Оптимизация органолептических методик Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Оптимизация органолептических методик

Исследуется оценка порога обнаружения запаха членами группы испытателей с использованием двух одорантов: бутанола и диметилового эфира. Определяются пределы допускаемой погрешности определения порога обнаружения запаха и оптимальное количество испытателей с учетом значимости и материальных затрат

Л.А. Конопелько1

ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д.И. Менделеева» (ФГУП ВНИИМ имени Д.И. Менделеева), д-р техн. наук, профессор

К.К. Семенов2

ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» (ФГАОУ ВО СПбПУ), канд. техн. наук

И.А. Москвина3

ФГАОУ ВО СПбПУ

М.В. Окрепилов4

ФГУП ВНИИМ имени

Д.И. Менделеева, д-р техн. наук,

доцент, m.v.okrepilov@vniim.ru

профессор кафедры, Санкт-Петербург, Россия

2 доцент, Санкт-Петербург, Россия

3 Санкт-Петербург, Россия

4 заместитель генерального директора по качеству и образовательной деятельности, Санкт-Петербург, Россия

Для цитирования: Конопелько Л.А., Семенов К.К., Москвина И.А., Окрепилов М.В. Оптимизация органолептических методик // Компетентность / Competency (Russia). — 2023. — № 6. DOI: 10.24412/1993-8780-2023-6-12-17

ключевые слова

органолептика, статистические методы, доверительный интервал, оптимальное значение, группа испытателей, порог выявления запаха

рганолептические методы широко используются для оценки качества воздуха, воды, пищевых продуктов и других объектов. Область применения органо-лептического анализа достаточно обширна. Приведем некоторые примеры.

1. Контроль выбросов в атмосферу веществ, имеющих запах. Метод исследования на источниках выбросов включает отбор и ольфактометрический анализ проб газов для определения содержания газов (в баллах), имеющих запах. В дальнейшем предусматривается определение рассеивания газов, имеющих запах, в атмосферном воздухе с целью оценки уровня их воздействия на население. Метод позволяет получить количественные данные, на основе которых разрабатывают нормативы допустимого уровня такого воздействия [2].

2. Контроль показателей качества воды. Определение этих показателей регламентируется документами СанПиН 1.2.3685-21 и ГОСТ Р 57164-2016 [3, 4]. Важность контроля органолеп-тических показателей качества воды определяется тем, что если вода обладает запахом, вкусом, привкусом и имеет повышенную мутность, то в ней могут присутствовать посторонние, в том числе вредные, вещества. Следует отметить, что некачественная вода как бы негативно воздействует на восприятие потребителя, вызывая у него непроизвольное отторжение, даже если она безвредна.

3. Контроль интенсивности запаха газа. Для придания запаха к газу добавляют специфические пахучие вещества — одоранты. Добавление одоранта в поток газа осуществляется на одори-зационных установках в специальных пунктах одоризации.

В случае с природным газом в Российской Федерации применяется смесь меркаптанов. Поскольку каждый компонент в этой смеси обладает запахом, то разные комбинации входя-

щих в ее состав веществ при вдыхании могут вызывать различные ощущения. Принято придерживаться определенного соотношения компонентов в смеси меркаптанов и оценивать концентрацию одоранта по этилмеркаптану.

Для облегчения проверки концентрации бытового газа в воздухе его смешивают на одорирующих станциях с одорантом и по наличию запаха осуществляют контроль. Сложности выбора концентрации одоранта связаны с тем, что некоторые люди, например пожилого возраста, при утечке газа могут не почувствовать запах одоранта, поскольку его концентрация для них окажется мала, либо в случае высокой концентрации одоранта начнут звонить в соответствующие службы, хотя утечки как таковой нет [5]. 4. Оценка чистоты газа. При производстве некоторых газов важным является отсутствие примесей, которые могут влиять на запах выпускаемого газа. Например, использование диметилового эфира недостаточной чистоты в парфюмерной промышленности влияет на качество конечного продукта.

