CC BY
29
ТЕХНОЛОГИИ
Моделирование изменения амино-и жирно-кислотного состава и витаминов
в процессе инфракрасной тепловой обработки мясных изделий
БЕЛЯЕВА М.А., канд. техн. наук
Московский государственный университет прикладной биотехнологии
Разработка современных высокоэффективных электротехнологий - одна из важнейших народнохозяйственных задач, успешное решение которой может способствовать улучшению обеспечения населения высококачественными продуктами.
Многочисленные исследования показали, что основой формирования качества продукта является единый комплекс физических, физико-химических и биохимических процессов независимо от вида технологической обработки. Поэтому очевидно, что для получения наиболее эффективного результата при разработке новых технологий необходимо учитывать упомянутый комплекс процессов в их взаимосвязи, для чего требуются фундаментальные исследования.
Бурное развитие биотехнологии как науки, базирующейся на глубоком проникновении математических методов в описание технологических превращений, позволяет по-новому подойти к пониманию характера протекания традиционных процессов производства пищевых продуктов, а также научно обосновать возможность получения новых продуктов и применения нетрадиционных видов воздействия тепла.
Цель работы - моделирование изменения массовых долей аминокислот, жирных кислот и витаминов мясных изделий в процессе инфракрасной тепловой обработки.
Математическая модель изменения температуры по слоям мяса и по продолжительности была рассчитана на основании баланса теплоты, определяемого по формуле:
а о ,
= а о 1 + а о 2 + а о 3
После математических преобразований получается уравнение изменения температуры по слоям изделия и в дискретные моменты времени:
! ,. .,=[я ^ СИ + I ■
I ( 1 + 1) 1 м т
■ Р С т + т ■с
т я т
С ^ .....+ I,. ..) + т
* | (1-1) I 0+1) я
' И , 1 ] /
где а 0общ - энергия, сообщаемая облучаемому материалу, Дж;
а О 1 -тепло, затрачиваемое на нагрев материала Дж; а О 2 - тепло, затрачиваемое на испарение влаги, Дж; а О 3 - отдача тепла нагреваемым материалом в окружающее пространство, Дж.
Для ячеечной модели объект исследования - мясной полуфабрикат (например, бифштекс рубленый) - разделяли на элементарные объемы-ячейки или условно принятые слои (ячейку можно представить как куб, каждая грань которого составляет 5 мм), изменение температуры по высоте и по времени рассматриваем как функцию t = f (И, т), для условно принятых элементарных объемов или ячеек t | ( Л -1)= f (Д И, Д в дифференциальной форме:
а о/ а t = о + о
** Л ** ( Л - 1 ) I
где о - входящее в Л - ю ячейку количество тепла, Дж; I -дискретный момент времени, с; о( Л - 1 ) ! - выходящее из Л - той ячейки количество тепла, Дж.
/ (2-т ■ Р С т + т ■с СИ),
' * т я т ''
где t - температура, 0С;
д . - плотность лучистого теплового потока, Вт/м2; аИ - высота ячейки, мм; И - высота продукта, мм; Р - площадь поверхности, м2; Л - ячейка;
Л - 1 - предыдущая ячейка; Л + 1 - последующая ячейка; I - дискретный момент времени, с; X т -теплопроводность мяса, Вт/м2 ■ кг ■"С; с -теплоемкость мяса, Вт/кг-°С;
Изменения массовых долей аминокислот, жирных кислот и витаминов определяли математической обработкой методом наименьших квадратов результатов физико-химических анализов исходного образца и после инфракрасной обработки [11]. Были разработаны однофакторные регрессионные уравнения, в которых за переменную была принята температура.
Объединяя математические описания изменения температуры с регрессионными уравнениями по изменению массовых долей аминокислот, жирных кислот и витаминов, получаем обобщенную модель процесса тепловой обработки мясопродуктов:
t I ( Л + 1) =[д I ■ т + дх т ■ ат
И ] / (2 х ■ р а т + т ■ с аИ)
I , л л ' * т я т '
т1 =3,705-0,043 ■ t ,
т2 =0,48-0,09 ■ t , - 0,001 ■ ^ ,
т3 =2,205-0,066- t ! + 0,001- ^ !
т„ =0,037 + 0,01 ■ t !
т5 =0,101 + 0,004 ■ t !
т6 =7,843 - 0,144^ t ! + 0,002 ■ t2 !
т6 =1,974-0,107 ■ t ! + 0,01 ^ !
