CC BY
182
УДК 637.52.002.61:519.688
Оценка качества белка
с использованием компьютерных технологий
А. Б. Лисицын, д-р техн. наук, профессор, академик РАН,
М. А. Никитина, канд. техн. наук, доцент, Е.Б. Сусь, канд. техн. наук
Всероссийский научно-исследовательский институт мясной промышленности им. В.М. Горбатова
Проблемы организации и обеспечения правильного питания, его адекватности и сбалансированности составляют одну из важнейших задач совместной деятельности медиков, технологов, социологов, системных аналитиков и разработчиков информационных систем.
Многочисленными работами зарубежных и отечественных ученых, касающихся вопросов физиологии, диетологии, трофологии, биохимии, гигиены питания, показано, что сбалансированность и полезность суточных пищевых рационов и отдельных продуктов, входящих в эти рационы, может быть обеспечена только за счет многокомпонентности их состава [1 - 7]. С учетом новых взглядов на питание необходимо обеспечить адекватность состава многокомпонентных пищевых продуктов с необходимыми жизненно важными нутриентами медико-биологическим рекомендациям для определенных групп населения с учетом их пола, возраста, места проживания, занятости в народном хозяйстве, состояния здоровья [3, 5 - 9].
Обоснование оптимального набора и соотношения компонентов для производства функциональных продуктов, в заданной степени приближенных к физиологическим потребностям организма, невозможно без привлечения формализованных методов, оперирующих численной информацией о составе исходных ингредиентов.
Сложность принятия оптимальных решений, обеспечивающих стабильность выхода и качества создаваемого продукта вместе с эффективностью рационов и режимов питания, обуславливается также вероятностным разбросом характеристик и свойств исходных компонентов биологического сырья, индивидуальностью физиологических особенностей организма, требующих в каждом конкретном случае отдельного выбора и коррекции моделей рационов и продуктов с учетом структурных соотношений и ограничений на компонентном, элементном и моноструктурном уровнях.
Цель работы заключалась в создании компьютерной системы поддержки принятия решения при разработке мясных поликомпонентных продуктов и оценки их нутриент-ной сбалансированности с учетом медико-биологических и социальных условий.
Объект исследования - поликомпонентные мясные продукты. При проектировании мясных поликомпонентных продуктов необходим системный подход к их созданию, учитывающий не только потребность организма человека в основных питательных элементах, энергии, витаминах и минеральных веществах, но и возможность химического взаимодействия составных частей создаваемого продукта. При этом должны быть выбраны такие сочетания, формы и стадии внесения компонентов, а также виды технологической обработки, которые обеспечивают их максимальную сохранность в процессе производства и хранения.
Структурно-параметрическое моделирование поликомпонентных мясных продуктов, положенное в основу предлагаемой информационной технологии, заключается в рациональном изменении ингредиентов рецептуры мясного продукта (ингредиентной оптимизации) по критериям пищевой и биологической ценности [3].
При проектировании поликомпонентных мясных продуктов питания для различных возрастных групп одной из основных задач является соответствие их биохимических и качественных характеристик физиологическим особенностям человеческого организма.
Для решения этой задачи необходимо на основе медико-биологических требований разработать модель продукта, учитывающую химический состав, массовые доли основных компонентов, структурные соотношения показателей биологической ценности по различным критериям соответствия. При этом должна быть учтена специфика рационального питания определенных категорий населения.
С этой целью были созданы банки
данных, включающие сведения о химическом составе рецептурных ингредиентов, которые затем с учетом современных взглядов на биохимию питания были дополнены данными об их углеводном составе, включая сведения о содержании в компонентах моносахаридов, дисахари-дов, полисахаридов (гидролизуемых и негидролизуемых); минеральном составе - с информацией о содержании основных макро- (калия, кальция, магния, натрия, серы, фосфора, хлора) и микроэлементов (железа, йода, кобальта, марганца, меди, фтора, цинка); витаминном составе -с указанием количества основных витаминов - ретинола (витамин А), пиридоксина (витамин В6), цианко-баламина (витамин В12), никотиновой кислоты (витамин РР), токоферола (витамин Е) и др.
На основе базы данных формируется база знаний в виде параметрических описаний проектируемого продукта, вариантов рецептур, балансных уравнений и структурных соотношений между определяющими компонентами и свойствами продукта [10].
Компьютерное проектирование заключается в построении модели продукта по заданным параметрам качества, выборе исходных компонентов и рецептурной оптимизации продукта по критериям пищевой и биологической ценности [10 - 16].
