Введение к работе
з
Актуальность работы. Пандемия «пивного алкоголизма» захлестнула европейские страны, превратившись из социальной проблемы одной страны в политическую проблему сохранения европейского генофонда. Рекомендации ВОЗ по антиалкогольной политике для Европы сводятся к запретительным мерам, пропаганде ограничительных безопасных доз потребления пива, запрету корпоративной рекламы и к ужесточению ценовой политики, и никак не влияют на технологию пивоварения.
Научные исследования национальных школ Германии, Англии, Чехии показали возможность влияния на качество конечного продукта многочисленных факторов, но все эти исследования не заканчивались созданием единой системы требований к качеству пива. Требования национальных стандартов оказались сконцентрированными вокруг оценки качества пены, цвета пива и исходного сырья. Ни в одном из национальных стандартов не регламентированы требования к ингредиентному составу пива.
Для оценки качества пива западные исследователи углубились в создание аналитических приборов, включая самые современные иммуноферментные методы. Однако современные химико-аналитические системы, разработанные и принятые на вооружение международными аналитическими центрами пивоваренных объединений: Европейской пивоваренной конвенцией (ЕВС), Аналитической комиссией стран Центральной Европы (МЕВАК), Американским сообществом химиков пивоваров (ASBC) на сегодняшний день недоступны отечественным заводским лабораториям из-за высокой стоимости и недостаточного приборного оснащения и кадрового обеспечения.
Отечественные исследовательские школы внесли существенный вклад в общемировой научно-технический прогресс пивоварения. Под руководством академика РАСХН Л.А. Оганесянца (ГНУ ВНИИПБиВП) решаются биотехнологические проблемы пивоварения; большой вклад в решение проблем технологии бродильных производств и ферментных препаратов вносят труды академика МАЭН М.В. Гернет; научные основы взаимодействия ферментов и мембран, относящихся к пивоваренной инженерии, разрабатываются коллективом МГУПП под руководством Б.Н. Федоренко. Известны труды зарубежных ученых в области оценки вкусовых веществ в пиве. К ним принадлежат работы М.С. Meilgaard, предложившего классифицировать вкусовые вещества пива на четыре группы с учетом преобладания концентраций этих веществ над порогами их ощущений, однако комплексной количественной оценки им не проводилось.
Принципы менеджмента качества (ГОСТ ISO 9000-2011, ГОСТ ISO 9001-2011) требует от производителей «понимать текущие и будущие потребности потребителей продукции, выполнять их требования и стремиться превзойти их ожидания». При этом от производителей требуется разработать оптимальную систему технологических мероприятий, понимаемую как «совокупность взаимосвязанных или взаимодействующих процессов, обеспечивающих оптимальные потребительские свойства продукта». Опубликовано огромное количество разрозненных научных исследований по оптимизации отдельных этапов пивоварения, но каждый из них в отдельности не способен обеспечить требуемый уровень качества пива. Отсутствуют системные исследования, обеспечивающие повышение качества пива. Остается дискуссионным само понятие «безопасность» как элемента «качества» пива или степени его внешнего загрязнения. Не прекращаются дискуссии национальных исследовательских школ о «поль-
зе» и «вреде» пива. Возникшая ситуация информационной неопределенности как в отношении статуса пива, так и его критериев качества и безопасности для потребителей требует разработки системных решений, направленных на обеспечение качества пива как пищевого напитка.
Цель исследования. Разработать методологические основы оценки и управления качеством пива, включая комплекс технико-технологических решений, позволяющих в условиях информационной неопределенности производить пиво с заданными потребительскими свойствами.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
провести системный анализ жизненного цикла производства пива в условиях информационной неопределенности на основе методологии функционального моделирования;
исследовать возможность применения экспертных методов оценки потребительских предпочтений для расширения номенклатуры показателей качества пива;
изучить динамику использования биологического ресурса пивоваренного сырья по технологическим этапам пивоварения и оценить технологические потери в условиях неопределенности состава сырья и технологических операций;
разработать новые подходы к оценке биологической ценности пива и номенклатуру показателей качества и безопасности пива как пищевого напитка;
обосновать инструментально определяемые уровни нормирования вкусо-ароматических и токсикологических характеристик пива и пивных напитков;
обосновать новые товароведные критерии оценки вкусоароматической составляющей пива и пивных напитков;
обосновать систему принятия управленческих решений на базе новых требований к качеству и безопасности пива, оформленных в виде проекта стандарта;
разработать комплекс химико-аналитических решений для подтверждения соответствия фактических показателей качества анализируемого пива разработанным требованиям;
разработать комплекс научно-технических решений по оптимизации технологического процесса для обеспечения качества пива с заданными потребительскими свойствами.
