Упаковка пищевых продуктов с использованием искусственного интеллекта

Юрий Почанин

Упаковка пищевых продуктов с использованием искусственного интеллекта

33ВВЕДЕНИЕ

Искусственный интеллект меняет индустрию упаковки пищевых продуктов, позволяя быстро и точно отслеживать свежесть продуктов в режиме реального времени. Это помогает сократить количество пищевых отходов и способствует развитию экологичной системы упаковки. Стратегии глубокого обучения, такие как сверточные нейронные сети (СНС), показали высокую точность. Эти модели могут с точностью до 97,82 % различать свежие и подгнившие фрукты с помощью обработки изображений использовали комбинацию колориметрических датчиков штрихкодов и сверточных нейронных сетей для оценки свежести мяса без его повреждения. Kazi and Panda использовали остаточные архитектуры сверточных нейронных сетей для улучшения классификации свежести. Mohi-Alden et al. разработали метод сортировки болгарского перца в режиме реального времени, в котором используются сверточные нейронные сети для сортировки по степени зрелости и размеру. Модели машинного обучения, в том числе искусственные нейронные сети (ИНС), случайные леса и метод опорных векторов (SVM), использовались для оценки свежести напитков, грибов и мяса с точностью до 80% использовали компьютерное зрение на основе плотности для определения свежести яиц.

Модели машинного обучения — это алгоритмы, которые обучаются на данных для решения конкретных задач: классификации, регрессии, кластеризации и других. Среди них — искусственные нейронные сети (ИНС), случайные леса и метод опорных векторов (SVM).

Упаковка пищевых продуктов превратилась из простого способа их хранения в активную систему, которая может отслеживать изменения в качестве продуктов и условиях окружающей среды, взаимодействовать с ними и реагировать на них. Традиционные упаковочные технологии эффективны только для сохранения продуктов, но они не способны обеспечить доступ к упакованным продуктам и их мониторинг в режиме реального времени). Появление упаковки пищевых продуктов с использованием искусственного интеллекта привело к огромным изменениям в продовольственном секторе. Он предоставляет пользователям доступ к решениям на основе данных, которые напрямую связаны с контролем качества, повышением безопасности пищевых продуктов и отслеживанием их происхождения.

Обычная пластиковая упаковка была ключевым элементом рынка с момента его появления. Однако традиционная упаковка приводит к образованию отходов на свалках и значительному загрязнению окружающей среды. В основном упаковка пищевых продуктов состоит из пластика (40%), за которым следуют картон (31%), металлы (15%), стекло (9%) и 3% других материалов. Наиболее часто используемым небиоразлагаемым упаковочным материалом является пластик, который наносит значительный ущерб окружающей среде и представляет опасность для здоровья человека. Это указывает на необходимость поиска экологичных альтернатив, таких как биоразлагаемые полимеры и «умная» упаковка. Кроме того, традиционная упаковка для пищевых продуктов не позволяет в полной мере сохранять и контролировать состояние продуктов, что приводит к их порче и большим объемам пищевых отходов. Таким образом, существует острая необходимость в «умных» решениях для упаковки пищевых продуктов, которые могут в режиме реального времени предоставлять данные о местоположении, происхождении, качестве продуктов и их состоянии.

Упаковка пищевых продуктов имеет решающее значение для обеспечения их безопасности, сохранения качества и сокращения пищевых отходов. Однако традиционные упаковочные системы не могут предоставлять информацию в режиме реального времени или прогнозировать состояние продукта. Это ограничение влияет на прозрачность цепочки поставок и эффективность управления сроками годности. Для решения этих проблем перспективным подходом стала интеграция искусственного интеллекта (ИИ) с инновационными методами упаковки, такими как «умная», активная, интеллектуальная и биоразлагаемая упаковка. Упаковка пищевых продуктов с использованием ИИ позволяет создавать более гибкие, точные и экологичные системы. К ним относятся с использованияем ИИ, системы отслеживания экологически чистых упаковочных материалов, демонстрирующие свой потенциал в повышении безопасности пищевых продуктов, эффективности цепочки поставок и сокращении пищевых отходов. Это позволяет в режиме реального времени выявлять порчу продуктов, прогнозировать срок их хранения и повышать отслеживаемость с помощью технологий машинного обучения и блокчейна. Это даст результаты для прогнозирования и разработки устойчивых, масштабируемых упаковочных систем для укрепления глобальной продовольственной безопасности.

