基于B/S架构及MySQL数据库的羊乳粉营养品质信息管理系统设计与构建

张朵朵，张雪茹，孙焰明，侯晨梓，刘永峰,*

（1.陕西师范大学食品工程与营养科学学院，陕西 西安 710119；2.陕西师范大学计算机科学学院，陕西 西安 710119）

羊乳被誉为“奶中之王”，其营养价值丰富，是最接近母乳且易被人体吸收的乳类[1]。拥有全国范围内最大奶山羊生产基地的陕西省，在奶山羊规模、存栏量及羊乳产量、羊乳品牌数量、羊乳加工能力、羊乳制品产量和羊乳制品市场占有率6 项指标中均位于全国首位[2]。为了加快发展羊乳特色优势产业，2018年，陕西省启动了“千亿级奶山羊全产业链”的建设[3]。随着羊乳产业被大力支持和发展，羊乳粉营养安全品质信息管理系统在科研院所研究、食品质检单位监测、企业提升产品品质的过程中发挥越来越重要的作用，是数据有效整合、分析和综合应用的重要工具。目前，根据我国食品药品监督管理局分别设置的食品抽检结果查询系统、食品药品监管数据中心和国家药品抽验查询数据库等显示，在食品监管中数据化的发展具有明显趋势[4]。为了推进羊乳产业更快、更好发展，监管部门和企业迫切需要对羊乳粉信息数据实施有效管理，使其能够为科研机构、质量监管部门、生产者和消费者等提供羊乳营养安全信息。目前乳粉实际生产中的相关管理系统有乳粉仓储管理系统、乳粉销售管理系统、乳粉溯源管理系统等。在羊乳粉营养安全信息方面，目前无论是食品质量监管部门还是乳制品生产企业，只是对奶山羊与生乳的质量或乳制品产品实行综合管理，对羊乳粉的基础营养安全数据并没有建立专门的信息管理系统，缺乏有效的存储、管理、分析及较全面的监测[5]。因此，开发并建立羊乳粉营养品质信息管理系统对乳制品企业来说十分重要。

对于羊乳粉营养品质信息管理系统的开发，选取合适的架构和数据库很重要。随着Web技术的快速发展，浏览器/服务器（browser/server，B/S）模式成为常见软件开发的架构之一，它在前端实现极少数事务逻辑，在服务器端实现主要事务逻辑。基于广域网的B/S架构具有更广的适用范围，无需安装客户端软件，只需要通过浏览器就可以使用户实现操作，极大简化了客户端[6]，也正由于客户端使用浏览器，从而使整体的系统开发、升级和维护等问题具有更大的便利性，还让系统整体的维护和运行成本得以降低[7]。由瑞典MySQL AB公司开发的MySQL，是目前十分流行的一款关系数据库管理系统。它是用C以及C＋＋编写，代码可移植性较高，可实现在多种操作系统环境中运行[7]，不仅支持较多的计算机编程语言，而且源代码可供用户免费下载和使用，具有体积小、运行速度快、开发成本低的特点[8]。因此，对大多数中小型网站而言，MySQL不仅易于开发，而且功能强大，相对安全，占有很大市场比例。

综上，本研究基于B/S架构及MySQL数据库设计并建立羊乳粉信息管理系统，该系统包含国内外市售羊乳粉、自检羊乳粉、生鲜羊乳等数据，具有增加、删除、修改、查询、判断等功能，目的是为羊乳粉品质检测中产生的大量数据及文件等提供数据源管理系统，使其成为生产加工、品质监管中的管理工具，实现羊乳粉营养、安全品质监管相关信息的共享。该系统有利于提高羊乳粉生产的管理水平，促进羊乳粉质量提升和羊乳产业高效发展，将为我国羊乳粉营养安全的计算机管理系统数据库建立提供参考。

