CC BY
28
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАПИТКИ для ОПТИМАЛЬНОГО ПИТАНИЯ
ТЕМА НОМЕРА
УДК 663.885
Разработка методики проектирования безалкогольных напитков с учетом сбалансированности состава
И. В. Новикова,
д-р техн. наук, доцент;
Г.В. Агафонов,
д-р техн. наук, профессор;
ЕА. Коротких,
канд. техн. наук;
А. В. Коростелев,
канд. техн. наук;
П.В. Рукавицын,
аспирант;
С. В. Новиков,
студент
Воронежский
государственный университет инженерных технологий
В настоящее время во всем мире наблюдается очередной этап повышенного интереса к изучению новык подходов в решении проблемы конкурентоспособности пищевой продукции. Большое внимание уделяется импортозамещению; улучшению качества и расширению ассортимента напитков с выпуском новых наименований за счет привлечения альтернативных видов растительного сырья; внедрению интенсивных наукоемких технологий. Разработка рецептур напитков предусматривает выполнение основныгх этапов: обеспечение функциональности, то есть наличие свойств, обеспечивающих полезные качества продукта, а также создание стабильного на протяжении всего срока годности привлекательного ор-ганолептического профиля напитка, включающего вкус и аромат. Возможен ряд осложнений при реализации второй задачи — как правило, введение в рецептуру напитка функцио-нальныгх ингредиентов в количествах, обеспечивающих заданные полезные свойства, оказыгвает влияние либо на дегустационную оценку напитка, либо на его стабильность при хранении.
Одной из групп продуктов на основе солодов и экстрактов стали напитки с применением натураль-ныгх ингредиентов природного происхождения, представляющие собой продукты биодеградации раститель-ныгх компонентов без использования синтетических вкусо-ароматических добавок [1]. В эту группу входят безалкогольные напитки массового назначения — квасы и многокомпонентные сухие концентраты напитков на основе порошкообразный соло-
довых и полисолодовых экстрактов с заявленными и подтвержденными функциональными свойствами, в том числе применяемые в различных рационах питания [2, 3].
В работе была поставлена цель — разработать рецептуры напитков на основе порошкообразных солодовых и полисолодовых экстрактов со сбалансированными медико-биологическими характеристиками на основе математического метода проектирования.
Солодовые и полисолодовые экстракты были приготовлены из свеже-проросших солодов: ППЭ-1 — гречихи, кукурузы, ячменя; ППЭ-2 — гречихи, гороха, ячменя; ПГрСЭ — гречихи; ПГСЭ — гороха [1].
При изготовлении напитков на основе экстрактов солода комбинировали различные виды экстрактов, от процентного содержания того или иного экстракта солода зависят медико-биологические характеристики готового напитка. Проектирование напитков заключалось в подборе такой комбинации экстрактов, при которой медико-биологические характеристики итогового напитка были наилучшими.
При проектировании напитков учитывали следующие критерии: сбалансированность состава (по пищевой ценности, содержанию макро-и микроэлементов, содержанию незаменимый аминокислот); содержание, не менее заданного значения для обеспечения функциональных свойств, определенный ингредиентов (витаминов, макро- и микроэлементов) с учетом медико-биологических требований [4].
26 ПИВО и НАПИТКИ 2•2018
0,20,1 -f 0
ППЭ-1 20 40 60 80 ППЭ-2 % ППЭ-2 ^ а
с/с ■
ППЭ-1 20 40 60 80 ППЭ-2 % ППЭ-2 ^ е
0,35 0,3 0,25 0,2
ППЭ-1 20 40 60 80 ППЭ-2 % ППЭ-2 ^ б
с, /с,-1,1 1 0,9 0,8
ППЭ-1 20 40 60 80 ППЭ-2 % ППЭ-2 ^ г
ППЭ-1 20 40 60 80 ППЭ-2 % ППЭ-2 ^ д
30-* 2010-
ППЭ-1 20 40 60 80 ППЭ-2 % ППЭ-2 ^ а
806040-, 20-
ППЭ-1 20 40 60 80 ПГСЭ % ПГСЭ ^ е
604020-
ППЭ-2 20 40 60 % ПГСЭ ^ д
80 ПГСЭ
ППЭ-1 20 40 60 80 ПГрСЭ % ПГрСЭ ^ б
«о„ %-
4030-, 20100--
ППЭ-2 20 40 60 80 ПГрСЭ % ПГрСЭ ^ г
8„ %-
ПГрСЭ 20 40 60 80 ПГСЭ % ПГСЭ ^ е
ä Ш
I
0
1
<
I ш I-
сб /су
с,/с,
Рис. 1. Зависимость целевых соотношений от состава в бинарной комбинации ППЭ-1 + ППЭ-2
Рис. 2. Зависимость критерия сбалансированности 8о6
от состава в анализируемых бинарных комбинациях экстрактов
В качестве условий сбалансированности напитков учитывали три важнейших, с нашей точки зрения, условия, выбранных на основе литературных данных и экспертных оценок [4]:
• сбалансированность макронутри-ентов напитка — отношение белки: углеводы (1 : 4);
• сбалансированность по незаменимым аминокислотам (НАК) — соотношение триптофан: лизин: метионин (1 : 3 : 3);
• сбалансированность макроэлементов — соотношение кальций: магний: фосфор (1 : 0,5 : 1,5). Управление в процессе проектирования напитков, взаимосвязь управляющих параметров и критериев качества напитка, условия сбалансированности, расчет соотношения сбалансированности, а также отклонения 8 , от соотношений сбаланси-
об
рованности, математический аппарат для проектирования сбалансированных напитков на основе экстрактов солодов представлены в работе [4]. Решение данной задачи проводили на основе систематических исследований, в три этапа. На первом этапе оценивали соответствие условиям сбалансированности содержания веществ в экстрактах.
