вкус и запах	4,32	4,90	1,50
Качество упаковки	3,88	3,97	1,25
Условия и сроки хранения	3,88	4,58	1,50
Информация для потребителя	3,97	3,95	1,20
Информация о безопасности	3,53	4,02	1,40
Соответствие цены качеству	3,93	4,13	1,20
Наличие посторонних примесей	2,98	4,87	2,00
Ферментированные молочные продукты
Внешний вид	4,20	4,30	1,0
Вкус и запах	4,48	4,95	1,1
Консистенция	3,97	4,34	1,4
Качество упаковки	3,95	4,09	1,2
Условия и сроки хранения	4,04	4,51	1,1
Информация для потребителя	3,90	3,91	1,0
Информация о безопасности	3,55	3,91	1,2
Соответствие цены качеству	3,72	4,19	1,3
Наличие посторонних примесей	3,10	4,70	1,7

циональное моделирование, IDEF1 – информационное моделирование, IDEF1X – моделирование данных, IDEF3 – моделирование процессов, IDEF4 – объектно-ориентированное проектирование и анализ, IDEF5 – определение онтологий (словарей), IDEF9 – моделирование требований. Применение стандартов группы IDEF методологии семейства ICAM (Integrated Computer-Aided Manufacturing) для решения задач моделирования сложных систем позволяет отображать и анализировать модели деятельности широкого спектра сложных систем в различных разрезах. При этом широта и глубина обследования процессов в системе определяются самим разработчиком, что позволяет не перегружать создаваемую модель излишними данными.

Именно системный подход к решению задачи производства качественных и безопасных молочных продуктов (МП) с высокими потребительскими свойствами позволит установить наиболее значимые факторы окружающей среды системы, а также провести их подробный анализ на основе процессного подхода и принципов прослеживаемости. Это обеспечит возможность оценить влияние каждого фактора на всех стадиях жизненного цикла продукта – от производства сырья до реализации продуктов переработки.

С позиций системного анализа предложена модель управления качеством и безопасностью продуктов (рис. 1), основными элементами которой являются декомпозиция сложного процесса получения продукта, выявление показателей качества, сбор и предварительная обработка получен- ных данных по установленной номенклатуре показателей [10].

В любой пищевой технологии для обобщенного структурного описания технологических операций можно выделить следующие структурные элементы:

• 1)    средство воздействия для количественного и качественного преобразования состояния объекта;

• 2)    сырье – исходный объект, преобразуемый средством воздействия;

• 3)    продукт – объект, являющийся результатом влияния средства воздействия на сырье;

• 4)    средство управления – воздействие, приводящее к целенаправленному функционированию средства воздействия;

• 5)    средство контроля – информационные показатели состояния технологии. Проведение анализа внешних и внутренних факторов среды рассматриваемой системы, имеющих непосредственное влияние на безопасность производимых продуктов, является обязательным процессом. После декомпозиции системы каждый блок дочерней диаграммы рассматривается самостоятельно на основе факторного анализа.

На основании детальной оценки каждой из подфункций дочерней диаграммы и последующего агрегирования необходимо определить принципы условно-оптимального управления, основанные на установлении схемы взаимодействия технологии производства МП с внешней средой (условиями производства сырья и требованиями потребителей), а также принципы управления ее состоянием.

Средство управления может состоять из различных типов воздействия на конкретный струк-

Молочный продукт

Управление сырье

Вызов

Выбрать и применить способ min рисков

,................*........................

j Установить риски (ККТ) снижения

: качества

►? мп

..................t.................

Моделирова ниеновой технологии МП

Установить качество МП после корректиро вки рисков технологии

Механизм

Производить качественные и безопасные молочные продукты (МП) О

Рис. 1. Контекстная и дочерняя диаграммы технологии качественных и безопасных молочных продуктов (в нотации IDEF0)

турный элемент системы, в нашем случае – это прежде всего минимизация контаминации и сохранение нативных компонентов молочного сырья. Данная система управления реализует принципы обратной связи для коррекции состояния системы технологии МП. Таким образом, для решения проблемы обеспечения безопасности молочных продуктов в условиях неопределенности применима методика эмпирического (экспериментального) оценивания характера неопределенности. Размытые области возможных множеств несоответствия по качеству молочного сырья предложено уменьшить за счет управляющих мероприятий, в нашем случае – применение корректирующих мероприятий.

В «Стратегии развития пищевой и перерабатывающей промышленности Российской Федерации на период до 2020 года» в качестве одного из путей решения данной проблемы рекомендуется использование современных физико-химических и электрофизических методов воздействия, в том числе способов ультразвукового кавитационного воздействия.

В рамках расширения ассортимента молочных продуктов в условиях проблемы с сырьевой базой было предложено совершенствование технологии восстановленных продуктов переработки молока путем интенсификации процесса восстановления на основе ультразвуковой кавитации для повышения качества восстановленных продуктов переработки молока и обеспечения их сохраняемости [11].

