基于FAM 法与CCA 法的凯氏定氮法测定蛋白质发生爆溅事故分析

◎ 陈怡岑，郝立群，赵 旭，董 梅，王德华

（辽宁省粮食科学研究所，辽宁 沈阳 110032）

蛋白质是构成人体的重要物质，随着世界人口的增加和人们对蛋白质消费的高度重视，准确测定食物中的蛋白质含量不仅可以为合理膳食提供数据，还可以为蛋白质的研究和实际生产提供重要参考，对掌握食品营养价值和品质变化，保证不同人群对蛋白质的需要具有重要意义。目前蛋白质的测定方法主要有凯氏定氮法、双缩脲法、酚试剂法、紫外吸收法和燃烧法等，其中凯氏定氮法是测定蛋白质含量最为普遍的方法，具有测定结果准确的特点[1-3]。一些有条件的实验室已经采用半自动、全自动凯氏定氮仪法进行蛋白质测定，但在高等院校仍然把凯氏定氮法测定蛋白质作为学生必须掌握的实验技能。此外，市级、县级实验室由于经费有限、操作人员不熟悉仪器，也会选择凯氏定氮法测定蛋白质。由于凯氏定氮法测定蛋白质存在一定安全隐患，如何在实验危险因子存在的条件下，降低事故发生风险，避免不必要伤害，是需要着重解决的问题。

鱼刺图法（Fishbone Analysis Method，FAM）是一种定性分析方法，具有简洁实用、清晰直观的特点，使用该方法可对事故的发生进行综合性定性分析，找出关键事件。因果分析法（Cause Consequence Analysis，CCA）是将原因和后果的分析相结合，对具有安全风险的事件进行详细分析，利用控制屏障和恢复屏障的设置，在事故发生前后分别建立有效措施，进而预防及控制事故的发生或降低风险损失。本文采用FAM 法与CCA 法对凯氏定氮法测定蛋白质含量发生爆溅事故进行定性定量分析，以期对凯氏定氮法测定蛋白质实验的安全性控制作出科学合理的指导。

1 凯氏定氮法测定蛋白质原理与流程

凯氏定氮法测定蛋白质原理是食品与浓硫酸和催化剂共同加热消化使蛋白质分解（消化蛋白过程），其中碳、氢被氧化为CO2和H2O 逸出，有机氮转化为氨与硫酸结合成硫酸铵，留在消化液中，加NaOH 中和生成NH3、H2O，加热使氨游离（碱化蒸馏过程），用硼酸吸收后（吸收过程），再以标准盐酸或硫酸溶液滴定（滴定过程），根据标准酸消耗量乘以蛋白质换算系数，计算蛋白质的含量。凯氏定氮法测定蛋白质中的化学反应过程如下。

2 鱼刺图分析

2.1 鱼刺图分析法介绍

鱼刺图又称石川图，是一种重要的事故分析方法[4]。它是在事故分析时，通过对原因的分析和归纳，用简明的文字和线条，绘制出的一幅鱼刺形的事故分析图，简称FAM 法。鱼刺图最初主要用于质量管理方面，之后移植到安全分析方面，应用鱼刺图分析事故，可使复杂的事故原因变得系统化、条理化，为进一步防止事故发生，提出预防对策。鱼刺图绘制步骤包括调查、定题、原因分类、填图等。鱼刺图分析时，要求从大到小、从粗到细，一直到能采取措施消除这种原因时不再细分，强调针对结果、分析原因、先主后次、层层深入。于云飞等[5]将影响玻璃钢渔船建造质量的因素分为设计、材料及工艺3 个类型，分别对不同类型的因素进行多角度研究，并建立相关鱼刺图基础模型。李海丽等[6]在集对理论分析的基础上引入层次分析法中的专家打分模式，将鱼刺图定性分析转化为定性和定量相结合的综合分析方法。

