CC BY
53
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №4/2016 ISSN 2410-700Х_
УДК 664.8.038
Радионенко Виталий Николаевич
канд. техн. наук, доцент ДонНУЭТ им. М. Туган-Барановского,
г. Донецк, ДНР E-mail: radionenkovit@ukr.net Данько Владислав Павлович канд. техн. наук, доцент РЭУ им. Г.В. Плеханова,
г. Краснодар, РФ E-mail: vladislav.danko@mail.ru Пьянкова Юлия Валерьевна ДонНУЭТ им. М. Туган-Барановского,
г. Донецк, ДНР E-mail: margo0417@rambler.ru
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СРОКОВ ХРАНЕНИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
НЕЙРОСЕТЕВЫМИ МЕТОДАМИ
Аннотация
Рассмотрено использование компактных модулей с модифицированной атмосферой (ММА) в технологии холодильного хранения продуктов растительного происхождения в камерах домашних холодильников. На основе ограниченных экспериментальных данных о кинетике порчи яблок в зависимости от различных факторов построены искусственные нейронные сети для предсказания сроков хранения.
Modified atmosphere compact modules have been considered as a refrigeration technology tool for phytogenic product storage in the domestic refrigerators. Experimental data on kinetics of deterioration for apples were used to correlate the shelf life and different technological factors via artificial neural networks.
Ключевые слова
холодильное хранение, искусственные нейронные сети, прогноз сроков сохраняемости, refrigeration storage,
artificial neural networks, shelf life forecast
Увеличение сроков холодильного хранения биологической продукции в условиях контролируемой или модифицированной атмосферы достигается за счет замедления физиологических (респирация, созревание, порча) и микробиологических процессов, происходящих в пищевых продуктах. Разработка компактных модулей с модифицированной атмосферой (ММА) является одной из актуальных проблем технологии холодильного хранения продуктов растительного происхождения, которая направлена на повышение качества растительной продукции. Технологии увеличения сроков хранения: озонирование, регулируемая и модифицированная атмосфера, пленкообразующие композиции, антимикробные и биоактивные пленки, ионизирующие излучения и др. показали свою эффективность в промышленном масштабе, благодаря низкой стоимости и простоте применения [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]. Возможности применения указанных технологий, например, в домашних холодильниках, что значительно расширяет их функциональные возможности и повышает конкурентоспособность, практически не исследованы. Проектирование ММА зависит от типа хранимой продукции и не существует универсального решения, которое бы удовлетворяло всем специфическим критериям для каждого вида продукции. Создание требуемого состава атмосферы зависит от скорости респирации, массы и вида продукта, площади мембраны, ее толщины, селективной способности, отношения проницаемостей для кислорода и углекислого газа, а также множества других факторов. Разнообразие продуктов требует такого же разнообразия решений при выборе мембран, управляющих процессом газообмена.
Цель настоящей работы - разработать подход к оптимальному выбору эксплуатационных характеристик мембран, которые бы обеспечили требуемые параметры модифицированной атмосферы внутри модуля для увеличения сроков холодильного хранения растительной продукции. Для достижения
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №4/2016 ISSN 2410-700Х_
указанной цели в работе разработана нейросетевая модель прогноза сроков хранения, где входными переменными служат условия хранения и технологические свойства мембраны. В работе рассмотрен компактный модуль с полупроницаемыми мембранами, в котором происходит саморегулируемый газоообмен между модифицированной газовой средой внутри ограниченного объема и воздушной средой в камере холодильника [8, 9, 10, 11], [15].
В качестве объекта исследования выбраны яблоки сорта «Ренет Семиренко». Оценка эффективности работы модуля проводилась на основе экспериментальных данных о динамике изменений показателей качества яблок (содержание витамина С, твердость) и состава газовой среды (содержание этилена, СО2, O2 и N2) в процессе хранения [1, 2, 3, 4, 5]. Оптимальный режим для сохранения товарного качества : температура воздуха t = (0 .. .+1) °С ; относительная влажность воздуха ф =(90. 95)%.
Модифицированная среда создается путем организации газообмена между плодами и средой в замкнутом пространстве, а также между наружным воздухом через газообменники (мембраны) из материалов, селективно проницаемых для компонентов газовой среды. Такая среда создается естественным путем за счет «дыхания» плодов. Длительность формирования газовой среды за счет дыхания фруктов и овощей не превышала 20 суток с момента их герметизации.
Функции принадлежности показателей качества могут быть выбраны разными способами в зависимости от контекста задачи. В данной работе функции принадлежности, которые сводят все критерии к интервалу (0.1), находили следующим образом. Предварительно выбирали максимальную и
j^-min
минимальную границы критериев. Минимальную границу ' полагали равной нулю, а максимальную j^-max
(«идеальная точка») ' выбирали равной начальной величине, которую фиксировали в начале хранения. Функция принадлежности для всех нечетких целей представлена в виде:
MKi =
0, если Ki(Х) > К-
max
(2)
max
j^max z^min Ki - Ki
Kmin < к. < Km
m ax
1, если Ki(Х) < К
min
<
Окончательное решение, формирующее обобщенный критерий, определено как пересечение всех нечетких критериев, представленных их функциями принадлежности. В общем случае, данная проблема сводится к стандартной задаче нелинейного программирования: найти такие значения Х и X, при которых выполняются условия:
(* = 12,Щ (3)
Для двух показателей (например, содержания витамина С в продукте и содержания кислорода в модуле с мембраной) изменение обобщенного критерия, характеризующего деградацию продукта за период хранения, представляет собой убывающую функцию, которая в каждый момент определяется пересечением функций принадлежности каждого из критериев. Значения целевой функции - сроки хранения, находили из кинетических кривых порчи продукта, заранее задавая компромиссное значение обобщенного критерия.
