CC BY
100
Инженерия
УДК 637.764
КОМПОЗИЦИОННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОЛИКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ
П. А. ЛИСИН,
доктор технических наук, профессор, Е. А. МОЛИБОГА,
кандидат технических наук, доцент, Т. Д. ВОРОНОВА,
кандидат химических наук, доцент, Ю. С. САВЕЛЬЕВА, магистр, И. В. КИСТЕР,
аспирант, Омский государственный аграрный университет имени П. А. Столыпина
(644008, г. Омск, Институтская пл., д. 2; тел.: 8 (3812) 65-01-81, 8 (3812) 65-12-77, 89131481713, 89083190255, 89048225970; e-mail: [email protected], [email protected], [email protected])
Ключевые слова: пищевые продукты, заданные потребительские свойства, рациональные решения, композиция, многокомпонентные продукты.
Показывается, что конструирование пищевых продуктов с заданными потребительскими свойствами — востребованное в последнее время научное и прикладное направление в пищевой отрасли. В связи с этим поиск методологических особенностей решения данных задач является весьма актуальным. Целевое комбинирование рецептурных ингредиентов может обеспечить получение пищевой композиции с заданным химическим составом. Обобщение научных и практических предпосылок создания рациональных рецептур многокомпонентных молочных продуктов показывает, что повышение степени адекватности состава композиций без увеличения себестоимости эффективно может быть достигнуто только с использованием современных компьютерных математических систем. Разработанный матричный метод проектирования многокомпонентных пищевых продуктов отличается простотой и наглядностью при своей реализации. С использованием современного математического аппарата сложные рецептурные задачи конструирования многокомпонентных пищевых продуктов творчески решаются без потери оперативности управления производством. Конструирование многокомпонентных пищевых продуктов позволяет рационально использовать ресурсы, прочее дорогостоящее сырье, расширить ассортимент конкурентоспособных продуктов с привлекательными для потребителя органолептическими показателями, повышенной пищевой и биологической ценностью и обладающих заданными свойствами.
THE COMPOSITIONAL DESIGN OF MULTICOMPONENT FOODSTUFF
P. A. LISIN,
doctor of technical sciences, professor, E. A. MOLIBOGA,
candidate of technical sciences, associate professor, T. D. VORONOVA,
candidate of chemical sciences, associate professor, YU. S. SAVELYEVA, master, I. V. KISTER,
graduate student, Omsk state agricultural university named after P. A. Stolypin
(2 Institutskaya Sq., 644008, Omsk; tel: +7 (3812) 65-01-81, +7 (3812) 65-12-77, +7 913 148-17-13, +7 908 319-02-55, +7 904 822-59-70; e-mail: [email protected], [email protected], [email protected])
Keywords: foodstuff, specified consumer properties, rational solutions, composition, multi-component products. Showed that designing of foodstuff with the specified consumer properties is a popular scientific and applied direction in the food industry lately. In this connection a search of methodological peculiarities of the solution of these problems is very important. A target combination of prescription ingredients can provide a food composition with a specified chemical composition. Generalization of scientific and practical prerequisites of developing rational recipes of multicomponent dairy products shows that an increase of the adequacy degree of the composition without increasing the cost can be achieved effectively only with the use of modern computer mathematical systems. A developed matrix method of multicomponent foodstuff design is noted by simplicity and clarity of its implementation. When using a modern mathematical apparatus, complex prescription tasks of multicomponent foodstuff design are solved creatively without an efficiency loss of production management. Construction of multicomponent foodstuff allows the efficient use of resources, other expensive raw materials, expansion of competitive products range with user-friend organoleptic characteristics, high nutritional and biological value and with specified properties.
Положительная рецензия представлена О. В. Пасько, доктором технических наук, профессором кафедры технологии продуктов питания и сервиса, деканом технологического факультета Омского экономического института.
Питание, как фундаментальный процесс, лежащий в основе жизнедеятельности живых организмов, представляет огромный интерес с самых разных точек зрения. В последнее время был сделан ряд выдающихся открытий в области науки о питании. Именно пища обеспечивает все клетки нашего организма энергией и множеством различных веществ, необходимых для нормальной жизнедеятельности. Качественный и количественный состав пищи — основа обеспечения физиологических потребностей человеческого организма. Нужно не только определенное количество пищи, но и сбалансированное по соотношению питательных веществ, витаминов, минералов и микроэлементов. Обмен биологических веществ — основа существования человека — подразделяется на основной обмен, направленный на устойчивое существование организма как саморегулирующейся системы, и обмен, обеспечивающий его внешнюю работу и рост [1, 3].