Критерий оптимизации по элементам химического состава, определяющим пищевую ценность (белок, жир, влага и т. д.) моделируемого продукта, определяют по формуле:
1-1
>min
(1)
где z" ~ эталонное содержание 1-го элемента пищевой ценности; bg ~ удельное содержание /'-го элемента химического состава (белка, жира, влаги и т. д.) в j-м рецептурном компоненте проектируемого продукта; x] - массовая доля ]-го компонента рецептуры.
Критерий минимального отклонения от заданной структуры показателей биологической ценности, например моноструктуры незаменимых аминокислот (НАК), рассчитывают по формуле:
(2)
где akj ~ удельное содержание /с-го моноструктурного ингредиента
QUALITY AND FOOD SAFETY
(незаменимой аминокислоты) в i-м БЦ = 100 - КРАС, %. (4)
элементе химического состава; Ь,; -удельное содержание /'-го элемента химического состава (белка, жира, влаги и т. д.) в ¡-м рецептурном компоненте проектируемого продукта; X : - массовая доля го компонента рецептуры.
Биологическая ценность многокомпонентных продуктов определяется количеством и качеством белковых компонентов, связанных как со степенью сбалансированности их аминокислотного состава в соответствии с потребностями организма, так и с перевариваемостью белка. Определяя биологическую ценность продукта, прежде всего рассчитывают аминокислотный скор (индекс биологической ценности), который представляет собой отношение фактического показателя количества незаменимых аминокислот к его содержанию в эталонном белке (эталоны ФАО/ВОЗ - белок куриного яйца, коровьего или женского молока).
При оценке биологической ценности белковых компонентов сырья использовались показатели и критерии, предложенные И.А. Роговым и Н. Н. Липатовым и основанные на принципах Митчелла - Блока. На основании данного принципа сформулирован ряд показателей, которые позволяют оценивать аминокислотный состав и его сбалансированность в моделируемом продукте [13, 14]. К широко применяемым показателям относятся: коэффициенты утилитарности и рациональности (КРАС) аминокислотного состава, коэффициент сопоставимой избыточности и индекс незаменимых аминокислот.
Коэффициент КРАС показывает среднюю величину избытка аминокислотного скора незаменимых аминокислот по сравнению с наименьшим уровнем скора какой-либо незаменимой аминокислоты (избыточное количество незаменимых аминокислот не используется на пластические нужды):
(3)
где ДРАС - различие аминокислотного скора ДРАС = С - C ,
1 i min'
где С - избыток скора аминокислоты;
C - минимальный из скоров не-
min
заменимых аминокислот исследуемого белка по отношению к эталону, %; n - количество незаменимых аминокислот.
Биологическую ценность (БЦ) пищевого белка определяют по формуле:
Коэффициент утилитарности
(^ аминокислотного состава имеет практическое значение, так как возможность утилизации аминокислот организмом предопределена минимальным скором одной из них.
Коэффициент утилитарности ¡-й незаменимой аминокислоты (доли единицы) рассчитывают по формуле
(5)
где С - скор ¡-й незаменимой аминокислоты по отношению к физиологически необходимой норме
(эталону), % { СI = —100 , где
а/ - содержание ¡-й незаменимой аминокислоты в продукте, г/100 г белка; аэ] - содержание ¡-й незаменимой аминокислоты, соответствующее физиологической необходимой норме (эталону), г/100 г белка).
Значение обобщающего коэффициента утилитарности аминокислотного состава белка продукта, численно характеризующего степень сбалансированности незаменимых аминокислот по отношению к физиологически необходимой норме (эталону), рассчитывают по формуле:
(6)
где А] - содержание j-й незаменимой аминокислоты в продукте, г/100 г
белка или %; aj — —утилитарность j-й аминокислоты в белке; Стп -минимальный скор незаменимой аминокислоты; С - скор j-й незаменимой аминокислоты.
Данный подход эффективен, когда C < 1.
min
Известно, что меньшая возможность утилизации незаменимых аминокислот в составе белка пищевого продукта организмами наблюдается, когда их скоры максимальны или наиболее близки к максимуму. Общее количество незаменимых аминокислот в белке оцениваемого продукта, которое из-за взаимонесбалансированности по отношению к эталону не может быть утилизировано организмом, служит для оценки сбалансированности состава незаменимых аминокислот по показателю сопоставимой избыточности.
