Каковы общие модели и области применения прогнозирования сроков годности продуктов питания?

Срок годности продуктов питания не только влияет на сенсорное наслаждение потребителей, но и касается здоровья и безопасности потребителей, а также связан с репутацией, брендом и экономической выгодой производителей продуктов питания. Точное прогнозирование и расчет срока годности продуктов при заданных условиях хранения является гарантией и обязательством производителей в отношении качества и эффективности продуктов питания в период обращения, что может служить эффективной основой для разработки стратегий хранения, обращения и распределения продуктов, а также может служить ориентиром для возможности дальнейшего продления срока годности.

Срок годности пищевого продукта - это период, в течение которого качество продукта сохраняется при указанных условиях хранения, обычно это период времени, в течение которого продукт является приемлемым для потребления с точки зрения физических, химических, микробиологических или сенсорных свойств. Существует два возможных сценария в зависимости от характеристик продукта.
Первый - "период безопасного потребления", в основном для скоропортящихся продуктов, после "периода безопасного потребления", вероятно, будет представлять прямую угрозу для здоровья человека в течение короткого периода времени, продукты считаются небезопасными, не могут быть проданы или съедены;
Во втором случае речь идет о "наилучшем сроке годности" - дате, когда пищевой продукт сохраняет свои специфические свойства (включая качественные характеристики, такие как внешний вид, запах, текстура, вкус и т. д.) при правильном хранении (EU1169/2011).
В настоящее время в Китае используется стандартный термин "срок годности продуктов питания", а в статье 15 (3) "Меры по надзору и управлению маркировкой продуктов питания (проект для комментариев)", опубликованной 23 сентября 2020 года, "дата качества может быть обозначена "употребление (питье) до ××× месяца ×× дня ××× года ××× месяца ××× дня ××× года ××" и т.д.". Указывает на то, что в будущем "срок годности продуктов питания" будет включать в себя понятие срока годности продуктов питания.
В данной статье мы рассмотрим соответствующие стандарты и правила, касающиеся сроков годности продуктов питания, обобщим метод прогнозирования сроков годности, основанный на принципе распада качества, и проанализируем проблемы, существующие в практическом применении существующей модели прогнозирования сроков годности в сочетании с предыдущей исследовательской базой, чтобы обеспечить определенную основу для производителей продуктов питания для оценки, проектирования и проверки сроков годности продуктов.
Состояние стандартов и правил хранения/использования продуктов питания
В настоящее время в разных странах не существует универсального стандарта для определения срока годности продуктов питания или срока хранения продуктов. Согласно ISO 16779:2015, срок годности продуктов питания - это крайний срок сохранения заявленного качества реализуемой продукции при определенных условиях хранения, то есть до этой даты качество продукта остается полностью удовлетворительным; а срок годности - это срок годности, до которого сохраняется безопасное качество продукта при определенных условиях хранения, после которого продукт может не иметь тех качественных характеристик, которые обычно ожидают потребители, то есть после этой даты продукт не должен считаться пригодным для реализации.
Таблица 1 Стандарты и нормативы по срокам хранения продуктов питания в разных странах

Общие модели и приложения для прогнозирования сроков годности продуктов питания
Срок годности, указываемый в настоящее время на продуктах питания и напитках, обычно дает потребителям приблизительное представление о сроке годности продукта при соблюдении установленных условий обработки, упаковки, транспортировки и хранения.
Однако в реальной цепочке жизни продукта изменения условий хранения, повреждение упаковки при транспортировке и другие факторы могут сделать фактический срок годности продукта короче или дольше запланированного, что приведет к проблемам, связанным с безопасностью продуктов питания и отходами.
Поэтому достижения в области прогнозирования и оценки сроков годности имеют решающее значение для повышения безопасности, надежности и устойчивости поставок продуктов питания.