Нормативные документы, в которых рассматриваются основные подходы к применению и выполнению орга-нолептического анализа, представлены в табл. 1.

Анализом запаха занимается оль-фактометрия, являющаяся областью оценки реакции/отклика испытателей на обонятельный стимул [6]. В документе сформулированы основные методологические положения ольфакто-метрического анализа.

Выполнение такого анализа связано с существенными материальными затратами, в первую очередь на обучение и подготовку испытателей и оплату их трудовых затрат. Поскольку к работе привлекается группа испытателей, экономические затраты на анализ зависят от их количества. Из этого следует,

Таблица 1

Перечень основных документов, связанных с органолептической оценкой свойств различных объектов [Main documents list related to the organoleptic evaluation of the various objects properties]

Нормативный документ [Regulatory document] Описание [Description]

СанПиН 1.2.3685-21. Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания Представлены нормативы в области охраны окружающей среды

ГОСТ 22387.5-2014. Газ для коммунально-бытового потребления. Методы определения интенсивности запаха Настоящий стандарт распространяется на горючий природный газ и сжиженные углеводородные газы для коммунально-бытового потребления, а также сжиженные углеводородные газы, предназначенные для использования в качестве моторного топлива для автомобильного транспорта, и устанавливает методы определения интенсивности их запаха

ГОСТ Р 58578-2019. Правила установления нормативов и контроля выбросов запаха в атмосферу Настоящий стандарт устанавливает правила контроля выбросов запаха в атмосферу. Стандарт распространяется также на методы исследования запаха в выбросах промышленных предприятий и в атмосферном воздухе, требования к измерению концентрации запаха ольфактометрическим способом, оборудование и материалы, используемые в ольфактометрии

ГОСТ ISO 6658-2016. Органолептический анализ. Методология. Общее руководство В настоящем стандарте изложены общие принципы и основы методологии органолептического анализа. Ознакомление со стандартом пользователя необходимо перед применением более детальных методик тестирования, которые описаны в других стандартах

ГОСТ ISO 8586-1-2011. Органолептический анализ. Общее руководство по отбору, обучению и контролю испытателей. Часть 1. Отобранные испытатели (1.01.2013) Настоящий стандарт предназначен для применения во всех областях промышленности, в которых используют органолептическую оценку продуктов с помощью органов чувств, устанавливает критерии отбора испытателей и содержит описание процедуры обучения отобранных испытателей, а также контроля за их деятельностью

ГОСТ Р 57164-2016. Вода питьевая. Методы определения запаха, вкуса и мутности Настоящий стандарт распространяется на природную и питьевую воду, в том числе расфасованную в емкости, и устанавливает: ► органолептические методы определения запаха, вкуса и привкуса ► определение мутности с использованием оптических приборов

что число испытателей в группе должно быть оптимальным, чтобы обеспечивать достаточный уровень точности определения запаха при минимальных экономических затратах.

Задача оптимизации

Задача определения порога восприятия того или иного запаха представляет собой частный случай задачи оптимизации, поскольку предполагает получение количественной оценки искомой величины при условии приемлемого соотношения между достоверностью результата и экономическими затратами, связанными с его получением.

Для определения порога восприятия запаха необходимо сформировать группу испытателей, по отклику которых на наличие одоранта в специальных пробах определяется количественное значение искомой величины [6].

Рассмотрим задачу отбора испытателей как элемент математической модели. Количество испытателей в группе должно удовлетворять ряду ограничений:

► число испытателей не может быть большим в связи с экономическими затратами на подготовку каждого испытателя, а также на проведение тестов на соответствие кандидата установленным требованиям;

► число испытателей не может быть слишком малым, так как группа должна показывать результаты с погрешностью не более установленного значения.