Значительное изменение структуры питания населения за счет снижения объемов производства основных видов пищевых продуктов, а также повышения цен на них приводит к возникновению и развитию различных заболеваний. По данным института РАМН пищевой рацион россиян, различных возрастных групп, не отвечает требованиям современной медицинской науки. Недостаточные потребление полноценных белков, витаминов, минеральных веществ и пищевых волокон приводит к нарушениям работы организма, ослабевает иммунитет, работоспособность, замедляется восстановление после перенесенных заболеваний.
Существует и другая проблема в питании современного человека, особенно в высокоразвитых странах, — переедание и связанные с ним ожирение, сахарный диабет, атеросклероз, гипертоническая болезнь, рак. Помимо недостатка или избытка продуктов питания, пища может быть и нездоровая, то есть, хотя по калорийности она соответствует потребностям организма, но пищевые вещества поступают в неправильных соотношениях. Все эти три ситуации в питании определяются терминами неправильное, нездоровое, нерациональное питание, которое становится фактором риска развития заболеваний человека [1, 2].
В России, как и в других странах, отмечается устойчивая тенденция повышения интереса к потреблению пищевых продуктов и функциональных препаратов из экологически безопасного сырья. Такие продукты повышают устойчивость организма к экстремальным ситуациям, нормализуют умственную и физическую работоспособность, используются в лечебно-профилактических целях.
Поэтому закономерно, что одним из приоритетных направлений современной науки о питании является разработка принципов композиционного проектирования многокомпонентных продуктов питания с заданной пищевой ценностью. Особенности проектирования продуктов и рационов питания с задаваемой пищевой ценностью подробно рассмотрены в работах академиков Н. Н. Липатова (мл) и И. А. Рогова [3, 5]. Ими сформулированы основные принципы проектирования состава сбалансированных продуктов с требуемым комплексом показателей пищевой ценности и содержащих их рационов.
В настоящее время активно проводится научные исследования в данном направлении научной школой КемТИПП под руководством профессора Л. А. Остроумова, а также другими учеными, в том числе из Ом-ГАУ, АлтГТУ, СибНИИС и т. д.
Изучение состояния вопроса и анализ патентной и научно-технической литературы, а также собственные исследования авторов приводят к заключению: конструирование рецептур поликомпонентных продуктов может быть эффективно выполнено с использованием современного математического аппарата и специализированных информационных компьютерных программ [1, 2, 5].
В свете концепции теории адекватного питания, задача оптимизации рецептур заключается в подборе компонентов и определении их соотношений, которые обеспечивает максимальное (в большей или меньшей степени) приближение массовых долей ну-триентов к принятым эталонам. В такой постановке решение оптимизационных задач предполагает наличие априорной или экспериментально получаемой информации о массовых долях макро- и микропитательных веществ в рецептурной композиции. С учетом многообразия вариантов подбора исходных рецептурных ингредиентов и их соотношений между собой, экспериментальный путь получения упомянутой выше информации представляется менее выгодным. Для получения расчетной информации о массовых долях основных питательных веществ применяется формула, описывающая уравнения материального баланса:
I X ^2х!, (1)
7=1 1=1
где 5 — массовая доля конкретного макро- или микропитательного вещества в рецептурной смеси и 7-ом компоненте в долях единиц или в %;
X — массовая доля 7-го компонента в рецептурной смеси в долях единиц или в %;
5 — массовая доля конкретного макро- или микропитательного вещества в 7-ом компоненте в долях единиц или в %.
Оптимизационные модели отражают в математической форме смысл технологической задачи. Отличительной особенностью этих моделей является наличие условия нахождения оптимального решения (критерия оптимальности-функционала), которое записывается в виде функционала. Эти модели при определенных исходных данных (ингредиентный состав) задачи позволяют получить множество решений, удовлетворяющих условиям задачи, и обеспечивают выбор оптимального решения, отвечающего критерию оптимальности (функционалу).
В общем виде математическая постановка задачи линейного программирования состоит в определении наибольшего или наименьшего значения целевой функции. Данного типа задачи решаются в математике с помощью линейного программирования (ЛП), одним из разделов которого является симплекс-метод.
