Компьютерная оптимизация рецептуры молочного мороженого

 

В настоящее время в России и мире в индустрии питания актуальны разработки функциональных (лечебно-профилактических) продуктов [2, 11]. Такое направление стало популярным ещё в 1980-х гг. в Японии, где собственно и зародилась концепция функционального питания, модернизировавшись сейчас в науку — функциональную нутрициологию. Согласно ГОСТ 52349–2005 под функциональным пищевым продуктом понимается тот, при систематическом употреблении которого снижается риск развития алиментарных заболеваний, сохраняется здоровье за счет содержания в них физиологически функциональных пищевых ингредиентов.

Многолетние научные публикации в области функциональной нутрициологии свидетельствуют, что физиологически функциональными пищевыми ингредиентами являются полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК), витамины, антиоксиданты, пищевые волокна, минеральные вещества, пробиотики (препараты живых микроорганизмов, бифидобактерий) и пребиотики (олигозные субстраты, стимулирующие рост и активность нормофлоры в кишечнике человека.) [1, 12, 13]. Чтобы продукт имел функциональное значение, необходимо наличие в его составе функциональных ингредиентов в количестве 10–50 % от физиологической суточной потребности.

В обществе сейчас наблюдается модная тенденция на правильное («здоровое») питание [3, 10]. Оно и верно, ведь здоровье человека на 60–70 % собственно зависит от питания. А значит, создание мороженого, соответствующего запросам потребителей в области здорового питания, является перспективным направлением в производстве замороженных десертов [14]. Такое направление обусловливает создание и моделирование рецептуры с использованием функциональных ингредиентов [8, 15]. Такими ингредиентами могут служить β-каротин и витамины С, Е, которые вдобавок являются еще и антиоксидантами. Использование антиоксидантов в пище отвечает злободневной проблеме высокой распространенности онкологии среди населения, поскольку они регулируют интенсивность свободно-радикальных реакций в организме. Свободные радикалы являются главными внешними разрушителями здоровых клеток и мутагенами, которые могут провоцировать раковые опухоли.

Дополнительно, сейчас в России реализуется стратегия развития пищевой промышленности, определенная в Концепции государственной политики в области здорового питания Российской Федерации до 2020 г. Это делает разработку молочного мороженого лечебно-профилактического направления сверхактуальной.

Один из эффективных путей оптимизации рецептуры молочного мороженого состоит в обогащении его природными продуктами растительного происхождения — овощами, фруктами, ягодами. В качестве таких продуктов могут служить морковь, содержащая β-каротин, и перец болгарский, имеющий большие запасы витамина С. В рецептурную смесь мороженого данные компоненты могут вводится в качестве сока свежевыжатого сока или овощного пюре. Морковь предлагается вводить в качестве сока, который одновременно будет иметь функционально-технологическое назначение — натуральным красителем (оранжевый цвет). Болгарский перец добавляется в смесь в качестве свежепротертого пюре. Химический состав овощных функциональных ингредиентов представлен в таблице 1 [7].

 

Таблица 1

Химический состав морковного сока и пюре из болгарского перца

Нутриент, %, мг %	Сок морковный	Пюре из перца болгарского
Вода	84,6	91
Белки	1,1	1,3
Жиры	0,1	0,1
Углеводы	12,6	4,9
Витамин Е	0,3	0,7
Витамин В3 (РР)	0,2	0,8
Витамин В2	0,02	0,09
Витамин В1	0,01	0,08
β-каротин	2,1	1,5
Витамин С	3	200

 

Проектируемая рецептура предусматривает также полную замену сахара-песка на фруктозу для повышения потребительских свойств мороженого за счет придания сладости и усиления приятного сливочного вкуса и аромата. Использование фруктозы — самого сладкого из природных сахаров в производстве мороженого очень перспективно, поскольку она имеет меньший молекулярный вес и в большей степени, чем сахароза, снижает точку замерзания и таяния мороженого.

