CC BY
80
УДК 519.248
Моделирование качества мясной продукции
А. Б. Лисицын, д-р техн. наук, профессор, академик РАН, М. А. Никитина, канд. техн. наук, А. Н. Захаров, канд. техн. наук, Е. Б. Сусь, канд. техн. наук, В. В. Насонова, канд. техн. наук Всероссийский научно-исследовательский институт мясной промышленности им. В. М. Горбатова
Одним из основных научных инструментов современной биотехнологии, позволяющий изучать поведение объекта с помощью его математического описания, является моделирование, в том числе моделирование технологий составления и прогнозирования функционально-технологических свойств (ФТС) пищевого продукта.
Мясо - специфический вид сырья, являющееся источником полноценного белка, оно многокомпонентно, многофункционально и биологически активно. По этой причине процесс управления качеством готовой продукции из мяса сопоставим с решением многофакторных задач с большим количеством переменных [1].
Говоря о мясе и мясной продукции, мы часто употребляем термин «качество». Качество пищевой продукции - это «совокупность характеристик пищевой продукции, соответствующих заявленным требованиям и включающих ее безопасность, потребительские свойства, энергетическую и пищевую ценность, аутентичность, способность удовлетворять потребности человека в пище при обычных условиях использования в целях обеспечения сохранения здоровья человека» [2-4].
Под понятием качества мяса подразумевают широкую совокупность свойств, характеризующих его пищевую и биологическую ценность, органолептические, структурно-механические, функционально-технологические, санитарно-
гигиенические и прочие признаки продукта, а также степень их выраженности.
Качество мясопродукта следует рассматривать как динамическое сочетание отдельных его свойств (рис. 1), образующих сложную иерархическую структуру, представляющую собой совокупность неравнозначных свойств.
По данным Федеральной службы государственной статистики (Рос-стат), ежегодный объем выработки мясной продукции составляет 5,6-5,7 млн т. При этом на долю эмульгированных мясопродуктов (вареные колбасы, сосиски, сардельки, мясные хлеба, кровяные изделия, ливерные колбасы и паштеты) приходится 43-44%.
Фарш эмульгированных мясных продуктов, а также готовые изделия -это комбинация дисперсных систем, структуру которых определяют мясные белки.
Неоднородность состава поступающего мясного сырья, его неудовлетворительные функционально-технологические характеристики приводят к снижению устойчивости получаемых эмульсий и, следовательно, к ухудшению качества продукта в целом. С целью сохранения необходимой гелеобразующей, эмульсионной, водо- и жиросвязы-вающей способности мясных систем широко используют соевые белковые препараты, которые близки по функциональным свойствам мышечным белкам [5].
Рис. 1. Схема комплексной оценки качества мясопродуктов
Наиболее сложная проблема при изготовлении фаршевых продуктов - сохранение стабильности эмульсии жир в воде. Технологически эту проблему можно решить путем подбора соответствующего эмульгатора, снижающего поверхностное натяжение диспергированных (измельченных) капель жира, за счет эффективного, как можно более равномерного и интенсивного механического измельчения, а также наиболее полного измельчения миофибриллярных и саркоплазмати-ческих белков мяса из миофибрилл и повышением их гидрофильности [6].
Экстрагируемость мышечных белков в жидкую фазу фарша определяется общим содержанием в нем мышечных белков, степенью измельчения мяса, концентрацией электролитов (ионной силой) в жидкой фазе и состоянием мышечных белков, которое можно направленно изменять в процессе изготовления фарша.
Поскольку при нагревании фарша защитная белковая мембрана, устойчивая в сыром фарше, вследствие коагуляции белков может разрушиться, для повышения эмульгирующей способности большое значение будет иметь повышение содержания в фарше белков, обладающих высокой эмульгирующей способностью и не коагулирующих под действием тепла [6]. Тем самым достигается более быстрое и надежное эмульгирование жира и расширяется область оптимального добавления воды без опасности вызвать ее критическое содержание. Кроме того, повышенное эмульгирование жира дает дополнительное улучшение консистенции продукта. Однако не во всех случаях в фарше может оказаться достаточное количество функциональных белков. Решить данную задачу позволяет применение белковых препаратов, за счет чего, с одной стороны, увеличивается масса фарша, а с другой - повышаются его технологические свойства: влагоудерживающая, эмульгирующая и структурообразующая способность.