Рассмотрим задачу ЛП в стандартной форме:
п
тах(тт)Р (х1, х2,..., хп) = 2 с ]Х], (2)
]=1
Инженерия
Таблица 1
Матрица данных для составления рецептуры вареной колбасы
Ингредиент Индекс, Х1 Массовая доля, % Оптовая цена, руб./кг
Жира Белка Углеводов Воды
Мясо птицы Х., 16,10 18,70 0,70 64,30 110
Молоко коровье сухое цельное Х., 26,71 26,32 38,42 2,47 100,91
Меланж яичный Хз, 37,30 46,00 4,50 7,30 10
Шпик из куриного жира Х.4 99,70 0 0 0 87,16
Соль поваренная Х.. 0 0 0 0 5,45
Паприка 3,26 10,95 38,31 10,51 89,91
Кориандр Х.7 4,78 21,93 41,70 7,30 370,10
Розмарин 4,43 22,42 21,26 9,02 155,28
Состав проектируемого продукта, не менее 27,0 17,0 3,0 51,0
Таблица 2
Система балансовых линейных алгебраических уравнений
Баланс по: Уравнения и ограничения
Жиру 0,161Х, + 0,2671Х, + 0,373Х + 0,997Х, + 0,0326Х( + 0,0478Х, + 0,0443Х, = 27 у 1 2 3 4 6 7 8
Белку 0,187Х, + 0,2632Х. + 0,46Х3 + 0,1095Х6 + 0,2193Х7 + 0,2242Х8 = 17
Углеводам 0,007Х, + 0,3842Х. + 0,045Х3 + 0,3831Х6 + 0,417Х7 + 0,2126Х8 = 3
Воде 0,643Х, + 0,0247Х, + 0,073Х3 + 0,1051Х6 + 0,073Х7 + 0,0902Х8 = 51
Масса колбасы, кг Х, + Х, + Х3 + Х4 + Х + ХЛ + Х7 + Хя = 100,00 1 2 3 4 . 6 7 8 у
Xа, х> <Ъ]1 = \,2...,т, xJ > 0,7 = 1,2,,..,п ^
Линейная функция (2) называется целевой функцией задачи (функционалом). Условия (3) называются функциональными. Вектор, компоненты которого удовлетворяют функциональным и прямым ограничениям задачи, будем называть планом, или допустимым решением задачи линейного программирования (ЗЛП). Допустимое решение, максимизирующее (минимизирующее) целевую функцию, называется оптимальным планом задачи [5, 6].
Для определения направления движения к оптимуму строят вектор-градиент, координаты которого являются частными производными целевой функции и определяются по формуле:
(
V =
dF dx.
dF
dxn
dF dx
\
(4)
В качестве критерия оптимизации (функционала) нами была выбрана себестоимость молочного напитка, как одна из характеристик, определяющая экономическую эффективность производства. Целевая функция для оптимизации, исходя из условия минимума себестоимости, запишется в следующем виде [2, 5, 6]:
С(х) = ^ С. х min , (5)
где х. = (х1, х2,...,х8) — вектор неизвестных искомых;
Ci — себестоимость /-го ингредиента, руб./кг.
Практическая реализация композиционного системного моделирования возможна на основании модульного принципа при использовании авторским коллективом компьютерных программ: «МИНИМУМ-МАКСИМУМ» (внесена Роспатентом в реестр программ для ЭВМ под № 2010612628, 15.04.2010),
«ИДЕАЛЬНЫЙ БЕЛОК» (№ 2010616153, 17.09.2010), а также поданного на регистрацию программного модуля «OPTIMUS» (включает расчет аминокислотного состава, минимального скора, коэффициента утилитарности, коэффициента сопоставимой избыточности и содержания белка в многокомпонентной композиции в подмодуле «AMINOSKOR», витаминного состава в подмодуле «VITAMAKS», и минерального состава в подмодуле «MINERALMAKS») [3, 4, 5, 6].
Реализация поставленной задачи решалась средством компьютерного моделирования молочного напитка с использованием Microsoft Excel с надстройкой «Поиск решения».
Рассмотрим пример реализации композиционного проектирования рецептурной смеси на примере составление рецептуры вареной колбасы.
