基于综合营养素的粮食适度加工判断方法与流程

本发明属于粮食适度加工技术领域，具体涉及一种基于综合营养素的粮食适度加工判断方法。

背景技术：

在粮食的加工过程中，如何对粮食进行适度加工一直是人们研究的热点问题。

食品加工企业为满足消费者对粮食产品的外观和口感要求，往往存在对粮食的过度加工问题；然而，粮食的过度加工，会造成粮食中营养素的大量丢失和粮食的低出品率。

近期对粮食消费者的调查统计表明，与其关注粮食产品的外观和口感，消费者更看重粮食产品的营养。因此，在满足消费者对粮食产品基本的外观和口感的基础上，如何要尽可能保留粮食产品中的营养价值是食品加工企业迫切需要解决的问题。

站在粮食加工企业的角度，当然希望出品率越高越好；站在消费者的角度考虑，则注重粮食产品的外观和口感。为了适应消费者的消费观念，粮食加工企业只好通过牺牲粮食产品的出品率和营养价值来满足消费者对粮食产品的口感和外观需求，最终使得大量原粮被过度加工，其结果是造成粮食的大量浪费。

我国人口众多，粮食供应尚不能自给自足，每年还需要从国外进口大量粮食。因此，不仅需要人们在日常生活中节约粮食，也需要从粮食加工的源头(粮食加工企业)在粮食加工环节尽可能节约粮食。

对全国31个自治区、直辖市、省的普通消费者进行了抽样调查，发现人们对主要粮食产品的消费观正在悄悄发生改变，有87％的消费者更加重视粮食的营养价值。事实表明，只要对大众的粮食消费观念加以正确引导，是可以使粮食不会被过度加工的。显然，这样做既保证了粮食的营养素含量不致大量丢失，同时也提高了粮食产品的出品率。无论是对消费者还是对粮食加工企业而言，这都是一个双赢的结果。

然而，目前市场上还没有一个判断某种粮食产品是否被过度加工的方法。作为加工粮食产品的企业而言，迫切需要有一个粮食适度加工的标准。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提供一种基于综合营养素的粮食适度加工判断方法。

本发明的技术解决方案是：一种基于综合营养素的粮食适度加工判断方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：粮食样本数据采集，统计出样本中主要营养素的含量；所述粮食样本数据包括从粮食加工企业现场采样回来的大量粮食样本数据；所述主要营养素的含量包含各种粮食加工前后的主要营养素含量；

步骤2：建立用来统计各营养素含量的上界和下界数学模型；

步骤3：建立用来求解粮食适度加工的综合营养素区间的数学模型。

根据本发明实施例，所述步骤2中用来统计各营养素含量的上界数学模型，用第i种粮食产品含第j种营养素的上界uij表示，其计算公式如下：

所述步骤2中用来统计各营养素含量的下界数学模型，用第i种粮食产品含第k种营养素的下界dij表示，其计算公式如下：

由式(1)和式(2)得到第i种粮食产品各营养素的优化区间为[dij,uij]。

根据本发明实施例，一种基于综合营养素的粮食适度加工判断方法，还包括步骤4：

根据消费者对粮食的口感、外观以及营养看重程度的市场调查数据调整粮食产品各营养素的下限，得到第i种粮食产品各营养素的优化区间为[dij+εij,uij]，粮食产品各营养素的下限调整为

dij:＝dij+εij(3)；

根据粮食产品的市场占有率的调查数据来调整粮食产品各营养素的上限，得到第i种粮食产品各营养素的优化区间为[dij+εij,uij-ηij]，粮食产品各营养素的上限调整为

uij:＝uij-ηij(4)；

根据居民膳食指南对粮食产品各营养素进行调整，则到第i种粮食产品各营养素的优化区间为[dij+εij+δij,uij-ηij]，粮食产品各营养素的下限调整为

uij:＝dij+δij(5)。

根据本发明实施例，所述步骤1中主要营养素的含量按照第i种粮食产品在第k次采样中含第j种营养素占原粮中相应营养素的比例计算，计算公式如下：

根据本发明实施例，一种基于综合营养素的粮食适度加工判断方法，还包括步骤5：

通过下列函数求解营养最好的粮食产品

其中

如果使得

则表示第i种粮食产品在第s次采样中的营养含量最高。

根据本发明实施例，一种基于综合营养素的粮食适度加工判断方法，还包括步骤6：

根据粮食产品中营养素含量特性，其整体含量可以通过下式度量，

由式(9)可知，v的最小值如下

根据本发明实施例，一种基于综合营养素的粮食适度加工判断方法，还包括步骤7：

定义粮食适度加工的上界，以便建立优化的目标函数，由式(9)可以得到第i种粮食产品第k采样的整体营养度量如下：

因此，定义vi的上界如下：

由式(10)和(12)可知，max(vi)对应营养的下限，而min(vi)对应营养的下限；

因此，可以定义如下的优化函数

t(v)＝v-min(v1)。(13)

