Интенсивные технологии алкогольных и функциональных безалкогольных напитков на основе солодов и экстрактов: сырьевые источники, прогнозирование качества и проектирование рецептур тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.07, доктор наук Новикова Инна Владимировна

• Новикова Инна Владимировна
• доктор наук
• 2015

Оглавление диссертации доктор наук Новикова Инна Владимировна

ВВЕДЕНИЕ

Глава

АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА АЛКОГОЛЬНЫХ И БЕЗАЛКОГОЛЬНЫХ НАПИТКОВ НА ОСНОВЕ СОЛОДОВ И ЭКСТРАКТОВ

1.1 Методология создания и повышения эффективности интенсивных наукоемких технологий напитков

1.2 Характеристика зерновых культур для производства напитков

1.3 Зерновые биоресурсы с заданными свойствами для получения напитков и экстрактов на основе солодов

1.4 Растительное сырье как источник биологически активных веществ для производства напитков

1.5 Современное состояние и тенденции развития технологий напитков

1.6 Практические приемы для улучшения технологических свойств полупродуктов и напитков

1.7 Характеристика наукоемких технологий напитков с позиций химии пищи: оценка функциональных свойств

1.8 Основные принципы оценки качества и проектирования

напитков

Глава

ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Характеристика объектов исследования

2.2 Условия выполнения экспериментальных исследований

2.3 Методы исследований

2.4 Математические методы обработки экспериментальных

данных

Глава

РАЗРАБОТКА РЕЖИМОВ ПРОИЗВОДСТВА ЭКСТРАКТОВ.............. ^

3.1 Разработка режимов процесса получения экстрактов древесины

3.1.1 Исследование влияния ультразвуковой обработки на показатели экстрактов

3.1.2 Разработка экспериментального метода определения диффузионных характеристик древесины дуба Q. robur, вишни P. cerasus и сливы

P. nigra

3.2 Разработка режимов процесса получения ПСЭ и ППЭ

3.2.1 Оптимизация технологических режимов получения гречишного

солода

3.2.2 Разработка режимов затирания

3.2.3 Оптимизация режимов распылительной сушки ПСЭ и ППЭ

3.2.4 Исследование ПСЭ и ППЭ с помощью рентгеноструктурного

анализа

Глава

РАЗРАБОТКА РЕЖИМОВ ПРОИЗВОДСТВА НАПИТКОВ НА ОСНОВЕ СОЛОДОВ И ЭКСТРАКТОВ

4.1 Разработка режимов производства спиртных напитков на основе зерновых дистиллятов

4.1.1 Оптимизация технологических режимов получения специальных солодов для приготовления сусла

4.1.2 Биотехнология зернового сусла

4.1.3 Изучение перспектив применения различных видов микроорганизмов

для получения сброженного сусла

4.2 Разработка режимов производства безалкогольных напитков

с применением ПСЭ и ППЭ

4.2.1 Исследование перспектив применения бифидобактерий в технологии квасов

4.2.2 Оценка интенсивности биосинтетических процессов в клетках

дрожжей 8асскаготусв8 свгву181ав

Глава

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРИ ОЦЕНКЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ЭКСТРАКТОВ

5.1 Кардиомониторинг волонтеров для установления влияния напитков с ПСЭ на уровень физического и психоэмоционального состояния

5.2 Оценка антимутагенных свойств ПСЭ и ППЭ с использованием микроядерного теста в буккальном эпителии человека

5.3 Оценка безопасности ПСЭ и ППЭ

5.4 Исследование биологически активных компонентов экстрактов

5.5 Обоснование характеристик ПСЭ и ППЭ как ингредиентов

функциональных продуктов

Глава

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАПИТКОВ СБАЛАНСИРОВАННОГО СОСТАВА С ЗАДАННЫМИ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИМИ И МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИМИ ТРЕБОВАНИЯМИ

6.1 Прогнозирование качества и проектирование спиртных напитков

6.2 Проектирование безалкогольных напитков с применением ПСЭ и ППЭ

6.2.1 Разработка методики проектирования безалкогольных напитков

с учетом сбалансированности состава

6.2.2 Проектирование функциональных напитков для диетического, лечеб-

но-профилактического, реабилитационного рационов питания

6.3 Практическое применение основных результатов работы

6.3.1 Практическое использование методологии и результатов проектирования для разработки спиртных напитков

6.3.2 Практическое использование методологии и результатов проектирования при разработке безалкогольных напитков для диетического, лечебно-

профилактического, реабилитационного рационов питания

Глава

ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

РАЗРАБОТАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Том 2 ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А Разработка математической модели для оптимизации процесса

УЗ-экстрагирования

Приложение Б Оптимизация процесса получения гречишного солода

Приложение В Программа для моделирования распылительной сушки ПСЭ

и ППЭ

Приложение Г Статистическая обработка результатов

кардиомониторинга

Приложение Д Моделирование и оптимизация процесса получения ячменного,

пшеничного и ржаного солодов

Приложение Е Заключение по токсикологической оценке ПСЭ

и ППЭ

Приложение Ж Текст программы для проектирования спиртных напитков

с применением экстрактов древесины

Приложение И Текст программы для проектирования напитков с применением

ПСЭ и ППЭ на основе сбалансированности

Приложение К Текст программы для проектирования функциональных напитков

с применением ПСЭ и ППЭ

Приложение Л Проекты технической документации

Приложение М Акты апробации, внедрения результатов диссертационной

работы в учебный процесс

Приложение Н Рецептуры концентратов напитков в потребительской таре для

рационов питания

Приложение П Патенты РФ и программа для ЭВМ...................................... 1,

138

Приложение Р Дипломы, награды. Справка о практической значимости результатов диссертационной работы

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Ключевым звеном в контексте формирования здорового образа жизни является разработка интенсивных технологий качественных пищевых продуктов и напитков, определяющих здоровье населения, способствующих активному долголетию, повышающих устойчивость организма к неблагоприятным факторам окружающей среды.

Питание является основным профилактическим средством от угрозы развития алиментарно-зависимых состояний и заболеваний, возникновение которых чаще всего связано с неправильным питанием, употреблением продуктов с наличием в их составе синтетических пищевых добавок. Возникновение данных явлений можно предотвратить с помощью факторов питания не только в их развитии, но и в профилактике, лечении, поддержании ремиссии, улучшении прогноза.

Правительство РФ распоряжением утвердило основы государственной политики в области здорового питания населения на период до 2020 года. Одной из актуальных проблем и задач, обозначенных в «Концепции государственной политики в области здорового питания населения РФ» является прослеживаемость качества и безопасности пищевых биоресурсов. Основной массив научных исследований посвящен разработке инновационных пищевых ингредиентов отечественного производства, отвечающих современным требованиям качества и безопасности, что является одной из приоритетных задач государственной политики, положенных в основу стратегии развития пищевой промышленности [1, 2, 21].

Напитки с функциональными свойствами - общее название безалкогольных напитков, обогащенных различными физиологически функциональными ингредиентами (витаминами, минеральными веществами, пищевыми волокнами, про-биотиками, аминокислотами, жирными кислотами, фосфолипидами, экстрактами трав и растений) (Помозова В.А., 2007-2013, Киселева Т.Ф., 2006-2013; Кочеткова А.А., 2011; Мельникова Е.И., Полянский К.К., 2005).

В группу напитков с натуральными компонентами и некоторыми полезными свойствами можно включить и алкогольную продукцию - широкий ассорти-

мент напитков с разнообразным составом, оказывающих различное действие на организм человека [278]. Данная группа представлена ликеро-водочными изделиями (наливки, настойки, ликеры, бальзамы) на основе экстрактов, полученных из растительного сырья с наличием биологически активных компонентов и антиок-сидантных свойств, а также спиртными напитками на основе дистиллятов из зернового сырья с выдержкой с древесиной [274]. Изучению аспектов формирования качества алкогольной продукции посвящены работы Оганесянца Л.А., Скурихина И.М., Саришвили Н.Г., Соболева Э.М., Писарницкого А.Ф., Корниенко Т.С., Вострикова С.В., Любченкова П.П., Piggott J., Paterson A. и др.

Для разработки алкогольных напитков с длительным этапом выдержки древесины дуба целесообразным представляется использовать экстракты древесины вишни, сливы характеризующиеся стабильностью состава и свойств [12]. Помимо технологичности и «натуральности» экстракты древесины обладают рядом перспективных преимуществ, таких как наличие широкодоступного природного сырья, невысокая себестоимость промышленного производства по отношению к напиткам с пролонгированным сроком выдержки с древесиной [95].

Напитки - это основа для создания новых видов продуктов (Гернет М.В., 2009; Антипова Л.В., 2011; Меледина Т.В., 2010; Ермолаева Г.А., 2010; Сосюра Е.А., 2014). С целью разработки многокомпонентных напитков применяют экстракты на основе растительного сырья с наличием биологически активных компонентов: витаминов, микроэлементов, гликозидов, флавоноидов и др. (Маюрникова Л.А., 2000; Спиричев В.Б., Позняковский В.М., 2004; Гореликова Г.А., 2008, Школьникова М.Н., 2012). Для производителей именно напитки являются самым удобным объектом для введения в их состав функциональных ингредиентов без принципиальных изменений технологического процесса. Для современного потребителя напитки все чаще ассоциируются с «правильным питанием» как одной из составляющих здорового образа жизни, как определенная возможность компенсации дефицита здоровой пищи (Goode D., Ulmer H., Arendt E., 2005).

Ряд исследований, посвященных технике и технологии солодовых и полисолодовых экстрактов из растительного сырья, а также напитков на их основе были подробно освещены в работах В.А. Домарецкого, Н.А. Емельяновой, Е.Д. Фа-раджевой, Н.С. Маркиной, В.А. Федорова (1990-2010). Не теряет актуальности разработка наукоемкой технологии и проектирование безалкогольных напитков массового и функционального назначения, в том числе, на основе порошкообразных солодовых и полисолодовых экстрактов ячменя, кукурузы, гречихи, гороха, которые показаны к применению в различных рационах питания с учетом сбалансированности компонентного состава.

Работа выполнена в рамках прикладных научных исследований и экспериментальных разработок (НИР № 3017) базовой части государственного задания № 2014/22 в сфере научной деятельности; приоритетного направления развития НОЦ «»Живые системы» ВГУИТ «Живые системы в технологиях переработки сельхозсырья и обеспечении здорового питания»; плана госбюджетной научно-исследовательской работы кафедры «Технология бродильных и сахаристых производств» по теме «Совершенствование технологических процессов бродильных и сахаристых производств с использованием физико-химических, ресурсосберегающих, биохимических методов воздействия и нетрадиционного сырья» (№ государственной регистрации 114121670054).

