Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Концепция проектирования поликомпонентных продуктов на основе многоуровневого моделирования пищевых биосистем 22
1.1 Сущность и смысловой анализ терминологических аспектов пищевой комбинаторики 22
1.2 Методология системного проектирования при разработке поликомпонентных пищевых продуктов 28
1.3 Развитие методологии многоуровневого моделирования пищевых биосистем на основе поликомпонентных смесей 37
1.4 Стратегия реализации методологии многоуровневого подхода 53
1.5 Научно-практические выводы 55
Глава 2 Методология проведения и организация работы, объекты и методы исследований 58
2.1 Структурно-логическая схема проведения исследований 58
2.2 Организация постановки экспериментов и характеристика объектов исследований 62
2.3 Методы исследований 69
Глава 3 Анализ процессов структурирования и молекулярное моделирование пищевых биополимеров на базе теории их биохимических превращений 75
3.1 Теоретический анализ физико-химических процессов структурообразования гидроколлоидных систем 76
3.2 Особенности гелеобразования желатиновых студней 88
3.2.1 Биохимические и термодинамические аспекты гелеобразования 88
3.2.2 Молекулярное прогнозирование гидратационной способности желатина 96
3.2.3 Расчет и моделирование взаимодействий при структурообразовании белка 105
3.2.4 Моделирование конформационных перестроек белка при желатинизации 114
3.3 Основные факторы и особенности механизма структурообразования казеинсодержащих систем 120
3.3.1 Системологический анализ агрегативной устойчивости и моделирование конформационных характеристик молекул казеина 120
3.3.2 Оценка специфики взаимодействий молекул казеина, жира и дисперсионной водной среды 130
3.4 Физико-химические свойства, молекулярное моделирование и конформационный анализ растительных белков 136
3.4.1 Физико-химические аспекты проблем регулирования функциональных свойств растительных белков 136
3.4.2 Молекулярное моделирование глобулинов растительных белков 146
3.5 Научно-практические выводы и рекомендации 151
Глава 4 Экспериментально-аналитическое исследование физико химических и функционально-технологических свойств активированных белоксодержащих систем и поликомпонентных мясопродуктов 156
4.1 Молекулярное моделирование и анализ особенностей структурирования белков животного и растительного происхождения в католите 157
4.1.1 Особенности механизма гелеобразования пищевых биополимеров (на примере желатина) в католите 157
4.1.2 Структурообразование активированных белоксодержащих систем на основе желатина и казеина 166
4.1.3 Молекулярное прогнозирование гидратационной способности основных белков зернобобовых в ЭХА воде 170
4.2 Экспериментально-аналическое исследование ФТС активированных белоксодержащих систем 174
4.3 Оценка качества активированных многокомпонентных желированных систем на мясной основе 181
4.4 Аналитическая и экспериментальная оценка стабильности активированных водно-жировых эмульсий 184
4.4.1 Аналитическая оценка стабильности водно-жировых эмульсий 184
4.4.2 Квантово-химическое исследование влияния католита на эмульгирующую способность молочных белков 190
4.4.3 Экспериментальная оценка устойчивости эмульсий белоксодержащих продуктов на основе активированных сред 193
4.5 Качественные характеристики фаршевых систем и опытных образцов вареных колбас 198
4.6 Научно-практические выводы и рекомендации 204
Глава 5 Биотрансформация сырья для производства мясопродуктов, исследование и моделирование её механизмов 209
5.1 Прогнозирование биологической активности ферментов на основе квантово-химических исследований 209
5.2 Биофизическое управление каталитическими свойствами ферментов в пищевых технологиях 218
5.2.1 Молекулярное моделирование и квантово-химический анализ молекул ферментов 218
5.2.2 Направленное регулирование свойств ферментных препаратов активированными средами 2 5.3 Оптимизация параметров биотранформации мясного и растительного сырья для производства мясопродуктов 229
5.4 Научно-практические выводы и рекомендации 247
Глава 6 Моделирование рецептур поликомпонентных нутриентносбалансированных пищевых продуктов 251
6.1 Совершенствование методологии моделирования 251
6.2 Обоснование математической модели оптимизации нутриентной сбалансированности 255
6.3 Развитие методологических принципов моделирования и оптимизации 265
6.4 Повышение эффективности процесса моделирования 271
6.5 Моделирование рецептур поликомпонентных мясопродуктов 274
6.6 Научно-практические выводы и рекомендации 287
Глава 7 Реализация новых технологических решений при производстве поликомпонентных мясопродуктов для здорового питания 290