其中，v∈[min(vi),max(vi)]。

根据本发明实施例，一种基于综合营养素的粮食适度加工判断方法，还包括步骤8：建立粮食产品适口性的优化模型

根据每种粮食产品采样的适口性，求出第i种粮食产品适口性的上界pui如下：

求出第i种粮食产品适口性的下界pdi如下：

因此，第i种粮食产品适口性的区间为[pdi,pui]

第i种粮食产品适口性的优化函数为

g(y)＝pui-y

其中y∈[pdi,pui]。

根据本发明实施例，一种基于综合营养素的粮食适度加工判断方法，还包括步骤9：建立粮食产品市场占有率的优化模型

根据每种粮食产品采样的市场占有率，求出第i种粮食产品适市场占有率的上界opui如下：

求出第i种粮食产品市场占有率的上界opdi如下：

因此，第i种粮食产品市场占有率的区间为[opdi,opui]；

第i种粮食产品市场占有率的优化函数为

h(z)＝opui-z(18)

其中z∈[opdi,opui]。

根据本发明实施例，一种基于综合营养素的粮食适度加工判断方法，依据粮食产品营养优化的目标函数为t(v)，粮食产品适口性的优化函数为g(y)，粮食产品的市场占有率的优化函数为h(z)，建立多目标优化的数学模型如下：

本发明的有益效果是：本方法从采样统计的角度对粮食的适度加工进行科学研究，针对粮食加工过程中营养素丢失的特点，建立合理的数学模型；本方法利用粮食的综合营养素含量对粮食产品是否适度加作出判断，可以让粮食加工企业按照这个标准对粮食进行适度加工；粮食消费者和粮食加工企业都可以从粮食适度加工中受益，消费者可以得到营养价值尽可能保留的粮食产品，而粮食加工企业提高了粮食出品率。

本发明附加方面和优点将在下面的描述部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1是求大米营养价值区间的操作界面图。

图2是大米适度加工的营养素区间界面图。

图3是该种大米被过度加工界面图。

图4是该种大米被适度加工界面图。

具体实施方式

下面详细描写本发明的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本方法从采样统计的角度对粮食的适度加工进行科学研究；本方法需要采集大量的营养素数据，基于综合营养素的粮食适度加工研究的步骤如下。

(1)分别建立营养价值、适口性、市场占有率的优化模型，营养价值尽可能高。

(2)通过(1)中建立的三个单目标优化模型，确定营养上下限，适口性上下限和市场占有率的上下限，为最后的优化模型提供优化空间。

(3)确定初始的优化区间，即对于三个目标函数，需要确定其变量，并分别计算出初始的三个优化区间。

具体做法如下。

(a)确定每种粮食各营养素的上下限。根据三个方面的数据：由粮食企业各个加工环节的营养素含量采集的实验数据、居民膳食营养指导、消费者对粮食的口感、外观以及营养看重程度的市场调查数据和粮食产品的市场占有率的调查数据。

首先，对粮食企业各个加工环节的营养素含量的采集数据通过粮食的等级进行分类，对每一类粮食给出其对应的营养的限制。

其次对于消费者对粮食的口感、外观以及营养看重程度的市场调查数据和粮食产品的市场占有率的调查数据，提炼出相关的数据，加入影响因子λ1i。

最后，基于居民膳食指南，加入影响因子λ2i；营养的上下限最后的形式为

(b)适口性的上下限和市场占有率的上下限确定方法主要利用粮食企业各个加工环节的营养素含量采集的实验数据，其确定的思路和确定营养上下限的一致，都是居于目前采样的相关统计特性来计算。

(4)用多目标优化求帕累托解集。具体做法，就是以所有的采集的样本为优化对象，以营养，市场占有率和适口性为目标，求解问题的帕累托解集；实际上就是求出所有的在某一个指标上占优的样本。

(5)调整优化区间。以这些样本为对象，进一步调整初始的三个优化区间。此时考虑和初始的区别在于考虑三者之间的相关性，得出的是一个综合的粮食适度加工区间。

模型的假设和符号的说明。

模型的假设

(1)采样的数据真实可靠；

(2)在对粮食产品的营养素进行采样时，同时完成对粮食产品的适口性和市场占有率的统计；

(3)采样的企业具有代表性；

(4)采样的样本足够多。

符号说明

m表示粮食产品的种类数量。

n表示粮食产品的营养种类。

p表示粮食产品的采样次数。

表示第i种粮食产品在第k次采样中具有第j种营养的含量，其中i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n；k＝1,2,…,p。

ti表示粮食产品的类型名称，其中i＝1,2,…,m。

cj表示粮食产品的营养素名称，其中j＝1,2,…,n。

uij表示第i种粮食产品含第j种营养素的上界，其中i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n。

dij表示第i种粮食产品含第j种营养素的下界，其中i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n。

bij表示第i种粮食产品中第j种营养素的含量，其中i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n。