При включении овощных ингредиентов следует определить их содержание в моделируемом продукте. В соответствии с современными представлениями, понятие «моделирование» означает разработку моделей, регламентирующих состав продуктов заданного качества и представляющих, с точки зрения математики, систему линейных алгебраических балансовых уравнений. Наличие данной системы позволяет адекватно решать рецептурную задачу, описывать изменение общехимического, витаминного и других составов разрабатываемых композиций, предоставляя возможность заменить экспериментальные исследования процесса формирования состава продуктов анализом и синтезом его математической модели [4]. Компьютерное моделирование — это эффективный метод изучения сложнокомпонентных систем. Логичность и формализованность компьютерных моделей позволяет выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемого объекта-оригинала, в частности, исследовать отклик моделируемой физической системы на изменения ее параметров и начальных условий. Такими моделями легче и удобнее исследовать и проводить вычислительные эксперименты, когда реальные эксперименты затруднены из-за финансовых, физических или временных препятствий [5, 6, 9]. Использование принципов системного моделирования позволяет провести декомпозицию технологической системы производства молочного мороженого на этапе рецептурных расчетов композиционной смеси с помощью линейных моделей. Сущность задач такого вида заключается в том, чтобы из множества возможных рецептурных вариантов выбрать по заданному признаку оптимальный. Для решения поставленной задачи используется фундаментальный закон — закон сохранения массы веществ. Проводят расчет рецептуры без учета потерь ингредиентов в технологической линии производства молочного мороженого. В соответствие с ГОСТ Р 52175–2003 классическое молочное мороженое имеет следующие нормы физико-химических показателей: массовая доля молочного жира — 2,5–4,0 %; массовая доля сахарозы (общего сахара за вычетом лактозы) — не менее 15,5 %; массовая доля сухих веществ (включает СОМО) — не менее 29 %; массовая доля СОМО — не более 11,5 %. Эти данные принимаются за опорные значения (свойства), т. е. стандартизируются для моделируемой рецептуры (рисунок 1).

На основании банка данных (количественное соотношение нутриентов используемых ингредиентов) формируются балансовые уравнения мороженого:

           — баланс по молочному жиру;

           — баланс по сахару (сахарозе);

           — баланс по СОМО;

           — баланс по сухим веществам, включая СОМО;

           — баланс по массе.

Дополнительные условия и ограничения вводятся для адекватной передачи рецептурного состава разрабатываемого мороженого и его функциональной направленности (содержания в конечном продукте витамина С от 10 до 50 % суточной потребности, установленной в Российской Федерации [6]):

           — содержание молока натурального в смеси должно быть больше 50 %;

           — содержание стабилизатора Palsgaard;

           — содержание ароматизатора;

           — ограничение на содержание витамина С (мг %), источником которого является перец болгарский;

           — ограничение на содержание β-каротина (мг %), источником которого является сок морковный;

          содержание всех компонентов должно быть больше или равным нулю.

В качестве критерия оптимизации (функционала) выбирается себестоимость, энергетическая ценность и витаминный состав мороженого. В первую очередь, определяется целевая функция как минимизация себестоимости мороженого, имеющего при этом лечебно-профилактические свойства. В этом случае функция цели запишется в виде:

(1)

где Xi — вектор неизвестных искомых (массовая доля вносимых ингредиентов в рецептурную смесь);

Zi — цена i-того ингредиента составляющего продукта, ₽/кг.

С учетом принятых средних цен целевая функция примет выражение:

Аналогично ставились функции по минимизации энергетической ценности и максимизации суммарного количества витаминов в молочном мороженом.

Энергетическая ценность (Э) каждого ингредиента в рецептуре продукта рассчитывалась по формуле (Б — белки, Ж — жиры, У — углеводы):

(2)

Реализация поставленной задачи решалась компьютерным моделированием молочного мороженого функционального назначения в программе Microsoft Excel с надстройкой «Поиск решения» (рисунок 1).

Рис. 1. Проектирование оптимальной рецептуры при минимизации стоимости продукта

 

Расчетным путем сформированы композиционные составы рецептурной смеси. В результате оптимизаций по разным целевым функциям получены несколько рецептур, варьирующихся по количественным значениям рецептурных ингредиентов (таблица 2).

 

Таблица 2

Варианты рецептур молочного мороженого, в зависимости от критерия оптимизации

Ингредиенты	Х	Варианты рецептур расхода ингредиентов без учета потерь, г на 100 г.
		1 (минимизация стоимости)	2 (минимизация энергоценности)	3 (максимизация витаминов)
Молоко натуральное коровье	Х1	50	50	50
Масло сливочное несоленое «Крестьянское»	Х2	1,38	1,38	1,38
Сливки 20 % из коровьего молока	Х3	5	5	5
Сухое обезжиренное молоко	Х4	4,33	1,65	1,37
Фруктоза	Х5	15,5	15,5	15,5
Вода	Х6	0	2,63	0
Стабилизатор Palsgaard	Х7	0,5	0,5	0,5
Ароматизатор	Х8	0,01	0,01	0,01
Сок морковный свежий	Х9	20	20	20
Перец болгарский свежий (пюре)	Х10	3,28	3,33	6,24
Энергетическая ценность, ккал в 100 г		136,28	127,44	127,24
Стоимость, ₽/кг		70,71	65,95	69,17
Массовая доля, %
молочного жира		4,0	4,0	4,0
сахара		15,5	15,5	15,5
СОМО		8,54	5,99	5,73
сухих веществ		31,54	29,00	29,00
Содержание β-каротина, мг % (%сут.потр.)		0,48 (8,02)	0,48 (8,02)	0,53 (8,76)
Содержание витамина С, мг % (%сут.потр.)		8 (10)	8 (10)	13,80 (17,24)
Суммарное содержание витаминов, мг %		9,01	8,92	14,80
Соотношение Б: Ж: У		1: 1,2: 6,9	1: 1,6: 8,9	1: 1,7: 9

