CC BY
27
УДК 637.521.2
Табл. 3. Ил. 2. Библ. 8.
ОПТИМИЗАЦИЯ ПИЩЕВОЙ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ МЯСНЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ В ПРОЦЕССЕ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ С ЦЕЛЬЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАСЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВЕННЫМИ ПРОДУКТАМИ ПИТАНИЯ
Беляева М.А., доктор техн. наук
Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова
OPTIMIZATION OF NUTRITIONAL AND BIOLOGICAL VALUE OF MEAT PRODUCTS DURING THERMAL PROCESSING WITH THE AIM OF PROVIDING THE POPULATION WITH QUALITY FOOD
Belyaeva M.A.
Plekhanov Russian University of Economics Ключевые слова:
пищевая ценность, биологическая ценность, тепломас-сообменные процессы, оптимизация, температурные режимы, мясные полуфабрикаты
Реферат
Развитие рыночных отношений и предпринимательской активности населения приводит к резкому увеличению в стране сетей мелких и средних предприятий общественного питания. Значительный удельный вес в технологии приготовления продуктов питания с использованием мясного сырья занимает тепловая обработка в различных греющих средах и условиях энергоподвода. Для этого широко используются пароконвектоматы, микроволновые печи с режимами СВЧ-нагрева, комбинированные с СВЧ- и ИК-обработкой, режимы «Гриль». В связи с этим становится актуальной и своевременной проблема разработки научно обоснованных рациональных режимов тепловой обработки мясных полуфабрикатов, соответствующего аппаратурного оформления, условий эксплуатации, резервов экономии электроэнергии, что обеспечит готовой продукции заданный стабильный уровень качества в питании населения. С этой целью разрабатывалась интегрированная система расчета тепломассообменных процессов и математических описаний биохимических изменений амино- жирных кислот, витаминов в объектах обработки. На основе разработанных обобщенных моделей решается задача оптимизации по критериям минимизации потерь биологической ценности мясных продуктов в процессе тепловой обработки.
Keywords:
food, biological value, heat and mass transfer processes, optimization, temperature regimes, meat semi-finished products
Summary
The development of market relations and business activity of the population leads to a sharp increase in the country networks of small and medium enterprises of public catering. A significant proportion of the technology of preparation of food using raw meat is a heat treatment of heating in different environments and conditions of the energy supply. For this widely used Combi ovens, microwave ovens modes with microwave heating combined with microwave and infrared processing modes «Grill». In this regard, it is relevant and timely problem of the development of science-based rational modes of thermal processing of meat products, the corresponding hardware design, operating conditions, reserves of energy saving, which ensure the finished products specified a stable quality level in the diet of the population. With this purpose we developed an integrated system of calculation of heat and mass transfer processes and mathematical descriptions of biochemical changes in amino fatty acids and vitamins in processing objects. Based on the developed generalized models to solve the optimization task according to the criteria of minimizing the loss of biological value of meat products during thermal processing.
2D16 | №5 ВСЕ О МЯСЕ
Введение
Развитие рыночных отношений и предпринимательской активности населения приводит к резкому увеличению в стране сетей мелких и средних предприятий общественного питания. Значительное место в технологии приготовления продуктов питания с использованием мясного сырья занимает тепловая обработка в различных греющих средах и условиях энергоподвода. Для этого используются паро-конвектоматы, микроволновые печи с СВЧ-нагревом, комбинированной СВЧ- и ИК-обработкой, режимы «Гриль».
Однако в сложившейся ситуации на предприятиях среднего и малого бизнеса зачастую применяется устаревшее оборудование различных фирм-производителей, в том числе кустарного производства, при этом режимы тепловой обработки далеки от рациональных, связанны с перерасходом электроэнергии и неудовлетворительным качеством готовой продукции.
