Моделирование рецептур пищевых продуктов и технологий их производства. Теория и практика

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЦЕПТУР
ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
И ТЕХНОЛОГИЙ ИХ ПРОИЗВОДСТВА

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области технологии продуктов питания и пищевой инженерии 
в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров и магистров 260100 «Продукты питания из растительного сырья», 260200 «Продукты питания животного 
происхождения» и 260500 «Высокотехнологичные производства пищевых продуктов функционального и специализированного назначения»

Санкт-Петербург
ГИОРД
2015

УДК 681.3.06:664
ББК 32.98+36-36-1ся73
 
М74

Авторы: 
О. Н. Красуля, С. В. Николаева, А. В. Токарев,
 
А. Е. Краснов, И. Г. Панин

Рецензенты: А. В. Бородин, д. т. н., профессор МГУПП;
 
В. И. Карпов, д. т. н., профессор, главный научный сотрудник
 
Научно-исследовательского института инновационных технологий
 
длительного хранения товаров при ФГБОУ ВПО «Российский
 
экономический университет им. Г. В. Плеханова»

Моделирование рецептур пищевых продуктов и технологий их производства :
М74 теория и практика : учеб. пособие / О. Н. Красуля, С. В. Николаева, А. В. Токарев [и др.]. — СПб. : ГИОРД, 2015. — 320 с.

ISBN 978-5-98879-164-5

Книга позволяет студентам освоить информационные технологии разработки 
моделей рецептур пищевых продуктов, методы математического программирования 
функционально-технологических свойств многокомпонентных рецептур, в том числе 
учет взаимодействия их компонентов; она написана в соответствии с Государственным образовательным стандартом. 
Учебное пособие предназначено для бакалавров, магистров вузов, обучающихся 
по направлениям 260000 «Технология продовольственных продуктов и потребительских товаров» (260100 «Продукты питания из растительного сырья», 260200 «Продукты 
питания животного происхождения», 260500 «Высокотехнологичные производства 
пищевых продуктов функционального и специализированного назначения») и 230100 
«Информатика и вычислительная техника». Оно может быть полезно студентам при 
выполнении курсовых и дипломных работ, аспирантам технологических, управленческих и инженерных специальностей, а также преподавателям вузов, научно-техническим и производственным специалистам отраслей АПК.

УДК 681.3.06:664
ББК 32.98+36-36-1ся73

ISBN 978-5-98879-164-5 
© ООО «Издательство „ГИОРД“», 2015

Оглавление

Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Глава I. 
Моделирование рецептур и пищевых технологий  . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.1. Оценка качества продукции и технологии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.2. Качество как целевая функция информационного обеспечения
 
пищевых технологий  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3. Квалиметрия — наука об изучении качества объекта. . . . . . . . . . . . . 14

1.4. Анализ и математическое моделирование пищевых технологий. . . 30

1.5. Методология анализа и формализации описания рецептур
 
и пищевых технологий в условиях реального производства . . . . . . . 64

1.6. Методология прогнозирования структурных изменений
 
технологий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

Глава II. Математическое моделирование рецептур
 
и функционально-технологических свойств пищевых
 
продуктов: модель, эксперимент, реализация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

2.1. Прикладные математические модели функционально 
технологических свойств рецептур пищевых продуктов. . . . . . . . . 121

2.2. Сравнение частот распределения показателей состояний
 
методом Пирсона-Фишера (хи-квадрат)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

2.3. Прикладное моделирование технологий составления
 
рецептур пищевых продуктов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

2.4. Экспериментальное исследование моделей рецептур
 
и пищевых технологий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

2.5. Моделирование технологии оценки потребительских
 
свойств сырья и пищевых продуктов с применением
 
спектральных методов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

2.6. Моделирование и диагностика технологий с применением
 
симптомо- и синдромокомплексов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

2.7. Моделирование и прогнозирование технологий
 
экструдирования на основе учета их физических
 
закономерностей  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

2.8. Методология и алгоритмы прогнозирования новых
 
технологий (инноваций) с применением экспертной
 
системы «FORECASTER» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

Оглавление

Глава III. Моделирование органолептической оценки качества
 
продуктов с применением методов сравнительного анализа  . . . . . . . . 214

3.1. Балльная оценка качества продуктов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

