Modern approaches to storage and effective processing of agricultural products for obtaining high-quality food products

Full Text

Проблема количественного и качественного обеспечения людей пищевыми продуктами актуальна на протяжении всей истории человечества. Сегодня она принимает принципиально новые формы в связи с увеличением численности населения планеты и, как следствие, прогнозируе­мым ростом потребления продуктов питания. Одновременно с процессами глобализации существенно изменяются структура питания и модели потребления, кардинально трансформируются традиционные принципы производства и переработки сельскохозяйственного сырья, в том числе хранение и логистика товаров, опосредованно сопутствующие повышению сроков годности скоропортящейся продукции. Актуализируются задачи идентификации продуктов (в первую очередь по биологическому и географическому признакам), унификации оценочных критериев и объективных принципов расширения их области, модификации традиционных технологий, потенциал которых не предполагает их бесконечное тиражирование.

Глобальными проблемами по праву считаются, с одной стороны, наличие примерно 800 млн голодающих людей, а с другой, астрономичес­кие потери готовой продукции – более 30 % от 4 млрд т (данные 2017 г.), которые связаны с низким качеством сырья, нарушениями производственного процесса, условиями посттехнологического хранения, логистикой, возвратами излишков торговыми организациями и др. При этом, по прогнозам ООН, к 2050 г. глобальные процессы в мире потребуют увеличения производства продовольствия в 1,5 – 2 раза по сравнению с сегодняшним уровнем и, при условии сохранения указанных выше соотношений производства и потерь, последние примут катастрофические масштабы.

Наиболее позитивный сценарий развития ситуации предполагает, что объёмы производства будут расти благодаря разработке высокоэффективных технологий глубокой переработки сырья, созданию "умных" систем хранения и логистики, а также минимизации потерь и отходов. Соответственно, на первый план выходит задача "прижизненного" формирования состава и свойств сырья, что является обязательным условием функционирования современных технологий и концепции "умного" сельского хозяйства. Именно с этим направлением связаны потенциальные качественные скачки в развитии технологий, последовательно способствующие продвижению положительных тенденций в питании населения, в том числе профилактике алиментарно-зависимых патологий, и последующего перехода к персонифицированному питанию.

Априори только при наличии сырья с определённым набором свойств возможно применение глубоких технологий переработки и получения продукции нового формата качества, конкурентоспособной на международном рынке и с высокой добавленной стоимостью. Это позволит принципиально видоизменить экспортные позиции в сельскохозяйственном направлении, повысить его эффективность в целом и глобально поменять сырьевой вектор развития страны. При этом следует учитывать, что в структуре технологий закладываются дополнительные энергетические нагрузки, влияние которых на инициацию процессов абиогенной и биогенной потери качества – по сути, новое направление междисциплинарных исследований. Основной акцент новых технологий нужно сделать на их инвариантности и универсальности. Примером могут послужить данные по унификации процесса растворения как наиболее распространённого и типичного для пищевой промышленности. Проведённые нами исследования и разработанные программные продукты позволили в разы оптимизировать энергозатраты, а также существенно повысить качество получаемых систем, в частности, их хранимоустойчивость.

Следует отметить, что именно с хранением связаны достаточно существенные потери пищевых продуктов – около 20 %. С учётом того, что практически половина всей пищевой продукции относится к группе скоропортящейся и требует соответствующего хранения, разработки в направлении стабилизации пищевых сис­тем имеют первостепенную важность. Помимо технологических нюансов стабилизации биологических систем особый интерес представляют процессовые решения, в частности, холодильные цепи с интегрированными элементами цифровых решений, включённые в единую систему отслеживания.

Сегодня цифровизация стала неотъемлемой частью повседневной жизни. Различные концепции быстро инкорпорируются в государственные программы и бизнес-процессы. Эти технологии масштабно и разнопланово интегрируются в область пищевых систем, в том числе со стороны государственных органов в рамках исполнения контрольных функций.