В настоящем исследовании продолжили рассматривать результаты по второму и третьему этапам:
изучили, соответственно, двойные и тройные комбинации экстрактов и вычислили диапазоны концентраЦий ^ПЭР ^игрс^ ^ПТС^ в кот°рых
наиболее полно выполняются условия сбалансированности.
Ранее выяснили, что наиболее сбалансирован экстракт ППЭ-2 (отклонение от сбалансированности 29%); менее сбалансированы экстракты ППЭ-1 (8о6 = 33%) и ПГрСЭ (8о6 = 44%); наименее сбалансирован экстракт ПГСЭ (8о6 = 86%) [4]. Можно ожидать, что в результате комбинации двух или трех экстрактов можно добиться сбалансированности, лучшей, чем у ППЭ-2, то есть с 8 менее 18%.
об
С учетом того, что исходными были четыре экстракта (ППЭ-1, ППЭ-2, ПГрСЭ, ПГСЭ), возможны шесть бинарных комбинаций экстрактов: ППЭ-1 + ППЭ-2; ППЭ-1 + ПГрСЭ; ППЭ-1 + ПГСЭ; ППЭ-2 + ПГрСЭ; ППЭ-2 + ПГСЭ; 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 [5].
На рис. 1 представлены зависимости целевых соотношений от состава в бинарной комбинации ППЭ-1 + ППЭ-2.
Рассмотрим влияние состава бинарной композиции ППЭ-1 + ППЭ-2 на целевые соотношения. Соотношение белки: углеводы довольно далеко от необходимого (1 : 4) во всем диапазоне изменения составов (рис. 1, а). Соотношение триптофан: лизин, наоборот, практически совпадает с заданным (1: 3) во всем диапазоне изменения составов (рис. 1, б). Соотношение триптофан: метионин близко к заданному (1: 3) в диапазоне концентраций ППЭ-2 приблизительно от 20 до 40% (рис. 1, в). Соотношение лизин: метионин близко к заданному (1,0) в диапазоне концентраций ППЭ-2 приблизительно от 18 до 35% (рис. 1, 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 8о6 от состава (рис. 2). Судя по положению минимума на графике, минимальное отклонение от сбалансированности
2•2018 ПИВО и НАПИТКИ 27
наблюдается при составе комбинированного экстракта 76% ППЭ-1 + 24% ППЭ-2. При этом величина обобщенного отклонения составляет 8о6 = 15,8%, что почти вдвое меньше, чем для отдельных экстрактов ППЭ-1 (8о6 = 33%) и ППЭ-2 (8о6 = 29%). Это означает, что комбинация ПСЭ и ППЭ позволяет существенно повысить их сбалансированность по сравнению с отдельными экстрактами.
Проанализировали другие комбинации экстрактов. По графикам зависимости 8о6 от состава (рис. 2) еще для двух комбинаций графики имеют минимумы, причем зна-
чение 8о6 в минимумах снижается менее 30%.
В комбинации ППЭ-2 + ПГрСЭ обобщенное отклонение 8об составляет 16,3% для состава 47% ППЭ-2 + 53% ПГрСЭ (рис. 2, г). В данном случае наблюдается хороший баланс кальция и магния (судя по компенсирующимся знакам соответствующих отклонений в таблице «Отклонения содержания компонентов в экстрактах от соотношений сбалансированности» при незначительном дисбалансе макронутриентов и НАК) [4].