Коэффициент сопоставимой избыточности содержания незаменимых аминокислот в белковом компоненте продукта характеризует суммарную массу незаменимых аминокислот, не используемых (из-за несбалансированности аминокислотного состава) на анаболические цели, в таком количестве белка оцениваемого продукта, которое по содержанию потенциально утилизируемых незаменимых аминокислот эквивалентно их количеству в 100 г эталонного белка. Значения G для конкретного вида продукта определяется по формуле
(7)
где А] - массовая доля j-й незаменимой аминокислоты в сырье, г/100 г белка; C - минимальный скор неза-
min
менимых аминокислот оцениваемого белка по отношению к физиологической норме (эталону), дол. ед.
Качественная оценка сравниваемых белков с помощью приведенных формализованных показателей заключается в том, что чем выше значения U или меньше значения КРАС (в идеале U = 1; КРАС = 0), тем лучше сбалансированы незаменимые аминокислоты и тем рациональнее они могут быть использованы организмом.
Ряд авторов считают, что объективным показателем оптимальной сбалансированности белка в продукте или рационе является коэффициент отношения метионина к триптофану, принятому за 1. Чем выше данный коэффициент, тем выгоднее включать такой продукт в рацион питания для улучшения сбалансированности аминокислотного состава.
Другой метод определения биологической ценности белков заключается в определении индекса незаменимых аминокислот (ИНАК) [15]. Преимущество данного метода в том, что он учитывает количество всех незаменимых кислот в продукте. ИНАК рассчитывается по формуле
ИНАК= Jfl
(8)
Для оценки жирнокислотной сбалансированности использовался следующий критерий, представляющий собой частную интерпретацию обобщенного критерия алиментарной адекватности, предложенного академиками Н.Н. Липатовым и А.Б. Лисицыным [12, 14, 17]:
V
,
(9)
I;
где с1 ц — ——, если 1:< 1_Э1
если I > I,
RL - коэффициент жирнокислотного соответствия, дол. ед.; - массовая доля /-й жирной кислоты в сырье, г/ 100 г жира; 1_м - массовая доля /-й жирной кислоты, соответствующая физиологически необходимой норме (эталону), г/100 г жира); / = 1 соответствует сумме ненасыщенных жирных кислот (НЖК), / = 2 - сумме мононенасыщенных жирных кислот (МНЖК), / = 3 -сумме полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК), в том числе / = 4 -линолевой, / = 5 - линоленовой, / = 6 - арахидоновой).
Для оперативного расчета перечисленных показателей авторами разработана компьютерная программа расчета нутриентной адекватности состава поликомпонентных мясных продуктов.
В качестве примера проведем качественную оценку сбалансированности аминокислот в многокомпонентном мясном продукте. В таблице приведена рецептура мясного продукта с добавлением белкового ингредиента.
Рецептура мясного продукта с добавлением белкового ингредиента
Ингредиенты Масса, кг
Говядина, 2-я категория 35
Свинина беконная 23
Свинина жирная 20
Крахмал 2
СУПРО-651 4
Вода на гидратацию 16
Алгоритм расчетного модуля компьютерной системы позволяет осуществлять расчет пищевой, биологической и энергетической ценности, витаминного и минерального составов, а также производить оценку аминокислотного скора по основным незаменимым аминокислотам, коэффициентов КРАС, утилитарности, сопоставимой избыточности (рис. 1).
На первом этапе технологу необходимо выбрать из базы данных компоненты по признакам: химический состав, функциональные свойства, способные при варьировании их содержания в рецептуре наиболее суще-
ственно влиять на баланс жира и белка, структурно-механические свойства получаемой системы, органолептиче-ские показатели готового продукта.
Далее необходимо указать массовые доли каждого компонента в проектируемой рецептуре. После запуска расчетного модуля программы открывается окно «Проектирование продукта» (рис. 2), в нем представлены массовые доли влаги, белка, жира, углеводов, аминокислотный скор незаменимых аминокислот, коэффи-
циенты КРАС, утилитарности, сопоставимой избыточности, биологическая и энергетическая ценность проектируемого продукта. Также пользователь может просмотреть аминокислотный, жирнокислотный, витаминный и минеральный состав продукта, нажав на соответствующие кнопки.