表示第i种粮食产品在第k次采样中含第j种营养素占糙米中相应营养素的比例。

表示第i种粮食产品在第k次采样中的适口性，其中i＝1,2,…,m和k＝1,2,…,p。

pui表示第i种粮食产品适口性的上界，其中i＝1,2,…,m。

pdi表示第i种粮食产品适口性的下界，其中i＝1,2,…,m。

表示第i种粮食产品在第k次采样中的市场占有率，其中i＝1,2,…,m和k＝1,2,…,p。

opui表示第i种粮食产品市场占有率的上界，其中i＝1,2,…,m。

opdi表示第i种粮食产品市场占有率的下界，其中i＝1,2,…,m。

一种基于综合营养素的粮食适度加工判断方法，包括如下步骤：

步骤1：粮食样本数据采集，统计出样本中主要营养素的含量；所述粮食样本数据包括从粮食加工企业现场采样回来的大量粮食样本数据；所述主要营养素的含量包含各种粮食加工前后的主要营养素含量；

步骤2：建立用来统计各营养素含量的上界和下界数学模型；

步骤3：建立用来求解粮食适度加工的综合营养素区间的数学模型。

所述步骤2中用来统计各营养素含量的上界数学模型，用第i种粮食产品含第j种营养素的上界uij表示，其计算公式如下：

所述步骤2中用来统计各营养素含量的下界数学模型，用第i种粮食产品含第k种营养素的下界dij表示，其计算公式如下：

由式(1)和式(2)得到第i种粮食产品各营养素的优化区间为[dij,uij]。

一种基于综合营养素的粮食适度加工判断方法，还包括步骤4：

根据消费者对粮食的口感、外观以及营养看重程度的市场调查数据调整粮食产品各营养素的下限，得到第i种粮食产品各营养素的优化区间为[dij+εij,uij]，粮食产品各营养素的下限调整为

dij:＝dij+εij(3)；

根据粮食产品的市场占有率的调查数据来调整粮食产品各营养素的上限，得到第i种粮食产品各营养素的优化区间为[dij+εij,uij-ηij]，粮食产品各营养素的上限调整为

uij:＝uij-ηij(4)；

根据居民膳食指南对粮食产品各营养素进行调整，则到第i种粮食产品各营养素的优化区间为[dij+εij+δij,uij-ηij]，粮食产品各营养素的下限调整为

uij:＝dij+δij(5)。

一种基于综合营养素的粮食适度加工判断方法，所述步骤1中主要营养素的含量按照第i种粮食产品在第k次采样中含第j种营养素占原粮中相应营养素的比例计算，计算公式如下：

一种基于综合营养素的粮食适度加工判断方法，还包括步骤5：

通过下列函数求解营养最好的粮食产品

其中

如果使得

则表示第i种粮食产品在第s次采样中的营养含量最高。

通过以上方法，可以求出已采样粮食产品样本中的最高营养素含量的加工工艺。

需要说明的是，如果某种粮食产品的一个或几个营养素不在营养素区间[dij,uij]，就认定该粮食产品不合格(过度加工)显然是不合适的。实际上，判断某种粮食产品是否过度加工，应该有一个综合评价指标，该指标能反映粮食产品中营养素的整体含量。

一种基于综合营养素的粮食适度加工判断方法，还包括步骤6：

根据粮食产品中营养素含量特性，其整体含量可以通过下式度量，

从式(9)可以看出，粮食产品整体营养素的含量越高，则vi的值越小；

由式(9)可知，v的最小值如下

一种基于综合营养素的粮食适度加工判断方法，还包括步骤7：

定义粮食适度加工的上界，以便建立优化的目标函数，由式(9)可以得到第i种粮食产品第k采样的整体营养度量如下：

因此，定义vi的上界如下：

由式(10)和(12)可知，max(vi)对应营养的下限，而min(vi)对应营养的下限；

因此，可以定义如下的优化函数

t(v)＝v-min(v1)。(13)

其中，v∈[min(vi),max(vi)]。

一种基于综合营养素的粮食适度加工判断方法，还包括步骤8：建立粮食产品适口性的优化模型

根据每种粮食产品采样的适口性，可以求出第i种粮食产品适口性的上界pui如下：

求出第i种粮食产品适口性的下界pdi如下：

因此，第i种粮食产品适口性的区间为[pdi,pui]