3.2. Алгебраический подход к обработке оценок
 
органолептических показателей качества продуктов. . . . . . . . . . . . 219

3.3. Нечеткие меры сходства образца и эталона. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

Глава IV. Экономические модели технологических объектов . . . . . . . . . . . . . . . 230

4.1. Оптимизационное моделирование производственного
 
плана выпуска продукции в условиях ограниченности
 
сырьевых ресурсов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230

4.2. Моделирование и анализ инвестиционных проектов
 
и потоков с целью их отбора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

4.3. Математическое моделирование и прогнозирование
 
прибыли предприятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

Глава V. 
Разработка гибридных экспертных систем для моделирования
 
рецептур и управления технологиями пищевых продуктов
 
в условиях реального производства  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

5.1. Назначение и строение экспертных систем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

5.2. Разработка экспертной системы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276

5.3. Пример разработки гибридной экспертной системы для
 
моделирования рецептур и технологий пищевых продуктов  . . . . . 285

5.4. Пример использования гибридной экспертной системы
 
для расчета оптимальных рецептур пищевых продуктов
 
(на примере мясных изделий)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

Введение

Опыт нашей страны и передовых промышленных государств подтверждает, что в период структурной перестройки экономики только 
активная национальная технологическая политика обеспечивает гарантированное экономическое возрождение.
Проблемы, возникшие перед Россией, в том числе перед перерабатывающими отраслями агропромышленного комплекса (АПК), обеспечивающими население продовольствием, невозможно решить без изменения 
вектора научно-технического развития пищевой промышленности.
Весь ход развития перерабатывающей промышленности АПК показывает, что системообразующей осью, вокруг которой формируются 
новые производства, является система технологий.
Основными методологическими принципами анализа прикладных 
биотехнологий являются системный анализ, моделирование и прогнозирование.
При этом все большее внимание уделяется системно-информационному обеспечению технологий, что потенциально позволяет не только 
анализировать их текущее состояние, но и осуществлять управление и 
прогноз данных состояний.
Однако реальная ситуация такова, что в области системно-информационного обеспечения технологий основные результаты получены для отдельных технологических операций или групп операций (Татулов Ю. В., 
Лисицын А. Б., Ивашов В. И., Большаков О. В., Боресков В. Г. и др.).
В основе системных исследований прикладных биотехнологий, как 
правило, лежат классификационные схемы технологий, их признаков, 
разделение производств по уровням иерархий, оценка системных показателей: надежности, устойчивости и целости (Мизерецкий Н.Н., Иваш кин 
Ю. А., Митин В. В., Панфилов В. А., Кафаров В. В. и др.).
В то же время известно, что научный подход к исследованию сложного объекта, каким является пищевая технология, должен основываться 
на определении состояний этого объекта в фазовом пространстве, описании этих состояний в динамике, прогнозе этой динамики и на их основе — выработке управляющих воздействий (Калман Р. Е., Беллман Р. Е., 
Фельдбаум А. А., Бутковский А. Г. и др.).