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интенсивные технологии алкогольных и функциональных безалкогольных напитков на основе солодов и экстрактов: сырьевые источники, прогнозирование качества и проектирование рецептур»

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Разработка напитков на основе солодов и экстрактов с применением интенсивных технологий, отвечающих современным требованиям качества и безопасности, для увеличения доли использования российского зернового сырья и импортозамещения.

ЗАДАЧИ РАБОТЫ:

- обосновать выбор биоисточников из растительного сырья с рекомендуемым составом ферментативного комплекса и биологически активных компонентов;

- разработать режимы получения водно-спиртовых экстрактов древесины дуба, вишни, сливы со сбалансированным составом с применением рационального способа обработки древесины и интенсификацией процесса экстрагирования;

- разработать экспериментальный метод определения диффузионных характеристик древесины дуба Q. robur, вишни P. cerasus и сливы P. nigra с исследованием кинетики процесса экстрагирования;

- научно обосновать рациональные и оптимальные параметры процессов производства солодов, солодовых и полисолодовых экстрактов с применением математического моделирования процесса распылительной сушки, рентгеноди-фракционного исследования;

- разработать оптимальные режимы процесса солодоращения, рациональные режимы затирания при получении сусла для производства зерновых дистиллятов, исследовать возможность биологического подкисления дрожжевого сусла с применением МКБ;

- исследовать биосинтетические свойства, морфологические и биохимические особенности различных видов микроорганизмов в технологии квасов на основе ПСЭ и ППЭ;

- провести оценку функциональных свойств ПСЭ и ППЭ по содержанию витаминов, микроэлементов, биофлавоноидов, глютена в сравнении с величиной РСП, с применением показателей кардиомониторинга, с помощью микроядерного теста в буккальном эпителии;

- систематизировать результаты исследований состава зерновых дистиллятов и водно-спиртовых экстрактов, разработать метод оценки и прогнозирования качества спиртных напитков, рассчитать соотношения экстрактов древесины дуба, вишни, сливы в рецептурах;

- разработать метод проектирования безалкогольных функциональных напитков на основе ПСЭ и ППЭ с получением рецептур напитков с учетом сбалансированности состава для рационов диетического, лечебно-профилактического, реабилитационного питания;

- разработать интенсивные технологии алкогольных и безалкогольных напитков на основе солодов и экстрактов из растительного сырья, провести апробацию технических решений в опытно-производственных условиях; разработать техническую документацию для производства спектра новых продуктов; рассчитать экономическую эффективность технологических решений.

НАУЧНАЯ КОНЦЕПЦИЯ РАБОТЫ

Научное обоснование совокупности биотехнологических приемов для производства сбалансированных многокомпонентных алкогольных и функциональных безалкогольных напитков на основе экстрактов из растительного сырья и зерновых биоресурсов с разработкой методов прогнозирования качества и проектирования.

Этапы исследований схематично представлены на рисунке 1: этапы разработки интенсивной технологии спиртных напитков с применением солодов и экстрактов, этапы разработки технологии безалкогольных напитков с применением ПСЭ и ППЭ, а также этапы, объединяющие основные разделы работы.

Рисунок 1 - Общая концепция работы и основные этапы исследований

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

- оптимальные параметры процессов получения солодов из пшеницы, ячменя, ржи, гречихи с аппроксимацией значений активности ферментативного комплекса;

- метод определения диффузионных характеристик древесины дуба Q. robur, вишни P. cerasus и сливы P. nigra с расчетом продолжительности цикла получения экстрактов древесины в колонне с рециркуляцией экстрагента и неподвижным слоем щепы;

- математические модели для оптимизации процессов получения экстрактов древесины с помощью ультразвука; для оценки и прогнозирования качества спиртных напитков с расчетом критерия качества по методике QFD и построением матрицы «Дом качества»; для оптимизации параметров процесса сушки солодовых и полисолодовых экстрактов;

- результаты оценки функциональных свойств ПСЭ и ППЭ с научным обоснованием перспектив их применения в технологии безалкогольных напитков;

- метод проектирования безалкогольных функциональных напитков на основе ПСЭ и ППЭ с учетом сбалансированности состава и заданными медико-биологическими свойствами.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Разработана математическая модель для оптимизации режимов ультразвуковой обработки при экстрагировании древесины, а также экспериментальный метод определения диффузионных характеристик древесины дуба Q. robur, вишни P. cerasus и сливы P. nigra с расчетом продолжительности цикла получения экстрактов.

Разработана физико-математическая модель распылительной сушки солодовых и полисолодовых экстрактов с воспроизведением основных механических, тепло- и влагообменных процессов в результате компьютерных экспериментов и оптимизацией параметров процесса сушки. Впервые методом рентгеноструктурного анализа проведено сравнительное исследование струк-

турно-механических свойств ПСЭ и ППЭ с оценкой растворимости.

Научно обоснованы функциональные свойства ПСЭ и ППЭ с применением показателей кардиомониторинга, изучением антимутагенных свойств, исследованием адаптогенной активности и состава биологически активных компонентов.

Получены закономерности развития микроорганизмов при варьировании состава среды и сбраживании сусла в производстве напитков на основе соло-дов и экстрактов с изучением влияния рецептурных компонентов на продолжительность процесса брожения.

Разработана система оценки, прогнозирования качества и проектирования спиртных напитков с расчетом критерия качества методом QFD и построением матрицы «Дом качества».

Разработан математический метод проектирования безалкогольных функциональных напитков с учетом сбалансированности состава по макро-нутриентам, незаменимым аминокислотам, макроэлементам для создания рационов питания.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

Модифицирована технология спиртных напитков с применением экстрактов древесины дуба, вишни, сливы на основе зерновых дистиллятов из солодов и несоложеного сырья. Разработаны рецептуры и технологические режимы для производства спиртных напитков с оптимальным соотношением водно-спиртовых экстрактов и прогнозированием качественных показателей.

Разработаны технологические режимы для производства ПСЭ и ППЭ на основе солодов гречихи, кукурузы, гороха, ячменя и безалкогольных напитков. Разработан метод проектирования напитков с заданными медико-биологическими характеристиками на основе комбинаций ПСЭ и ППЭ. Разработаны практические рекомендации к составлению рецептур и карт проектирования функциональных напитков со сбалансированным составом ингредиентов для рационов диетического, лечебно-профилактического, реабилитационного питания.

Новизна технических решений и практическая значимость работы подтверждена 7 патентами РФ.

Разработаны проекты технической документации на экстракты и напитки: ТУ 8240-365-02068108-2015 «Напиток спиртной из зернового сырья «Солодовый», ТУ 8433-367-02068108-2015 «Экстракты солодовые», ТУ 8515-368-02068108-2015 «Квасы «Богатырские», ТУ 8510-366-02068108-2015 «Концентраты напитков в потребительской таре».

Апробированы рецептуры и технологии водно-спиртовых экстрактов и алкогольных напитков; порошкообразных солодовых и полисолодовых экстрактов, квасов, концентратов для безалкогольных напитков в потребительской таре на основе ПСЭ и ППЭ в опытно-производственных условиях ООО «Партнер», г. Воронеж; ООО ЛВЗ «Кристалл-Лефортово», г. Саранск; ЗАО «Родник», Калужская область; ООО «Концентрат», г. Рязань; ООО «Криница», г. Воронеж; ООО «Управляющая Компания «Трапеза», г. Новосибирск.

Основные финансово-экономические показатели выполненных разработок доказывают экономическую целесообразность внедрения разработанных технологий в производственную деятельность. Расчетный экономический эффект от реализации предлагаемых технических решений составляет 769,0 тыс. р. на 1000 дал выпускаемого спиртного напитка из зернового сырья, получаемого методом дистилляции, при годовой выручке 497,8 млн р.; на 1 т сухих концентратов напитков - 133,3 тыс. р. при годовой выручке 6,7 млн р.; на 1000 дал квасов - 57,8 тыс. р. при годовой выручке 350,9 млн р.; на 1 т ПСЭ и ППЭ - 51,5 тыс. р. при годовой выручке 9,1 млн р.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе, включены в лекционные курсы и практику научных исследований при реализации дисциплин «Физико-химические и биохимические основы бродильных и сахаристых производств», «Биотехнология продуктов бродильных производств», «Интенсификация технологических процессов бродильных производств» для подготовки бакалавров по направлению подготовки 19.03.02 - «Продукты питания из растительного сырья» и магистров по направлению подготовки 19.04.02 - «Продукты питания из растительного сырья» (магистерская программа «Биотехнология алкогольных, слабоалкогольных и безалкогольных напитков»), а также при разработке учебных планов и программ обучения дополнительного профессионального образования и повышения квалификации специалистов (приложение М).

Практическая значимость работы подтверждена Департаментом Аграрной политики Воронежской области, разработки рекомендованы к реализации в рамках программы «Стратегии социально-экономического развития Воронежской области на период до 2020 года» (приложение Р).

СООТВЕТСТВИЕ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ ПАСПОРТУ НАУЧНОЙ СПЕЦИАЛЬНОСТИ

Тема и содержание диссертационной работы соответствует пп. 3, 10, 12 паспорта специальности 05.18.07 - «Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ» (п. 3. Пищевое сырье как многокомпонентная, полифункциональная, биологически активная система. Биотехнологический и биогенный потенциал пищевого сырья; п. 10. Питание функционального назначения; п. 12. Методологические принципы и математические модели конструирования пищевых продуктов с заданными качественными характеристиками).

СТЕПЕНЬ ДОСТОВЕРНОСТИ И АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Степень достоверности результатов проведенных исследований подтверждается проработкой информационно-патентных данных в соответствии с тематикой диссертационной работы, постановкой экспериментов, применением современных методов анализа, математической обработкой результатов исследований, публикацией основных положений работы в научных изданиях.

Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на ежегодных научных сессиях в ФГБОУ ВО «ВГУИТ»; на Международных и Всероссийских научно-практических конференциях и Форумах: «Производство продуктов питания из растительного сырья: свершения и надежды» (Воронеж, 2002); «Актуальные направления развития экологически безопасных технологий производства, хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» (Воронеж, 2003); «Аналитика и аналитики» (Воронеж, 2003); «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронеж, 2004); «Перспективы развития технологии и техники бродильных производств» (Воронеж, 2005); «Перспективные направления научно-технического развития спиртовой и ликеро-водочной промышленности» (Москва, 2007); «Пищевые технологии» (Казань, 2008); «Аналитика и анали-

тики» (Воронеж, 2008); «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2009); «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности (приоритеты развития)» (Воронеж, 2009); «Современная наука: теория и практика» (Ставрополь, 2010); «Молодежная наука - пищевой промышленности» (Ставрополь, 2011); «Renewable Wood and Plant Resources: Chemistry, Technology, Pharmacology, Medicine» (Saint-Petersburg, 2011); «Инновационные направления в пищевых технологиях» (Пятигорск, 2012); «Биотехнологические системы в производстве пищевого сырья и продуктов: инновационный потенциал и перспективы развития» (Воронеж, 2011); «Современные методы аналитического контроля качества и безопасности продовольственного сырья и продуктов питания» (Москва, 2012); «Адаптация ведущих технологических процессов к пищевым машинным технологиям» (Воронеж, 2012); «Сельскохозяйственные науки и агропромышленный комплекс на рубеже веков» (Новосибирск, 2013); «Модернизация современного общества: проблемы, пути развития и перспективы» (Ставрополь, 2013); «Вузовская наука Северо-Кавказскому федеральному округу» (Пятигорск, 2013); «Лучший Молодежный инновационный продукт питания. Ecotrophelia Europe 2013» (Волгоград, 2013); «Инновационные технологии в пищевой промышленности: наука, образование и производство» (Воронеж, 2013); «European Applied Sciences: modern approaches in scientific researches» (Stuttgart, 2013); «Проблемы и инновационные решения в химической технологии» (Воронеж, 2013); «Новое в технологии и технике функциональных продуктов питания на основе медико-биологических воззрений» (Воронеж, 2013-2014); «Современные тенденции в образовании и науке» (Тамбов, 2013); «Инновационные решения при производстве продуктов питания из растительного сырья» (Воронеж, 2014); «Science and Education in Australia, America and Eurasia: Fundamental and Applied Science. The 1st International Academic Conference» (Melbourne, 2014); «Zbior raportov naukovich «Wspolczesne tendencje w nauce I educacji» (Warszava, 2014); «Продовольственная безопасность: научное, кадровое и информационное обеспечение»

(Воронеж, 2014); «Машины и аппараты XXI века. Химия. Нефтехимия. Биотехнология» (Воронеж, 2014); «Производство и безопасность сельскохозяйственной продукции: менеджмент качества и безопасности» (Воронеж, 2015); «Системный анализ и моделирование процессов управления качеством в инновационном развитии агропромышленного комплекса» (Воронеж, 2015).

Результаты работы демонстрировались на межрегиональных выставках, форумах и конкурсах: 25-я Межрегиональная специализированная выставка Продторг (Воронеж, 2008), VII Межрегиональный экономический Форум «Воронежская область - наш партнер» (Воронеж, 2010), VI Воронежский Агропромышленный форум, 11-я Межрегиональная специализированная выставка «Урожай» (Воронеж, 2014), 31-я Межрегиональная специализированная выставка «Пищевая индустрия» (Воронеж, 2014) c получением дипломов участников; Молодежный научно-инновационный конкурс среди студентов, аспирантов и молодых ученых, (ВГТА, 2009) с получением диплома «За научные результаты, обладающие существенной новизной и среднесрочной перспективой их эффективной коммерциализации»; конкурс «Инженерные технологии XXI века» в рамках НОЦ «Живые системы», (ВГУИТ, 2012); Европейский конкурс инновационных пищевых продуктов «Ecotrophelia Europe 2013» (Волгоград, 2013) с награждением золотой медалью; конкурсы по программе «У.М.Н.И.К» в 2014, 2015 гг. с получением дипломов за участие в Финале; межвузовский Конкурс инновационных проектов «Кубок инноваций», (Воронеж, 2015) с вручением благодарственного письма от губернатора Воронежской области за качество научно-технической проработки проекта и активность в развитии инновационной деятельности Воронежской области (приложение Р).

ПУБЛИКАЦИИ

По теме диссертации опубликовано 87 научных работ, в т. ч. 29 статей в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 47 статей по материалам докладов на всероссийских и международных конференциях, 2 моногра-

фии, 1 учебное пособие с грифом УМО ТПП, 7 патентов РФ, 1 Программа для ЭВМ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация изложена в двух томах. Первый том состоит из введения, 7 глав, основных выводов и результатов, списка литературы из 328 источников, в том числе 47 - на иностранных языках, объемом 290 страниц машинописного текста, содержит 90 рисунков, 65 таблиц. Второй том состоит из 14 приложений, объемом 160 страниц.

ЛИЧНОЕ УЧАСТИЕ АВТОРА В ПОЛУЧЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ, ИЗЛОЖЕННЫХ В ДИССЕРТАЦИИ

Состоит в выборе направления исследований, проведении анализа литературных и патентных источников по проблеме диссертационного исследования, в постановке и выполнении основной части экспериментальных исследований по разработке рациональных и оптимальных режимов производства экстрактов и напитков; прогнозировании качества и проектировании алкогольных и безалкогольных напитков на основе экстрактов с заданным соотношением компонентов, технологическими и медико-биологическими свойствами, с оценкой качества напитков в лабораторных и производственных условиях, в анализе и обобщении результатов исследований, их статистической и математической обработке, написании рукописи диссертации и автореферата.

Автором разработаны проекты технической документации на новые виды продуктов с применением солодов и экстрактов из растительного сырья, проведено патентование разработок, апробация разработанных технологий в опытно-производственных условиях.

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор выражает благодарность научному консультанту заведующему кафедрой ТБиСП ВГУИТ д.т.н., проф. Агафонову Г.В. за ценные советы, помощь в работе над диссертационным исследованием и при обсуждении результатов; к.т.н., доценту кафедры ТБиСП ВГУИТ Коротких Е.А. - за помощь, поддержку и совместный труд при проведении экспериментальной части работы; д.т.н., проф. кафедры физической и аналитической химии ВГУИТ Корниенко Т.С. - за помощь при обсуждении результатов исследований; к.б.н., начальнику департамента науки Российской биотехнологической компании ЗАО «Партнер» Бродскому И.Б.; к.б.н., проф. кафедры генетики, цитологии и биоинженерии ВГУ Калаеву В.Н., зав. кафедрой биотехнологии Орел ГАУ д.б.н., проф. Павловской Н.Е.; заведующему кафедрой ТХКМиЗП ВГУИТ, д.т.н., профессору Магомедову Г.О., доценту кафедры ТХКМиЗП Магомедову М.Г., к.т.н, доценту кафедры машин и аппаратов химических производств ВГУИТ Шабанову И.Е., руководителю ООО «Доступная робототехника» к.ф.-м.н., доценту Посметьеву В.В., другим сотрудникам организаций, в которых проводились опытные и аналитические исследования - за помощь при проведении экспериментальной части работы; особую благодарность - заслуженному деятелю науки, директору НОЦ «Живые системы» ФГБОУ ВО «ВГУИТ» д.т.н., проф. Антиповой Л.В. - за научные консультации.

Глава 1

АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА АЛКОГОЛЬНЫХ И БЕЗАЛКОГОЛЬНЫХ НАПИТКОВ НА ОСНОВЕ СОЛОДОВ И ЭКСТРАКТОВ

В настоящее время во всем мире наблюдается очередной этап повышенного интереса к изучению новых подходов в решении проблемы конкурентоспособности пищевой продукции. Большое внимание уделяется им-портозамещению; улучшению качества и расширению ассортимента напитков с выпуском новых наименований за счет привлечения альтернативных видов растительного сырья; внедрению интенсивных наукоемких технологий. При этом планируется осуществить исследование, оптимизацию и подбор технологических режимов при максимальном использовании существующих технологических процессов и традиционного технологического оборудования.

Одной из групп продуктов на основе солодов и экстрактов, являются напитки с применением натуральных ингредиентов природного происхождения, представляющих собой продукты биодеградации растительных компонентов без использования синтетических вкусо-ароматических добавок, в том числе, рекомендуемых для реализации государственных программ в области здорового питания населения [1].

1.1 Методология создания и повышения эффективности интенсивных наукоемких технологий напитков

Производственная и коммерческая деятельность предприятий по производству напитков с применением биотехнологий, как и других отраслей пищевой промышленности, должна приводить к максимизации прибыли, а также к повышению эффективности производства. С одной стороны, увеличением прибыли является расширение ассортимента. С другой стороны, повышение эффективности производства возможно осуществить путем увели-

чения количества привлекаемых в производство факторов, в том числе за счет внедрения интенсивных технологий и научных достижений.

Развитие предприятия с внедрением новых, более эффективных технологий представляет собой рост производства посредством обновления основных фондов, за счет улучшения организации, совершенствования использования основных, оборотных фондов, повышения квалификации работников и совершенствования научной организации труда. Производительность предприятия при этом увеличивается, снижается материалоемкость и трудоемкость основного производства, что положительно влияет на увеличение прибыли и повышение рентабельности.

Интенсивная наукоемкая технология в производстве напитков, с нашей точки зрения, включает применение специальных технологических и биотехнологических приемов для того, чтобы провести научно обоснованные, направленные и контролируемые изменения в составе сырья, поступающего в производство и получить продукт с прогнозируемыми свойствами, удовлетворяющий требованиям современных систем менеджмента безопасности пищевой продукции.

Внедрение интенсивных и наукоемких технологий в производстве напитков достигается, в том числе, путем применения перспективных новых видов сырья, разработки многокомпонентных сбалансированных рецептур, а также модификации технологических режимов для осуществления необходимой эффективности производства, что приводит к появлению наукоемкой продукции с новыми свойствами и доказанной «полезностью», востребованной на потребительском рынке.

Современное производство напитков основано на достижениях техники и технологических разработках, по возможности широко используются полупродукты высокой степени готовности - экстракты и концентраты.

Инновации, освещаемые в работе и разработанные в результате проведения массива экспериментальных исследований, а также анализа результа-

тов, сосредоточены в разработке интенсивных и наукоемких технологий для нескольких новых категорий продуктов:

- спиртные напитки из зернового сырья на основе дистиллятов, изготовленных из солодов и несоложеного зерна, натуральных экстрактов из традиционного сырья - древесины дуба, а также альтернативного сырья - древесины вишни, сливы;

- безалкогольные напитки массового назначения - квасы и многокомпонентные сухие концентраты напитков на основе порошкообразных солодовых и полисолодовых экстрактов с заявленными и подтвержденными функциональными свойствами, в том числе с применением наименований в рационах диетического, лечебно-профилактического, реабилитационного питания.

1.2 Характеристика зерновых культур для производства напитков

Для создания новых пищевых продуктов чрезвычайно важным аспектом являются вопросы, связанные с функциями питательных веществ пищевого сырья, их метаболизмом, потребностью, состоянием недостатка и избытка, влиянием на здоровье человека [28].

Основные питательные вещества сырья и продуктов, которые требуются для поддержания жизни - органические и неорганические соединения, которые можно объединить в пределах пяти категорий основных питательных компонентов: белки, углеводы, жиры, витамины, минеральные вещества, рассматриваемых в химии пищи в величинах рекомендуемых допусков [156, 47].