 

Несмотря на минимизацию стоимости по варианту рецептуры 1, дешевле, но полезней получился вариант 3. Однако соотношение белков, жиров, углеводов далеко от идеального (стандарт Б: Ж: У = 1: 1: 4), в последнем отношении наилучший результат у 1 варианта. Во всех случаях имеется функциональный ингредиент — витамин С из болгарского перца (минимум — 10 % суточной потребности). Поскольку конструировалось мороженое функционального назначения, приоритетом является рецептура 3 как по суммарному содержанию витаминов, так и антиоксидантным свойствам (витамину С).

Использование растительного сырья как источника антиоксидантов (витамина С, β-каротина), позволяет не только расширить ассортимент мороженого, предназначенного для массового рационального питания, но и оптимизировать технологические приемы производства.

 

Литература:

 

1.      Гаязова А. О., Ребезов М. Б., Попова М. А., Лукиных С. В. Технология продукции функционального назначения. В сборнике: Технология и продукты здорового питания. Материалы Международной научно-практической конференции. 2014. С. 86–89.
2.      Канарейкина С. Г., Ребезов М. Б., Нургазезова А. Н., Касымов С. К. Методологические основы разработки новых видов молочных продуктов. Алматы, 2015. Сер. Продукты питания животного происхождения
3.      Ребезов М. Б., Богатова О. В., Максимюк Н. Н., Манылов С. В. Научные основы производства молока и молочных продуктов. Оренбург, 2008.
4.      Использование экстрактов ягод дикоросов мороженом / Л. А. Текутьева, Ж. П. Павлова, В. И. Бобченко и др. // Молочная промышленность. — 2012. — № 12. — С. 66–67.
5.      Лисин, П. А. Компьютерные технологии в рецептурных расчетах молочных продуктов. М.: ДеЛи принт, 2007. 102 с.
6.      Питание и здоровье в Европе: новая основа для действий / под ред. Aileen Robertson, Cristina Tirado, Tim Lobstein. — Региональные публикации ВОЗ, Европейская серия. № 96. 525 с.
7.      Скурихин И. М., Тутельян В. А. Таблицы химического состава и калорийности российских продуктов питания: справочник. М.: ДеЛи принт, 2008. 276 с.
8.      Догарева Н. Г., Ребезов М. Б., Салихова Э. М., Ткачук О. В., Канарейкина С. Г. Основные направления развития исследований по переработке молока. Молодой ученый. 2015. № 14 (94). С. 147–149.
9.      Ребезов М. Б., Богатова О. В., Манылов С. В., Зайцев А. Н. Экономика предприятия молочной промышленности. Оренбург, 2008.
10. Зинина О. В., Ребезов М. Б., Асенова Б. К. Инновационные технологии переработки сырья животного происхождения. Алматы, 2015. Сер. Продукты питания животного происхождения.
11. Бурцева Т. И., Ребезов М. Б., Асенова Б. К., Стадникова С. В. Развитие технологий функциональных и специализированных продуктов питания животного происхождения. Алматы, 2015. Сер. Продукты питания животного происхождения.
12. Касымов С. К., Ребезов М. Б. Разработка функциональных продуктов питания для экологически неблагоприятных регионов. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Пищевые и биотехнологии. 2015. Т. 3. № 3. С. 83–91.
13. Лукиных С. В., Ребезов М. Б., Попова М. А., Гаязова А. О. Разработка функциональных продуктов питания с учетом современных требований. В сборнике: Продовольственная индустрия: безопасность и интеграция: Материалы Международной конференции. Пермь, 2014. С. 31–34.
14. Ребезов М. Б., Ткачук О. В., Шель И. А. Оценка перспектив инновационного проекта «Десерт фруктовый взбитый замороженный из сыворотки». Актуальные проблемы и перспективы развития экономики: труды конференции. Саки: Предприятие Феникс, 2014. С. 42–45.
15. Ребезов М. Б., Наумова Н. Л., Альхамова Г. К., Лукин А. А., Хайруллин М. Ф. Экология и питание. проблемы и пути решения. Фундаментальные исследования. 2011. № 8–2. С. 393–396.