В связи с этим возникает необходимость создания информационных технологий системного анализа динамики биохимического состояния мясных продуктов в процессах тепломассопереноса с выходом на оптимальные режимы, обеспечивающие максимальное сохранение пищевой и биологической ценности, разработки современных ресурсосберегающих технологий,и получения продукта заданного качества.
Материалы и методы
В работе был использован авторский программный комплекс компьютерной системы моделирования, оптимизации и управления качеством мясных полуфабрикатов в процессе тепловой обработки по параметрам пищевой и биологической ценности с учетом тепломассообменных процессов (официальные свидетельства регистрации программ для ЭВМ. № 2006613723 «Экспертная система моделирования и оптимизации или проектирование пищевой и биологической ценности мясных продуктов с учетом теплообмена», № 2006610624 «Программа расчета оптимальных технологических режимов инфракрасной тепловой обработки мясных изделий»).
Рассмотрим на примере ИК-обработки: процесс тепловой обработки мясных продуктов можно описать общепринятой системой дифференциальных уравнений тепломассопереноса в параметрической форме [3]:
ЭГ 8-Гп ди со
— = о- + —-.— +-
Эх с Эх р • с
где: Г — температура продукта, К; и — влагосодержание продукта, %; х — время нагрева, с;
о, агп — коэффициенты температуропроводности и влагопроница-емости;
с — удельная теплоемкость продукта, м2/с; Е — критерий фазового перехода «жидкость — пар», Дж/кг-К; гп — удельная теплота парообразования, Дж/кг; р — плотность вещества продукта, кг/м3;
со — мощность объемного, равномерно распределенного источника тепла, Вт;
6 — коэффициент термодиффузии, кг/К.
Система дифференциальных уравнений преобразуется конечно-разностным методом для решения в цилиндрических координатах.
Граничные условия на боковой и торцевой поверхностях цилиндра для симметричного нагрева, условия первого рода для одной четверти осевого сечения продукта цилиндрической формы: о Для боковой поверхности
т^^-мы)] (2)
где: Я — радиус боковой поверхности, м; а — коэффициент теплоотдачи, Вт/м2 К; X — коэффициент теплопроводности, Вт/м-с, х — время процесса, с; Г — температура среды, К; г — высота нагреваемого слоя продукта.
о Для торцевой поверхности продукта граничное условие первого рода имеет вид:
(з)
где: - высота продукта от центра симметрии (г = 0). г — радиус нагреваемого слоя продукта.
В центре цилиндра имеют место условия второго рода:
Эг(0,г,х) = 0. ЭГ(г,0,х) = 0
дж ' д Г
Аналогичным образом, при граничных условиях первого и второго рода определяются изменения влагосодержа-ния.
Математическое описание и подробный вывод представлен в работе [2].
По имеющимся экспериментальным данным, полученных автором, используя метод наименьших квадратов, разработали регрессионные уравнения по изменению массовых долей биологических компонентов мяса в зависимости оттемпературы, времени и условий нагрева в виде степенных полиномов, результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1. Математические описания изменения массовых долей аминокислот в зависимости от температуры в процессе инфракрасной обработки
Аминокислоты Математические описания
(1)
лизин тохц = 4.82-0.19
гистидин т°2,Ц = 2.62-0.098 Г ч
аргинин т0=:,у = 3.491-0.138 Т ч
аспарагиновая кислота т°4,у = 3.705-0.043 1 ч
треонин т0ЭД = 0.48-0.09 1 - 0.001 г2. ч ч
фенилаланин
* - определено для всего ряда аминокислот
таП1] = - 3.07-0.103 ^ + 0.001 ^
В таблице 2 приведены уравнения регрессии по изменению содержания массовых долей витаминов в кусковом полуфабрикате (мг%), в заданном диапазоне в зависимости от температуры и времени нагрева мясного продукта (/ — дискретный момент,] — слой продукта).