Для оптимального выбора мембран для ММА рассмотрены две категории продуктов (А и В), которые различаются наличием/отсутствием респирационных свойств.
В работе предложена математическая модель, использующая искусственные нейронные сети, для прогнозирования сроков хранения в зависимости от характеристик мембраны, типа продукции и условий хранения для группы А.
Время хранения растительной продукции (Shelf life) (SL) представлено в виде функции от переменных, характеризующих условия хранения и спецификацию мембран:
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №4/2016 ISSN 2410-700Х_
SL = SL (Х1, Х2, ... Х8), (4)
где X1 - интенсивность дыхания, X2 - объем модуля, X3 - температура, X4 - относительная влажность, X5 - интенсивность переноса кислорода, X6 - селективная проницаемость мембраны, X7 - толщина мембраны, X8 - рабочий диаметр мембраны.
В качестве обучающей выборки выбраны результаты экспериментальных исследований по увеличению сроков хранения растительной продукции (яблоки). Обучение проводили методом обратного распространения ошибки [1, 7, 9], в котором распространение сигналов ошибки от выходов нейронной сети к ее входам происходит в направлении, обратном прямому распространению сигналов в нормальном режиме работы. При обучении решали задачу минимизации функции ошибки:
Р
min X (У1 - У? )2
i=1 (5)
где yi реальное, а yi - идеальное (заданное) значения для i - го выхода.
Расчеты влияния различных факторов на сроки хранения показывают, что поддержание температурного режима является более существенным по сравнению с регулированием атмосферы внутри модуля. Увеличение сроков хранения растительной продукции в 2 раза требует, чтобы концентрации кислорода и диоксида углерода находились в пределах, приведенных ниже.
Применение полупроницаемых мембран с заранее заданными свойствами позволяет увеличить сроки хранения растительной продукции в условиях модифицированной атмосферы в 2 - 3 раза по сравнению с традиционными методами холодильного хранения [9, 10].
Оптимальный выбор мембран зависит от материала, варьирования рабочей площади и перфорации мембран, которые регулируют скорости газообмена в модулях. Разработанная модель прогноза сроков хранения растительной продукции базируется на методе искусственных нейронных сетей, при помощи которого установлена взаимосвязь между целевой функцией - временем сохранности продукта и переменными управления: условиями хранения и свойствами мембраны [11, 12]. Список использованной литературы
1. Влияние фосфолипидной и белковой добавок на влагоудерживающую способность сырного теста / Е. Н. Губа // Евразийское Научное Объединение. 2015. Т. 1. № 6 (6). С. 38-41.
2. Динамика показателей качества растительной продукции при холодильном хранении в модулях с модифицированной атмосферою / В. Н. Радионенко, В.П. Кочетов, В.А. Мазур // Донецк : ДонНУЭТ, 2009. - 368 с.
3. Использование альтернативных источников энергии и вторичных энергоресурсов в холодильной отрасли / В.П. Данько, А. Б. Кудрин, В. Н. Радионенко // Ладапринт, 2015.- 157с.
4. Исследование физической структуры движения потоков жидкости в аппаратах с подвижной насадкой / В. П. Данько, В. В. Карнаух // Научная дискуссия: вопросы математики, физики, химии, биологии. - № 2 (31). -М., Изд. «Интернаука», 2016.
5. Эффективность процесса испарительного охлаждения в абсорбционных системах жизнеобеспечения / В. П. Данько // Казахстан - Холод 2016 : Сбор. докл. межд. научн.-техн. конф. (1 - 2 марта 2016 г.) - Алматы : АТУ, 2016. С. 50 - 56.
6. Применение нейронных сетей для прогнозирования сроков холодильного хранения растительной продукции / В. Н. Радионенко, М. П. Берник, Е. В. Чобану, Ю. В. Пьянкова, В. П. Данько // Науковий вюник Луганського Нац. аграрного ушверситету. - 2014. - Вип. 58. - С. 173 - 182.
7. Разработка и исследование потребительских свойств твердых сычужных сыров функционального назначения / Е. Н. Губа // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Кубанский государственный технологический университет. Краснодар, 2009.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №4/2016 ISSN 2410-700Х_
8. Тепломассообменные аппараты с подвижной насадкой для традиционных и альтернативных энергетических систем: [моногр.] / А. Н. Горин, А. В. Дорошенко, В. П. Данько // Донецк : Свгг книги, 2013.
- 327 с.
9. Холодильное оборудование предприятий пищевой промышленности / В. В. Осокин, А. С. Титлов, С. Ф. Горыкин, А. Б. Кудрин // Донецк : [ДонНУЭТ] ; Одесса , 2011. - 255 с.
10. Увеличение сроков хранения растительного сырья в модулях с модифицированной атмосферой методами нейросетевого прогнозирования / В. Н. Радионенко, В. П. Данько, Ю. В. Пьянкова // Проблемы и перспективы современной науки: материалы Х Международной научно-практической конференции. - Ставрополь, 2016.
- С. 94 - 98.
11. Экспериментальная оценка геометрических размеров и массы единичных масличных семян с использованием метода Фурье-анализа / А. А.Шаззо, Е. П. Корнена, Л. А. Мхитарьянц, Н. А. Монахова, Е. Н. Губа // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 2006. № 2-3. С. 98-99.
12.Влияние фосфолипидной и белковой добавок на влагоудерживающую способность сырного теста / Е. Н. Губа // Евразийское Научное Объединение. 2015. Т. 1. № 6 (6). С. 38-41.
© Радионенко В. Н., Данько В.П., Пьянкова Ю.В., 2016