В методе прогнозирования срока годности очень важно выбрать правильную динамическую модель и технологию анализа данных, которые позволяют более точно прогнозировать срок службы продукта в зависимости от изменения условий окружающей среды, а также могут контролироваться в режиме реального времени. В данной статье рассматривается метод прогнозирования срока годности, основанный на принципе распада качества.
В последние годы отечественные и зарубежные ученые использовали динамические модели для изучения изменения качества мясных продуктов, овощей, фруктов и так далее, а также для прогнозирования срока их хранения и добились хороших результатов.
На основе анализа основных факторов, влияющих на изменение качества продукции, определяются ключевые показатели окончания срока годности и формируется система методов прогнозирования срока годности, основанная на принципе снижения качества.
Изменение качества продуктов питания определяется внутренними факторами качества Ci (такими как концентрация, pH, активность воды и т.д.) и внешними факторами окружающей среды Ej (такими как температура, относительная влажность, упаковка и т.д.). Затухание качества пищевых продуктов можно выразить следующим образом: rQ=f(Ci,Ej). Ухудшение качества пищевых продуктов обычно включает в себя ухудшение химического качества, динамику роста микроорганизмов и ухудшение вкусовых ощущений.
1. Модель кинетики химического распада качества Порча продуктов питания в основном вызвана химическими реакциями, поэтому модель кинетики химического распада качества обычно используется для прогнозирования срока годности.
Общепринятой кинетической моделью распада химических масс является модель Аррениуса.
Модель Аррениуса применяется к продуктам, которые легко разрушаются в результате химических реакций, таких как окисление жиров, реакция Майяра и денатурация белков.
В целом, чем выше температура, тем выше скорость химической реакции, а значит, тем быстрее снижается качество продукта. Модель Q10 фокусируется на влиянии температуры на срок годности, что приводит к низкой точности прогноза. В модели Аррениуса концепция Q10 используется для определения чувствительности температуры к реакции.
Потеря срока годности пищевого продукта A обычно оценивается путем измерения изменения характерного индекса массы A за время t, обычно выражаемого как f(A)=k(T)t, где f(A) - функция массы пищевого продукта, а k - константа скорости реакции.
Константа скорости - обратная экспоненциальная функция абсолютной температуры T, задаваемая выражением Аррениуса k=kAexp(-ea /RT), где kA - константа, EA - энергия активации реакции, контролирующая потерю массы, а R - универсальная газовая постоянная. В соответствии со следующим уравнением можно рассчитать качество продукта в конце хранения: -d [A]/dt=k[A]n, -d [B]/dt=k '[B]n', где k и k' - константы скорости изменения качества; n и n' - порядок реакции; d[A]/dt и d/dt - скорости изменения качества. Потеря химического показателя A (например, питательных веществ или характерного вкуса) или нежелательного химического показателя B (состава запаха или содержания исчезающего пигмента) является моделью нулевого порядка, если удовлетворяется линейное соответствие A или B времени t; если удовлетворяется линейное соответствие между полулогамии A или B и t, то это модель первого порядка. Если удовлетворяется линейная зависимость 1/A или 1/B от t, то это модель второго порядка.
Микробная гниль - один из основных способов порчи продуктов питания, особенно свежих или минимально обработанных охлаждаемых продуктов.
Микроорганизмы могут стать причиной порчи продуктов питания или вызвать заболевания пищевого происхождения. Исследования показали, что порча продуктов питания, вызванная микроорганизмами, в основном обусловлена деятельностью специфических микроорганизмов порчи (СМО) при хранении продуктов питания, а микробная флора не является статичной, а меняется в зависимости от внутренних факторов и внешних факторов окружающей среды различных видов продуктов питания. Тенденция ее роста является важным фактором при прогнозировании сроков хранения продуктов питания.
Срок годности можно определить как время от начала хранения до достижения SSO определенного максимального уровня. Производственные и перерабатывающие предприятия должны проводить испытания на срок годности, чтобы определить, когда происходит порча, и эффективно проверять тенденцию роста патогенных микроорганизмов, используя обоснованные научные исследования для оценки потенциального риска их продуктов питания.