т7 =36,945 - 0,175 ■ t , +0,005^ ^ ,
т8 =26,706 - 0,874 ■ t I +0,01 ■ ^ ,'
тю =0,647-0,021 t I
т11 = 0,242 + 0,007 ■ t '
т12 =0,101 + 0,004 ■ t
т13 = -2,063+0,204 ■ t ^ - 0,005 ■ ^
т^ =5,05+0,238 ■ t - 0,006 ■ t2
14 ' ' I ' I
1 I ( Л - 1 ) I ( Л + 1 ) ' я
т - масса ячейки, кг.
я
с
т
ТЕХНОЛОГИИ
mi m.
m.
. =1,7 +0,037 ■ t i - 0,001 ■ t2 i ! =0,696 + 0,052^ t i + 0,001 ■ t2 i ! = -1,531+0,127 ■ t i -0,002 ■ t2 i ,
где т1...т3 - массовые доли аминокислот: аланин, ва-лин, изолейцин, %;
т4...т10 - массовые доли жирных кислот: нонено-вая, лауролеиновая, пальмитолеиновая, гептадеце-новая, олеиновая, линолевая, арахидоновая, %; т11... т17 - массовые доли витаминов: тиамина (витамин В1), пиридоксина, ниацина (витамин РР), пан-тотеновой кислоты, парааминобензойной кислоты, витамина А, %; (аналогичным образом, можно математически описать весь спектр аминокислот, насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, витаминов, которые содержатся в мясе).
Такой подход решает проблему проектирования пищевого продукта с заданной биологической ценностью-заданным аминокислотным, жирно-кислотным и витаминным составом с учетом теплопереноса и оптимизации управления качеством в процессе тепловой обработки.
Проектированием качества пищевых продуктов заданного состава занимались очень много ученых [1,2,5,8,9,10], однако в работах слабо освещено влияние теплообменных процессов на биологическую ценность биообъекта при тепловой обработке.
Вопросами оптимизации управления качеством пищевых продуктов в различных областях производств посвящен ряд работ [3,4,7,8,9], однако в них отсутствуют сведения о текущем состоянии системы, влиянии теплопереноса в процессе тепловой обработки на качественные показатели готового продукта и биологическую ценность.
Оптимизация управления процессом позволяет разработать критерии оптимизации по биологической ценности:
1. Критерий оптимизации по элементам пищевой цен-
ности (белок, жир, влага и т.д.) продукта
n f m m ^
P(z)=X Xbjxj -XVj
1=1 j=i j=i
^ min
Pi (A) = X
f m V
X akj j_
m
XbX
j=i
m
X аиьл
j=1
X bijXj
j=i
^ min 1 = 1,2
ного ингредиента в 1-м элементе химического состава до и после ИК - обработки. 3. Критерий минимального отклонения от заданной структуры витаминного состава, минеральных веществ, углеводов
Pi (V ) = X
X bkjXO
2
j=1
X xo j=1
-X
m2
XVj j=1_
m
Xm= xj j=1
^ min i = 1,2,3 ,
где Ь°к| , Ьк - удельное содержание к-го элемента химического состава в ¡-м рецептурном компоненте до и после ИК - обработки.
Уровень качества продукта 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:
xi - xi Ax(
где х: , х" - фактическое и прогнозируемое значение параметра;
Дх:- предельно допустимое отклонение от прогнозируемого.
С учетом весовых коэффициентов Ь 1-го параметра взвешенное значение функционала имеет вид:
ф(* )=1 -JX biz2
или с учетом группы показателей: биосырье - исходные показатели, технологические режимы, готовый продукт -показатели после инфракрасной обработки, отклонение которых за пределы допустимых однозначно исключают возможность использования продукта [9]:
(
O(z)=П (1 - z2) • 1-JX biz2
л
где Ь0у - удельное содержание 1-го элемента химического состава (белка, жира, влаги и т.д.) в ¡-м рецептурном компоненте до ИК - обработки;
х° - содержание 1-го элемента пищевой ценности до ИК - обработки;
Ь - удельное содержание 1-го элемента химического состава (белка, жира, влаги и т.д.) в ¡-м рецептурном компоненте после ИК - обработки; х - массовая доля ¡-го компонента рецептуры после ИК - обработки.