Таблица 2. Математические описания изменения массовых долей витаминов в зависимости от температуры и времени в процессе инфракрасной обработки кускового мяса
Витамины Математические описания
Тиамин (витамин В1) Рибофлавин (витамин В2) ma2jj = 0.515-0.00661 -0.003tf
"г/,;
= 0.791 - 0.00881 - 0.00002t2
и и
Холин
= 89 - 0.4531 + 0.00212
ij и и
* - определено для всего ряда витаминов;
* - регрессионные уравнения для жирных кислот разрабатываются аналогичным образом, как и для аминокислот, и витаминов.
Интегрируя математические описания изменения температуры, влажности, разработанные конечно-разностным методом, с регрессионными уравнениями (таблицы 1, 2) получаем математическую модель тепломассо-обменных процессов, описывающие температурные, влажностные поля и поля изменения массовых долей амино-жирных кислот и витаминов (рисунок 1).
На основе интегрированных моделей тепломассопере-носа решается задача оптимизации по критериям минимизации потерь пищевой биологической ценности [1, 2, 3]:
1. Критерий минимального отклонения от заданной структуры показателей моноструктуры амино- и жирных кислот и витаминов:
Pi (то) = £
j=1 J=1
5Ж
¡=1
5>,
i=1
ijxJ
- > min;
i = 1, 2
(5)
где: mo°, mokj — удельное содержание к-го моноструктурного компонента в /'-м элементе химического состава до и после ИК-обработки;
Ь°Ь — удельное содержание /'-so элемента химического состава (белка, жира) bj'-m рецептурном компоненте до и после ИК-обра-ботки;
о°, аы — удельное содержание k-го моноструктурного компонента в /'-м элементе химического состава до и после ИК-обработки.
Определяются критерии, в том числе и по минимизации потерь энергетической ценности, при ограничениях: о по массовым долям j-ro компонента рецептуры
х = qx [Т, t F, ...);j = 1, т; (6)
о по удельному содержанию i-ro элемента химического состава m
£ьЛ = Ф, (Т t с/, q,...);/=1,4; (7)
;=1
о по удельному содержанию к-го ингредиента в /-м элементе химического состава:
2 m
ХХпЬх о ! I.!. (./. q./< './п. (8)
/=1 /=1
о по интенсивности лучистого потока и расстоянию до излучателя:
Q < q < Q ;d <d<d ; (9)
m/n ^ max' m/n max' 4 '
о по температуре нагрева и времени процесса:
Рисунок 1. Изменения температуры, влажности и биологических компонентов на примере аминокислоты (треонин) во времени в процессе тепловой обработки мясных полуфабрикатов (бифштекс рубленый) при расчете конечно-разностным методом: о — изменение температуры греющей среды, на поверхности продукта, боковой части и в центре; б — изменение влажности на поверхности, боковой части и центре полуфабриката; в — изменение массовой доли аминокислоты (треонин) на поверхности, боковой части и в центре мясного полуфабриката)
Моделируя поля температуры и влажности внутри продукта в зависимости от параметров нагрева, варьируемых в заданных ограничениях (6) — (10), и, определяя по уравнениям регрессии величины изменения массовых долей компонентов биологической ценности в каждой точке, находим минимальные значения критерия (5) (для жирных кислот и витаминов, определяется аналогичным образом), и оптимальную температуру ИК-обработки мясного продукта.
Выбор наилучшей альтернативы осуществляется по критерию оценки качества продукта после его термообработки, выражаемый многомерной суммой взвешенных нормированных отклонений параметров состояния продукта от их значений до ИК-нагрева:
Q = Eo,
/=1
Дх„
(11)
t < t ^ t ■ Т < т < т
min тох' min тох
где: х° , х — значение параметра состояния_/'-го фактора /'-й группы до и после термообработки;
Ах. - допустимое отклонение параметра от желаемого значения;
201Б | №5 ВСЕ О МЯСЕ
Ь} — весовой коэффициент отклонения]-го фактора /'-й группы; а, — коэффициент значимости /-й группы факторов.
