ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ РЕЦЕПТУР ПОЛУФАБРИКАТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЫБНОГО И РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

Касьянов Г.И.¹, Каминир О.Н.²

¹Доктор технических наук, ²Кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ РЕЦЕПТУР ПОЛУФАБРИКАТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЫБНОГО И РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

Аннотация

В статье рассмотрено - внедрение математического моделирования при разработке рецептур полуфабрикатов с использованием рыбного и растительного сырья.

Ключевые слова: математическое моделирование, рецептуры, полуфабрикаты.

Kasyanov G.I.¹, Kaminir O.N.²

¹Doctor of Technical Sciences, ²Candidate of Technical Sciences, Kuban State University of Technology

APPLICATION OF MATHEMATICAL MODELING FOR FORMULATION DEVELOPMENT SEMI WITH THE FISHERIES AND PLANT RAW MATERIAL

Abstract

The article considers introduction of mathematical modeling in the development of semis recipes with the fish and plant raw material.

Keywords: mathematical modeling, recipes, semi-finished products.

Создание комбинированных, сбалансированных по макро- и микронутриентному составу продуктов является одним из эффективных решений проблемы оптимизации рациона питания современного человека. В связи с этим при создании комбинированных, сбалансированных продуктов в качестве биологически-активных веществ целесообразно использовать натуральные ингредиенты с антиоксидантными и адаптогенными свойствами.

Целью исследования является применение математического моделирования при разработке рецептур полуфабрикатов с использованием рыбного и растительного сырья. Это исследование является одним из актуальных и приоритетных направлений развития пищевой промышленности.

Методами математического моделирования обоснованы рецертурно-компонентные решения, обеспечивающие сбалансированность и высокие потребительские свойства полуфабрикатов с использованием рыбного и растительного сырья.

В качестве объектов исследования использовались рыбное и растительное сырьё, СО₂-экстракты, модельные фаршевые системы и рыборастительных полуфабрикатов. В качестве рыбного сырья для производства замороженных рыборастительных полуфабрикатов, использовались толстолобики белый (Hyрорhtаlmiсhtys mоlitrix Vаl.), пестрый (Аristiсhthys nоbilis Riсh.) и их гибриды, радужная форель (Sаlmоiridеus Gibbоns) и черноморская кумжа (Sаlmо truttа Lаbrаx Р.), характеризующиеся нежным мясом, отсутствием специфического вкуса и запаха, обладающие требуемыми реологическими свойствами, высокой степенью адгезии и формуемости. В качестве растительных компонентов с антиоксидантными и адаптогенными и физиологически-функциональными свойствами были выбраны следующие виды сырья: выжимки плодов граната (Huniса grаnаtum L.), листья малины (Rubus idаеus), семена винограда (Vitis vinifеrа L), плоды облепихи (Hiрроrhаmnоidеs L.), листья зелёного чая (Thеа sinеnsis). В качестве дополнительного растительного сырья использовались капуста белокочанная (Brаssiса оlеrасеае соnvаr. Сарitа (L)), лук репчатый (Аllium сера L.), морковь (Арiасеае Dаuсus L.).

При выполнении работы были использованы современные стандартные методы химического, биохимического, микробиологического и сенсорного анализа. Определение функционально-технологических свойств и показателей безопасности исходного сырья, полуфабрикатов и готовой продукции проводили в соответствии с действующими стандартами. Исследовательские испытания и планирование эксперимента проводили согласно ГОСТ 24026-80.

Определение оптимальных технологических параметров получения СО₂-экстракта осуществляли методом математического планирования эксперимента с применением дробного факторного эксперимента (ДФЭ), а также ортогонального центрального композиционного плана (ОЦКП) второго порядка для двух факторов. Статистическую обработку экспериментальных данных проводили стандартными методами вариационной статистики. Расчёты и построение графических зависимостей осуществляли с помощью программ Miсrоsоft Оffiсе Еxсеl 2007 и MаthСАD 2013 при доверительной вероятности 95 %.

Целесообразность выбора рыбного сырья аргументируется доступностью, вкусовыми предпочтениями, ценой, химическим составом. По химическому составу свежая рыба, используемая для производства рыборастительных полуфабрикатов, отличается достаточно высоким содержанием белка и жира (таблица 1).