Следует отметить, что моделирование качества готового продукта целесообразно осуществлять на стадии фаршесоставления. Оптимизация параметров мясного фарша с большой долей вероятности позволяет получить продукцию гарантированного качества.
В связи с обозначенной проблемой, целью данной работы явилось изучение степени влияния соевого изолированного белка на физико-химические и функционально-
технологические свойства фаршевой системы, а также разработка математической модели качества полученной продукции в зависимости от процента замены мясного сырья.
В соответствии с поставленной задачей в мясной фарш вносили от 5 до 40% гидратированно-го соевого изолированного белка взамен мясного сырья. Полученные комбинированные фарши оценивали по физико-химическим, функционально-технологическим показателям, в частности, определяли влаго- и жироудерживаю-щую способность (ВУС) и (ЖУС), а также рН фаршей в сравнении с контролем. Физико-химические и функционально-технологические свойства полученных фаршей с различным содержанием соевого изолированного белка определяли согласно стандартным методикам [7].
В результате проведенных функционально-технологических исследований были установлены зависимости ВУС, ЖУС, рН от количества внесенного гидратированного соевого изолированного белка.
Способность фарша связывать и удерживать воду, жир и устойчивость его при термической обработке изменяются в зависимости от морфологического состава и термического состояния сырья, рН, содержания белка, жира, влаги в фарше и их соотношения. Решающее влияние на функциональные свойства фарша оказывают содержание мышечной и соединительной ткани в рецептуре, а также содержание белка и жира в фарше.
Исследования показали, что с увеличением массовой доли замены мясного сырья гидратированным соевым белком рН фарша возрастает. Это влияет на гидрофильность белков мяса, следовательно, увеличивается влагоудерживающая и жи-роудерживающая способность модельной фаршевой системы.
На изменение водоудерживающей способности мяса в процессе его тепловой обработки влияют многие факторы: температура, до которой оно нагревается, длительность выдержки при ней, температура среды, способ тепловой обработки, скорость нагрева, величина рН обрабатываемого сырья, реологические характеристики, химический состав продукта, количество добавленной поваренной соли, воды, вид мяса, а именно анатомическое происхождение мышц, возраст животных и др.
Следует отметить, что большинство исследователей связывают снижение водосвязывающей способности и потери влаги в процессе нагрева мяса
только с изменением кон-формационной структуры белка. Белковая макромолекула в мясе всегда находится в окружении воды. Растворы неполярных веществ являются структурообразователя-ми по отношению к воде. Наличие неполярного углерода в ней способствует возникновению гидрофобного взаимодействия. На основании этого можно считать, что вода в значительной степени определяет конформацию макромолекул. Однако это свойство воды обусловлено непосредственно структурой, которая в свою очередь может изменяться под воздействием различных факторов, в частности температуры.
Исследования зависимости снижения содержания влаги от температуры и рН образца фарша показали, что отделение влаги начинается уже при 35 °С (рис. 2). Однако начиная с 45...50 °С, влага выделяется более интенсивно. Это объясняется изменением, с одной стороны, структуры воды при указанных температурах, с другой - конформацией белковой макромолекулы, которая обусловлена комплексом внутри- и межмолекулярных водородных связей и гидрофобных взаимодействий или денатурацией белка.