предложить методологические основы системного подхода к товароведной оценке пива как пищевого напитка в условиях информационной неопределенности.
Научная концепция исследования направлена на совершенствование методологии системного подхода к обеспечению оптимальных потребительских свойств пива и пивных напитков в условиях существующей неопределенности комплекса факторов, влияющих на качество и безопасность пива.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
методология системного подхода к управлению качеством пива в условиях информационной неопределенности на основе функционального моделирования соотношений комплекса нормативно-правовых, сырьевых и технологических факторов;
новые товароведные критерии оценки качества пива, базирующиеся на нут-рициологическом подходе и объективных методах контроля концентраций веществ химического состава пива, определяющих его «вкусоароматический букет»;
методология обеспечения безопасности пива как пищевого напитка, основанная на новых уровнях нормирования токсичности содержания потенциально токсичных микропримесей в составе пива;
алгоритм химико-аналитического сопровождения концепции обеспечения качества и безопасности алкогольной продукции в условиях современного производства;
система технико-технологического обеспечения качества и безопасности пива с заданными потребительскими свойствами в условиях информационной неопределенности;
Научная новизна. На основании проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований:
предложена оригинальная модель функционального моделирования, включающая создание оптимального технологического процесса за счет обеспечения соответствия управляющих воздействий и качества конечного продукта в условиях информационной неопределенности;
обоснован вектор потребительских предпочтений различных групп потребителей пива (на примере Оренбургской области) с использованием теории нечетких множеств и метода парных сравнений;
разработан оригинальный методологический подход к изучению динамики биоэлементов пива в технологической системе «сырье-полупродукт-готовый продукт», позволяющий обеспечить прослеживаемость использования биологического ресурса сырья по технологическим этапам пивоварения;
предложены новые критерии оценки качества пива и его биологической ценности, основанные на нутрициологическом подходе взамен существующего санитарно-эпидемиологического ;
- предложены новые критерии оценки вкусоароматических свойств пива в
виде соотношений «доз вкуса», характеризующих специфику вкусоароматического
букета любого бренда пива, которые предложено определять количественно как
отношения концентраций вкусоароматического компонента в одном литре пива к
его концентрации, определяющей «порог распознавания», что позволяет адаптивно
управлять вкладом основных вкусоароматических компонентов из шести вкусо
ароматических групп в «букет вкуса и аромата» пива и создавать требуемый вкусо-
ароматический профиль конечного продукта;
впервые обоснована и разработана методика оценки суммарной токсичности поглощенной дозы пива с применением нового критерия токсичности - индивидуальной токсичности основных ингредиентов химического состава пива;
разработана концепция управления биотехнологическим процессом главного брожения путем разделения этапов прироста биомассы и гликолиза, требующих принципиально различных технологических условий (температурных, кислородных и культуральных) для оптимальной реализации дрожжами своих различных биологических функций;
- разработана концепция обеспечения безопасности потребления пива, ко
торая базируется на фармакологических и токсикологических принципах нормиро
вания токсичности веществ ингредиентного состава взамен существующих принци
пов определения токсичности по «нулевому уровню (ПДК)»;
обоснована необходимость замены высокотемпературного режима кипячения пивного сусла с хмелем на низкотемпературный режим СВЧ-стерилизации для исключения образования психотропных и канцерогенных веществ, переходящих в готовый продукт, и установлены закономерности этого процесса;
разработан новый методологический подход к оценке качества пива, включающий определение показателей токсичности и вкусоароматических свойств основных компонентов состава пива. Для оценки токсичности рекомендовано сравнение фактических доз токсичности с эталоном в виде токсичности 100,0 г чистого этанола. Для оценки вкусоароматической составляющей букета пива предложен критический уровень суммарной дозы вкуса, равный не менее 28 вкусовых единиц.
научно обоснован принципиально новый подход к методу управления технологическим процессом пивоварения в виде новой структуры управляющего формального нейрона нижнего уровня, обладающего функцией обратной связи и управлением «по отклонению» от заданных параметров качества полупродукта в процессе технологического поэтапного превращения сырья в готовый продукт.