1 羊乳粉营养品质信息管理系统的设计开发

1.1 系统规划分析阶段

系统规划主要是对羊乳粉发展的环境、目标以及现有系统的状况进行调查分析。现阶段羊乳粉产业高速发展，市售的羊乳粉产品种类和数量逐年增加，但缺乏羊乳粉产品信息的统计整合，并且其数据信息的分析也不足。因此，羊乳粉营养安全信息的获取和利用存在一定难度。本研究以羊乳粉产品检测数据整合、分析为核心，对羊乳粉营养品质信息管理系统进行开发，构建能稳定运行，具有较强适应性、扩展性和可移植性的系统，服务于羊乳粉的生产、监测与科研。

1.2 系统设计阶段

1.2.1 系统结构设计

本信息管理系统的逻辑框架结构分为用户界面层、系统功能层及数据存储层，如图1所示。用户界面层为用户提供了访问信息系统的窗口，包括用户登录、市售羊乳粉、自检羊乳粉、产地判断、DNA数据库以及电子鼻图谱库、电子舌图谱库等窗口。管理员不仅可进行上述操作，而且对用户权限的升级以及数据的管理与维护有特殊权限。系统功能层是对不同产地、品种的羊乳粉数据分类整理、录入管理系统并分析，以实现羊乳粉各指标间差异对比和多种数据功能化操作，满足用户对羊乳粉营养安全数据的需求。数据存储层是通过MySQL数据库存储羊乳粉不同类型检测数据（基础羊乳粉指标检测数据、DNA数据库、电子鼻和电子舌图谱库），可通过索引机制达到数据快速查询和调取相关数据的目的。

图1 羊乳粉营养品质信息管理系统的主要结构设计Fig. 1 Main structure design of goat milk powder nutrition and safety information management system

1.2.2 系统主要功能模块设计

羊乳粉信息管理系统是为科研机构、质量监管部门、生产者和消费者等用户提供的。由于面向众多的互联网使用者，数据的采集和管理、信息系统的改进和更新成为重要的组成部分。其次，国家食品安全标准对乳粉安全品质的规定基本为静态数据，目前还未查到关于乳粉行业产品品质检测的综合数据信息，用户对羊乳粉在符合标准下的平均值及常规水平状态的数据无从获知[4]。另外，在现有关于乳粉的数据库中，仍然缺乏大量羊乳粉品质数据的整合、分析和可视化应用。因此，用户无法对市售羊乳粉产品优势和不足有清楚的认知和判断。基于这些问题，根据羊乳粉信息管理系统的总体需求，将系统分为4 个功能模块，分别为系统管理模块、数据添加模块、信息查询模块和专题分析模块。本系统对羊乳粉按产地分为陕西地区羊乳粉和非陕西地区羊乳粉，对于羊乳粉的色泽、粒度、浊度、水分、酸度、蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素、矿物质等指标，比较羊乳粉营养标签上成分的标识值与实测值，判断乳粉是否符合标准要求，从而为陕西“千亿奶山羊产业”提供数据支持，也为市售羊乳粉质量评估和规范化生产应用提供理论依据。

1）系统管理模块。系统管理模块分别包括用户管理、数据管理和功能模块管理。用户凭借用户名和密码登录管理系统。可根据对不同用户进行角色权限设置和行为管理，分配信息系统使用管理权限。数据管理是具有该管理权限的用户对产品的检测结果、统计分析、图表分析进行增、删、改等操作。功能模块管理是具有相应管理权限的用户对不同模块的管理，负责信息管理系统功能模块的完善和优化。该功能模块保证信息管理系统在使用过程中数据不会被随意或恶意更改和删除，确保数据的可靠性和准确性。

2）数据上传添加模块。具有相应管理权限的用户根据陕西省和非陕西省（国内、国外）划分，按照不同类型（市售羊乳粉、自检羊乳粉、生鲜羊乳）的羊乳粉数据，包括羊乳粉营养指标和品质指标，营养指标主要有水分、蛋白质、氨基酸、脂肪、脂肪酸、碳水化合物、维生素及矿物质含量等，与羊乳粉品质密切相关的指标包括色泽、粒度、浊度、酸度等。该功能模块实现信息管理系统数据的扩充性、数据的完整性及分析结果的多样性。