Можно выделить основные функции компонентов основных питательных веществ, выполняемые в организме человека: белок необходим в качестве источника незаменимых аминокислот для осуществления метаболизма, роста и восстановления тканей; углеводы - энергетические субстраты, ответственны за накопление и выработку энергии, обезвреживание и удаление из организма нежелательных веществ, регулирование жирового и белкового об-

мена; жиры - запасники энергии, обеспечивают функцию сохранения и образования энергии, обеспечение поступления незаменимых жирных кислот, жирорастворимых витаминов, построение клеточных мембран, синтез гормонов, перенос липидных предшественников [28, 29, 30, 31].

К компонентам растительного сырья с наличием биологически активных свойств относятся терпены, полифенольные соединения, алкалоиды, гликозиды, фитогормоны, а также некоторые аминокислоты, белки, микроэлементы, витамины и др. [29, 32]. В технологиях напитков часто применяют злаковые культуры, в которых важна сбалансированность состава вышеперечисленных компонентов: ячмень, пшеница, рожь, кукуруза, также альтернативные сырьевые источники - гречиха, с возможностью ее применения в качестве безглютенового сырья; горох - как источник белковых веществ [27, 44]. Ниже рассмотрены перспективы применения злаковых культур и гороха в технологии напитков и экстрактов для получения солодов [41, 42, 43, 44, 45, 72, 73, 186].

Важнейшие технологические и биохимические характеристики зерновых культур для получения напитков и экстрактов

Основным источником сырья для производства солодовых экстрактов, а также зерновых дистиллятов являются несоложёное зерно и солода из соответствующих злаковых культур. Традиционными зерновыми культурами, из которых готовят солод для производства солодовых экстрактов, зерновых дистиллятов и напитков на их основе, являются рожь, ячмень, кукуруза, пшеница. Гречиха и горох рассматриваются как альтернативные сырьевые источники [59].

В производстве зерновых дистиллятов характеристики сырья определяются в основном, исходя из технологических требований к параметрам процессов осахаривания, сбраживания, а также к качеству получаемого дистиллята [22, 35, 36, 37, 38, 39, 46].

Основное требование к качеству зерновых культур, применяемых для производства солодов, - способность к накоплению потенциала внеклеточных и внутриклеточных ферментных систем. Ферменты злаковых культур, представляющие интерес для технологии напитков на основе зерновых дистиллятов, - карбогидразы, катализирующие гидролиз углеводов, крахмала и гемицеллюлоз.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Новикова Инна Владимировна, 2015 год

/ - X -

5 /С - X - Х0'6}л0'59л0'16л0,4Уо,45Уо,5По0,з8

Зй . з её 5 = к а 7 о. 0<3 £ Н 25 я О* <5 \ \ * Потребительские \ \ свойства Этанол, об. % оЯ ЯД о^; И щ л е Ароматические альдегиды, мг/дм3 , "я ь, 1- та <81 е аз ,а аот л ЙЯ к /д и Я о ал [-с ом 5 я >> Фурфурол, мг/дм3 ,ыт р с д | Я ы Я о."® и? |я ч ь. А

Вкус: приятный, св-венный категории напитков 0,30 0,3 0,2 0,0 0,2 0,3 0,2 0,0 0,1 0,0 0,0

Аромат: приятный, св-венный категории напитков 0,30 0,3 0,0 0,3 0,0 0,0 0,0 0,2 0,2 0,7 0,4

Цвет: приятный, св-венный категории напитков 0,10 0,0 0,2 0,0 0,3 0,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

Послевкусие: приятный, св-венный категории напитков 0,10 0,0 0,1 0,2 0,1 0,2 0,3 0,0 0,2 0,0 0,0

Ценовой диапазон 0, 05 0, 1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

Соотношение цена/качество 0,05 0,1 0,2 0,2 0,1 0,2 0,2 0,0 0,0 0,0 0,0

Натуральность / присутствие ингр-тов из раст-го сырья 0,05 0,0 0,2 0,2 0,2 0,1 0,3 0,4 0,0 0,0 0,0

Безопасность напитка 0 , 0 5 0,2 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,4 0,5 0,3 0,6

Вес физ.-хим. характеристики 0,20 0,12 0,14 0,12 0,14 0,12 0,10 0,14 0,23 0,15

Корреляция физ.-хим. характеристики с органолепт. оценкой - - 0,70 0,57 0,39 0,29 -0,28 -0,48 -0,08 -0,05

Корреляция физ.-хим. характеристики с ценой напитка - - 0,41 0,56 0,20 0,12 -0,20 -0,27 0,15 -0,20

Средние физ. -хим. характеристики конкурентов 40 13,2 11,68 1,60 0,135 0,172 11,1 1362 264 40,9

Рисунок 6.1 - Схема «Дом качества» для спиртных напитков

На "потолке" дома качества располагаются физико-химические характеристики (ФХХ) продукта, которые могут оказывать влияние на те или иные потребительские свойства. Для алкогольных напитков были выбраны 10 физико-химических характеристик. "Внутри" дома находится матрица согласования ПС с ФХХ. Степень влияния физико-химических характеристик на 1-е

потребительское свойство, в соответствующей ячейке матрицы числами [211].

Для построения схемы «Дом качества» и дальнейшего проектирования напитков использованы физико-химические и органолептические характеристики 13-ти спиртных напитков - аналогов, представленных на рынке (таблица 6.1), а также разработанных напитков на основе экстрактов дуба, сливы, вишни без купажирования (таблица 6.2).

Сенсорную оценку образцов по балловой шкале проводили в соответствии с требованиями ГОСТ Р 55313-2012 [261].

Т а б л и ц а 6.1 - Физико-химические характеристики, органолептические оценки и стоимость

спиртных напитков-аналогов на рынке

Образец Аро-мати-ческие альдегиды, мг/дм3 Ду- биль-ные вещества, мг/дм3 Галловая кислота, мг/дм3 Углеводы, мг/дм3 Фурфурол, мг/дм3 Высшие спирты, мг/дм3 Эфи-ры, мг/дм3 Аль-деги- ды, мг/дм3 Орга-но- лепт. оценка, балл Цена за ед. объема (см3), руб.

1 10,12 1,01 0,110 0,180 12,0 1375 234 28,0 9,10 320

2 9,76 1,72 0,105 0,172 13,0 1420 310 28,0 9,10 554

3 14,00 1,95 0,150 0,163 12,0 1277 276 36,0 9,90 620

4 11,45 1,82 0,150 0,152 12,0 1304 280 31,5 9,45 558

5 9,75 1,22 0,130 0,158 5,0 1355 254 40,0 8,90 326

6 10,21 1,62 0,140 0,164 13,0 1606 298 39,0 9,30 510

7 13,10 1,36 0,140 0,168 12,0 1186 213 47,0 9,40 500

8 12,60 1,76 0,130 0,175 12,0 1432 254 43,6 9,40 542

9 11,20 2,4 0,110 0,163 14,0 2306 272 45,4 9,00 294

10 9,68 1,43 0,140 0,170 12,0 1514 261 52,2 8,61 234

11 13,00 1,80 0,150 0,180 16,3 1307 278 46,0 9,05 298

12 13,00 1,80 0,150 0,187 8,0 1220 252 43,3 9,00 258

13 14,00 1,93 0,150 0,210 3,1 1189 244 52,4 10,00 680

Т а б л и ц а 6.2 - Физико-химические характеристики и органолептические оценки экстрактов

древесины дуба, вишни, сливы

Экстракт древесины Аро-мати-ческие альдегиды, мг/дм3 Ду- биль-ные вещества, мг/дм3 Галловая кислота, мг/дм3 Углеводы, мг/дм3 Фурфурол, мг/дм3 Высшие спирты, мг/дм3 Эфи-ры, мг/дм3 Аль-деги- ды, мг/дм3 Орга-но- лепт. оценка, балл

дуба 31,6 3,10 0,42 0,42 16,70 1984 136,3 12,3 8,95

сливы 22,8 2,53 0,24 0,39 12,6 1962 127,2 13,9 10,0

вишни 28,3 2,4 0,34 0,29 13,4 1971 114,1 16,9 7,25

Каждый из экстрактов приближается к рыночным аналогам по своему набору характеристик. Для получения купажей спиртных напитков с оригинальными органолептическими свойствами, сочетающими в себе основные характеристики различных видов древесины (насыщенность, мягкость вкуса, присутствие фруктовых, пряных тонов с оттенками ванили), составляли ку-пажи из экстрактов вишни, сливы, дуба, в которых варьировали количество экстрактов из различных видов древесины.

В процессе проектирования напитков концентрации компонентов определяли на основе: потребительских требований к качеству напитка; прогнозируемой органолептической оценки напитка; прогнозируемой "психологической" цены напитка.

Верхняя часть схемы "Дом качества" (крыша) отражает взаимосвязь физико-химических характеристик и представляет собой корреляционную матрицу (рисунок 6.1). Исходными данными для корреляционного анализа служила таблица 6.1. Для анализа взаимосвязи характеристик напитков использовали коэффициенты корреляции Пирсона, рассчитываемые по формуле:

£ [(х - х Иу - У)]

1=1

г„„ =

ху (п -

(6.1)

х у

где гху - коэффициент корреляции (в дальнейшем используется сокращенное обозначение г); п - количество рыночных аналогов (в данном случае 13); х и

у - значения показателей, между которыми определяется корреляция; х и у - средние значения показателей; ах и ау - среднеквадратические отклонения показателей. Преимуществом коэффициента корреляции Пирсона среди других часто используемых коэффициентов корреляции, например, коэффициента ранговой корреляции Спирмена, является стандартизация выборочного ряда. Вследствие этого коэффициент корреляции не зависит от размаха выборки, что особенно ценно для разнотипных показателей, анализируемых в

настоящей работе. Корреляционный анализ выполнен с помощью программы БТАТОТКА 10.

В схеме "Дом качества" (рисунок 6.1) приведены коэффициенты корреляции г для исследуемых характеристик как в треугольной матрице ("крыша дома"), так и в строках в "подвале" дома, озаглавленных "Корреляция...". Чем ближе к единице величина коэффициента корреляции, тем сильнее связаны между собой две соответствующие характеристики [191, 193]. Затемненные ячейки соответствуют сильным корреляциям с коэффициентом корреляции г > 0,5. Знак коэффициента корреляции указывает на характер взаимосвязи (прямая или обратная): при положительном знаке с увеличением одной характеристики - вторая также увеличивается; при отрицательном знаке - с увеличением одной характеристики - вторая уменьшается. Жирным шрифтом выделены статистически значимые корреляции с уровнем значимости 90 %.