Поскольку нагрев сопровождается изменением формы связи воды (водородных связей и гидрофобных взаимодействий), действующие между протофибриллами вторичные силы Ван-дер-Ваальса стягивают молекулу белка в более компактную форму, т. е. происходит полимеризация дискретных белков и увеличивается их молекулярная масса. При этом с повышением температуры контакт воды с углеводородом приводит к энергетически менее выгодной замене взаимодействия «вода - вода» взаимодействием «углерод - вода», структура белка уплотняется, что вызывает значительное выделение влаги в виде бульона.
Увеличение рН идет до достижения определенного максимального значения, при котором наблюдается максимальная растворимость белков и соответственно максимальные ВУС и ЖУС фаршевой системы.
При дальнейшем увеличении процента замены мясного сырья ВУС и ЖУС снижаются, что подтверждается снижением рН. Данный процесс
Снижение содержания влаги, %
рН фарша
Рис. 2. Изменение содержания влаги от температуры образца и рН фарша
обусловлен тем, что содержащиеся в соевом белке кислоты начинают влиять на кислотность системы, а щелочных составляющих мясного фарша недостаточно для взаимодействия с ними. В связи с этим наблюдается снижение функционально-технологических свойств модельной фаршевой системы.
На графиках (рис. 3) показаны зависимости ВУС, ЖУС и рН от процента замены мясного сырья гидра-тированным соевым белком.
По экспериментальным данным были построены адекватные модели изменения ВУС, ЖУС и рН (парабола 3-го порядка) при замене мясного сырья соевыми белковыми препаратами. Графики некоторых моделей представлены на рис. 4 и 5.
В результате математической обработки исходных данных в компьютерной системе «Расчет нутриентной адекватности состава поликомпонентных мясных продуктов» (рег. номер 2015660124 от 22.09.2015 г.) были получены значения, представленные в табл. 1 и 2.
Полученные результаты показывают, что введение в рецептуру гидратированного соевого белка в значительных количествах взамен мясного сырья, улучшая содержание общего белка, оказывает существенное влияние на его аминокислотный состав, а следовательно, на уровень биологической ценности. Именно поэтому необходим контроль за качественными характеристиками белка.
Качество готовых продуктов находится в прямой зависимости от качества мясного фарша. Анализ экспериментальных данных по химическому
Рис. 4. Сопоставление экспериментальных и расчетных значений ВУС, y = -0,59х3-1,09х2 + 0,61x + 62,23
6,55
6,15
О 5% 10% 20% 30% 40%
Процент за мены мненого сырьн —*— , - зкепфнмрнтальныр значения * у - расчетные данные
Рис. 6. Сопоставление экспериментальных и расчетных значений рН, %: y = 26,18х3-20,77х2 + 4,61х + 6,21_
5% 10% 20% 30%
Процент замены мясного сырьн -у - экспериментальные значении • у - расчетные данные
Рис. 5. Сопоставление экспериментальных и расчетных значений ЖУС, у = -18,11х3 + 0,02х2 + 3,7х + 52,93
Таблица 1
Показатель Контроль (говядина 1 с.) Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4 Образец 5
Белок, % 18,6 18,43 18,27 17,93 17,60 17,27
Влага, % 66,4 67,29 68,18 69,97 71,75 73,53
Жир, % 14 13,31 12,61 11,23 9,84 8,45
Белок: вода 1:3,57 1:3,65 1:3,73 1:3,90 1:4,08 1:4,26
Триптофан 1,13 1,15 1,16 1,19 1,23 1,26
Оксипролин 1,56 1,5 1,43 1,29 1,15 1,01
Триптофан / оксипролин 1: 0,72 1:0,77 1:0,81 1:0,92 1:1,07 1:1,25
КРАС 13,03 12,07 12,38 14,81 17,34 19,96
Утилитарность 0,873 0,882 0,880 0,862 0,842 0,822
Сопоставимая избыточность 0,05 0,048 0,049 0,058 0,067 0,078
Биологическая ценность, % 86,97 87,93 87,63 85,19 82,66 80,04
Таблица 2
Показатель Контроль (говядина 2 с.) Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4 Образец 5
Белок, % 20 19,76 19,53 19,05 18,58 18,11
Влага, % 70,6 71,28 71,96 73,33 74,69 76,05
Жир, % 8,3 7,89 7,48 6,67 5,85 5,09
Белок: вода 1:3,53 1:3,61 1:3,68 1:3,85 1:4,01 1:4,20
Триптофан 1,14 1,15 1,17 1,20 1,23 1,26
Оксипролин 1,75 1,68 1,61 1,47 1,32 1,16
Триптофан / оксипролин 1:0,65 1:0,68 1:0,73 1:0,82 1:0,93 1:1,09
КРАС 11,34 11,67 12,01 12,71 13,45 14,74
Утилитарность 0,890 0,888 0,886 0,882 0,878 0,868
Сопоставимая избыточность 0,044 0,045 0,046 0,048 0,050 0,055
Биологическая ценность, % 88,66 88,33 87,99 87,29 86,55 85,26
составу и их математическая обработка позволили выявить зависимость, которая отражает тесноту и глубину связи между качеством и процентом замены мясного сырья растительными добавками.