Таблица 1– Химический состав рыбного сырья [1]

Показано, что толстолобик (белый, пёстрый и их гибриды), черноморская кумжа, радужная форель относятся к белковым рыбам, обладают высокой пищевой ценностью. Содержание белков в изучаемых видах рыб варьируется в пределах от 17,2 % до  20,2 %, в белке содержаться незаменимые аминокислоты, эссенциальные жирные кислоты.

Проанализировав растительное сырьё, произрастающее в ЮФО и СКО, были выбраны наиболее перспективные растения, обладающие антиоксидантными и адаптогенными свойствами. Также проведен анализ растительного сырья с точки зрения фитохимической специфики, который базировался на основе наличия в конкретном виде растения химических соединений, извлекающихся в процессе суб – и сверхкритической СО₂-экстракции и обладающими свойствами, позволяющими использовать их для создания функциональных продуктов питания.

На экстракционном заводе ООО «Караван» был получен СО₂-шрот плодов облепихи, химический состав которого представлен в таблице 2.

Таблица 2 - Химический состав СО₂-шрота плодов облепихи

Облепиховый шрот обладает высокими антиоксидантными, а также детоксицирующими свойствами.

Установлено, что введенный в рецептурную композицию СО₂-шрот плодов облепихи в различных дозировках, оказывает положительное влияние на реологические характеристики фаршей. Показано, что фаршевая система при внесении 2,5 % СО₂-шрота плодов облепихи обладает более выраженными структурообразующими свойствами, а, следовательно, и повышенными потребительскими свойствами рыборастительных полуфабрикатов.

В качестве сырья для комплексного СО₂- экстракта были выбраны: выжимки плодов граната, листья зеленого чая, семена винограда, листья малины. СО₂-экстракт выжимок граната состоит из алкалоидов и полифенолов. Одним из таких фенольных соединений является эллаговая кислота. Как полифенолы в зеленом чае и виноградных выжимках, эллаговая кислота оказывает сильное антиоксидантное действие; вместе с другими полифенолами придает комплексному СО₂-экстракту эффективные противовоспалительные и онкопротекторные свойства. Согласно нашим исследованиям, при планировании эксперимента с использованием принципов моделирования и особенностей изучения систем на эмпирическом уровне для четырёхкомпонентных систем, установлено оптимальное соотношение сырья для получения комплексного СО₂- экстракта из выжимок плодов граната (x₁), листьев зелёного чая (x₂), семян винограда (x₃) и листьев малины (x₄) 3:2:4:1. Эксперименты проводились в соответствии с ГОСТ 24026-80 с использованием дробного факторного эксперимента (ДФЭ) для четырех факторов при температуре от 18 °С до 20 °С и давлении 5,4 - 6,4 МПа. Значимыми показателями сырья являлось содержание полифенолов (X₁), флавоноидов (X₂), токоферола (X₃) и витамина С (X₄), влияющими на антиоксидантную активность. В итоге получена линейная функция регрессии

y = 1549,7+3,1 x₁+2,4 x₂+4,3 x₃+1,1 x₄

По t-критерию значимости коэффициентов уравнения, полученные с помощью ДФЭ при надёжности 0,9, была получена зависимость концентрации растительного сырья и антиоксидантной активности.

С учетом ранее накопленного опыта и трудов известных ученых в области СО₂-экстракции А.В. Пехова, Г.И. Касьянова, Е.П. Кошевого, Х.Р. Блягоза, нами предложен способ получения антиоксидантного СО₂-комплекса из смеси растительного сырья.

Полученный комплексный СО₂- экстракт представляет собой маслянистую жидкость с содержанием воды от 2,0 % до 2,9 %, кислотным числом 15,3 мг КОН, плотностью при 20 ^оС 0,9580 г/см³, показателем преломления при 20 ^оС 1,5240. При соотношении 1:1 экстракт полностью растворяется в 96° этиловом спирте и растительном масле.