Таким образом, получаем естественные ограничения, которые должны быть отражены в математической модели. Последняя позволяет обоснованно определить оптимальное количество испытателей, отбираемых для установления порога обнаружения запаха, который выражается как значение, соответствующее достижению оптимума следующего функционала [7]:

N * = а^тт м (ал ■ N С + а2етах (N)), (1)

где С — величина экономических издержек, связанных с работой и привлечением каждого испытателя (руб.);

етах — предел допускаемой погрешности определения порога обнаружения запаха, зависящий от величины

справка

Запах, согласно ГОСТ ISO 5492-2014, — это

ощущение, воспринимаемое с помощью органа обоняния при вдыхании некоторых летучих веществ [1]. Оценка запаха — довольно сложный и неоднозначный процесс, поскольку ощущение запаха зависит от индивидуальности человека. При оценке запаха необходимо учитывать два основных фактора — концентрацию вдыхаемых веществ и чувствительность носа испытателей

Органолептический анализ —

исследование с целью оценки органолептических характеристик продукта с помощью органов чувств. При его выполнении изучается качественная и количественная оценка ответной реакции органов чувств человека на свойства продукта. Для выполнения органолептического анализа привлекаются органолептические испытатели, в качестве которых могут выступать любые лица без особых ограничений [1]

группы (как минимум в отношении той его составляющей, что отражает статистическую погрешность);

а^ и а2 — веса, учитывающие вклад каждого из участвующих факторов (экономические издержки и предел погрешности);

N — число испытателей.

В рассматриваемой ситуации, поскольку и первое, и второе слагаемое представляют собой равноправные величины (экономические издержки):

N * = arg minN (a ■ N C + a ■ C- lge°"(N )-1) =

= arg minn (N C + C-lge"x(N)-1), (2)

где C0 — стоимость определения порога обнаружения с предельной относительной погрешностью не более

^ max = 0,01.

Рассчитаем величины С и С0. В среднем заработная плата составляет 40 тыс. руб., учитывая, что в месяце примерно 21 рабочий день, а продолжительность рабочего дня равна 8 ч, получается, что оплата одного рабочего часа составляет 240 руб./ч. Для получения результата нужно сделать минимум 12 определений. На каждое из них уходит примерно 10 минут. Для полного цикла нужно потратить 2 ч, соответственно работа одного испытателя будет стоить 480 руб. (С).

С0 рассчитывается как сумма трех слагаемых. Первое из них — почасовая ставка испытателя 240 руб./ч, умноженная на время, затраченное на измерение индивидуального порога запаха 30 минут (время берется с учетом подготовки используемых средств измерений). Второе — затраты на амортизацию ольфактометра (стоимость устройства, поделенная на произведение числа дней в году и числа часов, потраченных на определения в течение суток, в общем случае 365x24). Стоимость ольфактометра составляет около 600 тыс. руб. Третье слагаемое — стоимость баллона с газом, необходимым для определений, которая составляет около 40 тыс. руб. Одного десятилитрового баллона с газом хватает примерно на 20 определений. Таким образом получаем С0 равным 2274 руб.

Значения С и С0 используются для нахождения N.

Оценка погрешности индивидуальной оценки порога запаха

Оптимальное количество испытателей, привлеченных для установления порога запаха, определялось после выполнения расчетов N по формуле (1). Предварительно находился предел погрешности выполняемых в ольфактометрии измерений. Это значение рассчитывалось с использованием доверительного интервала для медианы [8]. Поскольку метод является непараметрическим, его результат не зависит от закона распределения результатов определения порога обнаружения запаха, вследствие чего предел погрешности зависит от размера выборки испытателей.

В период работы, с декабря 2019 по май 2021, были получены результаты измерений порога запаха по двум веществам: п-бутанолу (294 результата) и диметиловому эфиру (72 результата). Часть результатов определения порога запаха по п-бутанолу была отброшена, так как некоторые кандидаты не прошли отбор в испытатели, который проводился в соответствии с рекомендациями, представленными в документах [6, 9]. Таким образом отобранное количество результатов измерений составило 201 значение.

Опишем погрешность индивидуальной оценки порога запаха с помощью доверительного интервала для медианы.