Современный уровень развития общества требует и позволяет подходить к решению вопросов о питании (разработке продуктов питания), ориентируясь не только на профессиона-
Класс Расчетный модуль программы
Системный анализ и подбор компонентного состава рецептуры
Класс, выбора компонентой новой рецептуры
Модуль организации доступа к информационной базе данных
I
ивов нентс
т
Формирование массивов значений массовых долей компонентов рецептуры
Расчет пищевой ценности (влага, белок, жир, углеводы)
Информационная база данных:
- мясное сырье
- субпродукты
■ соевые белковые препараты ■ вспомогательное сырье
Расчет биологической ценности [аминокислотный, жирнокислотный состав)
Расчет аминокислотного скора по основным незаменимым аминокислотам
Расчет коэффициентов КРАС, утилитарности, сопоставимой избыточности
Расчет витаминного и минерального состава продукта
Расчет энергетической ценности в нКал и кДж
тг
Рис. 1. Функциональная схема обобщенного алгоритма расчетного модуля
Проектирование проду|сга
"[-¿¿-г
Рис. 2. Окно «Проектирование продукта»
лизм и квалификацию технолога мясоперерабатывающего предприятия, но и на разработки в области информационных технологий, обобщающих багаж накопленных знаний и информацию, реализуемых методами математического программирования.
Методика оценки сбалансированности аминокислотного состава рецептурной смеси позволяет целенаправленно и оперативно разрабатывать продукты со сбалансированным аминокислотным составом.
Таким образом, знания, заложенные в компьютерной программе расчета нутриентной адекватности состава поликомпонентных мясных продуктов (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015660124 от 22 сентября 2015 г.), позволяют сделать работу технолога более эффективной и снизить затраты на разработку новых видов продуктов.
вестия вузов. Пищевая технология. -1985. - № 3. - С. 22 - 28.
3. Малыгина, В.Ф. Основы физиологического питания, гигиена и санитария: учебник для технологических отделений техникумов/В.Ф. Малыгина. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Экономика, 1983.
4. Поздняковский, В.М. О некоторых приоритетах науки о питании/В.М. Поздняковский // Ползуновский вестник. -2011. - № 3/2. - С. 7 - 22.
5. Скурихин, И.М. Все о пище с точки зрения химика/И. М. Скурихин, А. П. Нечаев. - М. Высшая школа, 1991.
6. Тутельян, В.А. Микронутриенты в питании здорового и больного человека: справочное руководство по витаминам и минеральным веществам/В. А. Тутельян [и др.] - М.: Колос? 2002.
7. Уголев, А.М. Теория адекватного питания и трофология. - СПб.: Наука, 1991.
8. Титов, Е. И. Экспертная система оптимизации состава продуктов и рационов питания: монография // Е.И. Титов [и др.]. - М.: МГУПБ, 2009. - 124 с.
9. Тихомирова, Н.А. Технология продуктов функционального питания/Н. А. Тихомирова. - М.: ООО «Франтэра», 2002.
10. Ивашкин, Ю.А. Информационные технологии проектирования пищевых про-дуктов/Ю.А. Ивашкин [и др.] // Мясная индустрия. - 2000. - № 5. - С. 40 - 41.
11. Лисицын, А.Б. Методы математического моделирования при обосновании рецептур многокомпонентных мясных продуктов/А. Б. Лисицын, В. И. Любчен-ко, Г. П. Горошко // Сборник научных трудов ВНИИМПа. - 1996. - С. 67 - 81.
12. Ивашов, В. И. Методика расчета оптимальной рецептуры с учетом сбалансированности аминокислотного состава/ В. И. Ивашов, Г. П. Горошко, Р.М. Салаватулина, Л. И. Лебедева // Сб. научных трудов ВНИИМПа «Автоматизация технологических процессов и системы управления в мясной промышленности». - 1989. - С. 92 - 99.
13. Липатов, Н.Н. Совершенствование методики проектирования биологический ценности пищевых продуктов/Н.Н. Липатов, А.Б. Лисицын, С.Б. Юдина // Мясная индустрия. - 1996. - № 1. - С. 14 - 15.
14. Липатов, Н.Н. Формализованный анализ амино- и жирнокислотной сбалансированности сырья, перспективного для проектирования продуктов детского питания с задаваемой пищевой адек-ватностью/Н. Н. Липатов, Г.Ю. Сажинов, О.И. Башкиров // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2001. - № 8. - С. 11 - 14.
15. Лисин, П.А. Оценка аминокислотного состава рецептурной смеси пищевых продуктов/ П. А. Лисин, Е. А. Моли-бога, Ю.А. Канушина, Н.А. Смирнова // Аграрный Вестник Урала. - 2012. - № 3 (95). - С. 26 - 28.
16. Никитина, М.А. Информационные технологии в разработке многокомпонентных мясных продуктов с учетом биологической ценности/ М. А. Никитина, Е.Б. Сусь, Д.В. Завгороднева // Все о мясе. - 2014. - № 4. - С. 48 - 51.