Введение

Особое значение вышеназванная методология приобретает тогда, 
когда объект исследования носит стохастический, или неопределенный 
(нечеткий), характер.
Для оптимизации отдельных технологических операций в настоящее 
время широко используется методология моделирования как инструмент 
изучения поведения объекта с помощью его математического описания. Основные успехи в этом направлении получены при моделировании детерминированных и стохастических технологических операций 
прикладных биотехнологий (Мизерецкий Н. Н., Ивашкин Ю. А., Косой 
В. Д. и др.).
Однако для моделирования технологических операций и технологии 
в целом в реально существующих условиях производства необходимо 
учитывать объективную информационную неопределенность, обусловленную нечеткостью характеристик сырьевых компонентов, отсутствием 
надежных и недорогих экспресс-анализаторов для определения качественных показателей в цикле «сырье — полуфабрикат — готовый продукт», 
большой размерностью технологических задач. Первые результаты нечеткого моделирования в условиях неопределенности описаны в работах 
Серебрякова А. В. и Трефилова В. А. (масложировое производство), Митина В. В., Протопопова И. И. и Рогова И. А. (переработка мяса), Тужилкина В. И. и Гольденберга С. П. (производство сахара).
Для прогнозирования конкретных биотехнологий используется технология экспертного оценивания (с применением экспертных оценок и автоматизированных экспертных систем). Технология экспертного оценивания, 
в основном, применяется для прогнозирования конкретных узконаправленных научных проблем. Причем прогнозы зачастую носят описательный 
характер, в них редко используются результаты моделирования динамики 
технологических процессов в фазовом пространстве, поэтому, как правило, 
им присущ экстраполяционный характер (Комаров В. И., Небурчилова 
Н. Ф., Масленникова О. А. и др.).
Безусловно, для слабоструктурированных или неструктурированных 
проблем, в которых преобладают малоизученные и неопределенные характеристики объекта исследования, требуется дальнейшее развитие 
методологии прогнозирования.
Для оценки потребительских свойств пищевых сред на основе объективных инструментальных методов исследований был выполнен широкий спектр работ по обобщению их электрофизических, оптических 
и акустических характеристик (Рогов И. А., Адаменко В. Я., Некрутман С. В. и др.). Основной вывод исследования заключается в констатации факта значительного разброса характеристик и их нестабильности 
в результате биохимических процессов, протекающих в пищевых средах. 
Это влечет за собой необходимость разработки новых информационных 

Введение

технологий оценки потребительских свойств пищевых сред при их нестабильных характеристиках. В частности, актуальна проблема повышения 
разрешающей способности спектральных исследований пищевых сред.
Вышеприведённый анализ основных методологических аспектов 
оценки состояния и развития пищевых технологий показывает, что вопросам системных исследований технологий с использованием компьютерных технологий не уделялось должного внимания. В связи с этим 
изучение методологических основ анализа и управления, определение 
перспектив развития технологий становится необходимым условием 
формирования специалиста-аналитика высокого уровня..

Глава I

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЦЕПТУР
И ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

1.1. Оценка качества продукции и технологии

Стратегическое развитие технологий в отраслях АПК зависит от эффективности научных исследований и внедрения их результатов в производство. При решении задач управления этими научными исследованиями необходимо оценивать их перспективность, определять вклад 
отдельных разработок в решение поставленных проблем, разрабатывать 
стратегию внедрения полученных результатов.
Сложность и глубина вышеперечисленных проблем требует привлечения специалистов-экспертов высшей квалификации и соответствующих трудозатрат. В связи с этим для решения задач пищевых технологий, 
управления научными исследованиями необходимо применение современных информационных технологий, технологий страхования рисков, 
экспертных систем, высококвалифицированных экспертов и инженеров 
по знаниям.
Развитие технологических систем возможно при наличии инноваций, 
интенсифицирующих производство. В условиях кризисного состояния 
отрасли необходимо использовать только те инновации, которые, изменяя ту или иную технологию производства при ресурсных ограничениях, 
позволяют кратно увеличить рентабельность.
Для разработки современных прогрессивных процессов, оборудования и систем автоматизированного контроля и управления необходимы 
анализ, систематизация и обобщение имеющегося обширного научного и экспериментального материала. Последнее может быть достигнуто 
с помощью современных компьютерных средств обработки, хранения 
и представления информации.
Наиболее эффективным инструментом для исследования и внедрения 
результатов научно-исследовательских работ в производство являются 
экспертные системы; с их помощью можно интегрировать знания ученых 
различных специальностей, создавать советующие, партнерские системы, которые будут давать рекомендации специалистам и руководителям 
предприятий, находить оптимальный выход в сложных ситуациях.