Для определения границ доверительного интервала, выполнения дальнейших оценок на его основе и расчетов будем использовать оценки индивидуального порога запаха в логарифмическом масштабе.

Оценка выборочной медианы производится согласно выражению:

х(п+\\, если п — нечетное;

Xmed

%t \ + x,

' n * ' 2

n+1

~2~

, если n — четное.

Рассмотрим доверительный интервал 1р для значения медианы в виде

ip - x(k)- x(k2;

(3)

где п — число определении;

и k2 — номера в упорядоченной выборке, лежащие в пределах от 1 до п.

Воспользуемся теоремой Муавра — Лапласа. Положим, что в п испытаниях вероятность возникновения интересующего события постоянна и равна р. Число результатов т подчиняется нормальному закону, если в серии испытаний данное событие имеет место при п >> 1. При этом математическое ожидание т равняется п ■ р, а среднеквадра-тическое отклонение — ^п - р - (1 - р). Соответственно k1 и — квантили нормального распределения с математическим ожиданием п ■ р = п /2 и среднеквадратическим отклонением

л]п-р(1 - р) = , где р =1

k — N i_p

k2 - N1+p

JP -

2

Тогда

2 _fNi+p (°-i)

n yfn n —__ л/n

/ — 2

n 4n ^ n yfn __

= 2~ 2

(4)

' i+p

"2"

yfn

2 2 1+p

Ni+p (0,1)

+1

.(5)

в качестве левой границы интервала 1р. ► отсортировать исходные данные, к которым добавить предел погрешности и выбрать значение под номером k2 в качестве правой границы интервала 1р

Взаимосвязь математической модели ольфактометрии и доверительных интервалов для медианы

Доверительный интервал для значения порога обнаружения, построенный через доверительный интервал для медианы, имеет границы

1 = [г(к1), г(^)], где г — значения концентрации анализируемого газа, отмеченные испытателями в качестве порогового, I = 1, 2, .., N

40'

Пусть Ыа(М, а) — а-100 %-ая квантиль нормального закона с математическим ожиданием М и среднеквадра-тическим отклонением а.

Так как Ыа(М, а) = М + Ыа(0, а) = = М + ^N„(0, 1), то

значения выборки г, упорядоченные по возрастанию;

\ =[0,5- N - 0,5- ^N -20,5 ■ (1+р)(0,1)]; к2 =[0,5- N + 0,5- -Ш- 20,5 ■ (1+р )(0,1)] +1, где 20,5 - (1+р )(0,1) - 0,5(1 + Р) -100%

квантиль стандартного нормального распределения (то есть с нулевым математическим ожиданием и единичной дисперсией);

Р = 0,95 — доверительная вероятность;

[х] — целая часть числа х.

Таблица 2

Значения Emax для бутанола и ДМЭ в зависимости от количества испытателей в группе [Values of е for butanol and dimethyl ether

Условием применения доверительного интервала для медианы является следующее:

п > 20.

При этом распределение значений роли не играет.

Для учета погрешности исходных данных следует произвести следующие операции:

► отсортировать исходные данные, из которых вычесть предел погрешности и выбрать значение под номером k1

depending on the number of testers in the group

Количество испытателей [Number of testers] 3 4 5 6

Бутанол 0,012 0,021 0,015 0,0125

ДМЭ ppm 612 419 419 419

Таблица 3 Оценки значения N* по эмпирическим данным1 [Estimates of the value N* based on empirical data]

Количество испытателей [Number of testers] 3 4 5 6

Бутанол 2673 2108 3475 6118

ДМЭ ppm 1950 1560 2400 2880

1 Получены при разном числе испытателей в группе [Obtained with a different number of testers in the group]

Оценки значения N* 7000

по эмпирическим данным, 6000

полученным с разным

числом испытателен 5000

в группе 4000

[Estimates of the value N* е и

based on empirical data че а 3000

obtained with different CO 2000 -

numbers of testers in the

group] 1000

4

Количество испытателей

Соответственно получаем, что в случае определения порога обнаружения газа в газовой смеси как концентрации, при которой газ обнаруживается половиной испытателей, формула (3) приобретает вид