Практическая значимость результатов исследования:
- предложена новая методика мониторинга потребительских предпочтений
различных групп потребителей пива, использующая теорию нечетких множеств и
метод парных сравнений, которая применяется центром социологических и марке
тинговых исследований;
- на основе результатов диссертационного исследования разработаны
ТУ 9184-001-56090574-2012 «Плазмолизат отработанных пивных дрожжей;
разработаны рекомендации для включения в проект ФЗ «Технический регламент на пивоваренную продукцию», касающиеся обеспечения качества и безопасности продукции;
разработан маркетинговый подход к оптимизации ассортимента продукции пивоваренных предприятий, учитывающий потребительские предпочтения социальных групп, относящихся к пиву как к вкусовому и безопасному товару;
разработана методика расчетно-инструментальной оценки токсичности и вкусоароматического букета пива и пивных напитков, апробированная в ходе «контрольной закупки», и позволившая дифференцировать исследованные образцы по вкусоароматической составляющей и токсикологическим свойствам;
разработаны рекомендации к новой акцизной политике, предусматривающей как налоговые преференции для сортов пива с повышенными вкусоароматиче-скими свойствами и минимальной дозой токсичности, так и акцизные сборы для высокотоксичной продукции с минимально выраженными вкусоароматическими свойствами, которые определяются по номограмме, разработанной автором диссертации;
разработан проект стандарта качества и безопасности пива, основные положения которого предлагается включить в национальный стандарт ГОСТ Р 51194-2009, что позволит значительно улучшить потребительские свойства пива за счет повышения уровня объективности количественных значений номенклатурных показателей, которые могут быть определены инструментально доступными для заводских лабораторий методами;
- разработан алгоритм химико-аналитического сопровождения проекта
стандарта, включающий следующие методы контроля качества и безопасности:
скриниговые методы определения содержания этанола и ППБ; определение содержания этанола по температуре кипения пробы; экспресс-методы определения содержания ацетоина (патент РФ 2281498) и диацетила (патент РФ 2415418); определения содержания действительного экстракта по сухому остатку пробы; определение степени минерализации по зольному остатку пробы; определение срока годности пива по микробиологическим критериям. Разработанные методы внедрены на предприятиях;
- разработан ряд новых технико-технологических решений, защищенных 12 патентами РФ, которые позволяют производить пиво с заданными потребительскими свойствами. Наиболее значимыми из них являются: способ производства пива (патент РФ 2383587), позволяющий путем внесения добавок протекторного действия снизить токсичное влияние этанола в сочетании с токсичными микропримесями пива; способ низкотемпературного кипячения сусла с хмелем, исключающий накопление в готовом продукте психотропных и канцерогенных веществ (патент РФ 97130); способ управления процессом пивоварения (патент РФ 2396101) на базе формального нейрона с обратной связью, позволяющий обеспечить качество конечного продукта на основе управления по отклонению от заданных параметров качества промежуточного продукта в процессе его преобразования из сырья в полупродукт и готовый продукт; способ управления этапом фильтрации (патент РФ 2405812) на базе четырехконтурного фильтрационного автомата, позволяющий многократно увеличить скорость фильтрации и степень выщелачивания пивной дробины; устройство озоновоздушной осушки и стерилизации зернопродуктов (патент РФ 98091), предотвращающее поступление в готовое пиво колиформных бактерий и микотоксинов.
Материалы исследований опубликованы в двух монографиях и используются в учебном процессе при чтении лекций, в курсовом и дипломном проектировании студентов, обучающихся по основным образовательным программам подготовки специалистов 200503 «Стандартизация и сертификация», 220501 «Управление качеством» 260501 «Технология продуктов общественного питания»; магистров и бакалавров по направлениям подготовки 100800 «Товароведение»; 221700 «Стандартизация и метрология, 221400 «Управление качеством» в ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», а также в ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет».
В условиях реального производства (ЗАО «Оренбургская пивоваренная компания «Гофман»; ООО «Иваныч», ЗАО «Пивоварни Ивана Таранова», ООО «Уральская пивоваренная компания») проведены опытно-промышленные варки пива и на типовых линиях выполнены «технологические прогоны» для оценки материального баланса и для проверки эффективности этапов предлагаемого алгоритма. Методики оценки вкусоароматических и токсикологических характеристик пива апробированы при определении объективных характеристик образцов пива, заявленных на региональный этап конкурса «100 лучших товаров». Технология производства пива принята к внедрению на производстве на ЗАО «Оренбургская пивоваренная компания «Гофман», в ООО «PACT».
Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на симпозиумах, конференциях различного
уровня, в том числе: IV-й международной научно-практической конференции «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг (г. Орел, 2007); международной научно-практической конференции «Пищевая промышленность: Состояние, проблемы, перспективы» (г. Оренбург, 2009); IV-й Всероссийской научно-практической конференции «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (г. Оренбург, 2009); V-й и VII-й международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург 2008, 2009); ХІ-й международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии 21 века» (г. Воронеж, 2010); международной научно-практической конференции «Совершенствование систем автоматизации технологических процессов» (г. Минск, 2010); IV-й, V-й международных научно-практических конференциях «Пищевая промышленность и агропромышленный комплекс: достижения, проблемы, перспективы» (г. Пенза. 2010, 2011); международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2010); международной научной конференции «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (г. Оренбург, 2010); Ш-й международной научно-практической конференции «Научные основы и опыт применения биоэлементов в медицине, спорте, пищевой промышленности и сельском хозяйстве» (г. Оренбург, 2011); VI-й Российской научно-практической конференции. «Проблемы медицины, биологии, экологии и новые научные технологии в XXI веке» (г. Оренбург, 2011); П-й Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в промышленности, науке и образовании» (г. Оренбург, 2010); XVII-м Международном симпозиуме «Актуальные проблемы Восстановительной медицины, спортивной медицины, лечебной физкультуры, курортологии и физиотерапии» (Исландия, г. Рейкьявик, 2012).