В литературе существует множество моделей, описывающих рост микроорганизмов в зависимости от температуры, и разработан ряд программных инструментов для прогнозирования роста определенных микроорганизмов в продуктах питания, однако лишь некоторые из них применимы для прогнозирования фактического срока хранения.
Существует четыре распространенные модели первого порядка динамики микроорганизмов: Линейная модель, Логистическая модель, модель Гомперца и модель Барани и Робертса. Модель Гомпертца является краеугольным камнем прогностической микробиологии. Система PMP (Pathogen Modeling Program), разработанная Министерством сельского хозяйства США, и система Food Micromodel (FM), разработанная Министерством сельского хозяйства, продовольствия и рыболовства Великобритании, используют функцию Гомперца в качестве основной модели.
3. Сенсорные модели прогнозирования срока годности Сенсорные методы прогнозирования срока годности Еще в 1980-х и 1990-х годах Таукис и др. описали принципы и методы проведения эффективных ускоренных испытаний на срок годности (ASLT).
В методе ASLT температура является ключевым параметром при определении порчи продуктов, так как чем выше температура, тем быстрее происходит порча продукта.
Взаимосвязь между температурой и скоростью износа может быть выражена уравнением Аррениуса. В целом существует два основных класса тестов, которые можно использовать для этой цели: дифференциальные тесты (особенно сравнение с помощью булавок, двойные тройные тесты - обычно в контролируемых тестах на вариацию различий - и треугольные тесты) и тесты, в которых используются соответствующие шкалы (характеристики или какой-то конкретный атрибут).
В настоящее время в стране и за рубежом широко используется метод сенсорного прогнозирования сроков годности по Вейбуллу, который является практическим методом, эффективно объединяющим принцип ASLT и сенсорные методы и вносящим усовершенствования.
Функция вероятности Вейбулла широко используется для описания явлений разрушения в технике, и она была предложена Гакулой и Кубалой для проверки сроков годности. Принцип метода заключается в том, что зависимость между кумулятивным коэффициентом вредности и сроком хранения, отражающая отказ потребителя от продукта, выглядит следующим образом: lgt=lgH/β+ LG-α : t - время /d обнаружения нового испорченного продукта; H - кумулятивный коэффициент риска /%; α - масштабный параметр распределения Вейбулла; Beta - параметр формы распределения Вейбулла.
Вахюни и др. исследовали прогнозирование срока годности пирожных брауни с помощью метода ускоренного тестирования срока годности (ASLT) в сочетании с моделью Аррениуса.
В данном исследовании использовались три варианта изменения температуры хранения: 20℃, 30℃ и 40℃, а в качестве индекса изменения для мониторинга была выбрана тиобарбитуровая кислота (ТБК).
Согласно исследованиям Кетарена, изменение питательных веществ, таких как жир, в процессе хранения приводит к прогорканию продуктов, а продукты окисления - альдегиды - могут образовывать с TBA окрашенные соединения. Показатель TBA используется для определения степени окисления, а количество TBA является наиболее важным фактором при определении степени порчи масла.
Результаты эксперимента показали, что значение TBA увеличивалось с повышением температуры хранения, а срок хранения пирожных оценивался по уравнению Аррениуса, то есть с повышением температуры (20℃, 30℃, 40℃) срок хранения продукта составлял 1,57, 4,9 и 14 дней, соответственно.
Наси и др. провели исследование вкусовых характеристик напитков из зерна овса после мгновенной обработки при сверхвысокой температуре, а в качестве показателей оценки использовали неблагоприятную вкусовую смесь, н-гексал и PVG. В качестве метода оценки использовалась хроматография вкусовых веществ, а для определения приемлемости вкуса была создана группа сенсорной оценки. Результаты эксперимента показали, что когда содержание н-гексала в 3-5 раз превышало исходное значение, вкусовые качества напитка из овсяных зерен улучшались. Вкус напитка из овсяных зерен неприемлем.