В комбинации ППЭ-2 + ПГСЭ рекомендуемый состав — 73% ППЭ-2
Комбинация экстрактов Баланс 8об- *
макронутриентов НАК макроэлементов
76% ППЭ-1 + 24% ППЭ-2 - + + + 15,8
47°% ППЭ-2 + 53% ПГрСЭ - - + + 16,3
73% ППЭ-2 + 27% ПГСЭ + - - + + 25,5
Примечание:«+ +» - хороший баланс;«+» - приемлемый баланс;«-» «—» - сильный дисбаланс - слабый дисбаланс;
ППЭ-2, %
ППЭ-1, %
ППЭ-2, %
20 0-0
ППЭ-1, %
ПГрСЭ, %
ППЭ-1, %
ПГрСЭ, %
ППЭ-2, %
Рис. 3. Зависимость обобщенного отклонения от баланса §об 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
+ 27% ПГСЭ: обобщенное отклонение 8об составляет 25,5% (рис. 2, д). В данной комбинации экстрактов достигается удовлетворительный баланс как макронутриентов, так и макроэлементов, при приемлемом дисбалансе НАК.
Можно сделать вывод о том, 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 рис. 2 б, в, е.
По результатам проектирования бинарных композиций экстрактов можно рекомендовать следующие наиболее сбалансированные составы (см. таблицу).
Тройные комбинации экстрактов могут улучшить сбалансированность по сравнению с бинарными комбинациями. Возможны четыре комбинации четырех наименований экстрактов: ППЭ-1 + ППЭ-2 + ПГрСЭ; ППЭ-1 + ППЭ-2 + ПГСЭ; ППЭ-1 + ПГрСЭ + ПГСЭ; ППЭ-2 + ПГрСЭ + ПГСЭ.
Сбалансированность каждой из перечисленных комбинаций задается соответствующей функцией трех переменных: 8о6 (кА, кв, кс),
об (kA, 8об "■с ко), об (кв , кс, ко),
где кА, кв, кс и кв — 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 (кА, кв, кс), (кА, кв, кв), (кА, кс, кв), (кв, кс, ко), в которых функция принимает наименьшие значения. С помощью разработанной ранее программы рассчитаны значения функции 8об для каждого из четырех факторных пространств в 21 базовой точке. Обработка данных и построение графиков проведены в программе MathCAD 2000 [5].
Графики полученных функций представлены на рис. 3. Треугольник в основании трехмерной диаграммы представляет собой возможную область изменения состава; так например, для комбинации ППЭ-1 + ППЭ-2 + ПГрСЭ суммарная концентрация двух компонентов ППЭ-1 и ППЭ-2 не может превышать 100% (кА + кв < 100%), поэтому
б
а
в
г
28 ПИВО и НАПИТКИ
2•2018
все возможные точки концентраций находятся в пределах указанного треугольника. Заметим, что на декартовых осях отмечены концентрации только двух компонентов, концентрация третьего компонента — зависимая величина, и для комбинации ABC определяется по формуле kC = 100% - kA - kB.
Для удобства анализа трехмерные графики были перестроены с помощью линий уровня (рис. 4). На полученных картах проектирования затемнены области, в которых функция 8о6 принимает наименьшие значения. В качестве границы области выбрали уровень 8о6 = 20%. При этом области сбалансированного состава занимают значительную площадь факторного пространства, что гарантирует получение сбалансированного напитка даже при некотором отклонении состава компонентов от оптимального, неизбежном 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 (8о6 менее 20%) получается при концентрации ППЭ-1 от 0 до 60 %, ППЭ-2 от 40 до 60 % (концентрация ПГрСЭ определяется
из условия кПГрСЭ = 100% - кПП1 - кПП2) (рис. 4, а).
В комбинации ППЭ-1 + ППЭ-2 + ПГСЭ обобщенный дисбаланс не превышает 20 % при концентрациях ППЭ-1 и ППЭ-2 от 40 до 60 % (рис. 4, 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 %).