Ре

н

I =

Pr (г е I) = P;

Г[о,5Ж-0^ ■ 20,5(1+,)(ОД)], Г([>^+0,5^ 2015(1+Р)(0,1)]+1)

где г — точное пороговое значение. Соответственно получаем, что

(6)

( N ) = 0'5 Ы)-% )) =

(7)

= 0,5

r([o,5N+o,5VÑ ■ Zo,5(1+í)(o,i)]+i] r[0,5N ~0,5^ ■ Zo,5(1+í)(0,i)]^

После подстановки в формулу (1):

N* = argmin ■ ЛГ • С + 0,5 ■ а2 ■

N {

■ (r([0,5N+0,5*fÑ■ Zo 5(i+p) (0,l)]+l) - r([0,5N-O^Zo^^l)])

(8)

Расчет погрешности индивидуальных оценок порога запаха

езультаты расчетов, выполненных в соответствии с формулами (7) и (8),представлены в табл. 2и 3.

Результаты расчетов N для бутано-ла и ДМЭ в зависимости от количества испытателей в группе представлены на рисунке. Видно, что зависимости имеют совпадающие минимумы что соответствует оптимальному числу испытателей в группе и равно четырем.

Выводы

сходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что оптимальное количество испытателей в группе для определения порога обнаружения запаха — 4 участника. Данный вывод прослеживается в измерениях порога обнаружения как бутанола, так и диметилового эфира. ■

Статья поступила в редакцию 4.05.2023

Список литературы

1. ГОСТ ISO 5492-2014. Органолептический анализ. Словарь; https://standartgost.rU/g/%D0%93%D0%9E%D0%A1%D0%A2_ IS0_5492-2014.

2. ГОСТ Р 58578-2019. Правила установления нормативов и контроля выбросов запаха в атмосферу; https://fpieco.ru/media/ uploads/images/gost_r_%2058577-2019.pdf.

3. СанПиН 1.2.3685-21. Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания; https://fsvps.gov.ru/sites/default/files/npa-files/2021/01/28/sanpin1.2.3685-21.pdf.

4. ГОСТ Р 57164-2016. Вода питьевая. Методы определения запаха, вкуса и мутности; https://internet-law.ru/gosts/gost/63576/.

5. ТУ 51-31323949-94-2002. Одорант природный ООО Оренбурггазпром. Технические условия; http://www.1bm.ru/techdocs/kgs/ tu/497/info/288/.

6. ГОСТ ISO 6658-2016. Органолептический анализ. Методология. Общее руководство; https://internet-law.ru/gosts/gost/62936/.

7. Подиновский В.В., Потапов М.А. Метод взвешенной суммы критериев в анализе многокритериальных решений: pro et contra // Бизнес-информатика. — 2013. — № 3(25).

8. ГОСТ Р 50779.24-2005. Статистические методы; https://internet-law.ru/gosts/gost/5236/.

9. ГОСТ 22387.5-2021. Газ для коммунально-бытового потребления. Методы определения интенсивности запаха; https://files.stroyinf.ru/Data/760/76070.pdf.

0

3

5

6

Kompetentnost / Competency (Russia) 6/2023

ISSN 1993-8780. DOI: 10.24412/1993-8780-2023-6-12-17

Optimization of Organoleptic Methods

L.A. Konopel'ko1, FSUE D.I. Mendeleev All-Russian Research Institute for Metrology (FSUE D.I. Mendeleev VNIIM), Prof. Dr. (Tech.' K.K. Semenov2, FSAEI HE Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (FSAEI HE SPbPU), PhD (Tech.) I.A. Moskvina3, FSAEI HE SPbPU

M.V. Okrepilov4, FSUE D.I. Mendeleev VNIIM, Assoc. Prof. Dr. (Tech.), m.v.okrepilov@vniim.ru