В табл. 1 сформирована информационная матрица данных для расчета рецептуры вареной колбасы, которая включает в себя пять модульных блоков: вид ингредиентов, химический состав ингредиентов, оптовые цены, индексированные переменные, обозначенные через Х и требования, предъявляемые к проектируемому продукту.
На основании информационной матрицы данных (табл. 1) формируется система линейных балансовых уравнений — по жиру, белку, золе, углеводам, воде, массе (табл. 2).
Функция цели — минимальная себестоимость вареной колбасы запишется, на основании данных табл. 1, в следующем виде:
110Х + 100,91Х, + 10Х + 87,16Х + 5,45Х. + 89,91Х6 + 370,10Х7 + 155,28X8 — min.
В табл. 3 приведена рецептура колбасы варенной.
Энергетическая ценность спроектированной колбасы вареной составляет 328 ккал, себестоимость 100 кг продукта равна 9868,56 руб.
Таблица 3
Фрагмент оптимизации рецептуры колбасы вареной
Ингредиент Масса, кг Массовая доля, % Цена, руб./кг
Жира Белка Углеводов Воды
Мясо птицы 75,0 16,1 18,7 0,70 64,30 110,00
Молоко коровье сухое цельное 5,00 26,71 26,32 38,42 2,47 100,91
Меланж яичный сухой 5,00 37,30 46 4,50 7,30 10,00
Шпик из куриного жира-сырца 12 99,70 0,00 0,00 0,00 87,16
Соль поваренная 2,00 0,00 0,00 0,00 0,00 5,45
Паприка 0,08 3,26 10,9 38,31 10,51 89,91
Розмарин 0,46 4,43 22,4 21,26 9,02 155,28
Кориандр 0,46 4,78 21,9 41,70 7,30 370,10
Итого, кг 100
Стандарт продукта 27,3 17,9 3,0 51,9
Функция цели-себестоимость 9868,56
Таблица 4
Фрагмент расчета содержания витаминов в колбасе варенной
Ингредиент Масса, кг Содержание витаминов, (мг%)
В1 А В2 С Е РР
Мясо птицы 75,0 0,09 0,04 0,15 2,00 0,30 11,10
Молоко коровье сухое цельное 5,00 0,28 0,26 1,21 8,60 0,48 0,65
Меланж яичный сухой 5,00 0,25 0,95 1,64 0,00 2,10 13,20
Шпик из куриного жира-сырца 12,0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Соль поваренная 2,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Паприка 0,08 0,11 0,15 0,24 21,00 0,72 0,14
Розмарин 0,46 0,17 0,51 1,23 122,00 6,91 7,93
Кориандр 0,46 1,25 0,29 1,50 566,70 1,03 10,71
Итого, кг 100
Содержание мг% 0,101 0,094 0,268 5,115 0,391 9,103
Таблица 5
Фрагмент расчета содержания макро- и микроэлементов в мясном продукте
Ингредиент Масса, Кг Содержание макро- и микроэлементов, мг%
Кальций Калий Железо Натрий Магний Фосфор
Мясо птицы 75,0 14,00 236,00 1,30 70,00 19,00 160,00
Молоко коровье сухое цельное 5,00 912,00 1330,00 0,47 371,00 85,00 776,00
Меланж яичный сухой 5,00 193,00 448,00 8,90 436,00 42,00 795,00
Шпик из куриного жира-сырца 12 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Соль поваренная пищевая 2,00 368,00 9,00 2,90 38710,00 22,00 75,00
Паприка 0,08 437,00 1259,00 28,86 44,00 194,00 173,00
Розмарин 0,46 2113,00 3433,00 42,00 34,00 422,00 490,00
Кориандр 0,46 1246,00 4466,00 42,46 211,00 694,00 481,00
Итого, кг 100
Содержание в продукте, мг% 83,18 282,88 1,72 867,24 23,14 202,44
Инженерия
Разработанный подход может быть использован при моделировании пищевых продуктов нового поколения и представляет собой методологический базис для нахождения новых перспективных и эффективных технологических решений в пищевой от-
образом, конструирование многокомпо-
расли.
Таким
нентных мясных продуктов позволяет рационально использовать пищевые ресурсы, дорогостоящее сырье, расширить ассортимент выпуска конкурентоспособных продуктов питания с привлекательными для потребителя показателями, повышенной пищевой и биологической ценностью и обладающих заданными функциональными свойствами.