Современные разработки в области «умной» упаковки для пищевых продуктов включают съедобные, активные, интеллектуальные и биоразлагаемые системы. Однако большинство современных решений основаны на статических индикаторах или отдельных сенсорных технологиях. Такие проблемы, как нарушение температурного режима, порча продуктов из-за микроорганизмов, фальсификация продуктов и загрязнение окружающей среды небиоразлагаемым пластиком, до сих пор не решены. Кроме того, отсутствие принятия решений на основе данных ограничивает эффективность традиционной «умной» упаковки.

«Умная» упаковка на основе искусственного интеллекта объединяет в себе различные технологии. Она позволяет в режиме реального времени определять степень свежести продуктов, предупреждать о загрязнении и точнее прогнозировать срок годности. Эти новые подходы укрепляют доверие потребителей и помогают сократить количество пищевых отходов за счет мониторинга состояния упаковки и обеспечения точного управления запасами по всей цепочке поставок. В условиях растущего спроса на «умные», безопасные и экологичные решения для упаковки пищевых продуктов технологии на основе искусственного интеллекта создают прозрачную и более эффективную продовольственную систему. Активная упаковка продлевает срок хранения и обеспечивает безопасность продуктов, поддерживая среду вокруг упакованных продуктов. «Умная» упаковка оснащена датчиками, которые в режиме реального времени предоставляют данные о различных качественных характеристиках продукта.

. Во многих мировых компаниях рассматривается, как «умная» упаковка с использованием ИИ взаимодействует с технологиями машинного обучения, блокчейна и Интернета вещей. Эти комбинации могут изменить подходы к безопасности пищевых продуктов, обеспечению их качества и логистике цепочки поставок. Почти треть всех продуктов питания, производимых в мире, выбрасывается, а этого количества хватило бы, чтобы прокормить 2 миллиарда человек. В то же время миллионы людей ежегодно заболевают из-за пищевых отравлений. Современные системы упаковки пищевых продуктов работают, но они недостаточно «умны», чтобы решить эти проблемы. Традиционная система упаковки не может определить, когда продукт действительно испортился, точно отследить его путь или адаптироваться к меняющимся условиям. Именно здесь ключевую роль играет искусственный интеллект. Благодаря внедрению интеллектуальных систем в упаковку с помощью крошечных датчиков, которые определяют порчу продуктов, блокчейн-систем, отслеживающих каждый этап пути от фермы до стола, и алгоритмов, точно прогнозирующих срок годности, можно значительно сократить количество пищевых отходов, повысить безопасность и обеспечить прозрачность в режиме реального времени. Представьте себе упаковки с молоком, которые предупредят вас о том, что продукт скоро испортится, или продуктовые магазины, которые автоматически снижают цены на товары с истекающим сроком годности. Это не просто видение будущего, а практическое решение, которое необходимо пищевой промышленности уже сегодня. Однако роль искусственного интеллекта не ограничивается удобством. Он становится критически важным для нашей планеты и здоровья людей. По мере того, как становится все труднее выявлять случаи фальсификации продуктов питания, изменение климата усложняет управление цепочками поставок и удовлетворение меняющихся потребностей потребителей по всему миру. Искусственный интеллект помогает упаковке думать самостоятельно, прогнозируя риски заражения до возникновения вспышек, оптимизируя маршруты доставки для снижения энергопотребления и разрабатывая экологичные материалы, которые более эффективно разлагаются. Для бизнеса это означает меньше отзывов о качестве продукции и больше прибыли. Для потребителей это означает более безопасные продукты и меньше чувства вины за их утилизацию. В мире, где важен каждый кусочек, упаковка, созданная с помощью искусственного интеллекта, не просто умна, но и ответственна.

ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИИ «УМНОЙ» УПАКОВКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Технологии «умной» упаковки пищевых продуктов в основном включают в себя активную, интеллектуальную и биоразлагаемую упаковку. Эти методы используются в пищевой промышленности на разных уровнях для обеспечения безопасности, качества и своевременной транспортировки продуктов питания.

Упаковка, при прохождении стадии от производства до конечного потребления, выступает одним из важнейших условий формирования конкурентоспособности товара, а также сохранения его потребительских свойств. В то же время функции упаковки формируются уже начиная с самого производства товара. Их действие распространяется на весь путь следования товара от упаковки товара на складе производителя, до оптового или розничного магазина.

Функции упаковки прекращаются в тот момент, когда покупатель достает из нее товар и уничтожает (или возвращает) ее. До того момента, пока упаковка не уничтожена, она выполняет ряд маркетинговых функций, а также может легко использоваться покупателем любых не предусмотренным производителем образом.

