دور الترميز في نظام " سبكتروز " (Syectroscopy) في مجال مراقبة نوعية الأغذية الحديثة

وفي عالم سريع التطور في مجال هندسة الأغذية، كان الحفاظ على جودة المنتجات المتسقة مع ضمان السلامة دائماً عمل متوازن، وإن كانت الأساليب التقليدية القائمة على المختبرات، كثيراً ما تُحدث تأخيرات يمكن أن تُنضَع من خلال جداول الإنتاج وسلاسل الإمداد، فقد برزت هذه التكنولوجيا البرمجية غير القابلة للتداول، كتقنية تحليلية تعمل على تغيير نسق اللعبة وتتصدّي لهذه التحديات على أساس مباشر.

إن اعتماد نظام المعلومات الوطنية في مجال الهندسة الغذائية يتسارع مع سعي المجهزين إلى الحد من النفايات، وتحقيق الحد الأمثل من العائدات، والامتثال للمعايير التنظيمية الصارمة بشكل متزايد، وعلى عكس أساليب الكيمياء التقليدية التي تتطلب ساعات من الإعداد والتحليل، توفر هذه الاستراتيجية بيانات قابلة للتنفيذ في ثوان، وهذه السرعة تتيح للمشغلين إجراء تعديلات فورية، ومنع المنتجات غير المنفقة من التقدم في خط آخر، ونتيجة لذلك تصبح بيئة إنتاجية أكثر دقة وفعالية من حيث التكلفة.

Understanding Near-infrared Spectroscopy: Principles and Mechanisms

ويستخدم المطياف الضوئي القريب من الاشعة على مبدأ الامتصاص الجزيئي في الطيف الكهرومغناطيسي الذي يتراوح بين حوالي ٧٨٠ و ٢٥٠٠ من المقاييس، وعندما يتفاعل الضوء شبه المزود بالأشعة تحت الحمراء مع عينة من الأغذية، فإن السندات الكيميائية المحددة في إطار المصفوفة - وعلى وجه الخصوص O-H، و C-H، وN-H السندات - الارتفاع - البصمات الفوقية في العينات ذات العينية)٢٨(.

وتعتمد هذه التقنية على حقيقة أن مختلف مكونات الأغذية تستوعب الضوء غير المباشر، فعلى سبيل المثال، فإن الجزيئات المائية تستوعب بقوة حوالي ١٤٥٠ ميلاً مربعاً و ١٩٤٠ نانو متراً، في حين أن المعارض السمينة التي تميز مجموعات الامتصاص المختلفة حوالي ١٧٢٠ ميلاً نانياً و ٢٣١٠ نانو متراً، وتنتج بروتينات ذات سمات سمية تقارب ٢٠٥٠ نانوغراماً و ٢١٨ متراً نغم.

وتستخدم أدوات النقل الوطني الحديثة تكنولوجيا موزعة أو ذات نقل من أربعة مستويات، وتستخدم نظم التفرق جهازاً أحادياً لعزل فرادى المحركات الموجية، بينما تستخدم أدوات النقل المتعدد الأطراف مقياساً متعدد الأطياف لجمع جميع المقاطع الملوحة ذات الموجات في وقت واحد، مما يتيح سرعة الحيازة وارتفاع نسب الإشارة إلى الأرقام القياسية.

أهم دور في عملية التبني في مجال الهندسة الغذائية

السرعة غير المطابقة لمراقبة العمليات في الوقت الحقيقي

وتتمثل أفضل ميزة في مجال الهندسة الغذائية في قدرتها على تحقيق النتائج في الوقت الحقيقي، ويستغرق القياس النموذجي أقل من 30 ثانية، وغالباً ما يكون ذلك مجرد ثوان، وهذا يتناقض تماماً مع الأساليب التقليدية مثل تحليل النتروجين في كلغل لاستخراج البروتين أو السوكسهلي من أجل الدهون، وهو ما يمكن أن يستغرق ساعات، وفي بيئة معالجة مستمرة، تترجم هذه السرعة مباشرة إلى تحسين مراقبة العمليات.

التحليل غير التدميري

ولا تتطلب هذه الدراسة أي إعداد للعينات أو مواد كيميائية، بل تقدم العينة إلى الأداة ببساطة، إما كمواد سائبة في مكعب أو كمجرى متدفق في خط العمليات، فالقياس غير متوافر تماماً، ويعني أن المنتج لا يزال سليماً ويمكن إعادته إلى العملية أو طرده للبيع، وهذا أمر له قيمة خاصة بالنسبة للمنتجات ذات القيمة العالية مثل الجبنة الخبيثة، أو أقساط النفط.