Анализ восьми наиболее выраженных корреляций позволяет сделать следующие выводы. Для улучшения органолептической оценки и повышения цены напитка необходимо увеличивать содержание ароматических альдегидов (г = 0,70) и дубильных веществ (г = 0,57, г = 0,56). Поэтому в рыночных аналогах одновременно увеличивают содержание ароматических альдегидов дубильных веществ и галловой кислоты (коэффициенты взаимной корреляции 0,63, 0,62, 0,59). Сравнивая таблицы 6.1 и 6.2 можно отметить, что в напитках на основе экстрактов дуба, сливы и вишни содержание дубильных веществ и галловой кислоты значительно выше, чем во всех анализируемых рыночных аналогах, поэтому можно ожидать, что напитки на основе комбинации предлагаемых экстрактов получат высокие органолепти-ческие оценки и будут иметь высокую "психологическую" цену.

Негативнее всего на органолептическую оценку и цену напитка влияет содержание высших спиртов (г = -0,48, г = -0,27). Также с увеличением содержания высших спиртов уменьшается содержание ароматических альдегидов (г = -0,71), которые улучшали бы органолептическую оценку и повыша-

ли бы цену напитка. Кроме того, с увеличением содержания высших спиртов увеличивается содержание эфиров (г = 0,53), которые увеличивают психологическую цену напитка (г = 0,15). По содержанию высших спиртов, ароматических альдегидов и эфиров предлагаемые напитки на основе экстрактов древесины дуба, сливы, вишни уступают рыночным аналогам.

К преимуществам разработанных напитков можно отнести повышенное по сравнению с рыночными аналогами содержание углеводов, и пониженное содержание альдегидов, что увеличивает психологическую цену напитка (коэффициенты корреляции 0,12 и -0,20), а также повышает органо-лептическую оценку (коэффициенты корреляции 0,39 и -0,05).

В схеме "Дом качества" не показан коэффициент корреляции органо-лептической оценки с ценой напитка: он составляет 0,89. Значение коэффициента корреляции близко к единице, следовательно, цена напитка практически прямо пропорциональна органолептической оценке. Это означает, что стоимость спиртных напитков на рынке определяется не брендом, а практически полностью органолептическими качествами напитка.

В "подвале" дома качества размещается разнообразная информация, для которой могут быть определены рассматриваемые физико-химические свойства. Таким образом, «Дом качества» объединяет в себе всю информацию, необходимую для проектирования напитка в соответствии с пожеланиями потребителей.

Рассмотрим методику оценки качества напитков. В соответствии с методологией РБЭ критерий качества рассчитывается на основе сопоставления потребительских свойств и физико-химических характеристик продукта [210]. При этом критерий строится, исходя из представлений о близости ФХХ проектируемого продукта к средним значениям аналогов на рынке.

(рд, сс, св )

\

(6.2)

где QП - промежуточный критерий качества (чем меньше QП, тем качественнее продукт); ЫФХХ - количество физико-химических характеристик; I - номер потребительского свойства; у - номер физико-химической характеристики; Pj(cд, сС, сВ) - У-я ФХХ для напитка на основе комбинации экстрактов дуба, сливы, вишни с концентрациями сд, сС, сВ; PКj - усредненная по рассматриваемым аналогам на рынке у-я ФХХ; Рэ| - усредненная по экстрактам дуба, сливы, вишни у-я ФХХ; ЖПС - количество потребительских свойств; а; - компоненты матрицы относительной важности ПС; - компоненты матрицы согласования ПС и ФХХ.

Характеристики Pj для проектируемого напитка определяются, как линейная комбинация соответствующих характеристик Pjд, PjС, PjВ для экстрактов древесины дуба, сливы, вишни:

Промежуточный критерий качества неудобен для анализа, поэтому в дальнейшем используется критерий качества Q:

где maxQП(сд, сС, сВ) - максимально возможное значение промежуточного критерия качества Ол. При таком определении критерия качества он изменяется от 0 (при очень сильном отклонении характеристик проектируемого напитка от характеристик рыночных аналогов) до 1 (при практически полном совпадении характеристик проектируемого напитка и рыночных аналогов).

Проектирование спиртных напитков осуществляли как процедуру определения оптимального количественного соотношения экстрактов древесины дуба сд, сливы сС и вишни сВ в купажах, при которых напиток будет обладать максимальными значениями качества Q, органолептической оценки ВО и психологической цены ЦП (рисунок 6.2).

(6.3)

(6.4)

Состав комбинации экстрактов

Сд , Сс

Св '

Проектирование напитка на основе комбинации экстрактов древесины

Качественно-стоимостные показатели

■^Ба -^Цп

Рисунок 6.2 - Постановка задачи на проектирование спиртных напитков на основе экстрактов древесины

Аналитически задачу на проектирование можно представить:

Д> сС> СВmax; бо(сд, Сс, свmax;

\ЦП (сД , СС , СВ )_

(6.5)

V п (с Д, сс, сВ

)^ max.

Расчет прогнозируемой органолептической оценки ВО для комбинации экстрактов проводили на основе известных оценок для экстрактов древесины дуба, сливы, вишни, ВОд, ВОС, ВОВ:

Во = сд • Вод + сс • Вос + Сув • Вов ■ (6.6)

Расчет психологической цены напитка ЦП на основе экстрактов древесины дуба, сливы, вишни заданного состава сд, сс, св проводили по формуле

N

Ц

_ У=1

Iу • Цкi при условии \сд j +сс-PjC +сjB-PjB- j-bmrn)

П

N*

IP,

У=1

(6.7)

где fii - оценка относительного вклад физико-химической характеристики в цену напитка; ЦК - цена напитка рыночного аналога, для которого минимально различие ФХХ. Для уменьшения количества управляемых параметров и, соответственно, повышения обоснованности все весовые коэффициенты приняты одинаковыми: Pj = 1/NoXX.

Для удобства анализа математической модели качества составлена компьютерная программа на языке Object Pascal в системе программирования Borland Delphi 7, приложение Ж. Разработанная программа позволяет

определить состав комбинации экстрактов, при котором достигается максимальное значение одного из критериев (качества, органолептической оценки или психологической цены), получить концентрационные зависимости критериев в двойной (рисунки 6.3 - 6.5) и тройной (рисунки 6.6 - 6.7) комбинациях экстрактов.

В первую очередь был проведен поиск наилучшего состава (сд, сС, сВ), при котором критерий качества принимает максимальное значение. Для этого в программе многократно (10 000 000 раз) случайным образом генерировался состав (сд, сС, сВ) и производился расчет критериев Q, В0, ЦП, после чего был выбран вариант с наибольшим значением Q. Концентрации при

_7

наибольшем Q составили: сд = 9,02 10 ; сС = 0,597; сВ = 0,403. При этом дру-

о

гие критерии имели достаточно высокие значения: ВО = 8,89; ЦП = 505 р/дм .

Таким образом, максимальное качество ^ = 1) будет иметь напиток, изготовленный на основе 59,7 % экстракта древесины сливы и 40,3 % вишни без экстракта древесины дуба.

Так как экстракт древесины дуба является важным традиционным компонентом спиртных напитков и его исключение нецелесообразно, проведен анализ комбинации экстрактов древесины дуба и сливы (рисунок 6.3) и дуба и вишни (рисунок 6.4).

0 20 40 60 80 сс,% 0 20 40 60 80 сс,% а 6

//л.-,-----

руб./дм3 520-—

500 —

480-----1~-

460-1—•—--—.—

0 20 40 60 80 сс, % в

Рисунок 6.3 - Влияние концентрации экстракта древесины сливы сс в композиции экстрактов древесины сливы и дуба (сд = 100 - сс, сВ = 0) на качественно-стоимостные показатели

С увеличением содержания экстракта древесины сливы в ее комбинации с экстрактом древесины дуба, увеличивается качество, органолептиче-ская оценка и психологическая цена напитка (рисунок 6.3). Поэтому добавление сливы к экстракту экстракта древесины дуба в любом количестве приводит к улучшению качественно-стоимостных показателей напитка. При концентрации экстракта древесины сливы более 85 % можно добиться очень высоких показателей: показатель потребительского качества превышает 0,9, органолептическая оценка превышает 9,8 баллов, психологическая цена пре-

"5

вышает 500 руб./дм .

Анализ двойной комбинации экстрактов древесины дуба и вишни позволил сделать выводы, что такая комбинация, без экстракта древесины сливы, нецелесообразна. Показатель качества превышает 0,9 только у узком диапазоне концентраций сВ = 93...100 % (то есть полностью практически экстракт вишни, рисунок 6.4, а). Однако в данном диапазоне концентрации органолептическая оценка оказывается слишком низкой (менее 7,5 баллов, рисунок 6.4, б). Психологическая цена превышает 500 р./дм также только для экстракта древесины вишни, без добавления других экстрактов (рисунок 6.4, в). Таким образом, не целесообразно изготовление спиртных напитков на основе двойной комбинации экстрактов древесины дуба и вишни.

&

0,80,60,40,20,00 20 40 60 80 ев, % 0 20 40 60 80 св, % а 6

Д,,-,-

руб./дм3

520------

500------|

480------1

460-1—■——.——.——.———1

0 20 40 60 80 св, % в

Рисунок 6.4 - Влияние концентрации экстракта древесины вишни сВ в композиции экстрактов древесины вишни и дуба (сд = 100 - сВ, сс = 0) на качественно-стоимостные показатели

Проанализируем комбинацию древесины экстрактов сливы и вишни без экстракта древесины дуба. С увеличением концентрации экстракта древесины вишни увеличивается органолептическая оценка напитка (рисунок 6.5, б), при этом психологическая цена напитка не изменяется (рисунок 6.5, в). Максимальное качество напитка достигается при составе сс = 70 %; сВ = 30 %. На графиках затемнены диапазоны концентраций, при которых критерий качества не менее 0,9, органолептическая оценка не менее 9,25 баллов (средняя органолептическая оценка рыночных аналогов), цена не менее 500 р/дм . Всем данным условиям соответствует диапазон концентраций сС = 73 -100 %; сд = 0...27 %.

а о

Цп,-

руб./ дм3

520500480'

О 20 40 60 80 сс, % в

Рисунок 6.5 - Влияние концентрации древесины экстракта сливы сс в композиции экстрактов сливы и вишни (сВ = 100 - сс, сд = 0) на качественно-стоимостные показатели

Таким образом, в напитке на основе экстрактов древесины вишни и сливы при содержании экстракта древесины сливы более 73 % напиток будет иметь потребительское качество более 0,9, органолептическую оценку более

о

9,25, психологическую цену более 500 р./дм .

Был проведен анализ тройных комбинаций экстрактов. С помощью разработанной программы рассчитаны критерии для 21 состава, в которых концентрации компонентов изменялись с шагом 10 % (таблица 6.3). Максимальные значения критериев (соответствующие ячейки в таблице затемнены) достигаются при низкой концентрации экстракта древесины дуба (менее

10 %), концентрации экстракта древесины сливы более 60 - 100 %, концентрации экстракта древесины вишни 0 - 40 %.