Для гарантированного качества мясного
продукта важно учитывать не только физико-химические показатели, определяющие пищевую и биологическую ценность продукта, но и показатели, характеризующие устойчивость мясной системы, -функционально-технологические, структурно-механические и органо-лептические свойства. Это связано с тем, что отдельные компоненты рецептур обладают вполне опреде-
ленными индивидуальными и часто взаимоисключающими ФТС.
Модели ФТС могут быть как линейные, так и нелинейные, учитывающие взаимодействие компонентов (ингредиентов) поликомпонентных эмульгированных мясных продуктов:
• модель влагоудерживающей способности ао = ВУС)
,
; =1
где х - массовая доля компонента в мясном фарше;
W| - влагоудерживающая способность /'-го компонента (ингредиента) мясного фарша (или эмульгированного мясного продукта);
• модель жироудерживающей способности ао = ЖУС)
,
1=1
где L¡ - жироудерживающая способность 1-го компонента (ингредиента) мясного фарша (или эмульгированного мясного продукта);
• модель активной кислотности = РН)
исключает возможность использования продукта,
-рН,
Д*;
ф(:
M-jp
ткГ
*>-пН>
fo(PH)=-lg £х;10
U=1
где рН1 - активная кислотность 1-го компонента (ингредиента) мясного фарша (или эмульгированного мясного продукта).
Общая оценка уровня качества мясного фарша определяется совокупностью значений или отклонений определяющих факторов и их значимостью и сводится к аддитивным, мультипликативным и смешанным функционалам. При этом все измеряемые параметры приводятся к безразмерной шкале относительных величин
_ „О
При выходе за поле допуска любого параметра критической группы (содержание микроорганизмов, токсинов, примесей - химических, механических, продуктов химических реакций при технологической обработке и хранении) функционала обращается в ноль. При нахождении критических показателей в норме значение критерия изменяется от 1 при полном совпадении измеряемых значений с эталонными (лучшее качество) до 0 при достижении границы уровня качества (предельное значение). При отрицательных значениях функционала продукт (мясной фарш) не соответствует заданному уровню качества.
Для определения весовых коэффициентов и градуированной шкалы обобщенного функционала используется методика экспертных оценок или полного факторного эксперимента (ПФЭ) [8]. Значение функционала качества проектируемого продукта градуируется от 1 до 0 по шкале желательности соответственно от самого высокого до удовлетворительного уровня качества по уравнениям разделяющих поверхностей, получаемых в результате ПФЭ:
1,0-0,7 Очень хорошо
0,7-0,3 Хорошо
0,3-0,1 Удовлетворительно
0,1-0,0 Плохо
Так, очень плохому и неприемлемому качеству продукта соответствуют отрицательные значения функционала.
Таким образом, оперируя исходными данными, характеризующими состав и свойства сырья и ингредиентов, установив граничные условия и требуемые уровни отдельных показателей, используя систему компьютерного моделирования, мы можем спрогнозировать качество будущего продукта.