Результаты научных исследований были отмечены бронзовой медалью X Московского международного салона инноваций и инвестиций (г. Москва, 2010).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 62 печатные работы, в том числе 2 монографии, 18 научных статей в журналах, рекомендуемых ВАК РФ, а также в материалах конференций, симпозиумов и форумов. Получено 12 патентов Российской Федерации на изобретения и полезные модели, зарегистрированы технические условия ТУ 9184-001-56090574-2012.
Методы исследований. Решение поставленных в диссертации задач обеспечивалось использованием современных методов проблемно-тематического анализа; международных принципов обеспечения качества и безопасности, методов системного анализа, включая функциональный анализ жизненного цикла пива; методов математической статистики, математического, имитационного и физико-химического моделирования; вычислительных экспериментов, компьютерного моделирования, теории искусственных нейронных сетей (ИНС). Для решения химико-аналитических задач использованы возможности АЛО «Центр биотической медицины» (г. Москва); ГНУ ВНИИМС Россельхозакадемии (филиал г. Оренбург); ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии по Оренбургской области»; Института Токсикологии (г. Санкт-Петербург); Экспертно-криминалистического отдела Федеральной Службы РФ по контролю за оборотом наркотиков (Управление по Оренбургской области); Судебно-химического отделения ГУЗ «Бюро судебно-медицинской экспертизы» Минздравсоцразвития Оренбургской области; испытательной лаборатории ФГУ Государственный Центр агрохимической службы «Оренбургский»; кафедр химии и пищевой биотехнологии
ФГБОУ «Оренбургский государственный университет». При этом применялись физико-химические методы контроля, принятые в практике Государственных фитосанитарных служб, а также научно-исследовательские аналитические методы. Нормативные документы, использованные при анализе конкретных предметов исследований, приведены в соответствующих главах диссертации. Экспериментальные методы физико-химических воздействий на сырье выполнены на базе ПК «Старт» (г. Долгопрудный Московской области). Социологические исследования мнений респондентов г. Оренбурга и Оренбургской области проведены с участием Оренбургского Центра социологических и маркетинговых исследований.
Алгоритм проведения теоретических и экспериментальных исследований по изучению факторов, влияющих на качество и безопасность пива, включал изучение мирового опыта производства пива; анализ опыта информационного обеспечения и степени информированности потребителя (анализ потребительских предпочтений респондентов г. Оренбурга и изучение опыта мировых научно-исследовательских школ по содержанию микропримесей пива, влияющих на здоровье потребителя); анализ национальных нормативных документов, регламентирующих требования к качеству пива; изучение баланса сырьевого ресурса методом «технологического прогона» на типовых линиях пивоваренных предприятий; изучение химико-аналитическими методами динамики изменения сырьевого ресурса в ходе технологического процесса (сырье-сусло-молодое пиво-готовый продукт); разработку научно-технических решений по оптимизации проблемных этапов производства пива; разработку системы требований по обеспечению качества пива с заданными потребительскими свойствами на основе принципов соответствия управляющих воздействий и функции «Производить пиво» (рисунок 1).
Личный вклад автора состоит в анализе международного опыта, выявлении проблемных вопросов и обосновании путей их решения; разработке структуры и схемы проведения исследований, организации, проведении и обобщении результатов теоретических исследований, анализе полученных экспериментальных результатов; автором разработана концепция оценки качества и безопасности пива для потребителя, применен функционально-логический подход к оценке взаимозависимостей многих факторов, объединенных единой целью - обеспечением заданного качества конечного продукта; создана система товароведческих характеристик пива как пищевого напитка; при разработке патентных решений по оптимизации проблемных этапов производства пива автором определены направления научно-технических исследований и способы достижения положительных эффектов; автором разработан проект стандарт качества и безопасности пива, алгоритм его химико-аналитического сопровождения; предложены критерии -признаки фальсификации пива.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, девяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Основной текст диссертации изложен на 450 страницах, содержит 120 таблиц, 144 рисунка. Библиографический список включает 390 источников литературы, в том числе 33 публикации иностранных авторов.