17. Лисицын, А.Б. Мясо и здоровое питание/А.Б. Лисицын [и др.]: под обшей ред. А.Б. Лисицына. - М.: ВНИИМП. 2007. - 289 с.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бражников, А.М. О возможности проектирования комбинированных мясных продуктов/ А. М. Бражников, И.А. Рогов // Мясная индустрия СССР. -1985. - № 5. - С. 23 - 25.
2. Бражников, А.М. Возможные подходы к аналитическому проектированию комбинированных продуктов питания/ А. М. Бражников, И.А. Рогов, А. А. Михайлов, М. Н. Сильченко // Из-
Оценка качества белка с использованием компьютерных технологий
Ключевые слова
качество белка; компьютерное проектирование; оценка качества; поликомпонентные мясные продукты
Реферат
В настоящее время при разработке продуктов питания необходимо учитывать не только пищевую, но и биологическую ценность, так как дефицит белка в организме приводит к нарушению его нормальной работы - потери памяти и ослаблению умственных возможностей, снижению сопротивляемости внешним факторам окружающей среды. Эффективность использования белка организмом человека определяется двумя основными параметрами: его сбалансированностью по содержанию незаменимых аминокислот в сравнении с белковым эталоном, а также эффективностью обмена и утилизации организмом человека. Современный уровень развития общества требует и позволяет подходить к решению вопросов о питании, ориентируясь не только на традиционные привычки и пристрастия, но и на научные разработки медицинских работников, диетологов и специалистов пищевой промышленности. Решение данной проблемы может быть осуществлено с помощью компьютерных технологий обработки и формализации данных и знаний путем принятия оптимальных решений на основе комплексных моделей многокритериальной структурно-параметрической оптимизациии объективной оценки адекватности предлагаемых вариантов.Разработанная компьютерная система основана на использовании критериев и ограничений, предложенных в работах А.М. Бражникова, И.А. Рогова, Н.Н. Липатова, Ю.А. Ивашкина и т.д. Компьютерная система «Программа расчета нутриентной адекватности состава поликомпонентных мясных продуктов» позволяет целенаправленно и оперативно разрабатывать продукты со сбалансированным аминокислотным составом. Применение информационных технологий, реализуемых методами математического программирования, в проектировании поликомпонентых мясных продуктов позволяют создать условия для перехода мясной промышленности на качественный уровень развития, расширить ассортимент мясных продуктов с заданным составом и гарантированным качеством.
Авторы
Лисицын Андрей Борисович, д-р техн. наук, профессор, академик РАН, Никитина Марина Александровна, канд. техн. наук, доцент, Сусь Егор Борисович, канд. техн. наук,
Всероссийский научно-исследовательский институт мясной промышленности им. В.М. Горбатова, 109316, г. Москва, ул. Талалихина, д. 26, [email protected]
Evaluation of Protein Quality with Using of Computer Technologies Key words
quality protein; computer design; multicomponent meat products
Abstracts
Currently, the development of food products must consider not only the food but also biological value, because protein deficiency in the body leads to disruption of normal operation - loss of memory and weakening of mental abilities, reducingof resistance to external environmental factors.The effectiveness of the use of protein by the human body is determined by two main parameters: its balanced content of essential amino acids compared to a protein benchmark as well as the effectiveness of the exchange and utilization by the human body. The present level of development of society requires and allows to approach the issues of nutrition, focusing not only on traditional habits and preferences, but also on the research development of health workers, nutritionists and specialists in the food industry. The solution to this problem may be effected by computer processing techniques and formalization of data and knowledge by making optimal decisions based on complex models of multicriteria structural and parametric optimization and objective assessment of the adequacy of the proposed options. Developed computer system based on the use of criteria and limitations proposed by A.M.Brazhnikov, I.A.Rogov, N.N.Lipatov, Yu.A.Ivashkin etc. Computer System «calculation program nutrientnoy adequacy of the composition of multicomponent meat products» allows to specifically and efficiently to develop products with a balanced amino acid composition. The use of information technology, realized by means of mathematical programming, in the design of multicomponent meat products make it possible to create conditions for the transition of the meat industry on the quality of development, to expand the range of meat products with a given composition and guaranteed quality.
Authors
Lisitsyn Andrey Borisovich, Doctor of Technical Science, Professor, Academisian of RAS, Nikitina Marina Alexandrovna, Candidate of Technical Science, Docent, Sus Egor Borisovich, Candodate of Technical Science, The Gorbatov's All-Russian Meat Research Institute, 26, Talalikhina St., Moscow, 109316, [email protected]