Комплексное решение проблемы требует учета всех факторов с оценкой адекватности по комплексу биологических, технологических и экономических критериев. Поэтому необходимо объединить накопленные данные в единую информационную базу знаний, отражающую всю априорно известную информацию о методах, моделях и алгоритмах моделирования поликомпонентных мясных продуктов.
Основу реляционной базы данных с индексно-последовательной структурой составляют физико-химические, функционально-технологические и структурно-механические характеристики сырья животного и растительного происхождения.
где х, х0 - фактическое и желаемое значение параметра; Дх| - предельно допустимое отклонение от желаемого.
С учетом всех весовых коэффициентов ш/ 1-го параметра
п
при £"7 = 'выражение функционала ¿=1
имеет вид
или с учетом группы критических показателей, отклонение которых за допустимые пределы однозначно
Рис. 10. Функциональная схема компьютерной системы
Открытая и постоянно пополняющаяся база данных и знаний становится основой для разработки структурно-параметрического описания, формализованной оценки и идентификации адекватности белоксодержащего эмульгированного мясного продукта.
Для решения поставленных задач специалистами ВНИИМП им. В. М. Горбатова разрабатывается компьютерная система оценки влияния новых компонентов в эмульгированных мясных продуктах и прогнозирования их качества, в которой заложены структурно-параметрические принципы, а также структурно-механические и функционально-технологические показатели исходного сырья. Функциональная структура данной системы представлена на рис. 10.
В результате проведенных исследований установлено влияние замены мясного сырья соевым изолированным белком на физико-химические и функционально-технологические показатели готового эмульгирован-
ного мясного продукта. Полученные математические зависимости по изменению ВУС, ЖУС и рН при замене мясного сырья соевыми белковыми препаратами будут использованы в банке моделей компьютерной системы. Системный подход к оценке качества будущего продукта с учетом потенциального влияния отдельных ингредиентов рецептуры на процессы структурообразования, формирования органолептических показателей и т. п. дает возможность получения мясопродуктов гарантированного качества при минимальных материальных и временных затратах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Жаринов, А. И. «Технологизмы» мясного производства/ А. И. Жаринов, М.П. Воякин // Мясная индустрия. -2013. - № 1. - С. 8-14.
2. Международные стандарты «Управление качеством продукции». ИСО 9000-9004, ИСО 8402. - М.: Изд-во стандартов, 1988.
3. Международный стандарт ИСО 9000:2005 (ГОСТ Р ИСО 9000:2005). Системы менеджмента качества. Основные положения и словарь.
4. Распоряжение правительства Российской Федерации № 1364-р от 29 июня 2016 г.
5. Жаринов, А. И. Основы современных технологий переработки мяса. Ч. 1. Эмульгированные и грубоизмельченные мясопродукты/А. И. Жаринов, О. Н. Кузнецова, Н. А. Черкашина. - М.: «Итар-ТАСС», 1994. - 295 с.
6. Граф, В. А. Технологические свойства белковых добавок при производстве фаршевых продуктов: Обзорная информация/В. А. Граф - М.: ЦНИИТЭИ-мясомолпром, 1981. - 25 с.
7. Антипова, Л. В. Методы исследования мяса и мясных продуктов/Л. В. Антипова, И. А. Глотова, И. А. Рогов. - М.: Колос, 2001. - 376 с.
8. Ивашкин, Ю. А. Системный анализ и исследование операций в прикладной биотехнологии/ Ю. А. Ивашкин - М.: МГУПБ, 2005. - 197 с.