В современном мире, как никогда прежде, актуализировалось управление качеством пищевых продуктов в связи с интенсивным развитием технологий, пробелами в методологической сфере, различиями в законодательствах стран – экспортёров продукции, правилами трансграничного сотрудничества и др. Эта многопарамет­рическая задача не нова, но именно благодаря цифровым технологиям впервые появилась реальная возможность сделать существенный шаг к её решению. Для идентификации продукции создана инвариантная методология цифровых профилей (матриц) продуктов в соответствии с их универсальной градацией: подлинный (эталонный), суррогатный, некондиционный и поддельный (фальсификат). Базовая матрица подлинного продукта соответствуют эталону качества. Количество регулируемых параметров в ней не ограничивается традиционно нормируе­мыми показателями и может содержать любую дополнительную информацию как по составу, так и по качеству. В матрице суррогатного продукта определены регламентируемые производителем изменения, введённые в традиционный продукт. Обычно суррогатный продукт – это удешевлённая копия подлинного. В случае некондиционного продукта, фактически технологически скрытого обвеса потребителя, его компоненты заменены количественно и/или нарушены их природные соотношения. Сегодня уровень фальсификации пищевых продуктов в России, по разным источникам, составляет от 20 до 80 % по отдельным группам. Ложная матрица, характерная для фальсифицированного продукта, представляет собой комбинацию псевдоматрицы и видоизменённой матрицы и может нести в себе свойства как суррогатного, так и некондиционного продукта и их различных вариаций. Введено также понятие "результирующая матрица", коэффициенты на главной диагонали которой фактически соответствуют регламентируемым производителями показателям, а область, находящаяся над ней, – дополнительным оценочным критериям качества продукта. Для оптимизации работы с матрицами создано программное обес­печение, которое считает усреднённую матрицу фактически предоставленных образцов, а также матрицу стандартных отклонений, визуализируя полученный материал в цифровом и графичес­ком виде. Параллельно программа анализирует относительную новизну продукта по сравнению с эталонным, что, по сути, является новым подходом к оценке ноу-хау технологий. Отдельно введён алгоритм прогнозирования направлений фальсификации, предопределяющий вектор расширения области оценочных критериев.

С использованием предлагаемой методологии матриц процедура идентификации и оценки качества продуктов питания максимально упрощается. При этом реалии сегодняшнего времени предполагают обязательное расширение перечня оценочных критериев и внедрение исконно научных методов исследований в область рутинных лабораторных практик. В частности, данные микроэлементного состава виноматериала и результаты дискриминантного анализа его географической принадлежности позволяют дифференцировать продукцию различных производителей даже в рамках одного федерального округа. В целях идентификации соответствия продукции инициировано применение изотопной масс-спектрометрии. Из проанализированных в 2017 г. нескольких тысяч образцов коньяка примерно 70 % было забраковано именно из-за расширения области оценочных критериев данными изотопного анализа. Альтернативные варианты идентификации будут построены на ДНК-аутентификации основного биологического компонента, что позволит опосредованно определять сырьевые ингредиенты, а в некоторых случаях географическое место их происхождения. Предложены алгоритмы определения рациональности применения того или иного подхода с прогнозируемой точностью результатов. Одновременное использование трёх указанных методов позволяет получить результат достоверностью более 99 %.

С ДНК-технологиями и чипированием связано ещё одно направление исследований, с помощью которого пополняется массив цифровизации, – это технологии интегрированных маркеров для количественного и качественного контроля продуктов питания с позиции их прослеживаемости в цепи "сырьё – конечный потребитель". Система распределения и хранения информации предполагает применение блокчейн-технологий, формирование базы данных, наличие опции дистанционного считывания информации и многого другого.

Таким образом, положения, отнесённые к пищевым системам в Стратегии научно-технологического развития РФ, соответствуют историчес­ки сложившимся векторам наших исследований в части получения новых знаний и последующего генерирования прикладных технологических, методологических, процессовых решений. При этом направления и форматы работ предполагают наличие самой действенной системы трансфера фундаментальных исследований в прикладные и, наверное, самой большой аудитории потребителей. В то же время развитие общества стимулирует разработку инвариантных решений с привлечением фундаментальных результатов исследований учёных из областей естественных, точных и медицинских наук. Ведь сегодня уже можно смело говорить о достаточно близкой перспективе персонифицированного питания, 3D-продуктах, системах интеллектуальной маркировки, внедрении искусственного интеллекта и робототехники в рутинные процессы производства и контроля пищевых продуктов, применении технологий виртуальной и дополненной реальности. Пищевые системы – это достаточно конкретная, оперативно формирующаяся область знаний с большим внедренческим потенциалом, не имеющая временны́х и пространственных ограничений.

About the authors

A. G. Galstyan

All-Russian Scientific Research Institute of Brewing, Non-Alcoholic and Wine Industry - Branch of Gorbatov Federal Scientific Center for Food Systems of RAS

Author for correspondence.
Email: 9795029@mail.ru

corresponding member of the RAS, head of ISTC

Russian Federation, Moscow

L. M. Aksyonova

Gorbatov Federal Scientific Center for Food Systems of RAS

Email: conditerprom@mail.ru

academician of the RAS, head of research

Russian Federation, Moscow

A. B. Lisitsyn

Gorbatov Federal Scientific Center for Food Systems of RAS

Email: info@fncps.ru

academician of RAS, scientific director

Russian Federation, Moscow

L. A. Oganesyants

All-Russian Scientific Research Institute of Brewing, Non-Alcoholic and Wine Industry - Branch of Gorbatov Federal Scientific Center for Food Systems of RAS

Email: vniipbivp@fncps.ru

academician of the RAS, director

Russian Federation, Moscow

A. N. Petrov

All-Russian Research Institute of Preservation Technology – Branch of Gorbatov Federal Scientific Center for Food Systems of RAS

Email: vniitek@vniitek.ru

academician of the RAS, director

Russian Federation, Moscow

Supplementary files