Результаты и обсуждение
Результаты расчетов на компьютерной системе приведены на экранных формах рисунка 1, 2. На рисунке 1 показаны изменения температурных и влажностных полей и полей аминокислот (на примере аминокислоты треонин), на рисунке 2 приведены критерии оптимизации, функционал качества и оптимальная температура.
В таблицу 3 сведены результаты расчетов и дан сравнительный анализ с другими способами тепловой обработки.
В результате оптимизации были рекомендованы режимы:
о для бифштекса: температуру в камере ИК-печи поддерживать 166 °С, температура в центре продукта 80 °С, время тепловой обработки 9 мин. функционал качества — 0.84.
о для бифштекса рубленого: двухстадийный двухсторонний ИК-нагрев, плотность лучистого потока на 1 — стадии 3,5 кВт/м2, 2 — стадии 7,8 кВт/м2; время обработки 12,8 мин., доведение температуры в центре продукта до 80 °С, при этом потери нутриентов — 0,04 % и функционал качества — 0,84. о для мясорастительных котлет с добавками ( ламинария, морковь, клюква, лук репчатый ): температуру в камере ИК-печи поддерживать 179-180 °С до доведения температуры в продукте 80 °С, время тепловой обработки 10 мин., потери нутриентов при этом составляет 0,004 %, функционал качества 0,96.
Рисунок 2. Результаты оптимизации температуры в процессе нагрева и потерь по биологической ценности (на примере бифштекса)
лептическим путем по пятибалльной шкале, содержание амино-жирных кислот, витаминов подтверждалось физико-химическими результатами. Ш
Как показала сравнительная таблица, при ИК-режи-ме 1, максимальный функционал качества, но при ! = 70 °С внутри продукта, продукт будет сырым, поэтому с орга-нолептических позиций был рекомендован ИК-режим 2. По оптимальным режимам, полученных расчетным путем на компьютерной системе, проводили испытания в ИК-печи [8], готовая продукция оценивалась органо-
© КОНТАКТЫ:
Беляева Марина Александровна а belyaevamar@mail.ru
Таблица 3. Сравнительный анализ потерь нутриентов, жирных кислот и витаминов при различных видах нагрева и режимах инфракрасной обработки бифштекса
Бифштекс
Наименование полуфабрикатов и режимы тепловой обработки потери нутриентов (расчетная формула (5)) потери жирных кислот (расчетная формула (5)) потери витаминов (расчетная формула (5)) функционал качества (расчетная формула (11))
Традиционный нагрев 0.08 1.34 0.32 0.78
Температура среды 166 °С в продукте — 70 °С, время тепловой обработки 8,26 мин. ИК-режим 1 0.03 0.45 0.09 0.87
Температура среды 166 °С в продукте 80 °С, 0.04 0.68 0.16 0.84
время тепловой обработки 9 мин. ИК-режим 2
Температура среды 166 °С в продукте 90 °С, время тепловой обработки 9.6 мин. ИК-режим 3
0.08
1.01
0.27
0.80
СВЧ-нагрев
0.07
0.09
0.22
0.79
Международный Центр стандартизации и сертификации «Халяль» Совета муфтиев России
Ф За время работы МЦСиС "Халяль" сертификацию прошли более 200 предприятий
♦ Более 20 компаний вывели свою продукцию на экспорт
Ф МЦСиС «Халяль» получил аккредитацию в Министерстве окружающей среды и водных ресурсов ОАЭ и является членом Всемирного Совета Халяль. Таким образом, сертификат, полученный в МЦСиС «Халяль» Совета Муфтиев России даёт возможность экспорта продукции российских производителей в страны мусульманского мира
129090 г. Москва, Выползов переулок, д.7, стр.2, оф. 305 тел.: +7 (495) 688-95-09, факс: +7 (499) 926-03-10, e-mail: halal.smr@gmail.com
Халяль - Вера, Разум, Безопасность
WWW.HALALCENTER.ORG
