Моделирование состава и свойств продуктов с целью придания им функциональных свойств

Академиком РАСХН Н.Н. Липатовым (мл.) предложен подход к проектированию многокомпонентных продуктов, учитывающий специфику индивидуальных особенностей организма. Придерживаясь основной концепции рационального питания, по его мнению, задача оптимизации рецептур состоит в подборе таких компонентов и определении их соотношений, которые обеспечивают максимальное приближение массовых долей нутриентов к персонифицированным эталонам. Исходт из предположения, что все виды механической обработки сырья, связанные с приготовлением рецептурных смесей, приданием отдельным компонентам требуемой дисперсности или необходимых реологических свойств, не нарушают принципа суперпозиции в отношении биологически важных пищевых веществ исходных ингредиентов. Затем получают расчетную информацию о массовых долях белков, липидов, углеводов, минеральных веществ, витаминов. Для проектирования и оценки возможно большего количества комбинаций исходных компонентов при разработке рецептур новых поликомпонентных пищевых продуктов создана система компьютерного проектирования, позволяющая пользоваться банком данных о составе компонентов.

Проектирование функциональных продуктов должно выполняться с использованием следующих методических принципов:

- формирование физиологической ценности продукта как продукта функционального питания;

- обеспечение функциональной совместимости физиологической добавки с основными компонентами пищевых систем;

- сохранение нативных свойств или физиологической активности добавок в процессе технологической обработки;

- улучшение потребительских свойств продуктов в результате введения в рецептуру предлагаемых добавок;

- обеспечении идентификации вводимых добавок с определенной биологической активностью (химической природой, содержанием и т.п.).

Разработка продуктов, отвечающих заданным требованиям, заключается в обеспечении сбалансированного химического состава и удовлетворительных потребительских характеристик. Оптимизация параметров разрабатываемого продукта проводится путем моделирования рецептуры с использованием интегрального критерия сбалансированности по показателям качества. Моделирование рецептур сводится к нахождению некоторой области G-многофакторного n-мерного пространства R_n, отвечающей ограничениям, поставленным целью проектирования. В конкретном случае в качестве многомерного пространства может выступать линейная форма вида:

F(X₁,…,Х_n)=C_iX_k, (5.1)

где n - количество ингредиентов в рецептуре;

m - количество компонентов в i-ом ингредиенте продукта;

X_k - k-ый ингредиент в рецептуре;

C_i - массовая доля i-го компонента в X_k ингредиенте, %.

Область G определяется системой неравенств, представляющих собой ограничения, накладываемые на содержание b_ii-х компонентов рецептуры, и сводится к отысканию экстремума:

b_imin≤ ≤ b_imax. (5.2)

В связи с тем, что совокупность ограничений может быть противоречива, данный метод лишь констатирует данные противоречия и не выявляет, какие из них более критичны. Существует модель, позволяющая учесть данное замечание. В качестве такой модели выбрана квалиметрическая мультипликативная модель вида:

D=, (5.3)

где D - обобщенный критерий моделирования, DÎ[0, 1];

d_i - частные критерии по каждому из факторов, т.е. коэффициент, который может принимать значения от 0 до 1 в зависимости от значения фактора (массовой доли компонента, входящего в рецептуру).

Модель позволяет свести в одну формулу относительные, комплексные и простые единичные показатели качества и обеспечить независимость свойств каждого из показателей. Фактор моделирования преобразуется в безразмерную величину, которая выступает показателем соответствия его значения эталону. Для нахождения частного критерия используют значения функцию желательности Харрингтона: 0,8-1,00 - отлично, 0,63-0,80 - хорошо, 0,37-0,63 удовлетворительно, 0,20-0,37 - неудовлетворительно, 0-0,20 - неприемлемо (рис. 5.1).

При двустороннем ограничении на рассматриваемый фактор функция вычисляется по формуле :

d_i=exp(-êy^,êⁿ, (5.4)

где y^,=[2b-(b_max+ b_min)]/ -(b_max+ b_min).

Функция (5.4) позволяет формировать функцию желательности в диапазоне значений фактора (5.2).

Рассмотрим некоторые возможные варианты проектирования функциональных продуктов питания.

Принято считать, что 1 г идеального белка должен содержать изолейцина - 40 , лейцина - 70, лизина - 55, метионина с цистином - 35, фенилаланина с тирозином - 60, триптофана - 10, треонина - 40 и валина - 50 мг. Для оценки качества жиров по жирнокислотному составу Институт питания РАМН и ВНИИМС предложили по аналогии с идеальным белком ввести понятие «гипотетически идеальный жир», предусматривающее определенные соотношения между отдельными группами и представителями жирных кислот. Согласно этой модели «гипотетически идеальный жир» должен содержать (в относительных частях): ненасыщенных жирных кислот - от 0,38 до 0,47; насыщенных жирных кислот - от 0,53 до 0,62; олеиновой кислоты - от 0,38 до 0,32; линолевой кислоты - от 0,07 до 0,12; линоленовой кислоты - от 0,005 до 0,01; низкомолекулярных насыщенных жирных кислот - от 0,1до 0,12; трансизомеров - не более 0,16.

Si^S=, (5.5)

где S_i^S - массовая доля вещества в рецептурной смеси, %;

Х_i - массовая доля i-го компонента в рецептурной смеси, %;

S_i - массовая доля пищевого вещества i-го компонента в рецептурной смеси, %.

Из различий аминокислотного состава белков вытекает возможность повысить их биологическую ценность в результате смешения сырья растительного и животного происхождения, дополняющих друг друга по аминокислотному составу. Необходимо также отметить, что эффекты взаимного обогащения и повышения биологической ценности наблюдаются как для смеси белков, так и комбинаций пищевых продуктов, содержащих эти белки. Применительно к различным отраслям пищевой промышленности, а также проектированию белкового, аминокислотного, углеводного, витаминного, минерального состава уравнение (5.1) модифицировано с учетом специфики проектируемых продуктов. Независимо от сути предлагаемых технических решений для поликомпонентных смесей возможны, как минимум, три варианта постановки задачи.

1. Достижение точного соответствия количественных соотношений нутриентов проектируемого продукта эталону. В этом случае составляется система линейных алгебраических уравнений вида:

=А_идi, (5.6)

i=1…m-1, (5.7)

где n - число компонентов;

m - число оптимизируемых веществ;

- массовая доля i-го оптимизированного вещества в

j-ом компоненте;

С_j - массовая доля j-го компонента.

В рассматриваемой задаче оптимизации состава продукта путем подбора его рецептурного состава, где неизвестными являются Сj, имеем систему линейных алгебраических уравнений из m уравнений с n неизвестными, которая разрешима при выполнении условий:

n