3）快速查询模块。产品种类的多样性及检测结果的复杂性决定了用户通过对产品搜索条件设置以实现快速、精确查询的需求。对于系统中的羊乳粉数据均可通过搜索条件的设置达到快速搜索所需产品信息的目的，该功能模块实现数据的精确性及扩展性搜索。

4）专题分析模块。不同来源的羊乳粉根据不同地区以及羊乳粉种类又分为电子鼻图谱库和电子舌图谱库。DNA数据主要是测得的市售羊乳粉中DNA浓度（OD260nm/OD280nm）和含量。电子鼻传感器阵列对不同羊乳粉样品的挥发性风味成分作出不同强度的响应，以数值形式表现为传感器响应值，总共有14 个传感器对应不同的化合物类型。选用60 s内传感器最大响应值为特征值，绘制羊乳粉样品挥发性风味的传感器响应值雷达图。将电子鼻分析得到的数据信息进行统计分析，由电子鼻自带软件进行主成分分析（principal component analysis，PCA）以对样品进行分类，即得到PCA分类图。电子舌能够对羊乳粉中的所有呈味物质进行鉴别，包括挥发性、半挥发性和难挥发性等物质。与电子鼻检测结果相比，电子舌所获样品信息更加完整，结果更加精确。将电子舌分析得到的数据信息进行统计分析，由电子舌自带软件进行PCA对样品进行分类，即得到PCA分类图。此外，还有产地判断和羊乳粉DNA数据库等专题数据及分析，可在不同专题区域查看相应的数据及分析结果。

1.3 系统实施阶段

该管理系统基于B/S结构，使用IntelliJ IDEA、Microsoft Visual Studio的Git开发环境进行前、后端分离开发，使用微服务架构部署。前端基于JavaScript语言，Vue.js即时渲染框架进行开发，最终编译成原生超文本标记语言（hyper text markup language，HTML）页面进行部署。由于用户可能会在不同操作环境下访问前端页面，因此需要考虑响应式的页面设计，Element组件便成为一个极佳的选择。前端承载了与用户交互、将用户的操作与后端通信的职责。后端基于Java语言和Python语言，分为2 个服务进行开发。Java部分的开发依托Spring Boot框架，此框架分离了控制器、过滤器、数据库访问对象等，负责羊乳粉数据的增、删、改、查等业务，以及用户账户和权限的管理。过滤器负责与Redis内存数据库交互，将用户的登录信息记录到Redis非关系型数据库中，并判断用户登录状态，拦截用户的越权请求。数据库访问对象负责和MySQL数据库的交互，将运行过程中的实体对象持久化到数据库中。Python部分的开发依托Flask框架，负责电子鼻、电子舌等分析结果图片的上传和管理业务，并使用SQLAlchemy与MySQL数据库交互，将上传分析结果图片的信息持久化。Web服务器使用Nginx，负责流量的转发和负载均衡，作为一个优秀的网页服务器，在本系统中承担转发前、后端流量的职责。由于本系统的服务组件较多，因此使用Docker平台对其进行容器化部署，每一个组件都看作微服务架构中的一个微服务，并作为一个容器部署在虚拟化环境中，以便于系统的迁移和迭代升级，管理系统的部署方案如图2所示。

1.4 系统测试阶段

管理系统测试在系统开发过程中是一个不可或缺的环节，通过系统测试可以从中发现存在的问题，检测系统的设计和功能是否能够满足不同用户的需求，对系统中存在的问题进行纠正、改进和优化。本管理系统测试通过本地架设网站的方式，分别在Windows 8和Windows 10平台上使用不同版本和类型的浏览器在内部网络上对上传到空间的初步内容进行实际联机测试。测试内容包括系统的兼容性、功能性、易容性、可靠性和安全性等。