1 Professor of Department, St. Petersburg, Russia

2 Associate Professor, St. Petersburg, Russia

3 St. Petersburg, Russia

4 Deputy General Director for Quality and Educational Activities, St. Petersburg, Russia

Citation: Konopel'ko L.A., Semenov K.K., Moskvina I.A., Okrepilov M.V. Optimization of Organoleptic Methods, Kompetentnost'/ Competency (Russia), 2023, no. 6, pp. 12-17. DOI: 10.24412/1993-8780-2023-6-12-17

key words

organoleptics, statistical methods, confidence interval, optimal value, group of testers, odor detection threshold

We investigated the assessment of the odor detection threshold by members of the test team using two odorants: butanol and dimethyl ether. We have determined the limits of permissible error in determining the threshold of odor detection and the optimal number of testers, taking into account the significance and material costs. Olfactometry is engaged in the analysis of odor, which is the field of evaluation of the reaction / response of testers. Olfactometric analysis is associated with significant material costs, primarily for the training and training of testers and payment of their labor costs. Since it is necessary to involve a group of testers to perform an organoleptic analysis, the economic costs of the analysis depend on the number of people in the group. It follows from this that the number of testers in the group should be optimal in order to ensure a sufficient level of accuracy in determining the smell with minimal economic costs.

Based on the results obtained, it can be concluded that 4 participants are the most optimal number of testers in the group to determine the threshold for odor detection. This conclusion can be traced by measurements of the detection threshold of both butanol and dimethyl ether.

References

1. GOST ISO 5492-2014 Organoleptic analysis. Dictionary; https://standartgost.rU/g/%D0%93%D0%9E%D0%A1%D0%A2_ISO_5492-2014.

2. GOST R 58578-2019 Rules for setting standards and controlling odor emissions into the atmosphere; https://fpieco.ru/media/uploads/ images/gost_r_%2058577-2019.pdf.

3. SanPiN 1.2.3685-21 Hygienic standards and requirements for ensuring the safety and (or) harmlessness of environmental factors for humans; https://fsvps.gov.ru/sites/default/files/npa-files/2021/01/28/sanpin1.2.3685-21.pdf.

4. GOST R 57164-2016 Drinking water. Methods for determining odor, taste and turbidity; https://internet-law.ru/gosts/gost/63576/.

5. TC 51-31323949-94-2002 Odorant natural LLC Orenburggazprom. Specifications; http://www.1bm.ru/techdocs/kgs/tu/497/info/288/.

6. GOST ISO 6658-2016 Organoleptic analysis. Methodology. General guidance; https://internet-law.ru/gosts/gost/62936/.

7. Podinovskiy V.V., Potapov M.A. Metod vzveshennoy summy kriteriev v analize mnogokriterial'nykh resheniy: pro et contra [The method of weighted sum of criteria in the analysis of multi-criteria decisions: pro et contra], Biznes-informatika, 2013, no. 3(25), pp. 41-48.

8. GOST R 50779.24-2005 Statistical methods; https://internet-law.ru/gosts/gost/5236/.

9. GOST 22387.5-2021 Gas for domestic consumption. Methods for determining the intensity of odor; https://files.stroyinf.ru/ Data/760/76070.pdf.

Как подготовить статью для журнала «Компетентность»

Оригинал статьи и аннотацию к ней необходимо передать в редакцию в электронном виде (на магнитном носителе или по электронной почте komp@asms.ru). При передаче информации по электронной почте желательно архивировать файлы. В названиях файлов необходимо использовать латинский алфавит. Допускаемые форматы текстовых файлов — TXT, RTF, DOC. Допустимые форматы графических файлов:

► графики, диаграммы, схемы — AI 8-й версии (EPS, текст переведен в кривые);

► фотографии — TIFF, JPEG (RGB, CMYK) с разрешением 300 dpi.

К каждой статье необходимо приложить сведения об авторах — фамилия, имя, отчество, ученая степень, ученое звание, место работы и должность, телефон служебный и домашний, адрес электронной почты.