Для оценки характера антиоксидантного действия СО₂-экстрактов, а также антиоксидантного СО₂-комплекса из смеси растительного сырья при окислении липидов в фаршевых системах проведены исследования их влияния на процесс окисления модельной фаршевой системы. Результаты окисления приведены на рисунке 1.

Рис. 1 – Влияние СО₂-экстрактов на кинетику окисления липидов модельной фаршевой системы

1 – Контроль

2 – СО₂-экстракт выжимок плодов граната

3 – СО₂-экстракт листьев зелёного чая

4 – СО₂-экстракт семян винограда

5 – СО₂-экстракт листьев малины

6 – СО₂-экстракт из смеси  экстрактов

7 – Комплексный СО₂-экстракт

 

Также ними были смоделированы рецептурные композиции и разработанытехнологии производства замороженных рыборастительных полуфабрикатов, а также проведена апробация в лабораторных условиях. Конструирование многокомпонентных рецептур полуфабрикатов проводили на ПЭВМ с помощью программы Gеnеriс 2.0 циклическим алгоритмом, производящим варьирование заданных ингредиентов и отбор рецептурных композиций, соответствующих лучшим показателям обобщённого критерия Харрингтона (D). В результате конструирования рецептур рыборастительных полуфабрикатов были получены оптимальные рецептурные составы, реализованные в виде котлет «Форелевые с облепихой», фрикаделек «Форелевые с ягодами», биточков «Толстолобик с облепихой», голубцов «Кумжа с ягодами». Учитывая значения частных функций желательности каждой из аминокислот, был получен обобщенный критерий желательности белкового модуля (D) для котлет, фрикаделек, биточков и голубцов соответственно 0,843; 0,931; 0,785 и 0,823. Обобщенный критерий желательности, характеризующий степень сбалансированности жирнокислотного, витаминного и минерального составов, модельных композиций соответственно для котлет и фрикаделек равен 0,709 и 0,805; 0,725 и 0,831; 0,714 и 0,737. Соответствие разработанных рецептур предъявляемым требованиям подтверждается высокими значениями обобщенного критерия желательности Харрингтона: для котлет– 0,721, для фрикаделек – 0,784. [2]

Эксперименты проводили с использованием ОЦКП второго порядка для двух факторов. Предварительно из факторов, влияющих на процессы окисления липидов, выбраны основные: массовая доля комплексного СО₂- экстракта (% к 100 г готового продукта) и продолжительность хранения образцов. В качестве параметра оптимизации математической модели Y для повышения объективности результатов исследования, выбран безразмерный обобщенный показатель, объединяющий четыре различных по физическому смыслу и единицам измерения частных отклика. Их совокупность позволяет комплексно оценить органолептические достоинства и стабильность к окислению липидов продукта: кислотное число (КЧ), мг КОН на 1 г, перекисное число (ПЧ), ммоль активного кислорода на 1 кг, тиобарбитуровое число (ТБЧ) - ед. оптической плотности, органолептическая оценка продукта (О, баллы по ГОСТ 9959-91).

Обобщение различных по физическому смыслу и единицам измерения частных откликов при расчете обобщенного параметра оптимизации проводили по методике безразмерной шкалы с учетом приближения эталону. В качестве эталонов считали КЧ = 2,0 мг КОН/1 г, ПЧ = 0,60 ммоль активного О₂ на кг, ТБЧ = 0,120 ед. оптической плотности (параметры определены в предварительных опытах) и органолептическая оценка О = 5 баллов (соответственно для частных откликов Y₁, Y₂, Y₃ и Y₄). Для получения достоверных данных ряд показателей поддерживали на одном уровне: состав, способы упаковки, температурные условия хранения (4 ± 2 ^оС), способ подготовки к дегустационной оценке. Обработка полученных данных позволили рассчитать параметры уравнения (1), адекватно связывающего обобщенный параметр оптимизации с изменяемыми факторами, которое позволяет прогнозировать качество продукта:

 y = 0,57 + 0,25Х₁ + 0,01 Х₂ + 0,04 Х₁Х₂ + 0,21 Х₁₂ – 0,31 Х₂²                 (1)

Перевод кодированной математической модели на натуральный уровень позволил получить функцию отклика (2), связывающую обобщенный параметр оптимизации и факторы дозировок комплексного СО₂- экстракта и сроков хранения продукта, выраженные в физических единицах измерения следующим образом:

Y = – 0,91 – 0,18Х₁ + 36,73 Х₂ +0,23Х₁Х₂ + 0,05 Х₁₂ – 126,32 Х₂²                 (2)

Оптимальные значения факторов, установленные методом математического дифференцирования составили: количество комплексного СО₂- экстракта – 0,08 % к 100 г готового продукта, продолжительность возможного торможения окисления – 3,51 суток при температуре 4±2^оС. Экспериментальная проверка полученных значений в специальной серии экспериментов по стабилизации липидов в составе замороженных рыборастительных полуфабрикатов на основе тех же частных откликов (КЧ, ПЧ, ТБЧ и органолептическая оценка) подтвердила факт оптимизации процесса стабилизации липидов рыборастительные полуфабрикатов выбранной дозировкой комплексного СО₂- экстракта. Оптимальная дозировка комплексного СО₂- экстракта установлена по физико-химическим показателям и органолептическим параметрам продукции на уровне 0,08 %.

В результате проведенной работы нами были разработаны рецептуры и технология замороженных рыборастительных полуфабрикатов функционального назначения с использованием СО₂- шрота плодов облепихи, комплексного СО₂- экстракта. В таблице 3 представлена характеристика антиоксидантной активности СО₂-экстракта в различных этапах производства рыборастительных полуфабрикатов.

Таблица 3 - Характеристика антиоксидантной активности СО₂-экстракта

Аналогичным образом  нами были проведены исследования по антиоксидантной активности СО₂-шрота плодов облепихи в различных этапах производства в котлетах «Форелевые с облепихой» и биточках «Толстолобик с облепихой». Причем антиоксидантная активность СО₂-шрота была меньше почти в два раза по сравнению с комплексным СО₂-экстрактом.

Таким образом, проведенные исследования выявили возможность извлечения ценных компонентов из лекарственного и пищевого растительного сырья, способствующие получению концентрированных биологически активных веществ, с прогнозируемым составом и направленными свойствами, что позволяет позиционировать исследованные комплексный СО₂-экстракт и СО₂-шрот плодов облепихи как физиологически функциональные пищевые ингредиенты в составе функциональных продуктов.

Литература

1. Химический состав российских пищевых продуктов: Справочник / Под ред.член-корр. МАИ, проф. И. М. Скурихина и академика РАМН, проф. В. А. Тутельяна. -М.: ДеЛи принт, 2002. - 236 с.
2. Определение биологической ценности продукта путем анализа аминокислотного состава с определением лимитирующих аминокислот методами динамического программирования для сканирующих неоднородностей/ Касьянов Г.И., Косенко О.В., Белоусова С.В., Зюзина О.Н., Николенко Н.С., Хобта Л.В. // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014611487, зарегистрировано 04.02.2014.
3. Шаманова Т.С. Технология мясорастительных фаршевых полуфабрикатов/Т.С. Шаманова, И.А. Палагина, Г.И. Касьянов.- Краснодар: КрасНИИРХ, 2003.-119 с.

References

1. Himicheskij sostav rossijskih pishhevyh produktov: Spravochnik / Pod red.chlen-korr. MAI, prof. I. M. Skurihina i akademika RAMN, prof. V. A. Tutel'jana (Chemical composition of Russian food: Directory), Moscow 2002, 236 p.
2. Kas'janov G.I., Kosenko O.V., Belousova S.V., Zjuzina O.N., Nikolenko N.S., Hobta L.V., Opredelenie biologicheskoj cennosti produkta putem analiza aminokislotnogo sostava s opredeleniem limitirujushhih aminokislot metodami dinamicheskogo programmirovanija dlja skanirujushhih neodnorodnostej (Determination of the biological value of the product by the analysis of amino acid composition to the definition limiting amino acids using dynamic programming for scanning of inhomogeneities).
3. Shamanova T.S., Palagina I.A., Kas'janov G.I., Tehnologija mjasorastitel'nyh farshevyh polufabrikatov (Minced ones meat and cereal technology of semis) Krasnodar, 2003, 119 p.