1.4.1 兼容性测试

兼容性测试是衡量系统好坏的一个重要指标，评判羊乳粉营养品质信息管理系统在不同的环境中是否能够很好地运行，确保管理系统按照用户期望的方式进行交互。其中，浏览器兼容测试是查看不同浏览器上该信息管理系统是否能够正常运行、功能能否正常使用。屏幕分辨率兼容测试是检测系统在不同分辨率下是否正常显示。操作系统兼容性测试是通过在不同操作系统下检测管理系统能否正常运行、功能能否正常使用、显示是否正确等。

1.4.2 功能性测试

功能性测试是面向用户最重要的一个质量保障维度，主要是检查羊乳粉营养品质信息管理系统功能是否满足产品需求规格说明书的要求。功能性测试是对羊乳粉营养品质信息管理系统的4 个功能模块分别进行测试，验证该管理系统的准确性、有效性和实用性。

1.4.3 易容性测试

易容性可以被认为是一种用户友好性，主要关注用户的体验感。表现为系统操作界面是否合理，字体大小、颜色匹配及板块布局是否美观，用户对系统的浏览是否舒适。在系统的操作方面是否简单、易上手，是否具有便利性，在相关提示下用户能否较快掌握系统的基本操作和使用。

1.4.4 可靠性测试

可靠性测试对系统十分重要，是对数据完整性和一致性的保障测试，验证系统文件上传下载后，相应数据是否有修改，主要是在数据库的技术下保证完成的。

1.4.5 安全性测试

安全性测试主要是对程序的危险防止和危险处理进行的测试，以验证其是否有效。要求用户在系统登录时要通过验证，保证系统使用者的真实性，对系统用户权限进行安全保证，防止系统的数据信息被泄露和恶意篡改。

2 羊乳粉营养品质信息管理系统的运行与应用

2.1 管理系统开发及运行环境

根据迭代计划和系统功能模块，基于IDEA、Vscode开发环境，前端使用JS语言，后端程序使用Java语言和Python语言，并辅以Postman、Chrome开发工具进行开发。整个系统基于B/S模式进行开发设计，采用Ubuntu 18.04服务端操作系统、Windows 10客户端操作系统，数据库采用MySQL，利用DBeaver数据库管理软件。

2.2 管理系统的主要界面

通过在浏览器中输入登录网址进入登录页面，输入用户的账号和密码后登入本系统。系统工作主界面主要包括菜单栏、状态栏和工作区等。菜单栏为系统的大多数功能提供入口，点击之后即可显示菜单项。状态栏是对系统中操作信息的显示。工作区是显示用户的操作窗口，用户通过点击菜单栏的不同功能可以切换不同的工作窗口。

2.3 管理系统主要功能的实现

2.3.1 系统注册和登录

用户注册登录界面如图3所示，用户可设置输入用户名及密码，完成提交，即可注册为该管理系统的普通用户。普通用户对于信息数据只有查阅和导出等基本操作。对有需求成为系统管理员的用户，需要向现有管理员申请，经同意后才可升级为管理员身份。系统管理员对系统操作具有最高权限，除可以进行数据的查找、使用等基本操作外，还可以升级用户等级、维护用户信息，对数据进行增添、删除及修改。

图3 羊乳粉营养品质信息管理系统的用户注册登录界面Fig. 3 User registration and login interface of goat milk powder nutrition information management system

2.3.2 数据添加

拥有管理员权限的用户登录进入主界面中，左侧为功能菜单项，右侧则为相应功能的数据信息展示区域。在功能菜单项中分别包含了市售羊乳粉、自检羊乳粉和生鲜羊乳的类别，在每个类别中又包括陕西省内、陕西省外的羊乳粉数据信息，管理员用户可对陕西省内及陕西省外的羊乳粉数据信息进行修改或删除操作（图4），通过点击添加产品，可对产品信息进行编辑，如地区、品牌及各项营养安全检测数据。此外，在DNA数据库、电子鼻和电子舌图谱库中，也可进行数据、图片信息或分析结果的添加，实现对数据的实时整理和完善。