В основном различают маркетинговые и производственно-торговые функции упаковки. К главным маркетинговым функциям упаковки, которые в большей степени проявляются в случае упаковывания потребительских товаров, можно отнести:

- функцию сохранения качества и количества товара. Иногда эту функцию также называют основополагающей, хотя она относится больше к производственно-товароведческим функциям, чем к маркетинговым. Как известно, основным предназначением упаковки является защита товара от возможных повреждений, а также обеспечение неизменности потребительских свойств товара в течение определенного времени при заданных условиях транспортирования и хранения;

-функцию формирования качества товара. Конструктивные особенности упаковки должны легко обеспечивать возможность удобно пользоваться товаром, должны максимально удовлетворять потребности потребителей, а дизайн упаковки должен формировать в глазах покупателей образ высококачественного товара;

-функцию формирования спроса на товар. Упаковка может привлечь внимание потенциального покупателя, сформировать определенный имидж товара, поэтому на ней делают элементы рекламного оформления, то есть она наделяется соответствующим цветовым решением, подбирается нужный шрифта, на ней располагают лозунги и т.д.;

-функцию идентификации товара. Упаковка обеспечивает потребителю возможность увидеть товар до момента его приобретения, например в случае использования прозрачных упаковочных материалов, а также специальных “окошек” и других прозрачных элементов;

-функцию предоставления информации о товаре. Использование маркировки, которая размещена на упаковке, потенциальные потребители легко могут получить нужные им сведения о товаре, о его качестве, входящих в его состав ингредиентов, сроке годности, способах эксплуатации и т.д.;

-функцию стимулирования сбыта товара. Использование упаковки или ее частей при проведении разнообразных рекламных акций, размещение на её поверхности информации о розыгрыше ценных подарков или выигрышных купонов, которые используют затем при проведении конкурсов и розыгрышей призов или для обеспечения определенными льготами при приобретении товара – все это позволяет уменьшить затраты на другие мероприятия стимулирования сбыта;

-функцию маркетинговых исследований. Для производителя очень важна обратная связь со своими потребителями. Установлению такой связи способствует размещение на упаковке подробной информации о производителе (адрес, контактные телефоны, ссылка на сайт в интернете и т.д.), а также размещение внутри нее различных вкладышей в виде опросных листов, анкет и т.п. Уже использованная и выброшенная упаковка тоже может служить источником информации для маркетолога;

-функцию мерчендайзинга. Упаковка конечно же должна быть удобной для сферы торговли, как в случае оптимизации выкладки товаров на прилавках магазинов и полках, так и в случае различных операций на складе.

К основным производственно-торговым функциям упаковки можно отнести:

-защиту товара от воздействия окружающей среды (или же наоборот), а также от различного вида повреждений при погрузочно-разгрузочных работах, при транспортировании, при складировании и хранении;

-обеспечение сохранности потребительских свойств продукции;

-создание оптимальных по весу и объему единиц упаковки для продажи товара;

-беспечение возможности создания рациональных единиц для погрузки и выгрузки товаров;

-облегчение реализации операций транспортирования, хранения и складирования;

Также помимо уже отмеченных выше функций упаковка должна обеспечивать:

-возможность экологически чистого уничтожения материалов, из которых изготовлена упаковка;

-возможность ее повторного использования или повторного использования упаковочных материалов, из которых она изготовлена.

Кроме того, любая упаковка является фактором расходов, которые связаны с производством товаров. Величина издержек должна находиться в разумной пропорции к стоимости упакованного товара. При этом транспортировка товара от предприятия-изготовителя до заказчика должна быть рентабельной. Это означает, что необходимо обеспечить минимальный уровень транспортных издержек. Вот почему в промышленно развитых странах процессы погрузки-разгрузки товаров максимально автоматизируются. Этим целям также должна служить упаковка.

Каким бы новым и оригинальным ни было решение упаковки, оно всегда должно подчиняться требованиям, предъявляемым к упаковываемому товару.

Самой же упаковке необходимо также обладать определенными свойствами:

-защитными;

-потребительскими;

-экологическими;

-рекламно-эстетическими.

Защитные свойства должны обеспечить полную сохранность изделий с момента их упаковки до момента их потребления.

Потребительские свойства упаковки. Их можно охарактеризовать:

-разнообразием форм и размеров упаковки;

-степенью готовности продукта к употреблению;

-удобством обращения с упакованным продуктом;

-удобством потребления;

- возможностью переноса упаковки;

-наличием устройств, которые бы предотвращали

несанкционированное вскрытие упаковки и осуществляли бы контроль за содержимым;

-простотой и надежностью укупорки упаковки и её герметизации.