Композиционное проектирование позволяет осуществлять расчет содержания витаминов, макро- и микроэлементов в продукте. В табл. 4, 5 приведены данные содержания витаминов и минеральных веществ в спроектированном продукте — колбасе варенной.
Методология системного композиционного моделирования поликомпонентных продуктов позволяет целенаправленно и оперативно разрабатывать продукты с заданными свойствами. Методика может быть использована в высших учебных заведениях при подготовке бакалавров, магистров и аспирантов, в научных исследованиях, а также в производственной деятельности инженера-технолога при разработке и совершенствовании рецептур продуктов.
Литература
1. Доронин А. Ф. Функциональное питание. М. : Грант, 2002. 250 с.
2. Липатов Н. Н., Рогов И. А. Методология проектирования продуктов питания с требуемым комплексом показателей пищевой ценности // Известия вузов. Пищевая технология. 1987. № 2. С. 9-15.
3. Лисин П. А. Компьютерные технологии в рецептурных расчетах молочных продуктов. М. : ДеЛи принт, 2007. 102 с.
4. Лисин П. А., Мусина О. Н. Программный модуль «Минимум-максимум» регистрационный номер № 20106112628, от 15.04.2010. Роспатент РФ.
5. Лисин П. А., Мусина О. Н. Программный модуль «Идеальный белок» регистрационный номер № 2010616153, от 17.09.2010. Роспатент РФ.
6. Мусина О. Н. Современное состояние биотехнологии комбинированных молочных продуктов. Тенденции совершенствования основных видов комбинированных молочных продуктов // Хранение и переработка сельхозсырья. 2008. № 4. С. 62-65.
7. Петуховский С. Л., Плотникова Л. Я., Новицкий А. А., Семченко В. В., Зайнчковский В. И., Баженова О. П., Барай-щук Г. В., Гаврилова Н. Б., Молибога Е. А., Мяло В. В. Состояние и перспективы развития научных исследований и образования в области биотехнологии в Омском государственном аграрном университете им. П. А. Столыпина // Вестник КрасГАУ 2013. № 7. С. 302-306.
8. Гаврилова Н. Б., Витченко А. С., Молибога Е. А. Аргументированный скрининг закваски для обогащения пробио-тической микрофлорой молочных каш // Аграрный Вестник Урала. 2013. № 1. С. 146-149.
9. Лисин П. А., Воронова Т. Д., Молибога Е. А., Скоков А. П., Кистер И. А., Браницкий В. В. Оптимизация рецептуры многокомпоненного продукта методом линейного проектирования // Аграрный Вестник Урала. 2013. № 8. С. 29-32.
References
1. Doronin A. F. Functional nutrition. M. : Grant, 2002. 250 p.
2. Lipatov N. N., Rogov I. A. Methodology of foodstuff designing with the required set of nutritional value properties // Universities' news. Food technology. 1987. № 2. P. 9-15.
3. Lisin P. A. Computer technologies in prescription calculations of dairy products. M. : Delhi print. 2007. 102 p.
4. Lisin P. A., Musina O. N. Program module "Minimum-maximum", registration number № 20106112628, dated 15.04.2010. Rospatent of the Russian Federation.
5. Lisin P. A., Musina O. N. Program module "Perfect protein" registration number № 2010616153, dated 17.09.2010. Rospatent of the Russian Federation.
6. Musina O. N. The modern state of combined dairy products' biotechnology. Trends of improvement of main types of combined dairy products // Storage and processing of agricultural products. 2008. № 4. P. 62-65.
7. Petukhovsky S. L., Plotnikova L. Ya., Nowicki A. A., Semchenko V. V., Zaynchkovsky V I., Bazhenov O. P., Barayschuk G. V, Gavrilova N. B., Moliboga E. A., Myalo V V. The state and development prospects of scientific research and education in the field of biotechnology in Omsk state agrarian University named after P. A. Stolypin // Bulletin of KrasGAU. 2013. № 7. P. 302-306.
8. Gavrilova N. B., Vitchenko A. S., Moliboga E. A. Thorough screening of the ferment for the enrichment of dairy porridges with probiotic microflora // Agrarian bulletin of the Urals. 2013. № 1. P. 146-149.
9. Lisin P. A., Voronov T. D., Moliboga E. A., Skokov A. P., Kister I. A., Branitsky V. V Optimization recipe of polycomponent product using the straight-line design // Agrarian bulletin of the Urals. 2013. № 8. P. 29-32.