الارتداد عبر سلسلة واسعة من مصفوفات الأغذية

ومن السمات البارزة في نظام المعلومات الوطنية القابل للتأثر قابلية التكيف مع أي مصفوفة غذائية تقريباً، وما إذا كان المنتج سائلاً (الحلب، والعصير، والزيوت الصالحة للأكل)، ومسحوق (الغطاء، ومسحوق الحليب، والتوابل)، وثبات (الكيمياء، واللحوم، والثمار)، أو شبه معزولة (الطمر)، يمكن أن يُخَّلَدَتُ في شكلُ نموذجُ التكَةُ بدلاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاً.

خفض التكاليف والكفاءة التشغيلية

وبالإضافة إلى الاستثمار الأولي في رأس المال، يحقق النظام الوطني للإحصاء وفورات كبيرة في التكاليف، حيث يؤدي القضاء على المواد الكيميائية والمذيبات والمواد الاستهلاكية إلى خفض التكاليف المباشرة والتركيب البيئي لعمليات مراقبة الجودة، كما أن تحليلات مختبرات أقل تعني انخفاض احتياجات العمل وانخفاض مستوى النفقات في التدريب، كما أن الطبيعة الحالية لنظام المعلومات الوطنية تتيح معالجة المنتجات ذات المستوى الأدنى التي تؤثر مباشرة على خط الأساس، وعلى سبيل المثال، التحكم الدقيق في المنتجات ذات النوعية العالية في ضمان جودة المنتجات.

الإدماج في خطوط تجهيز الأغذية: التنفيذ العملي

وتتحقق القوة الحقيقية للشركة عندما تدمج مباشرة في خط الإنتاج، وتوضع أجهزة الاستشعار في خطوط النقل الوطني في نقاط استراتيجية مثل الخلط، قبل التجفيف، أو في مرحلة التغليف النهائية، وترصد أجهزة الاستشعار باستمرار مسار المنتجات، وترسل البيانات المستشفية إلى نظام مراقبة يقارن بارامترات الجودة ذات الصلة في الوقت الحقيقي، ويمكن أن تظهر هذه البيانات على أجهزة قياس درجات الحرارة العائمة التي تستخدم في أجهزة قياس التشغيل، وتُدرج في نظام قياس درجات الحرارة.

أما أدوات النقل غير المباشر فهي شكل مشترك آخر، لا سيما في المرافق الأصغر أو التي لا يكون فيها التركيب الخطي غير عملي، وفي هذه المنشأة، يتم جمع العينات يدوياً من العملية وعرضها على جهاز تحليل شامل أو محمول، وفي حين أن هذه العينات لا توفر على الفور الرصد المباشر، فإن نظام المعلومات الوطنية لا يزال يحقق نتائج في غضون دقيقة، مما يتيح إجراء فحص سريع للمنتجات.

:: دمج نظم المعلومات الوطنية مع نظم مراقبة العمليات الرقمية متطورة بشكل متزايد، وتُزوَّد الأجهزة الحديثة ببروتوكولات الاتصالات الصناعية مثل البروتوكولات الخاصة ببروتوكولات الاتصالات الصناعية (البروتوكول الاختياري لاتفاقية حظر أو تقييد استعمال أسلحة تقليدية معينة يمكن اعتبارها مفرطة الضرر أو عشوائية الأثر، أو نظام مراقبة إنتاجية (FMPT) الذي يشجع على زيادة اتساق المنتجات ([FMPT]) مع نظم الرقابة على جودة البيانات.

تطبيقات محددة عبر قطاعات الأغذية الرئيسية

تجهيز الألبان

وقد كانت صناعة الألبان معتمدا مبكرا لتكنولوجيات نظم المعلومات الوطنية، وهي ما زالت واحدة من أكثر مناطق التطبيقات نضجا، وتستخدم هذه النظم على نطاق واسع لقياس السمين والبروتين والكتلة الصلبة الكلية والرطوبة في لبن الخام والكريمة والزبدة والجبن والبود اللبن، وفي إنتاج الجبن، تقوم الشبكة برصد عملية التخدير وتساعد على تحديد الوقت الأمثل لتعقب الزئبق.