Таблица 6.3 - Результаты проектирования напитков на основе комбинаций экстрактов древесины

дуба, сливы, вишни

СС, % Св, %

0 20 40 60 80 100

0 Q = 0,468 ВО = 8,95 Цп = 473 р. Q = 0,538 ВО = 8,61 Цп = 473 р. Q = 0,621 ВО = 8,27 Цп = 473 р. Q = 0,717 ВО = 7,93 Цп = 473 р. Q = 0,826 ВО = 7,59 Цп = 473 р. Q = 0,945 ВО = 7,25 Цп = 505 р.

20 Q = 0,550 ВО = 9,16 Цп = 473 р. Q = 0,636 ВО = 8,82 Цп = 473 р. Q = 0,736 ВО = 8,48 Цп = 473 р. Q = 0,850 ВО = 8,14 Цп = 473 р. Q = 0,975 ВО = 7,80 Цп = 505 р. -

40 Q = 0,646 ВО = 9,37 Цп = 473 р. Q = 0,749 ВО = 9,03 Цп = 473 р. Q = 0,866 ВО = 8,69 Цп = 473 р. Q = 0,994 ВО = 8,35 Цп = 505 р. - -

60 Q = 0,754 ВО = 9,58 Цп = 472 р. Q = 0,871 ВО = 9,24 Цп = 472 р. Q = 1,000 ВО = 8,90 Цп = 505 р. - - -

80 Q = 0,868 ВО = 9,79 Цп = 505 р. Q = 0,993 ВО = 9,45 Цп = 505 р. - - - -

100 Q = 0,974 ВО = 10,00 Цп = 505 р. - - - - -

На основе табличных данных методом наименьших квадратов получены аналитические формулы для расчета показателей качества, органолепти-ческой оценки и «психологической цены»:

Q(cc, св) = 9,271-Ю-6 Сс2 + 1,579 10-5 Св2 + 3,905 10-5 СсС +

+ 4,205 10-3 сс + 3,228 10-3 св + 0,465; (6.8)

Во(сс, св) = 0,011сс - 0,017 Св + 8,95; (6.9)

ЦП(сс, св) = 8,735 10-3 сс2 + 9,539-10-3 св2 + 0,015 сс-св -

- 0,571 сс - 0,726 св + 480. (6.10)

На основе данных аналитических формул построены поверхности для визуального анализа закономерностей (рисунок 6.6 а, б, в ). Для практического использования данные зависимости перестроены в виде картограмм (рисунок 6.7). На картограммах затемнены области высоких значений крите-

"5

риев (Q более 0,9, ВО более 9,25, ЦП более 500 р./дм ). На рисунке 6.7, г построено пересечение частных оптимальных областей, дающее общую опти-

мальную область. Оптимальный состав находится в диапазоне сд = 0...7 %; сс = 70...100 %; сВ = 0...25 %.

в

Рисунок 6.6 Зависимость качественно-стоимостных показателей напитка от состава тройной комбинации экстрактов древесины дуба, сливы, вишни Оптимальный состав комбинации экстрактов должен быть 0 - 7 % экстракта древесины дуба, 70 - 100 % экстракта древесины сливы, 0 - 25 % экстракта вишни. При этом напиток будет иметь потребительское качество более 0,9, органолептическую оценку более 9,25, «психологическую цену»

"5

более 500 р./дм .

а б

в г

Рисунок 6.7 - Карты проектирования напитков на основе тройных комбинаций экстрактов древесины дуба, сливы, вишни. Затемнены области оптимальных составов. Черным цветом выделена общая оптимальная область процентных соотношений экстрактов

6.2 Проектирование безалкогольных напитков с применением ПСЭ и ППЭ

Разработка и выпуск безалкогольных напитков с заявленными функциональными свойствами, подходящих как для коррекции питания лиц, нуждающихся в лечебно-профилактическом, диетическом, реабилитационном питании, так и для обычного современного человека с целью поддержки иммунного статуса организма, является актуальным направлением развития и совершенствования технологий пищевой промышленности [13, 9].

Конструирование функциональных продуктов с заданными характеристиками (сбалансированность состава, структура, органолептические показатели) проводится в соответствии с аспектами пищевой комбинаторики. Первый аспект можно охарактеризовать как исключение из состава продукта какого-либо компонента, например глютена из продуктов, предназначенных для людей глютеновой непереносимостью, для разработки рационов диетического питания. Второй аспект - внесение в рецептуру ингредиентов, которые увеличивают биологическую и питательную ценность продукта, например, при создании рационов лечебно-профилактического и реабилитационного питания. Третьим аспектом является замена компонентов рецептур, при которой вместо одного изъятого компонента вводится другой аналогичный, что оказывает влияние либо на повышение дегустационной оценки напитка, либо на его стабильность при хранении [177].

Рекомендуемое содержание витаминов в напитках специального назначения для питания школьников, больных, проходящих курсы лечения в ста-

-5

ционарах профилакториях, мг/дм : аскорбиновая кислота 150 -160, тиамин 1,0 - 1,2, рибофлавин 0,5 - 1,0, пиридоксин 1,5 - 2,5. При употреблении обо-

-5

гащенных напитков в количестве 200 см обеспечиваться 1/3-1/2 доля от суточной потребности в витамине С, 20 % - в витаминах группы В [102].

В составе напитков, обладающих функциональными свойствами, в зависимости от назначения, должны присутствовать: олигосахариды, моно- и

дисахариды; аминокислоты, пептиды, протеины; органические кислоты (молочная, уксусная), минеральные вещества (микро- и макроэлементы - цинк, железо; кальций, натрий и др.; ферменты-антиоксиданты, биофлавоноиды; витамины группы В (тиамин В1, рибофлавин В2, холин В4), витамины С, Е; пробиотические бактерии [135, 54].

6.2.1 Разработка методики проектирования безалкогольных напитков с учетом сбалансированности состава

На данном этапе исследований поставлена задача - разработка компонентного состава напитков со сбалансированными медико-биологическими характеристиками на основе математического метода проектирования. Первый этап работы касается оценки сбалансированности ПСЭ и ППЭ для получения их комбинаций при разработке рецептур. Второй этап посвящен проектированию безалкогольных напитков с функциональными свойствами.

Разработана структурная схема «Дом качества» для проектирования безалкогольных напитков по критериям качества, важным для потребителя (рисунок 6.8).

Зй . S si О се м н о \ \ * Потребительские \ \ свойства \ \ Содержание сухих веществ Кислотность Содержание углеводов Содержание аминного азота Содержание Витаминов Содержание макроэлементов Содержание микроэлементов Содержание незаменимых а/к Пищевая ценность Энергетическая ценность

Вкус: приятный, св-венный категории напитков 0,25 0,2 0,3 0,1 0,2 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1

Аромат: приятный, св-венный категории напитков 0,25 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

Цвет: приятный, св-венный категории напитков 0,15 0,2 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

Послевкусие: приятный, св-венный категории напитков 0,10 0,1 0,2 0,1 0,0 0,1 0,1 0,0 0,1 0,1 0,1

Ценовой диапазон 0,05 0, 1 0,1 0,1 0,0 0,1 0,0 0,0 0,1 0,1 0,1

Соотношение цена/качество 0,05 0,1 0,1 0,1 0,1 0,2 0,0 0,0 0,2 0,1 0,2

Обогащенность нутриентами 0,05 0,2 0,1 0,2 0,3 0,1 0,2 0,0 0,1 0,2 0,1

Натуральность / присутствие ингр-тов из раст-го сырья 0,05 0,1 0,2 0,2 0,4 0,2 0,3 0,4 0,2 0,1 0,1

Безопасность напитка 0 , 0 5 0,0 0,0 0,2 0,0 0,2 0,3 0,5 0,2 0,3 0,3

Вес физ.-хим. характеристики 0,12 0,12 0,08 0,09 0,08 0,08 0,07 0,08 0,08 0,08

Рисунок 6.8 - Схема «Дом качества» для безалкогольных напитков

Для разрабатываемых напитков с применением ПСЭ и ППЭ важнейшими критериями качества, кроме органолептических показателей, являются - натуральность (присутствие ингредиентов на основе растительного сырья), обогащенность нутриентами, в том числе функциональными.

При разработке напитков возможны комбинации различных видов экстрактов в соответствии с медико-биологические требованиями к готовому напитку.

Управление в процессе проектирования напитков осуществляется двумя способами: выбор ПСЭ и ППЭ (одного, двух, трех или четырех экстрактов); выбор процентного содержания каждого из экстрактов.

При проектировании напитков учитывали следующие критерии: сбалансированность состава (по пищевой ценности, содержанию макро- и микроэлементов, содержанию незаменимых аминокислот); содержание, не менее заданного значения, для обеспечения функциональных свойств, определенных ингредиентов (витаминов, макро- и микроэлементов) с учетом медико-биологических требований.

Взаимосвязь управляющих параметров и критериев качества напитка схематично представлена на рисунке 6.9.

Проектирование напитков на основе экстрактов солода

Управляющие Критерии качества

параметры

напитка

г \

т-, г Сбалансирован-

Выбор видов ^

ность содержания

экстрактов солода

Выбор содержания используемых

Расчет содержания полезных веществ в напитке

веществ

Содержание полезных веществ

экстрактов солода --не менее заданного

Рисунок 6.9 - Постановка задачи на проектирование напитков с применением ПСЭ и ППЭ

В дальнейшем будем предполагать, что при комбинации экстрактов выполняется принцип суперпозиции в отношении показателей пищевой ценности, аминокислотного, макроэлементного и витаминного составов, а также других исследуемых показателей. В рамках такого предположения, содержание определенного компонента в напитке с, составленном на основе . четы-

рех типов A, B, С, D (с процентным составом экстрактов кА, кв, кс, к0) с известным содержанием компонента сА, св, сс и с0 в напитках каждого типа, можно определить по формуле:

с(кА, кв, кс, kD )

■Ca +■

'св +■

к

-сс +■

D

100% А 100% в 100% с 100% D ^100% где i - наименование экстракта; ЫЭ - количество наименований экстракта, используемых для составления напитка; ki - процентный состав i-го экстракта; Ci - содержание анализируемого компонента в напитке, составленном на основе только i-го экстракта.

В качестве условий сбалансированности напитков будем использовать три важнейших, с нашей точки зрения, условий, выбранных на основе литературных данных и экспертных оценок [28, 174, 30, 5, 135]:

1) сбалансированность макронутриентов напитка: отношение белки : углеводы = 1 : 4; 2) сбалансированность по незаменимым аминокислотам (НАК): соотношение триптофан : лизин : метионин = 1 : 3 : 3; 3) сбалансированность макроэлементов: соотношение кальций : магний : фосфор = 1 : 0,5 : 1,5 .

Взаимосвязь управляющих параметров и критериев сбалансированности представлена схематично на рисунке 6.10.