第i种粮食产品适口性的优化函数为

g(y)＝pui-y

其中y∈[pdi,pui]。

一种基于综合营养素的粮食适度加工判断方法，还包括步骤9：建立粮食产品市场占有率的优化模型

根据每种粮食产品采样的市场占有率，可以求出第i种粮食产品适市场占有率的上界opui如下：

求出第i种粮食产品市场占有率的上界opdi如下：

因此，第i种粮食产品市场占有率的区间为[opdi,opui]；

第i种粮食产品市场占有率的优化函数为

h(z)＝opui-z(18)

其中z∈[opdi,opui]。

多目标优化求帕累托解集。

在粮食产品的优化设计过程中，该项设计要求多个设计目标最优化。例如，本设计要求加工的粮食产品营养尽可能高、口感尽可能好、市场占有率尽可能高。这种同时要求几项设计目标达到最优的问题，就是多目标优化设计问题。

一种基于综合营养素的粮食适度加工判断方法，依据粮食产品营养优化的目标函数为t(v)，粮食产品适口性的优化函数为g(y)，粮食产品的市场占有率的优化函数为h(z)，建立多目标优化的数学模型如下：

多目标优化设计问题要求各分量目标达到最优，如能获得这样的结果，当然是十分理想的。但是，一般比较困难，尤其是各个分目标的优化互相矛盾时更是如此。在粮食产品的多目标优化设计中，对粮食产品营养素的要求与对适口性的要求相互矛盾。所以，解决多目标优化设计问题其实是一个复杂的问题。

多目标优化决策问题一般不存在唯一的全局最优解，而是存在多个最优解的集合。多目标问题最优解集中的元素就全体目标而言是不可比较的，一般称之为pareto最优解集。

然而，此处需要解决营养素、适口性、市场占有率三者之间的关系。如果无法求出v＝v(y),v＝v(z),y＝y(z)或v＝v(y,z)的函数关系，则这样的最优解集将无法求出。

区间调整

以求得的解集为研究对象，进一步调整初始的三个优化区间。此时考虑和初始的区别在于考虑三者之间的相关性，得出的是一个综合的指标区间。

工艺预测模型

假设ck(k＝1,2,…,n)是某种粮食产品的营养素含量，而bk(k＝1,2,…,n)是该种粮食产品的原粮的营养素含量。

在已知样本的基础上，需要预测该粮食产品的加工工艺。由于已经求出该种粮食产品适度加工的营养素区间，故可以通过下述方法得到要求粮食产品的加工工艺：

其中dk≤ck≤uk,k＝1,2,…,n。

如果使得

则所检测的粮食产品选择的是第s种加工工艺。

求粮食产品的营养价值区间仿真

算法

设某种粮食产品的n个营养素含量进行了p次采样，并且该种粮食产品的原粮的n个营养素含量为bi(i＝1,2,…,n)。通过前面的分析，可以通过下述步骤实现适度加工的营养区间求解：

(1)根据式(1)可知该种粮食产品的各营养素含量的上界计算如下：

(2)根据式(2)可知该种粮食产品的各营养素含量的下界计算如下：

(3)根据式(3)，可知粮食产品各营养素的下界进行如下调整

di:＝di+εi,i＝1,2,…,n。(24)

(4)根据式(4)，可知粮食产品各营养素的上界调整如下

ui:＝ui-ηi,i＝1,2,…,n。(25)

(5)根据式(5)，粮食产品各营养素的下界调整如下

ui:＝di+δi,i＝1,2,…,n。(26)

(6)根据式(6)，采样粮食产品中各营养素含量在糙米中相应营养素含量的比例计算如下

(7)根据式(27)，求解营养最好的粮食产品加工方式的适应度值

其中

(8)根据式(28)，如果使得

通过上述算法，可以求出适度加工粮食产品各营养素的区间和最佳加工样本是第s次采样的。

实施例

现有食品学院采样的大量大米营养素样本，通过大米适度加工的综合营养素标准，对任何大米是否适度加工作出判断。具体操作如下：

(1)求大米营养价值区间的操作界面如图1所示。

(2)导入大米采样的数据库文件，然后点击“求解”按钮，得到其结果如图2所示。

(3)如果所检测大米的营养素含量为[343，3.7，0.4，0.6，0.02，0.5，8，1.2，1.05]，则检测结果如图3所示。

(4)如果所检测大米的营养素含量为[343，8.6，0.8，0.18，0.06，0.32，6，2.8，1.89]，则检测结果如图4所示。

本方法针对目前粮食加工企业普遍存在对粮食的过度加工问题，本文提出用综合营养素区间作为粮食适度加工的标准。由了粮食适度加工的综合营养素区间，粮食加工就可以依据这个标准对粮食进行适度加工。一个适度加工的粮食产品，既保存了消费者要求的大量营养素又提高了粮食加工企业的粮食出品率。因此，粮食加工企业根据综合营养素对粮食进行适度加工，可以在粮食加工环节节约大量粮食。

上述实施例的说明只是用于理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也将落入本发明权利要求的保护范围内。