Моделирование качества мясной продукции Ключевые слова
качество; компьютерные технологии; мясной фарш; прогнозирование; соевый изолированный белок
Реферат
Применение моделирования, в том числе моделирование технологий составления и прогнозирования функционально-технологических свойств (ФТС) пищевого продукта, позволяет изучать поведение объекта с помощью его математического описания. Цель работы: изучение степени влияния соевого белкового препарата на физико-химические и функционально-технологические свойства фаршевой системы и разработка математической модели качества полученной продукции в зависимости от процента замены мясного сырья. Работы выполняли в лабораториях ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт мясной промышленности имени В. М. Горбатова». В мясной фарш вносили от 5 до 40% соевого белкового препарата взамен мясной части. Полученные комбинированные фарши оценивали по физико-химическим, функционально-технологическим показателям, в частности, определяли ВУС, ЖУС, рН фаршей в сравнении с контролем по стандартным методикам исследования мяса и мясопродуктов. По экспериментальным данным были построены адекватные модели по изменению ВУС, ЖУС и рН (парабола 3-го порядка) при замене мясного сырья соевыми белковыми препаратами. Эксперимент показал, что возможна замена 10% мясного сырья соевым белковым препаратом с сохранением удовлетворительных физико-химических и функционально-технологических показателей. Предложена функциональная структура компьютерной системы оценки влияния новых компонентов в эмульгированных мясных продуктах и прогнозирования их качества, в которой заложены структурно-параметрические принципы, а также структурно-механические и функционально-технологические показатели исходного сырья. Оперируя исходными данными, характеризующими состав и свойства сырья и ингредиентов, устанавливая граничные условия и требуемые уровни отдельных показателей, при использовании системы компьютерного моделирования можно прогнозирование качества будущего продукта.
Авторы
Лисицын Андрей Борисович, д-р техн. наук, профессор, академик РАН, Никитина Марина Александровна, канд. техн. наук, Захаров Александр Николаевич, канд. техн. наук, Сусь Егор Борисович, канд. техн. наук, Насонова Виктория Викторовна, канд. техн. наук, Всероссийский научно-исследовательский институт мясной промышленности им. В. М. Горбатова, 109316, г. Москва, ул. Талалихина, д. 26, ¡nfo@cniimp.ru
Modeling of Meat Product Quality Key words
quality; computer technologies; forecasting; minced meat; soy protein isolate
Abstracts
The use of modeling makes it possible to study the behavior of an object using its mathematical description including modeling technologies of formulation and forecasting of functional-technological properties (FTP) of a food product. The aim of this work was to study the degree of an impact of a soy protein preparation on the physico-chemical and functional-technological properties of a minced meat system and develop a mathematical model of the finished product quality depending on the percentage of meat raw material replacement. The work was carried out in the laboratories of FGBNU «The V. M. Gorbatov All-Russian Meat Research Institute». The soy protein preparation was added in amounts of 5 to 40% into minced meat instead of the meat component. The obtained combined minced meat was assessed by the physico-chemical and functional-technological indicators including WBC, FBC, pH of minced meat compared to the control using the standard methods of meat and meat product analysis. Based on the experimental data, the authors created the adequate models by changes in WBC, FBC, pH (a third-order parabola) upon replacement of meat raw material with the soy protein preparations. It is suggested that the 10% replacement of meat raw material with the soy protein preparation is possible with maintenance of the satisfactory physico-chemical and functional-technological indicators. We proposed the functional structure of the computer system for assessing an effect of new components in emulsified meat products and forecasting their quality, which contains the structural parametric principles and the structural-mechanical and functional-technological indicators of the initial raw material. It seems possible to predict the quality of a finished product by using the initial data that characterize the composition and properties of raw material and ingredients, establishing the boundary conditions and required levels of the individual indicators and using the system of computer modeling.
Authors
Lisitsin Andrey Borisovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Academician of the RAS, Nikitina Marina Aleksandrovna, Candidate of Technical Sciences, Zakharov, Aleksandr Nikolayevich, Candidate of Technical Sciences, Sus' Egor Borisovich, Candidate of Technical Sciences, Nasonova Victoria Viktorovna, Candidate of Technical Sciences,
All-Russian research Institute of meat industry named after V. M. Gorbatov, 109316, Moscow, Talalihina str., 26