HU и др. исследовали изменения качества и срок годности яиц, помещенных в хитозан во время хранения, и измерили изменения качества яиц, помещенных в хитозан во время хранения при температуре 5℃, 20℃ и 35℃ соответственно. Коэффициент корреляции Пирсона между значением Хау, плотностью и процентным увеличением диаметра камеры был проанализирован для создания модели прогнозирования срока хранения на основе уравнения Аррениуса.
Результаты показали, что качество яиц снижается с увеличением срока хранения. Высокая температура (20℃ и 35℃) по сравнению с низкой температурой (5℃) оказывает значительное влияние на ухудшение качества. Коэффициент корреляции между качеством яичного желтка и единицей Хафа самый высокий, что может быть использовано в качестве важного показателя для прогнозирования срока хранения. В соответствии с законом изменения качества яиц может быть создана динамическая модель первого порядка для яичного желтка.
Коэффициент R2 подгонки кривой между предсказанным и измеренным значением составил 0,982 5, а средняя относительная ошибка P составила 9,32%, менее 10%. Была описана динамическая связь между качеством яичного желтка и температурой.
В то же время на основе динамической модели была определена модель прогнозирования срока годности яйца с хитозаном на основе коэффициента желтка. Средняя относительная ошибка составляет 7,6%, менее 10%, что свидетельствует о целесообразности модели прогнозирования срока годности яиц на основе изменения качества желтка.
Лю Хун и др. показали, что в настоящее время определение срока годности в пищевой промышленности Китая в основном опирается на референтный метод, то есть эмпирическое значение для определения, и не имеет научных и стандартных методов испытаний. Модель Q10 - это широко используемый в Китае метод ускоренных разрушительных испытаний, который в основном изучает влияние температуры на качество продукта во время хранения.
Рен Яни и др. использовали метод ASLT для прогнозирования срока годности мягкого хлеба. Экспериментальные температуры были установлены на уровне 20℃, 37℃ и 47℃, а относительная влажность составляла 60%. Проверив кислотное число, перекисное число и микробные показатели (общее количество колоний, плесени и кишечной палочки) продуктов при 37℃ и 47℃, в сочетании с результатами сенсорной оценки и моделью Q10, авторы проанализировали результаты испытаний. Срок годности мягкого хлеба рассчитан при нормальной температуре хранения.
В последние годы некоторые кинетические модели и модели микробного роста постепенно применяются для прогнозирования сроков годности продуктов в Китае. Ху Юньфэн и др. изучили динамическую модель изменения качества свежей и влажной рисовой муки при различных температурах хранения и применили модель Аррениуса для прогнозирования срока годности. Результаты показывают, что коэффициент подгонки классического значения синего цвета для свежей и влажной рисовой муки высок, а модель, основанная на классическом значении синего цвета в качестве цели прогнозирования, имеет небольшую эмпирическую ошибку.
Чэн Сяофэн и др. исследовали прогнозирование срока годности спрессованного печенья и выбрали для прогнозирования метод ASLT в сочетании с моделью Аррениуса. В условиях ускоренной температуры хранения было определено изменение кислотного числа прессованного печенья. Было установлено, что изменение кислотного числа было очевидным, что соответствовало кинетической модели первого порядка. Было составлено уравнение для прогнозирования срока годности спрессованного печенья и рассчитан срок годности продуктов при температуре 45 ℃.
Проблемы и предложения по изучению сроков годности в Китае
1. Современные исследования сроков годности охватывают немногие типы продуктов, в основном готовые к употреблению;
2. На многие виды отечественной продукции в действующих стандартах отсутствует оформление качества продукции, особенно показателей безопасности непродовольственных товаров (показателей здоровья), но при фактическом обращении товаров качество продукции часто меняется раньше показателей безопасности продовольственных товаров, в результате чего трудно определить окончание срока годности продукции.