По зависимости на карте проектирования в комбинации ППЭ-1 + ПГрСЭ + ПГСЭ невозможно достигнуть дисбаланса менее 30 %, поэтому область низкого дисбаланса не выделена (рис. 4, в). В тройной комбинации ППЭ-2 + ПГрСЭ + ПГСЭ концентрация ППЭ-2 долж-
0 20 40 60 80 % ППЭ-1 8об (% ППЭ-1, % ППЭ-2), % а
%
ПГрСЭ 80
60
40
20
0 20 40 60 80 % ППЭ-1 8об (% ППЭ-1, % ПГрСЭ), % в
0 20 40 60 80 % ППЭ-1 8об (% ППЭ-1, % ППЭ-2), % б
%
ПГрСЭ 80
60
40
20
0 20 40 60 80 % ППЭ-2 8об (% ППЭ-2, % ПГрСЭ), % г
£ Ш
I
0
1
<
I ш I-
0
0
Рис. 4. Карты проектирования тройных напитков на основе экстракта солода: а - ППЭ-1 + ППЭ-2 + ПГрСЭ; б - ППЭ-1 + ППЭ-2 + ПГСЭ; в - ППЭ-1 + ПГрСЭ + ПГСЭ; г - ППЭ-2 + ПГрСЭ + ПГСЭ. Затемнена область наиболее сбалансированного состава
на составлять от 50 до 70%, соответственно, концентрация ПГрСЭ должна составлять от 50 до 20 % (с увеличением концентрации ППЭ-2 концентрация ПГрСЭ должна уменьшаться). При этом концентрация третьего компонента ПГСЭ не должна превышать 10%.
Таким образом, в тройных комбинациях исходных экстрактов удается достигнуть высокой сбалансированности в довольно широких концентрациях компонентов. Построенные карты проектирования рекомендуются к применению при реализации технологии напитков для экспрессной оценки сбалансированности напитков.
С помощью разработанной программы проведен поиск оптимальной четырехкомпонентной комбинации исходных экстрактов [5]. Для этого методом случайного перебора анализировали 1 млрд случайных составов (концентрацию исходного экстракта задавали с помощью генератора случайных чисел). Для каждого варианта составов рассчитывали критерий 8о6 состава,
соответствующего минимальному критерию.
В итоге была найдена наилучшая комбинация экстрактов для составления порошкообразных смесей безалкогольных напитков, которая обеспечивает наименьшее из возможных среднее отклонение от баланса необходимых ингредиентов: 69,8% ППЭ-1 + 25,0 % ППЭ-2 + 5,2% ПГрСЭ при котором 8о6 = 15,0 %. Оптимальный состав оказался близок к рекомендованному ранее, 76% ППЭ-1 + 24 % ППЭ-2, однако за счет добавления 5 % ПГрСЭ дополнительно улучшается баланс макроэлементов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Агафонов, Г. В. Биотехнология порошкообразных солодовых экстрактов на основе нетрадиционного сырья и проектирование напитков с функциональными свойствами / Г. В. Агафонов, Е. А. Коротких, И. В. Новикова. — Воронеж: 2014. — 128 с.
2. Коротких, Е. А. Способ получения полисолодового экстракта / Е. А. Корот-
2•2018 ПИВО и НАПИТКИ 29
£ Ш
I
0
1
<
I ш I-
ких, А. Е. Чусова, И. В. Новикова [и др.] 4. Новикова, И. В. Оценка сбалансиро-
// Пиво и напитки. — 2014. — № 1. — С. 8-10.
3. Коротких, Е. А. Квас специального назначения / Е. А. Коротких, И. В. Новикова, Г. В. Агафонов [и др.] // Вестник ВГУИТ. — 2013. — № 2. — С. 134-139.
ванности солодовых экстрактов при проектировании напитков с заданными медико-биологическими свойствами / И. В. Новикова, Г. В. Агафонов, Е. А. Коротких [и др.] // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2014. — № 12. — С. 28-32.
5. Программа для ЭВМ 2014616882 РФ. Программа для проектирования функциональных напитков на основе экстрактов солода / Новикова И. В., Агафонов Г. В., Коротких Е. А. [и др.]. — № 2015619733; заявл. 14.06.2015; опубл. 11.09.2015. <®
Разработка методики проектирования безалкогольных напитков с учетом сбалансированности состава
Ключевые слова
медико-биологические показатели; проектирование напитков; сбалансированность; солодовые экстракты; функциональные напитки.