图4 羊乳粉营养品质信息管理系统的样本分类信息查询列表示例Fig. 4 Illustration of sample classification information query list of goat milk powder nutrition information management system

2.3.3 快速查询

市售羊乳粉、自检羊乳粉、生鲜羊乳菜单分别具有快速查询的功能。用户可根据想要查询的指标选择输入一个或多个搜索指标，然后输入该检测指标的检测值及波动范围进行查询，查询结果可显示该产品所有检测指标的结果。另外，在波动范围内也可以搜索到检测值相邻近的产品数据信息，真正将搜索做到精确性、可扩展性。用户可直接观察到羊乳粉各种检测数据查询结果并且查询结果可导出为Excel文件。

2.3.4 专题分析

1）DNA数据库。所有市售羊乳粉样品，采用乳中DNA提取方法[9-10]进行DNA分离提取，检测DNA纯度与浓度等，向数据库用户提供DNA信息参考，同时可以通过对比从不同种类羊乳粉中提取DNA质量的差异性，了解羊乳粉DNA的质量与存在问题，为质量检测部门、科研单位等利用DNA进行掺假检测研究提供基础参考信息。

2）电子鼻、电子舌图谱库。市售羊乳粉根据种类被分为纯羊乳粉和配方羊乳粉，根据产地被分为陕西不同地区（西安、咸阳、渭南等）的羊乳粉。经过电子鼻检测后分别得到配方羊乳粉、纯羊乳粉、陕西地区不同城市纯羊乳粉的电子鼻传感器雷达图，此外，还列出了电子鼻传感器对应的化合物类型表。经过电子舌检测后得到配方羊乳粉与纯羊乳粉、陕西地区与非陕西地区纯羊乳粉的PCA图。同时，在各个分析图的旁边标有分析解释说明，可以帮助用户更好理解分析检测结果，利用该分析结果帮助乳粉企业提升羊乳粉产品的品质。

3）产地判断。通过多项指标的检测及综合分析，总结出陕西省与非陕西省之间多个存在差异且可作为产地判定的相关性指标（如脂蛋比、钙磷比、反式脂肪酸与总脂肪酸的比值等）。用户在多个指标中选择性输入产品检测数据，由系统提示结果是否可能为陕西或非陕西地区的羊乳粉。例如，当输入2 个指标数据符合陕西羊乳粉数据要求，其余为非陕西羊乳粉数据时，结果显示为“该产品可能是陕西羊乳粉”；当输入任意3 个指标数据符合陕西羊乳粉数据要求时，结果显示为“该产品极有可能为陕西羊乳粉”；当输入任意4 个判定指标数据符合陕西羊乳粉数据要求时，结果显示为“该产品确定是陕西羊乳粉”。

2.3.5 功能模块管理

模块管理功能仅可由系统管理员操作。由于在以后应用过程中必然存在大量数据的积累分析，挖掘、探索出新的数据关系，或者需要提供个性化功能需求，因此，可以根据实际需要或用户需求继续对系统进行模块开发和优化调整，从而将增加信息管理系统功能的全面性、应用灵活性及使用便捷性。

3 讨 论

羊乳粉营养品质信息管理系统的数据分别来自于乳粉企业、食品质检单位及自购羊乳粉。数据来源较为广泛，具有真实性和可靠性。在信息管理系统的开发中通常对数据的收集、整理和综合分析要求全面、系统，这就需要有大量数据的积累。然而只有少部分企业的羊乳粉信息被公开但样品信息仍不完整，从零售商处购买则成为快速构建数据库的最简单方法[9]。但这些样本仍然需要检测才能获取数据，并且我国关于乳粉信息化的平台比较少，信息平台间的关联度低，因此使得数据的收集具有一定局限性，增加了数据采集的难度[10]。Marconi等[11]在食品成分数据库的概述中也提出了定期加强和更新食品成分数据库，减少缺失数据以改进分析方法结果是目前需要解决的主要问题之一。因此，为确保羊乳粉营养安全信息的全面性、真实性和有效性，产品数据的及时更新是仍然需要加强完善的方面。