Нужные экологические свойства упаковки необходимы для обеспечения минимального загрязнения уровня окружающей среды потребляемой упаковкой, а также для наиболее эффективной и экономически выгодной утилизации ее отходов.

Упаковка также является составной частью современной массовой культуры, является продуктом дизайна, поэтому она должна не только удовлетворять любые, даже самые изысканные потребности покупателя, но и формировать культурный уровень покупателя.

Факторы, которые влияют на внешний вид упаковки:

-особенности товара. Это габариты, вес, объем и другие параметры, которые, в свою очередь, определяют вид используемых транспортных средств и средств складирования у поставщика;

-уровень приспособленности средств упаковки к средствам автоматизации, транспортировки и складирования у клиентов;

-виды и пути перевозки товара, поскольку имеются существенные различия в упаковке в зависимости от вида используемых транспортных средств.

1.1. Активная упаковка.

Термин “активная упаковка” появился в научно-технической литературе в начале 90-х гг. “Активная упаковка” содержит специальные добавки (поглотители газов и влаги, ароматизаторы, антимикробные и ферментные препараты), способствующие улучшению товарного вида и сохранению органолептических свойств пищевой продукции, то есть признаков, воздейтвующих на органы чувств.

С развитием техники и технологии получения упаковочных материалов расширяются функции упаковки.

Одним из наиболее эффективных способов защиты

продуктов от порчи является активная упаковка, однако в силу

сложности изготовления и дороговизны она пока применяется редко. Механизм защиты активной упаковки индифферентным барьером между пищевым продуктом и окружающей средой упаковка представлен на рис. 1.1.

Рис.1.1. Механизм защиты активной упаковки

Из инертного, индифферентного барьера между пищевым продуктом и окружающей средой упаковка в настоящее время все больше превращается в фактор производства, поскольку с ее помощью можно:

--картонная упаковка для пищевых продуктов способна направленно изменять состав продукта. В этом случае для изготовления упаковки применяются биологически активные материалы с иммобилизованными ферментами (добавка плотно удерживается в матрице полимерного материала);

-защищать продукты питания от микробиальной порчи, продлевая тем самым время их “жизни”. К примеру, срок хранения колбасной продукции в “активной”* оболочке увеличивается в 2-3 раза;

-создавать оптимальную газовую среду внутри оболочки, что широко используется при хранении продуктов питания в модифицированной и регулируемой среде. Применение такой упаковки для розничной продажи нецелесообразно из-за довольно высокой цены, однако на западе широко используется метод складского хранения овощей и фруктов в больших мешках с окошечком из селективно-проницаемого материала. Фрукты, сохраненные таким образом, гораздо дольше остаются свежими, упаковка окупается за счет устранения причин порчи и усыхания товара;

-регулировать температуру обработки продуктов питания в условиях микроволнового нагрева (например, используя металлизированные полимерные материалы). Продукт в металлизированной упаковке в СВЧ-печи может разогреваться до 200°С и выше. В этом случае большая часть тепла генерируется в покрытии, и продукт поджаривается как на сковородке, что недостижимо при микроволновом нагреве.

Это направление представляет несомненный интерес, поскольку введение добавки не в пищу, а в матрицу полимерной оболочки позволяет пролонгировать действие добавки, регулируя скорость ее массопереноса в пищевой продукт. При этом обеспечивается необходимый градиент концентрации добавки на поверхности защитной оболочки, непосредственно контактирующей с пищевым продуктом. Важным преимуществом “активных” упаковок является то, что благодаря иммобилизации добавок миграция их в пищевой продукт сведена к минимуму (или оптимально регулируется), поскольку по последним данным многие пищевые добавки таят в себе определенную угрозу здоровью. Например, известная всем лимонная кислота, часто вводимая в состав продуктов, несмотря на свою кажущуюся “безобидность”, может оказаться вредной при избыточном потреблении. Конечно, при нормальном питании такое воздействие будет незаметным, однако для определенной группы людей, в рационе которых консервы и полуфабрикаты составляют значительную часть, такие пищевые добавки могут быть действительно вредными.

Активная упаковка для молока. Организм некоторых людей не усваивает молоко, что генетически обусловлено дефицитом выработки у них фермента, расщепляющего молочный сахар (лактозу). Схема удаления холестирола из жидкого продукта представлена на рис. 1.2.