Реферат
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, - актуальное направление развития и совершенствования технологий пищевой промышленности. Проектирование напитков с функциональными свойствами было реализовано с помощью формализованного математического описания, отражающего в аналитическом виде множества функциональных связей между ингредиентами рецептур, конечными характеристиками готовых изделий и рядом ограничений, вытекающих из требований нормативной документации. В исследовании продолжили рассматривать результаты проектирования рецептур безалкогольных напитков: изучили соответственно двойные и тройные комбинации порошкообразных ингредиентов - солодовых экстрактов гречихи, кукурузы, ячменя ППЭ-1; гречихи, гороха, ячменя ППЭ-2; гречихи ПГрСЭ; гороха ПГСЭ и вычислили диапазоны концентраций кППЭ1, кППЭ2, кПГрСЭ, кПГСЭ, в которых наиболее полно выполняются условия сбалансированности. В комбинации ППЭ-2 + ПГСЭ рекомендован состав - 73% ППЭ-2 + 27% ПГСЭ: обобщенное отклонение 8об составляет 25,5%. В данной комбинации экстрактов достигается удовлетворительный баланс как макронутриентов, так и макроэлементов, при приемлемом дисбалансе незаменимых аминокислот. Предложена оптимальная комбинация экстрактов для составления порошкообразных смесей безалкогольных напитков, обеспечивающая наименьшее из возможных среднее отклонение от баланса необходимых ингредиентов: 69,8% ППЭ-1 + 25,0% ППЭ-2 + 5,2% ПГрСЭ, при котором 8об = 15,0%. Оптимальный состав оказался близок к рекомендованному ранее 76% ППЭ-1 + 24% ППЭ-2, однако за счет добавления 5% ПГрСЭ дополнительно улучшается баланс макроэлементов.
Авторы
Новикова Инна Владимировна, д-р техн. наук, доцент; Агафонов Геннадий Вячеславович, д-р техн. наук, профессор; Коротких Елена Анатольевна, канд. техн. наук; Коростелев Алексей Васильевич, канд. техн. наук; Рукавицын Павел Владимирович, аспирант; Новиков Сергей Владиславович, студент
Воронежский государственный университет инженерных технологий, 394036, Россия, г. Воронеж, пр. Революции, д. 19, noviv@list.ru, gvagafonov@mail.ru, dobruly@bk.ru, kafedra_tbisp@mail.ru
Development of the Technique of Design of Soft Drinks Taking into Account Balance of Structure
Key words
medicobioLogicaL indicators; design of drinks; balance; malt extracts; functional drinks.
Abstract
Development and production of soft drinks with stated functional properties, used for the correction of the persons sustenance in health-care, dietary, nutritional rehabilitation, and for population to support the immune status is actual direction of development and improvement of food technology. Development and production of soft drinks with the stated functional properties, suitable as for correction of food of the persons needing treatment-and-prophylactic, dietary, rehabilitation food and for the ordinary modern person for the purpose of the immune status support of the organism, is the relevant direction of development and improvement of food technologies. Design of drinks with functional properties has been realized by means of the formalized mathematical description reflecting in an analytical type of a set of functional communications between ingredients of compoundings, final characteristics of finished products and a number of the restrictions following from requirements of standard documentation. In the research we have continued to consider results of design of compoundings of soft drinks: have studied respectively double and threefold combinations of powdery ingredients - malt extracts of a buckwheat, corn, barley (PPE-1); buckwheats, peas, barley (PPE-2); buckwheats (PGrSE); peas (PGSE) have also calculated ranges of the extract concentration which balance conditions are most fully satisfied. In the combination (PPE-2 + PGSE) the recommended structure is (73% of PPE-2 + 27% of PGSE); the generalized deviation Sob makes 25.5%. In this combination of extracts the satisfactory balance both ma-cronutrients, and macro elements is reached, at an acceptable imbalance of irreplaceable amino acids. The optimum combination of extracts for drawing up powdery mixes of soft drinks which provides the smallest of possible an average deviation from balance of necessary ingredients is offered: (69.8% of PPE-1 + 25.0% of PPE-2 + 5.2% PGrSE) at which Sob = 15,0%. The optimum structure was close to recommended earlier (76% PPE-1 + 24% of PPE-2), however due to addition of 5% PGrSE the balance of macro elements in addition improves.
Authors
Novikova Inna Vladimirovna, Doctor of Technical Science, Associate Professor;
Agafonov Gennadiy Vyacheslavovich,
Doctor of Technical Science, Professor;
Korotkikh Elena Anatolievna, Candidate of Technical Science;
Korostelev Aleksey Vasilievich, Candidate of Technical Science;
Rukavitsin Pavel Vladimirovich, Postgraduate Student;
Novikov Sergey Vladislavovich, Student
Voronezh State University of Engineering Technologies,
19 Revolution Av., Voronezh, 394036, Russia,
noviv@list.ru, gvagafonov@mail.ru, dobruly@bk.ru,
kafedra_tbisp@mail.ru
30 ПИВО и НАПИТКИ 2•2018