Например, при проведении эксперимента по определению срока годности ореховых батончиков схема эксперимента была разработана на основе схемы эксперимента по определению стабильности срока годности в зависимости от температурных условий, приведенной в Приложении B к Общему руководству по срокам годности пищевых продуктов T/CNFIA 001-2017. В соответствии со справочными данными, ускоренный эксперимент был разработан в соответствии с Q10=4, с использованием образцов комнатной температуры (25 ℃), ускоренных образцов (условия хранения 35 и 45 ℃, 75%RH) и контрольных образцов (условия хранения 4 ℃). Продукт был проведен в соответствии с GB 7099-2015 "Национальный стандарт безопасности пищевых продуктов для кондитерских изделий и хлеба", согласно соответствующим требованиям стандарта. Сравнивались и оценивались физико-химические (кислотное число, перекисное число), микробиологические (общее число колоний, число плесени, число колиформ), сенсорные (тест на разницу, тест на потребительскую приемлемость) показатели.
Результаты эксперимента показали, что в ускоренных условиях 35℃ и 45℃, кислотное и перекисное значение не превышало стандартного предельного значения в течение 320 дней после преобразования дней хранения при нормальной температуре, а результаты микробного теста также были квалифицированы, что было намного ниже предельных требований в стандарте. Таким образом, Q10 продукта не может быть определен по кислотному или перекисному числу, а срок годности продукта может быть оценен по кислотному или перекисному числу.
Согласно экспериментальным результатам трехбалльного теста сенсорной оценки, в доверительном интервале P≤0,05, продукт в условиях ускорения 35 ℃ имел наиболее очевидную разницу между контрольным образцом и продуктом, когда дни хранения достигли 270 дней при обычной температуре, но контрольный образец не имел значительной разницы, и разница между продуктом при непрерывном хранении и контрольным образцом не увеличилась. Когда количество дней хранения при комнатной температуре достигло 270 дней при ускоренном режиме 45 ℃, наблюдалась значительная разница между образцом и контрольным образцом. Согласно этому эксперименту, срок хранения продукта при комнатной температуре должен составлять около 270 дней (9 месяцев).
Результаты сенсорной оценки показали, что в условиях ускорения 35 ℃ ни один показатель не соответствует минимальному требованию приемлемости в 3,5 балла в течение периода тестирования (в пересчете на 320 дней хранения при нормальной температуре). При ускоренном режиме 45 ℃ продукты, хранившиеся 450 дней при комнатной температуре, не смогли достичь минимального требования 3,5 балла, за исключением индекса адгезии. Согласно этому эксперименту, срок хранения продукта при комнатной температуре должен составлять около 450 дней (15 месяцев).
Три разных экспериментальных метода позволили получить совершенно разные результаты испытаний на срок годности, причем физико-химические показатели не превышены, а сенсорные оказались недопустимо высокими.
3. Для аналогичных зерновых продуктов (таких как рис, лапша и т.д.) и других первично переработанных сельскохозяйственных продуктов из-за отсутствия индикативных показателей (физико-химических, микробных) или индикативных показателей ухудшения качества промежуточных продуктов (таких как жирно-кислотный показатель) срок хранения продукта является низким.
В связи с вышеуказанными проблемами и многими категориями отечественных продуктов питания, период испытания срока годности длительный, а данные прогнозирования срока годности различных категорий продуктов питания не являются надежными. Предлагается расширить исследования по прогнозированию сроков годности различных продуктов питания и первичной переработки сельскохозяйственной продукции, усилить исследования по соответствующим показателям ухудшения качества, а также повысить стабильность и референтность данных прогнозирования сроков годности. В то же время, в сочетании с моделью ASLT, срок годности измеряется после получения Q10 с помощью многотемпературного теста, и точность прогнозирования срока годности повышается.