Проектирование сбалансированных

N э Ü -

к

, (6.11)

Г

напитков на основе экстрактов солода _.А_

Управляющие параметры Л

Выбор одного, двух или трех экстрактов из ППЭ-1, ППЭ-2, ПГрСЭ, ПГСЭ

Выбор процентного состава:

кППЭЬ kППЭ2,

Л

Критерии сбалансированности

Г

. Сб : Су = 1 : 4

Л

Cca:cMg:cp 1:0,5:1,5

Рисунок 6.2.3 - Постановка задачи на проектирование напитков на основе ПСЭ и ППЭ со сбалансированным содержанием макронутриентов, незаменимых аминокислот и макроэлементов

в

с

Ст : Сл : См 1 : 3 : 3

kПГрСЭ, кПГСЭ

Ключевые этапы метода проектирования напитков могут быть записаны аналитически следующим образом: расчет содержания полезных веществ в напитке производится по формулам (6.12 - 6.19):

кгггг^ ппч кт

сб =

_ППЭ_С ППЭ k ППЭ2 ППЭ2 kПГрСЭ ПГрСЭ кпгсэ ПГСЭ. 100% б 100% б 100% б 100% б '

_ кППЭ ППЭ кППЭ2 ППЭ2 kПГрСЭ ПГрСЭ кПГСЭ СПГСЭ. у 100% у 100% у 100% у 100% у '

c =

т

kППЭ ППЭ + кППЭ2 ППЭ2 kПГрСЭ ПГрСЭ кПГСЭ СПГСЭ. 100% т 100% т 100% т 100% т '

_ кППЭ1 ППЭ кППЭ2 ППЭ2 kПГрСЭ ПГрСЭ кПГСЭ ^ПГСЭ, л = 100% л 100% л 100% л 100% л '

_ кППЭ1 сППЭ1 + кППЭ2 ППЭ2 kПГрСЭ ПГрСЭ кПГСЭ ^,ПГСЭ, м 100% м 100% м 100% м 100% м '

-Ca

->Mg

кППЭ1 ППЭ , кППЭ2 ППЭ2 , kПГрСЭ ПГрСЭ . кПГСЭ ПГСЭ.

С Сп """ С Сп """ С Сп """ С Сп ;

100% 100% 100% 100%

k

ППЭ1 ППЭ кППЭ2 ППЭ2 kПГрСЭ ПГрСЭ k ПГСЭ ПГСЭ. CMg ^ 1 ЛЛО/ CMg ^ 1 ЛЛО/ CMg ^ 1 ЛЛО/ CMg '

100%

100%

100%

100%

кППЭ1 ППЭ кППЭ2 ППЭ2 kПГрСЭ ПГрСЭ кПГСЭ ПГСЭ CP ' CP ' CP ' CP ,

(6.12)

(6.13)

(6.14)

(6.15)

(6.16)

(6.17)

(6.18) (6.19)

100% 100% 100% 100% где сб, су, ст, сл, см, cCa, cMg, cP - содержание в напитке соответственно белков, углеводов, триптофана, лизина, метионина, кальция, магния, фосфора; -содержание /-го вещества в напитке на основе только одного (/'-го) экстракта солода (таблица 6.4).

Т а б л и ц а 6.4 - Содержание компонентов в ПСЭ и ППЭ

c

Содержание питательных веществ, г в 100 г продукта ПСЭ и ППЭ

ППЭ-1 ППЭ-2 ПГрСЭ ПГСЭ

белки, сб 10,25 13,08 11,73 25,65

углеводы, су 80,0 72,5 79,1 54,4

триптофан, ст 0,06 0,22 0,11 0,16

лизин, сл 0,19 0,65 0,38 1,53

метионин, см 0,21 0,59 0,27 0,27

кальций, сСа 0,450 0,437 0,900 0,680

магний, сМ 0,160 0,437 0,270 0,190

фосфор, Ср 0,120 0,262 0,250 0,070

При комбинации экстрактов некоторые условия сбалансированности могут не выполняться, а некоторые - могут практически выполняться (что можно охарактеризовать допустимой величиной отклонения а). Поэтому при проектировании напитков будем ниже отдельно оговаривать невыполнение некоторых из соотношений. Невыполнение какого либо из трех соотношений означает, что напиток не сбалансирован по данному соотношению, однако сбалансирован по другим соотношениям.

Аналитически условия сбалансированности можно записать следующим образом (6.20 - 6.26):

< а;

< а;

Ст1 С м - 13

< а;

1/3

сл/С м -1 <а;

ССа |СMg 2

2

< а;

< а;

< а,

(6.20) (6.21)

(6.22)

(6.23)

(6.24)

(6.25)

(6.26)

где а - уровень допустимого отклонения от соотношения (задается для каждого соотношения отдельно на уровнях 0,05, 0,10, 0,20 и т.п.); вертикальные скобки |...| - абсолютная величина числа.

По математическому смыслу задачи, в процессе проектирования напитка необходимо так подобрать количество экстрактов для составления напитков (один, два, три или четыре), а также их процентный состав в комбинации (&ппЭь кппЭ2, ^ПГрсЭ, ^ПГсЭ), чтобы выполнялись все условия (6.206.26) с минимально возможными допустимыми отклонениями а.

Решение данной задачи будем проводить на основе систематических исследований, в три этапа. На первом этапе оценим соответствие условиям (6.20-6.26) содержания веществ в экстрактах. На втором и третьем этапах изучим соответственно двойные и тройные комбинации экстрактов и найдем диапазоны концентраций ^ППЭ1, &тЭ2, ^ПГрсЭ, &пгсЭ, в которых наиболее полно выполняются условия (6.20-6.26).

Для отдельных наименований ПСЭ и ППЭ были рассчитаны соотношения сбалансированности, а также отклонения 3 от соотношений сбалансированности с/с и выражены в процентах (таблица 6.5). Отклонения 3 рассчитывали по формуле:

5 =

Vс; У

и, (6.27)

где с/с| - анализируемое соотношение сбалансированности; й - целевая величина соотношения. По своему математическому смыслу величина отклонения 3 схожа с допустимой величиной отклонения а, однако 3 представляет собой фактическое отклонение, а а - критерий сбалансированности полезных веществ в напитке с предлагаемым составом.

Т а б л и ц а 6.5 - Отклонения содержания компонентов в экстрактах от соотношений

сбалансированности

Соотношение сбалансиро- Отклонение 5 от соотношения сбалансированности для отдельных ПСЭ и ППЭ, %

ванности ППЭ-1 ППЭ-2 ПГрСЭ ПГСЭ

сб / су = 1/4 -49 % -28 % -41 % 89 %

ст / сл = 1/3 -4 % 3 % -12 % -68 %

ст / См = 1/3 -13 % 13 % 23 % 80 %

Сл / см = 1 -10 % 10 % 41 % 467 %

сСа / сМа = 2 41 % -50 % 67 % 79 %

сса / ср = 2/3 460 % 149 % 437 % 1350 %

смк / ср = 1/3 304 % 405 % 227 % 723 %

В таблице затемнены ячейки, соответствующие выполнению соотношения с отклонением не более 30 % (приблизительно на треть от заданного соотношения). Наибольшее количество затемненных ячеек соответствует экстракту ППЭ-2. В ППЭ-2 удовлетворительно (с отклонением не более 30 %) сбалансированы белки и углеводы, триптофан, лизин и метионин. Не-

достаточно сбалансированы кальций и магний, а содержание фосфора существенно ниже необходимого. В ППЭ-1 хорошо сбалансированы незаменимые аминокислоты (отклонение не превышает 13 %), однако дисбаланс макро-нутриентов и макроэлементов более выражен.

Отклонения в таблице 6. 5 как положительные, так и отрицательные. Поэтому, комбинируя экстракты с разными знаками отклонений, можно добиться выполнения баланса по какому-либо соотношению, либо добиться наименьшего суммарного отклонения одновременно по всем соотношениям.

Для того, чтобы достичь баланса белков и углеводов, необходимо комбинировать ПГСЭ (положительное отклонение 3 = 89 %) с любым из экстрактов ППЭ-1, ППЭ-2, ПГрСЭ (которые имеют отрицательные отклонения -49 %, -28 %, 41 %), либо с их комбинациями. Для того, чтобы обеспечить баланс незаменимых аминокислот, в комбинацию экстрактов обязательно должен входить ППЭ-2, имеющий положительное отклонение (+3 %) от соотношения ст/сл, так как остальные экстракты имеют отрицательные отклонения. Кроме того, для баланса аминокислот необходимо участие ППЭ-1, который имеет отрицательные отклонения от соотношений ст/см, сл/см (-13 %, -10 %), для того, чтобы скомпенсировать положительные отклонения у остальных экстрактов. Использование ППЭ-2 позволяет добиться баланса по соотношению макроэлементов сСа/сМё, так как только данный экстракт имеет отрицательное отклонение -17 % среди положительных у остальных экстрактов.

Необходимо отметить, что во всех исследуемых экстрактах довольно велико содержание фосфора. Поэтому соотношения сса/ср и cмg/cр для экстрактов далеки от целевых значений (различия достигают 1350 %). При этом отклонения 3 для всех экстрактов являются положительными величинами, и не могут быть скомпенсированы комбинированием экстрактов. Поэтому в дальнейшем исключим из рассмотрения соотношения сСа/сР и см^ср, и будем судить о сбалансированности макроэлементов только по соотношению кальция и магния сСа/сМ^ Решение проблемы повышенного содержания фосфора необходимо искать не путем комбинации экстрактов, а, например, путем до-

бавления в напиток дополнительных ингредиентов с низким содержанием фосфора, но с высоким содержанием кальция и магния.

Для сравнения экстрактов между собой, вместо таблицы отклонений от целевых соотношений целесообразно использовать один обобщенный критерий отклонения от баланса 3об. Его можно ввести как среднее значение между отклонениями от трех заданных соотношений:

С. Г б/у + т/л/м\ + ^Са / г\ о\ 5 об =---. (0.28)

где 5б/у, 5т/л/м и 5Ca/Mg - отклонения от целевых соотношений макронутриен-тов, НАК и макроэлементов. Так как 5т/л/м, в свою очередь, необходимо искать в виде усреднения отклонений от трех бинарных соотношений (5т/л, 5т/м, 8л/м), формула для 5об преобразуется следующим образом:

|5б / + 1 т / л| + |5т / м| +|5 л / м |)+|5Са / Mg\

80б =-3----(6.29)

Обобщенное отклонение от сбалансированности 5об для различных экстрактов приведено в таблице 6.6.