1.2. Качество как целевая функция информационного обеспечения

Однако в настоящее время существуют и определенные проблемы 
по созданию информационных систем в перерабатывающих отраслях 
АПК.
Известно, что для построения информационной системы на базе вычислительных сетей передачи данных необходимы, по крайней мере, 
три компонента: технический компонент, информационный компонент, 
организационно-методический компонент (комплекс методик формирования информационных ресурсов). Создание системного организационно-методического компонента напрямую связано с информационным 
компонентом, а именно с рабочими процессами по интеллектуализации 
информационных ресурсов, охарактеризованных связанной или несвязанной структурой данных.

1.2. Качество как целевая функция информационного
 
обеспечения пищевых технологий

Качество — комплексное понятие, характеризующее эффективность 
всех сторон деятельности. В современной литературе и практике существуют различные трактовки этого понятия.
Некоторые авторы считают качество философской категорией, ссылаясь при этом на определение этого термина, данное Гегелем [1].
Международная организация по стандартизации определяет качество 
(стандарт ИСО 8402) как совокупность свойств и характеристик продукции или услуги, которые придают им способность удовлетворять обусловленные или предполагаемые потребности.
Немецкий стандарт DIN 55350 определяет качество как «свойства 
продукта относительно его способности выполнять установленные требования».
В 1986 г. Международной организацией по стандартизации (ИСО) 
были сформулированы термины по качеству для всех отраслей бизнеса и промышленности. В 1994 г. терминология уточнена. Стандартизировано следующее определение качества: «качество — совокупность 
характеристик объекта, относящихся к его способности удовлетворять 
установленные и предполагаемые потребности».
В настоящее время мировой опыт управления качеством сконцентрирован в пакете международных стандартов ИСО 9000…9004, принятых 
Международной организацией по стандартизации в марте 1987 г. и обновленных в 1994 г.
«Свойство», как и «качество», выражает такую сторону предмета, которая обусловливает его различие или общность с другими предметами 
и обнаруживается в его отношении к ним. Обычно оно обобщает ряд ха

Глава I. Моделирование рецептур и пищевых технологий

рактеристик объекта: свойство растворимости, радиоактивность, безопасность и т. д.
В определении «качества» содержатся еще два термина, требующих 
объяснения. Это «потребность» и «объект».
Потребности возникают из неудовлетворенности требований организма (в том числе, общества), необходимых для его нормальной жизнедеятельности, и направлены на устранение этой неудовлетворенности. 
Часть потребностей общества, для удовлетворения которых необходима 
экономическая деятельность, носит название экономических потребностей. Социальные формы проявления и удовлетворения экономических 
потребностей в решающей мере определяются общественно-экономическим строем, отношением к собственности. Рынок ориентирован 
не просто на удовлетворение потребностей потребителей, а на удовлетворение спроса покупателей (платежеспособного спроса), вытекающего 
из их потребностей.
В определении качества понятие потребностей является исходным. 
Потребности должны соответствовать характеристикам качества объекта. 
В неконтролируемых ситуациях на рынке большую роль играет субъективное понятие и восприятие качества — это может быть «степень удовлетворения потребности» или «качество — это то, за что платят деньги». 
Действительно, понятие качества у покупателя весьма изменчиво — он 
покупает товар, исходя из настоятельной потребности в нем, его новизны, 
моды, рекламы, с учетом его экономичности, надежности и т. п. Представление о качестве меняется со временем, оно зависит от уровня информации об объекте, от технических средств обнаружения характеристик 
объекта и т. д.
В понятие качества входит термин «объект».
Объект — это то, что может быть индивидуально описано и рассмотрено. 
Объектом может быть, например, деятельность или процесс, продукция, организация, система или отдельное лицо, а также любая комбинация из них.
Стандартное определение термина «процесс» означает совокупность 
взаимосвязанных ресурсов и деятельности, которая преобразует входные 
элементы в выходные (к ресурсам относятся: персонал, средства обслуживания, оборудование, технология и методология).
Стандартное определение термина «продукция» означает, что она — результат деятельности или процессов. Продукция может включать услуги 
(итоги непосредственного взаимодействия поставщика и потребителя 
и внутренней деятельности поставщика по удовлетворению потребностей потребителя), оборудование, перерабатываемые материалы, программное обеспечение.
Важнейшей составляющей всей системы качества пищевых технологий является качество продукции.