Рис.1.2 Удаление холестирола из жидкого продукта

Введение лактазы – фермента, гидролизующего молочный сахар, в полимерную основу упаковочного материала позволяет получать диетический продукт – “безлактозное молоко”

Высокое содержание холестерола (неправильно называемого холестерином) в плазме крови человека обычно связывают с повышением риска сердечно- сосудистых заболеваний.

..1.

Бактерицидные упаковочные материалы

Для защиты пищевой продукции от неблагоприятного воздействия патогенной микрофлоры и токсичных продуктов ее жизнедеятельности в последние годы применяют бактерицидные упаковочные материалы. Примером реализации такого способа является использование антимикробных защитных систем на основе гигиенически безопасных латексов (водных дисперсий синтетических полимеров). Путем создания латексной композиции оригинального состава на основе экологически безопасных водных систем, содержащих антимикробные добавки, и последующего формирования из них покрытий непосредственно на продуктах питания разработан способ защиты мясных изделий и сыров. Предложенный способ отличает сравнительная простота технического решения: нанесение на поверхность продукта многослойных полифункциональных покрытий, исключающих применение высоких температур, которое иногда негативно влияет на свойства продукта. При этом обеспечивается плотное и повсеместное облегание поверхности продукта, гарантирующее отсутствие микрополостей – областей потенциального развития нежелательной микрофлоры. В качестве антимикробных добавок используются отечественные оригинальные препараты – соли дегидрацетовой кислоты с широким спектром действия на различную микрофлору (дрожжи, грибы, актиномицеты), а также комплексы этих добавок в сочетании со специальными регуляторами жизнедеятельности микробных клеток (они защищают главным образом поверхность упакованного продукта, как известно, максимально подверженную инфицированию). Защитные покрытия, формируемые непосредственно на поверхности пищевых продуктов (незрелых сыров, колбас, деликатесной и обычной мясной продукции) отличаются антимикробной активностью, обеспечивают снижение потерь полезной массы, например, для сыра до 2% за период созревания, и экологическую безопасность производства, ускоряют биохимические процессы созревания, улучшают условия труда по уходу за сыром за счет ликвидации стадии мойки, переупаковки, снижения негативного воздействия экотоксикантов на продукт и обслуживающий персонал.

Одним из направлений борьбы с плесневыми грибами является включение добавок биоцидов растительного происхождения в структуру полимерных материалов, используемых для изготовления упаковки. Основная задача антимикробных добавок – снижение количества микробов в массе изделия и на его поверхности. Активность антимикробных соединений зависит от таких параметров, как концентрация активного компонента, pH, температура, тип полимера, метод ввода (с пластификатором или в расплаве) и время их контакта с полимером. Кроме того, следует учитывать такой немаловажный фактор, как чувствительность микроорганизмов.

Современные пленочные полимерные материалы обеспечивают лишь определенный уровень защиты продукции. Они не могут направленно воздействовать на биохимические и микробиологические изменения в упакованном продукте. Необходимо производить новые упаковочные материалы с избирательной проницаемостью, создающие барьер на пути излишне интенсивного газо-и влагообмена, поступления микрофлоры извне, препятствующие развитию нежелательных микроорганизмов на упаковываемых изделиях. В качестве основы для бактерицидного упаковочного материала были выбраны полимеры. Исследованиями установлено, что достаточно хорошо ингибировала (тормозила) рост плесневых грибов композиция ПЭВД 98 % + ДЖК + ДЭТА (ПЭВД – полиэтилен высокого давления; ДЖК – диспропорционированная живичная канифоль; ДЭТА – диэтилентриамин), а также, что композиция ПЭВД с добавками таллового пека и полиэтиленполиамина показали резкое ухудшение прочностных характеристик, а с увеличением добавки предполагаемой смеси сосновой живичной канифоли (СЖК) с ДЭТА (более 2 %) и ДЖК резко ухудшаются прочностные характеристики материала.

Очень интересны бактерицидные упаковочные материалы, призванные для защиты продуктов питания от вредных воздействий патогенной микрофлоры и влияния различных токсичных веществ. Продукты питания, упакованные в плену, изготовленную на этой основе, становятся стерильными. Это происходит из-за того, что на поверхности продукта под воздействием вводимых добавок все вредные микробы и бактерии уничтожаются. Для того, чтобы защитить пищевые продукты от вредного воздействия микроорганизмов более длительное время, в полимерные оболочки, изготовленные на основе водных дисперсий типа ВИМ и полисвэд, вводятся различные специальные противомикробные добавки, типа зарубежного «Дельвоцид» или же отечественного ДГК (соль дегидроцетовой кислоты).