2.2 爆溅事故鱼刺图分析

人的行为结果偏离了规定的目标并且产生了不良的影响，即为人的失误，人的失误包括操作人员失误和管理人员失误，管理者发生的失误是一种较危险的人因失误[7]。主要表现为安全培训不到位、应急处置不当、应急措施失效；操作人员操作时注意力不集中、不清楚操作流程或对岗位知识薄弱，这些都会直接或间接导致爆溅事故的发生。人的不安全行为受其生理-自然属性和心理-社会属性的影响，同时也与管理者的认识有关[8]。装置设备的好坏，是决定实验是否能进行下去的基础，当装置处于不安全状态会大大提高生产安全事故的发生概率。在凯氏定氮法测定蛋白质含量的实验过程中，加热装置故障或安全保护措施缺失，是导致爆溅事故发生的重要物质因素。环境因素是间接制约实验工作能否顺利进行的关键，环境系统的功能载体包括工作空间和调整或改变环境要素的设施，如通风橱故障、实验台杂乱、狭窄等，这些都属于引起爆溅事故发生的不良环境因素。凯氏定氮法测定蛋白质含量整个操作系统都存在于环境之中，可见，良好的环境因素可以更好地体现操作者有效的工作效能。在对糖、脂肪含量高的样品进行凯氏定氮法测定蛋白质消化过程时，因为容易产生大量气泡，并伴有爆溅的可能，需采取一定措施提高安全系数，保证实验安全进行。凯氏定氮法测定蛋白质爆溅事故鱼刺图分析如图1 所示。

图1 爆溅事故鱼刺图分析图

3 因果分析

3.1 因果分析法介绍

因果分析法是将事件树与故障树结合起来的分析方法[9]，通过故障树进行原因分析（Cause Analysis），通过事件树开展后果分析（Consequence Analysis），因此因果分析法又称原因后果分析法，简称CCA 法。因果分析法首先要求对初因事件绘制事件树，然后在事件树分析[10]的基础上，对初因事件和各失败事件分别进行故障树分析[11]，得到因果图，最后根据需要对其进行定性或定量分析，并在此基础上开展整个系统的安全性评价。

3.2 爆溅事故事件树定性分析

事件树可以从宏观角度分析系统可能发生的事故，进而找出最严重的事故后果[12]，为确定故障树的顶上事件提供依据。以凯氏定氮法测定蛋白质含量发生爆溅事故为初因事件，后续事件状态为未发生爆溅伤人事故、发生爆溅伤人事故且应急救援有效、发生爆溅伤人事故且应急救援失效，爆溅事故事件树定性分析如图2 所示。

图2 爆溅事故因果分析图

3.3 故障树定性分析

调查爆溅伤人事故顶事件原因为消化蛋白过程原因、碱化蒸馏过程原因，两个中间事件只要发生一个，爆溅伤人事故即发生，用或门连接（一层）。

分析消化蛋白过程原因为在瓶口对人的条件下产生大量泡沫中间事件、最高档加热中间事件，两个事件只要发生一个，消化蛋白过程原因事件就会发生，用或门连接（二层）；分析碱化蒸馏过程原因为在冷却不足条件下气压失衡中间事件、补碱量不足底事件，两个事件中只要发生一个，碱化蒸馏过程原因事件就会发生，用或门连接（二层）。

调查产生大量泡沫中间事件原因为样品脂肪或糖含量高且局部高温两个底事件，两个底事件需同时发生，大量泡沫事件才会发生，为与门关系（三层）；调查最高档加热中间事件原因为可控硅击穿且万用炉失控两个底事件，两个底事件需同时发生，最高档加热事件才会发生，为与门关系（三层）；调查气压失衡的直接原因为装置漏气底事件、最高档加热中间事件，当两者至少有一个事件发生，即气压失衡发生，为或门关系（三层）。

调查气压失衡中最高档加热中间事件原因为可控硅击穿且万用炉失控两个底事件，两个底事件需同时发生，最高档加热事件才会发生，为与门关系（四层）。

当应急措施失效或操作人员处置不当，都会引起输出事件应急救援失效顶事件发生，两个输入事件用或门连接（一层）。

爆溅伤人事故顶事件、应急救援失效顶事件故障树定性分析如图2 所示。

故障树建立后，用符号替代语言描述各级事件，如图3 所示。根据故障树模型，通过对故障发生的基本原因进行推理分析，使用布尔代数规则对各事件间的相互关系进行运算，建立从结果到原因描述故障的有向逻辑图，进而得到故障树全部最小割级[13]。

图3 用符号替代各级事件因果分析图

T1=Q1+Q2=M1+M2+X5+M3=M1+M2+X5+X6+M4=X1X2+X3X4+X5+X6+X3X4得到T1故障树全部最小割集为G1{X1X2}；G2{X3X4}；G3{X5}；G4{X6}。T2=X7+X8， 得到T2故障树全部最小割集为G5{X7X8}。

3.4 故障树定量分析

3.4.1 利用最小割集计算顶上事件发生概率

因T1、T2故障树中均无重复事件发生，如图4所示，故利用最小割集计算顶上事件发生概率[14]。

图4 经化简后的两个顶事件故障树图

设样品脂肪或糖含量高发生概率q1=0.1、局部高温发生概率q2=0.2、可控硅击穿发生概率q3=0.2、万用炉失控发生概率q4=0.2、补碱量不足发生概率q5=0.2 和装置漏气发生概率q6=0.1，则顶上事件T1发生概率为