المياة والبولتري

وقد أثبتت هذه التكنولوجيا، في تجهيز اللحوم، فعاليتها في تحديد السمين والرطوبة والبروتين ومحتويات التلال في اللحوم الخام والمنتجات الجاهزة، وهي تستخدم في رصد عمليات الرعي والتمزيق على الإنترنت، بما يضمن أن منتجات اللحوم الأرضية تستوفي المواصفات الدهونية تماماً، كما يمكن أن يتوقّع هذا النوع من العلامات الحسية مثل العطاء والجواز والنكهة، التي تعتبر حاسمة بالنسبة لمنتجات البحثية التي تم استكشافها.

Grain and Flour Milling

وتعتمد صناعة الحبوب اعتماداً كبيراً على نظام المعلومات الوطنية للتحليل السريع للرطوبة والبروتين والمحتوى النجمي في القمح والذرة والأرز وغيرها من الحبوب، وفي مطاحن الدقيق، تقوم دائرة المعلومات الوطنية برصد محتوى الرماد، وهو مؤشر رئيسي على معدل الاستخلاص ونوعية الدقيق، كما تتيح هذه التقنية التنبؤ بخصائص الجرعات وأدوية المزلاجية على نطاق واسع، مما يتيح لرابطة المصانع أن تحقق جودة

المشروبات والزيوت الصالحة للأكل

وفي صناعة المشروبات، تستخدم الشبكة في مراقبة نوعية عصير الفواكه، والمشروبات اللينة، والمشروبات الكحولية، والبن، وبالنسبة لعصير الفواكه، تُقيس مادة السكر (Brix)، والحماة، واللون، وكلها ذات أهمية حاسمة بالنسبة لقبول المستهلك، وفي إنتاج النبيذ، ترصد الوكالة التقدم في التخمير، ومحتويات الكحول، ومركبات الثمالة المرتبطة باللون والثبطان.

التحديات والحدود الحالية

وعلى الرغم من مزاياه الكثيرة، فإن النظام الوطني للاستشعار عن بعد ليس بدون قيود، وأهم تحد يتمثل في وضع نماذج قوية للمقاييس، وهو أسلوب تحليلي ثانوي، بمعنى أنه يجب أن يعاد تكييفه مع الأساليب المرجعية الأولية، وأن بناء نموذج موثوق به يتطلب جمع عدد كبير من العينات التمثيلية التي تغطي النطاق المتوقع لتكوين المنتجات المستهدفة وتقلبها، كما أن هذه العملية تستهلك الوقت وتحسب تكاليفها، ولا سيما بالنسبة للتجهيزات المعقدة أو المتغاير.

وثمة قيد آخر هو ارتفاع التكلفة الأولية نسبياً لرأس المال في أجهزة النقل البري الوطني، ولا سيما بالنسبة للنظم المتقدمة للأجهزة التي تستخدم تكنولوجيا المعلومات والاتصالات أو أجهزة تحليل متعددة القنوات، وفي حين أن العائد على الاستثمار يمكن أن يكون كبيراً، فإن النفقات الأولية قد تكون باهظة بالنسبة للمشاريع الصغيرة والمتوسطة الحجم، وبالإضافة إلى ذلك، فإن حساسية هذه التكنولوجيا أقل من حساسية بعض الأساليب المرجعية بالنسبة لمكونات التعقب، وهي غير مناسبة عموماً لكشف المتجانسات في مجال التعزيز المتسق.

إن الحاجة إلى موظفين مهرة لتطوير المعايرة والتحقق منها هي حاجز عملي آخر، إذ أن الكيمياء هي مجال متخصص يتطلب خبرة في مجال الإحصاء المتعدد الاختلاف، والاختبارات، وعلم الأغذية، إذ يفتقر العديد من شركات تصنيع الأغذية إلى هذه القدرة الداخلية، ويجب أن يعتمدوا على بائعي الأجهزة أو الخبراء الاستشاريين الخارجيين في مجال وضع النماذج، غير أن تزايد توافر برامجيات سهلة الاستعمال وأدوات تحويلية معارة من قبل، يؤدي إلى خفض هذا العقب.

الاتجاهات المستقبلية والابتكارات الناشئة

ومستقبل النظام الوطني للإحصاء في مجال الهندسة الغذائية مشرق، مدفوعاً بالتقدم الجاري في تكنولوجيا الاستشعار، وتحليل البيانات، والتشغيل الآلي، ومن أكثر التطورات إثارة دمج نظام المعلومات الوطني بالاستخبارات الاصطناعية والتعلم الآلي، وقد أظهرت نماذج التعلم العميق، ولا سيما شبكات الأشعة العصبية الملتوية، قدرة ملحوظة على استخراج سمات الكشف عن الآفات التي قد تؤدي إلى تلف نماذج الكيمياء التقليدية.