2. Критерий минимального отклонения от заданной структуры показателей биологической ценности, например моноструктуры незаменимых аминокислот и жирных кислот
При выходе за границы допуска любого параметра группы: биосырье, технологические режимы, готовый продукт, Zk функционал обращается в нуль. При нахождении показателей в норме значение критерия изменяется от 1 при полном совпадении измеряемых значений с эталонными или с исходным (лучшее качество) до 0 при достижении границы уровня качества (предельное значение). При отрицательных значениях функционала продукт не соответствует заданному уровню качества.
Значение функционала качества проектируемого продукта градуируется от 1 до 0 по шкале желательности соответственно от самого высокого до удовлетворительного уровня качества: 1,0 - 0,7 -очень хорошо; 0,7 - 0,3 - хорошо; 0,3 - 0,1 - удовлетворительно; 0,1 - 0,0 -плохо; так что очень плохому и неприемлемому качеству продукта соответствуют отрицательные значения функционала.
Система компьютерного проектирования мясных продуктов, функционирует в средах Windows 95/NT/98/ME/ 2000/ХР/2003. Интерфейсы написаны в Delphi, а основные процедуры - в Object Pascal.
о
2
12
ВСЕ О МЯСЕ, 2-2006
ТЕХНОЛОГИИ
При моделировании входными данными является плотность лучистого потока энергии инфракрасного излучения, которая варьировалась в различных пределах, «перебор» продолжается до тех пор пока не будет определен оптимальный режим, при котором аминокислотный, жирно-кислотный и витаминный состав по всей высоте продукта не будет приближен к максимальным значениям функционала качества.
Работа с пользователем организована в виде диалогового режима, запрашивается плотность теплового потока, вводится запрашиваемый параметр, затем после реализации программы «вывод» искомые результаты выводятся на печать: изменение температуры и массовых долей аминокислот, жирных кислот и витаминов по слоям или условно принятым ячейкам по высоте и по времени тепловой обработки.
Таким образом, полученные результаты можно представить как поля температур, аминокислот, жирных кислот и витаминов, распределение аминокислот, жиров и витаминов по высоте продукта, появляется новый термин градиент аминокислот, жирных кислот и витаминов.
Результаты моделирования обеспечивают эффективную оптимизацию технологических режимов, управление и прогнозирование качественных показателей. Разработанные на основе модели режимы инфракрасной тепловой обработки подтверждаются в реальных условиях, мясные продукты, подвергавшиеся разработанным технологическим регламентам имели высокие органолептические и физико-химические показатели.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бражников А.М., Рогов И.А. О возможности проектирования комбинированных мясных продуктов // «Мясная индустрия СССР» 1985. №5. С. 23-25.
2. Бражников А.М., Рогов И.А., Михайлов А.А., Сильченко М.Н. Возможные подходы к аналитическому проектированию комбинированных продуктов питания// «Известия ВУЗов. Пищевая технология» 1985. №3. С. 22-28.
3. Воробьев В.В. Обработка гидробионтов СВЧ - нагревом и управление качеством продукции // М. 2004. 356 с.
4. Дунченко Н.И., Афанасов Э.Э., Кононов Н.С.Купцов С.В. Разработка комплексной системы управления качеством процесса производства йогурта // Материалы четвертой Международной научно-технической конференции «Пища. Экология. Человек» // М.: МГУПБ. 2001. С. 271.
5. Жаринов А.И., Ивашкин Ю.А. Проектирование комбинированных продуктов питания // «Все о мясе» № 2,3. 2004.
6. Ивашкин Ю.А. Компьютерные технологии оптимальных решений в переработке биосырья // Доклады 3-й Международной научно-технической конференции «Пища. Экология. Человек». 1999. С. 99-105.
7. Ивашкин Ю.А., Косой В.Д. Моделирование и оптимизация управления качеством// «Мясная индустрия СССР». 1986. № 7.С. 43-46.
8. Ивашкин Ю.А., Юдина С.Б., Никитина М.А и др. Информационные технологии проектирования и оценки качества пищевых продуктов направленного действия // «Мясная индустрия». 2001. № 5.
9. Ивашкин Ю.А. Системный анализ и исследование операций в прикладной биотехнологии // М. МГУПБ. 200. 199 с.
10. Липатов Н.Н., Лисицын А.Б., Юдина С.В. Совершенствование методики проектирования биологической ценности пищевыхпродук-тов // «Мясная индустрия» 1996. № 1 С. 14.
11. Рогов И.А., Беляева М.А. Комплексное исследование пищевой ценности говяжьего мяса при ИК- и СВЧ- нагреве//«Мясная индустрия». 2005. № 1. С. 25-27.