Т а б л и ц а 6.6 - Обобщенное отклонение от сбалансированности для ПСЭ и ППЭ

Наименование экстракта Обобщенное отклонение от сбалансированности 5об, %

ППЭ-1 33 %

ППЭ-2 29 %

ПГрСЭ 44 %

ПГСЭ 124 %

Наиболее сбалансированным является экстракт ППЭ-2 (отклонение от сбалансированности 29 %); менее сбалансированными являются экстракты ППЭ-1 (5об = 33 %) и ПГрСЭ (5об = 44 %); наименее сбалансированным является экстракт ПГСЭ (5об = 86 %). Можно ожидать, что в результате комбинации двух или трех экстрактов можно добиться сбалансированности, лучшей, чем у ППЭ-2, то есть с 5об менее 18 %.

С учетом того, что исходными экстрактами являются четыре экстракта (ППЭ-1, ППЭ-2, ПГрСЭ, ПГСЭ), возможны шесть бинарных (двойных) комбинаций экстрактов:

1) ППЭ-1 + ППЭ-2; 2) ППЭ-1 + ПГрСЭ; 3) ППЭ-1 + ПГСЭ;

4) ППЭ-2 + ПГрСЭ; 5) ППЭ-2 + ПГСЭ; 6) ПГрСЭ + ПГСЭ.

Для изучения влияния состава бинарных композиций ПСЭ и ППЭ на медико-биологическую сбалансированность разработана компьютерная программа на языке Object Pascal в интегрированной среде программирования Borland Delphi 7 (приложение И).

На рисунке 6.11 представлены зависимости целевых соотношений от состава в бинарной комбинации ППЭ-1 + ППЭ-2.

Сб/Су 0,2 0,1 0,0

ст/сл ' 0,35 0,30 0,25

0,20 J-

ППЭ-1 20 40 60 80 ППЭ-2 ППЭ-1 20 40 60 80 ППЭ-2 % ППЭ-2 -> % ППЭ-2 ->

a б

ППЭ-1 20 40 60 80 ППЭ-2 ППЭ-1 20 40 60 80 ППЭ-2 % ППЭ-2 -> % ППЭ-2 ->

в г

cCa/cMg '

3 2 1

ППЭ-1 20 40 60 80 ППЭ-2 % ППЭ-2 ->

Рисунок 6.11 - Зависимость целевых соотношений от состава в бинарной комбинации ППЭ-1 + ППЭ-2

Рассмотрим влияние состава бинарной композиции ППЭ-1 + ППЭ-2 на целевые соотношения (рисунок 6.11). Соотношение белки/углеводы довольно далеко от необходимого (1/4) во всем диапазоне изменения составов (рисунок 6.11, а). Соотношение триптофан/лизин, наоборот, практически совпадает с заданным (1/3) во всем диапазоне изменения составов (рисунок 6.11, б). Соотношение триптофан/метионин близко к заданному (1/3) в диапазоне концентраций ППЭ-2 приблизительно от 20 до 40 % (рисунок 6.11, в). Соот-

0

д

ношение лизин/метионин близко к заданному (1,0) в диапазоне концентраций ППЭ-2 приблизительно от 18 до 35 % (рисунок 6.11, г). Соотношение кальций/магний близко к заданному (2,0) в диапазоне концентраций ППЭ-2 приблизительно от 18 до 30 %.

Таким образом, бинарная композиция ППЭ-1 + ППЭ-2 удовлетворительно сбалансирована по содержанию НАК и макроэлементов в диапазоне составов от 20 до 30 % ППЭ-2, и недостаточно сбалансирована по содержанию макронутриентов.

Оптимальный состав композиции ППЭ-1 + ППЭ-2 может быть определен по графику зависимости обобщенного отклонения Зоб от состава (рисунок 6. 12). Судя по положению минимума на графике, минимальное отклонение от сбалансированности наблюдается при составе комбинированного экстракта 76 % ППЭ-1 + 24 % ППЭ-2. При этом величина обобщенного отклонения составляет доб = 15,8 %, что почти вдвое меньше, чем для отдельных экстрактов ППЭ-1 (Зоб = 33 %) и ППЭ-2 (¿об = 29 %). Это означает, что комбинация ПСЭ и ППЭ позволяет существенно повысить их сбалансированность по сравнению с отдельными экстрактами.

Проанализируем другие комбинации экстрактов. По графикам зависимости доб от состава (рисунок 6.12), еще для двух комбинаций графики имеют минимумы, причем значение доб в минимумах снижается менее 30 %.

В комбинации ППЭ-2 + ПГрСЭ обобщенное отклонение 5об составляет 16,3 % для состава 47 % ППЭ-2 + 53 % ПГрСЭ (рисунок 6.12, г). В данном случае наблюдается хороший баланс кальция и магния (судя по компенсирующимся знакам соответствующих отклонений в таблице 6. 5) при незначительном дисбалансе макронутриентов и НАК.

В комбинации ППЭ-2 + ПГСЭ рекомендуемым составом является 73 % ППЭ-2 + 27 % ПГСЭ: обобщённое отклонение 0об составляет 25,5 % (рисунок 6.12, д). В данной комбинации экстрактов достигается удовлетворительный баланс как макронутриентов, так и макроэлементов, при приемлемом дисбалансе НАК.

30

20

ППЭ-1 20 40 60 80 ППЭ-2 ППЭ-1 20 40 60 80 пГрСЭ % ППЭ-2 -> % ПГрСЭ ->

а б

8, %

40 30 20 10 0

ППЭ-1 20 40 60 80 ПГСЭ ППЭ-2 20 40 60 80 ПГрСЭ % ПГСЭ -> % ПГрСЭ ->

в г

40 20 0

ППЭ-2 20 40 60 80 ПГСЭ ПГрСЭ 20 40 60 80 ПГСЭ % ПГСЭ -> % ПГСЭ ->

д е

Рисунок 6.12 - Зависимость критерия сбалансированности 8об от состава в анализируемых бинарных комбинациях экстрактов

Показано, что не целесообразно составлять такие комбинации экстрактов, как ППЭ-1 + ПГрСЭ, ППЭ-1 + ПГСЭ и ПГрСЭ + ПГСЭ, так как в результате комбинирования отклонение от идеального баланса не уменьшается, а увеличивается. Об этом можно судить по монотонному характеру зависимостей (возрастают во всем диапазоне концентраций) на рисунках 6.12 б, в, е.

По результатам проектирования бинарных композиций экстрактов можно рекомендовать следующие составы (таблица 6.7).

Т а б л и ц а 6.7 - Наиболее сбалансированные бинарные комбинации ПСЭ и ППЭ

8

8

Комбинация экстрактов Баланс макро-нутриентов Баланс НАК Баланс макроэлементов 8об, %

76 % ППЭ-1 + 24 % ППЭ-2 - + + + 15,8 %

47 % ППЭ-2 + 53 % ПГрСЭ - - + + 16,3 %

73 % ППЭ-2 + 27 % ПГСЭ + — + + 25,5 %

Примечание: знаками "плюс" и "минус" обозначены: хороший баланс (+ +); приемлемый баланс (+); слабый дисбаланс (-); сильный дисбаланс (—)

Тройные комбинации экстрактов могут улучшить сбалансированность по сравнению с бинарными комбинациями. Возможны четыре комбинации четырех наименований экстрактов: 1) ППЭ-1 + ППЭ-2 + ПГрСЭ; 2) ППЭ-1 + ППЭ-2 + ПГСЭ; 3) ППЭ-1 + ПГрСЭ + ПГСЭ; 4) ППЭ-2 + ПГрСЭ + ПГСЭ.

Сбалансированность каждой из перечисленных комбинаций задается соответствующей функцией трех переменных: 5об(£А, kB, kC), 5об(£А, kB, kD), 5об(£А, kC, kD), 5об^в, kC, kD), где kA, kB, kC и kD - процентный состав экстрактов ППЭ-1, ППЭ-2, ПГрСЭ и ПГСЭ в комбинации. Задача проектирования напитков, в трехкомпонентном случае, сводится к поиску таких областей факторных пространств (kA, kB, kC), (kA, kB, kD), (kA, kC, kD), (kB, kC, kD), в которых функция принимает наименьшие значения. С помощью разработанной ранее программы рассчитаны значения функции 5об для каждого из четырех факторных пространств в 21 базовой точке. Обработка данных и построение графиков произведено в программе MathCAD 2000 (приложение И). Графики полученных функций представлены на рисунке 6.13. Треугольник в основании трехмерной диаграммы представляет собой возможную область изменения состава; так, например, для комбинации ППЭ-1 + ППЭ-2 + ПГрСЭ суммарная концетрация двух компонентов ППЭ-1 и ППЭ-2 не может превышать 100 % (kA + kB < 100 %), поэтому все возможные точки концентраций находятся в пределах указанного треугольника. Заметим, что концентрация на декартовых осях отмечены концентрации только двух компонентов, концентрация третьего компонента является зависимой величиной, и для комбинации ABC определяется по формуле kC = 100 % - kA - kB.

Для удобства анализа трехмерные графики были перестроены с помощью линий уровня (рисунок 6.14). На полученных картах проектирования затемнены области, в которых функция 5об принимает наименьшие значения. В качестве границы области выбрали уровень 5об = 20 %. При этом области сбалансированного состава занимают значительную площадь факторного пространства, что гарантирует получение сбалансированного напитка даже

при некотором отклонении состава компонентов от оптимального, неизбежного в производственных условиях.

Анализируя расположение областей сбалансированного состава в факторных пространствах можно сделать следующие выводы. В тройной комбинации ППЭ-1 + ППЭ-2 + ПГрСЭ максимально сбалансированный напиток (5об менее 20 %) получается при концентрации ППЭ-1 от 0 до 60 %, ППЭ-2 от 40 до 60 % (концентрация ПГрСЭ определяется из условия ^ПГрсЭ = 100 % -кпт - £пт) (рисунок 6.14, а).

Рисунок 6.13 - Зависимость обобщенного отклонения от баланса 5об от состава тройной комбинации: а - ППЭ-1 + ППЭ-2 + ПГрСЭ; б - ППЭ-1 + ППЭ-2 + ПГСЭ; в -ППЭ-1 + ПГрСЭ + ПГСЭ; г - ППЭ-2 + ПГрСЭ + ПГСЭ

В комбинации ППЭ-1 + ППЭ-2 + ПГСЭ обобщенный дисбаланс не превышает 20 % при концентрациях ППЭ-1 и ППЭ-2 от 40 до 60 % (рисунок 6.14, б), при этом, из-за наклонного расположения благоприятной области, с увеличением концентрации ППЭ-1 оптимальная концентрация ППЭ-2 должна уменьшаться (например, 40 % ППЭ-1 + 60 % ППЭ-2 или 60 % ППЭ-1 + 40 % ППЭ-2). Так как благоприятная область расположена практически на

наклонной грани треугольника, концентрация компонента ПГСЭ должна быть минимальной (не более 5-10 %).