كما أن التنميط والقابلية للتنقل يحوّلان منظر نظام المعلومات الإحصائية الوطني، وقد تكون المطيافات المحمولة والمتوافقة مع الهواتف الذكية متاحة تجارياً الآن، مما يجعل من قدرة التحليلات على الطيف مباشرة على أرضية المصنع، أو المستودع، أو حتى الميدان، وهذه الأجهزة المحمولة مفيدة بصفة خاصة بالنسبة للتفتيش على المواد الخام الواردة، وتقييم جودة المنتجات الجديدة في الميدان، والتحقق من صحة المنتجات في نقاط الأداء التجزئة.

وتمثل التصوير الفطري الذي يجمع بين مطياف الهواء الطلق وصوره المكانية، حدودا أخرى، وهذه التقنية تولد مجموعة بيانات طيفية حيث يُستخدم كل بيكسيل في صورة طيف كامل من أجهزة التفاح، ويمكن للتصوير الاستشفائي أن يتيح تصور التكوينات في عينة، مثل توزيع المواد السمينة في قطع اللحوم أو نقل مواد التفريغ في منتج مخابز.

وتبسط أوجه التقدم في التشغيل الآلي للكيمياء عملية الصيانة النموذجية، ويمكن الآن لنظم المعايرة ذاتية التشغيل أن ترصد الأداء النموذجي باستمرار وتُحدث تلقائياً عند اكتشاف الانجرافات، وتتيح برامج إدارة المعايرة القائمة على الكلاود للمستعملين تبادل النماذج عبر مواقع متعددة، بما يكفل الاتساق في العمليات المتعددة الجنسيات، وقد نشرت اللجنة الأوروبية لتوحيد المقاييس المبادئ التوجيهية المتعلقة بمعايرة الصيانة

كما أن ضغوط الاستدامة تؤدي إلى الابتكار في تطبيقات نظام المعلومات الأساسية، حيث يسعى مصنّعون الأغذية إلى الحد من استهلاك المياه والطاقة، يوفر النظام الوطني للاستشعار عن بعد عملية حقيقية ضرورية لتحقيق أقصى قدر من هذه الموارد، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يؤدي قياس الرطوبة الدقيقة في عمليات التجفيف إلى الحد بدرجة كبيرة من استخدام الطاقة من خلال منع الإفراط في التكرار في معالجة المياه المستعملة داخل محطات الأغذية، يمكن أن يرصد الحمولة العضوية ومستويات التغذية، ويدعم عمليات المعالجة الأكثر كفاءة، والامتثال التنظيمي.

The convergence of NIRS with other process analysis technology (PAT) tools is creating multi-sensor platforms that provide a comprehensive view of product quality. Combining NIRS with Raman spectroscopy, ultrasound, or dielectric sensors can overcome the limitations of any single technique and deliver more robust predictions. These hybrid systems are particularly valuable for complex products where no single quality framework can capture all

خاتمة

وقد أدى نظام المطياف ذو الاحتياجات العالية من الموارد إلى تغيير جذري في مشهد مراقبة الجودة في هندسة الأغذية، وقدرته على تقديم تحليل سريع وغير مدمر ومتعدد المستويات مباشرة على خط الإنتاج إلى تلبية الاحتياجات الأكثر إلحاحا في مجال صناعة الأغذية الحديثة: السرعة والدقة والكفاءة والاستدامة، وفي حين أن القدرة على إنتاج الألبان واللحوم إلى الحبوب والمشروبات، فإن نظام المعلومات الوطنية للأخشاب المدارية قد أثبت قدرته على الصم على العمل وموثوقية في جميع مجالات الابتكار.

وتدل مسار تكنولوجيا المعلومات والاتصالات على الاندماج الأعمق في نظم الإنتاج الآلية، حيث ستؤدي بيانات الجودة في الوقت الحقيقي إلى دفع عمليات التصحيح الذاتي وتمكين العملية الحقيقية من تحقيق أقصى قدر من التأثير، وبما أن أنظمة السلامة الغذائية تشدّد وتوقعات المستهلكين فيما يتعلق بالجودة والشفافية، فإن دور هذه النظم لن يصبح مركزياً إلا وأن صناع الأغذية الذين يستثمرون في هذه التكنولوجيا اليوم يُضعون أنفسهم في وضع يلبي متطلبات المنتجات الأقل جودة.