目前已有的食品安全信息管理系统主要涉及的是流程化监管[12]以及对数据的基本保存和管理[13]，而这些指标数据缺乏综合的整理，关于产品数据的挖掘和分析程度低。例如，食品药品监管数据中心抽查结果查询系统仅仅对不合格指标进行公示，较少的数据量不但代表性不足而且整合分析程度低[4]。因此，对收集的大量数据进行深入分析是目前乃至未来羊乳粉信息管理系统的首要任务。为弥补现有信息管理系统数据分析的不足，羊乳粉营养品质信息管理系统以大量的检测数据为基础，按照不同种类和地区进行数据整合、分析与挖掘。因此，该系统实现了对数据的多方面分析，包括电子鼻、电子舌图谱、羊乳粉产地判断等不同形式的数据分析结果，使用户能够共享数据，了解和掌握市售产品的特点；对食品监管部门来说也可以分析市场上羊乳粉营养品质安全情况，同时能够根据数据信息反映的产品市场趋势采取监管措施，促进羊乳粉品质监控和提升[14]。

羊乳具有丰富的营养价值，对采集到的羊乳粉产品检测基础营养物质（蛋白质、脂肪、乳糖等）、维生素类（VA、VD、VE等）、矿物质类（钾、钙、钠等）、氨基酸类（色氨酸、蛋氨酸、亮氨酸等）等60多项指标。然而，羊乳中还包括的一些具有促进大脑神经系统和学习记忆力的功能活性因子[15-16]以及影响羊乳风味的挥发性化合物[17-18]的数据同样需要检测并补充到羊乳粉营养品质信息管理系统中。检测得到的羊乳粉产品数据中蛋白质含量为24%～26%，脂肪含量为26%～30%，碳水化合物含量为35%～38%，灰分含量为6%～8%，矿物质元素中钙（约9 500 mg/kg）、镁（约950 mg/kg）、铁（约3.5 mg/kg）、锰（小于0.5 mg/kg）、铜（约1.0 mg/kg）、锌（约20 mg/kg）等元素的检测结果与Park[19]对美国生产的不同山羊乳商品中成分的检测结果基本一致，而矿物质中磷、钾、钠的含量则存在差异，可能是由于用于加工产品的奶源存在差异[19-24]。在本研究中，从乳粉中提取到的DNA质量浓度为200～400 ng/μL，与Liao Jing等[25]所测得的DNA质量浓度相近，高于Liu Yongfeng等[26]从牛乳中提取到的DNA质量浓度，这可能是因为乳粉经过高温加热提高了细胞膜的通透性，有更多的DNA从体细胞中被释放出来。而DNA OD260nm/OD280nm为1.3～1.5，与Liao Jing等[25]提取的DNA纯度相一致。因此，从羊乳粉中提取的DNA可以基本满足普通分子生物学检测要求。

4 结 语

本研究基于B/S架构和MySQL数据库，以Java作为系统主要开发语言，采用前、后端分离技术开发，使用Docker平台进行微服务架构部署，成功建立了羊乳粉营养品质信息管理系统，实现羊乳粉各类数据的存储和可视化。该管理系统可以有效实现快速查看和搜索羊乳粉各类基础检测数据，可查看不同种类和地区羊乳粉营养安全品质的差异，可根据羊乳粉相关指标的检测结果判断产品的产地。将该管理系统推广应用，能够为科研机构、质量监管部门、生产者和消费者等提供羊乳营养安全信息，对于羊乳产业的高质量发展具有重要意义。