Инициируемые ультразвуком полезные реакции в пищевых средах основаны на механизмах действия кавитации в процессах реструктурирования гидратных оболочек ионов в истинных растворах и диспергирования фаз золей. Объектом воздействия являются связи, образованные ди-поль-дипольными и ион-дипольными взаимодействиями [6, 12, 13].

В результате ультразвукового воздействия разной мощности – 120, 180 и 240 Вт и продолжительности воздействия – 1, 3 и 5 минут в различных вариациях установлено, что под воздействием ультразвука снижается активная кислотность воды (на 0,43…4,39 % по отношению к контролю) и общая жесткость (на 3,9…8,09 %), повышается температура воды в среднем на 10…15 %.

Модификация традиционной технологии восстановления сухого молока включением ультразвуковой обработки показала: увеличение относительной скорости растворения (на 17,6…39,8 % по отношению к контролю) и снижение индекса растворимости (на 37,5…75 %) в зависимости от длительности воздействия.

Ультразвуковая кавитация посредством внутренних взрывов способствует набуханию белков за счет разрушения агломератов сухого молока, что в свою очередь приводит к изменению соотношения свободной и связанной воды в образцах восстановленного молока. Количество связанной воды (водоудерживающей способности белков восстановленного молока) увеличивается в диапазоне от 63,6 до 69,1 % [5, 11].

Полученное таким способом молочное сырье имеет высокие технологические свойства и пригодно в технологии кисломолочных продуктов. Так, динамика активности микрофлоры в ходе созревания различна, отмеченные эффекты согласуются с результатами оценки титруемой кислотности, которые свидетельствуют, что уже через 6 часов сквашивания образцы, полученные на основе УЗВ, достигают требуемого минимума

Стандартная схема производства

Предлагаемые схемы производства

Водоподготовка

Водоподготовка

Водоподготовка

Водоподготовка

Выдержка в течение 3...4 часов

Растворение сухого молока в воде

Нагревание воды до

38...42 °C

г            Т
1 Ультразвуковая обработка । воды частотой механиче- 1 ских колебаний 22 кГц при 1 мощности воздействующе-[ го фактора 120 Вт в течение ।        трех минут	1 Ультразвуковая обработка ] । воды частотой механиче- i ■ ских колебаний 22 кГц при ] । мощности воздействующе- ' ] го фактора 120 Вт в течение] । трех минут [
▼		4
Растворение сухого молока в воде		Растворение сухого молока в воде
Выдержка в течение 1...1.5 часа		Ультразвуковая обработка [ при тех же режимах 1

Растворение сухого молока в воде

Ультразвуковая обработка частотой механических колебаний 22 кГц при мощности воздействующего фактора 120 Вт в течение трех минут

Выдержка в течение

1...1.5 часа

*

Фильтрация

Фильтрация

Выдержка в течение 1 часа

Фильтрация

Гомогенизация (6О...65)±2 °C

Гомогенизация (45±2 °C)

Фильтрация

Нормализация

Нормализация

I

Нормализация

Нормализация

Пастеризация (60±2 °C, выдержка

10 мин)

Пастеризация

(60...65 °C, выдержка 30 мин)

Пастеризация

(60±2°С, выдержка 15 мин)

Пастеризация (60±2 °C, выдержка

10 мин)

Охлаждение

Охлаждение

Охлаждение

Охлаждение

Розлив (при производстве молочного напитка')

Внесение закваски кефирного грибка и сквашивание в течение 6...8 часов (до РН

4,4...4,5) {при производстве кефира)

Розлив (при производстве молочного напитка¹)

Охлаждение и вымешивание, розлив

Рис. 2. Разработанные подходы в технологии производства восстановленных молочных продуктов

(75…85 ºТ). Через 10 часов во всех образцах отмечается излишне низкий уровень рН, что в совокупности позволяет сократить технологический цикл выработки кисломолочного продукта до 6…8 часов.

Различия по образцам установлены также в вязкости и степени синерезиса кисломолочных продуктов. Снижение значений по указанным показателям в экспериментальных образцах определяет формирование более жидкой консистенции с одновременным повышением прочности формирующегося сгустка и водосвязывающей способности белковой фракции.

Ультразвуковая обработка в предлагаемых схемах производства А, В, С (рис. 2) позволяет сократить время выдержки для растворения сухого молока в воде (до 1…1,5 часов), позволяет отказаться от этапа гомогенизации в технологии А и сократить длительность пастеризации восстановленного продукта переработки молока в два…три раза, что способствует снижению отрицательного воздействия на нетермостойкие компоненты молока при его переработке, повышая тем самым питательную ценность и полезность вырабатываемой молочной продукции.

Таким образом, доказана возможность использования ультразвуковой обработки в качестве фактора интенсификации процесса производства восстановленных продуктов переработки молока, обеспечивая при этом повышение их качества и стойкость в хранении.

Методологическим подходом к созданию нового или улучшенного молочного продукта является разработка модели системы менеджмента качества пищевых производств, которая базируется на инновационных методах получения улучшенных технологических характеристик молочного сырья в условиях неблагополучия территорий. При разработке указанной модели следует учитывать возможности оптимального сохранения ценных нативных компонентов молока.