则爆溅伤人事故顶事件失效概率为0.32。设q7=0.6，q8=0.4，则应急救援失效顶上事件T2发生概率为T2g=1-(1-q7)(1-q8)=0.76

3.4.2 爆溅伤人事故结构重要度分析

各底事件结构重要度的大小与最小割级所包含的底事件数目密切相关，且Iφ(i)值越大，重要度越大，单个事件组成的最小割级结构重要度最大[14-16]。式中Iφ(i)为底事件Xi结构重要度的近似判别值；Xi∈Gr为底事件xi属于最小割集Gr；ni为底事件xi所在的最小割集中包含的底事件数 目。Iφ(5)=Iφ(6)=1，各底事件结构重要度顺序为Iφ(5)=Iφ(6)＞Iφ(1)=Iφ(2)=Iφ(3)=Iφ(4)。

3.4.3 爆溅伤人事故概率重要度分析

概率重要度的计算可以很好地考察各底事件概率的增减对顶上事件发生概率的影响程度，也是顶上事件发生概率对底事件发生概率的变化率[14-16]。

各底事件概率重要度顺序为Ig(5)＞Ig(6)＞Ig(3)=Ig(4)＞Ig(1)＞Ig(2)。

由此可见降低底事件X5、X6发生概率，能使顶事件的发生概率下降速度比较快，底事件X2最不敏感。

3.4.4 爆溅伤人事故临界重要度分析

临界重要度是指综合底事件发生概率对顶上事件发生概率的影响程度和该底事件发生概率的大小，进而评价各底事件的重要程度，即底事件发生概率的变化率与顶上事件发生概率的变化率之比，用IG(i)表示[14-17]。

各底事件临界重要度顺序为IG(5)＞IG(6)＞IG(3)=IG(4)＞IG(1)=IG(2)，则X5、X6对顶事件较为重要；X1、X2对顶事件的影响较小。

3.5 爆溅事故事件树定量分析

依故障树分析取得的各顶事件概率T1g=0.32，T2g=0.76，计算爆溅事故事件树各状态概率。状态（1）：PS1=1-T1g=0.68；状态（2）：PS2=T1g(1-T1g)=0.076 8；状态（3）：PS3=T1gT2g=0.243 2。

爆溅事故发生后，由于个人安全防护与应急措施到位，使得状态（2）并没有伤及操作人员，因此将状态（2）也视为安全状态。则安全状态概率为PS1+PS2=0.756 8；危险状态概率为PS3=0.243 2。

爆溅事故因果分析结果，如图5 所示。

图5 爆溅事故因果分析结果图

4 讨论

4.1 FAM 法对爆溅事故分析

采用鱼刺图对爆溅事故进行综合分析，主要包括人员原因、原料原因、装置原因、环境原因和管理原因，明确消除初始事件的安全措施，如管理人员需加强安全意识，开展切实有效的安全操作培训；操作人员要明晰操作流程，在安全（装置安全、环境安全）条件下开展检测与实验工作；对于含糖、含脂肪高的样品，在实验过程中如果产生大量泡沫可加入少量辛醇、液体石蜡、硅油消泡剂等，均可减少初始事件发生。

4.2 CCA 法对爆溅事故分析

采用故障树对爆溅事故进行原因分析，通过最小割级求得爆溅伤人顶事件发生概率为0.32，应急救援失效顶事件概率为0.76；通过结构重要度、概率重要度、临界重要度分析，均显示X5、X6为最重要的底事件，应采取相应措施降低X5、X6发生概率，如保证冷却水水压稳定、蒸汽均匀、中间不能停止加热、认真检查实验器具、防止发生倒吸、防止装置破裂等措施。

采用事件树对爆溅事故进行结果分析，安全状态的概率为0.756 8，发生危险的概率为0.243 2。因此，加强应急措施、强化操作人员处置能力、开展应急演练等措施是防止爆溅事故发生和减少爆溅伤人事故损害结果的恢复屏障。

5 结论

采用FAM 法和CCA 法对凯氏定氮法测定蛋白质发生爆溅事故进行定性定量分析，科学合理地规避实验中的风险因子，在保证实验人员安全、准确、高效工作的前提下合理创新。通过在消化过程中安装旋转装置，保证消化瓶均匀加热；蒸馏过程中，在冷凝水水压稳定条件下，加热装置的加热温度和加热时间梯度设定等，可有效避免爆溅事故的发生。