7.1 Определение общей направленности продуктов для здорового питания и обоснование выбора предпочтительных видов сырья 292
7.2 Разработка инновационных технологий мясопродуктов для здорового питания 312
7.2.1 Разработка рецептур и технологий нутриентносбалансированных рубленых полуфабрикатов из мяса птицы 312
7.2.2 Разработка рецептур и технологий нутриентносбалансированных консервированных продуктов из биотрансформированного сырья 323
7.2.3 Разработка рецептур и технологий обогащенных вареных колбас 332
7.2.4 Разработка рецептур и технологий сбалансированных по нутриентному составу желированных мясопродуктов 345
7.3 Научно-практические выводы и рекомендации 354
Глава 8 Социально-экономическая значимость технологических решений производства мясопродуктов для здорового питания 357
8.1 Социальная значимость принятых технологических решений 357
8.2 Экономический эффект от внедрения в производство предлагаемого ассортимента мясной продукции 372
8.3 Конкурентоспособность разработанных мясопродуктов 376
8.3 Научно-практические выводы и рекомендации 379
Заключение 382
Список сокращений и условных обозначений 386
Список литературы 387
Приложение А Патенты на изобретения, свидетельство об официальной регистрации программного комплекса и техническая документация 427
Приложение Б Документы, отражающие результаты апробации, производственных испытаний и внедрения результатов работы 438
Приложение В Расчет числа аминокислотных остатков в молекуле желатина и матрицы планирования экспериментов 475
Приложение Г Блок-схемы алгоритмов оценки нутриентной сбалансированности рецептур пищевых продуктов 478
Приложение Д Протоколы испытаний и санитарно-эпидемиологические заключения 481
Приложение Е Дипломы, сертификаты и награды 495
- Методология системного проектирования при разработке поликомпонентных пищевых продуктов
- Физико-химические аспекты проблем регулирования функциональных свойств растительных белков
- Оптимизация параметров биотранформации мясного и растительного сырья для производства мясопродуктов
- Разработка рецептур и технологий обогащенных вареных колбас
Введение к работе
Актуальность темы исследований.
В соответствии со «Стратегией научно-технологического развития
Российской Федерации», доктриной продовольственной безопасности и
«Основами государственной политики Российской Федерации в области
здорового питания населения на период до 2020 года» сохранение и
укрепление здоровья человека за счет профилактики заболеваний,
обусловленных неполноценным и несбалансированным питанием,
формирование развитой индустрии и инновационных технологий
производства пищевых продуктов здорового питания относятся к основным приоритетам государства.
В этой связи перед мясной промышленностью стоят задачи создания и
увеличения выпуска новых высококачественных и безопасных продуктов
общего и специального назначения, содержащих широкий спектр
физиологически востребованных нутриентов и обеспечивающих
прогнозируемые свойства, конкурентоспособность, социально-
экономическую значимость и импортозамещение.
Особую актуальность в решении этих задач приобретает научное
обеспечение производства продуктов здорового питания, объединение
усилий государства, бизнеса и науки на базе межотраслевого подхода,
конвергенции пищевых и информационных технологий, применения и
развития принципов пищевой комбинаторики, многоуровневого
моделирования и адаптации системного проектирования, снижающих затраты на их разработку и технологические риски, сжимающих инновационный цикл и, таким образом, позволяющих создавать продукцию отвечающую не только национальным интересам РФ, но и востребованную на мировых рынках.
Степень разработанности темы. Значительный вклад в решении
фундаментальных проблем создания и развития теории и практики
инновационных технологий поликомпонентных пищевых продуктов,
модификации функциональных свойств сырья животного и растительного
происхождения, в том числе с использованием активированных жидких
систем, внесли исследования таких известных ученых как Л.В. Антипова,
Т.В. Бархатова, И.Ф. Горлов, Л.В. Донченко, И.А. Евдокимов, А.И. Жаринов,
В.Е. Жидков, А.А. Запорожский, Г.И. Касьянов, О.Н. Красуля, А.Е. Краснов,
Л.С. Кудряшов, Н.Н. Липатов (мл.), А.Б. Лисицын, П.А. Лисин,
Ю.Н. Нелепов, С.В. Николаева, Л.А. Остроумов, В.М. Позняковский,
И.А. Рогов, С.А. Рябцева, А.В. Серов, Е.И. Титов, Н.В. Тимошенко, Я.М. Узаков, А.В. Устинова, А.А. Храмцов, И.М. Чернуха, С.Б. Юдина, F. Clydesdale, А.T. Diplock, Y.С. Hung, J.M. Irudayaraj, S. Jun и др.
Вместе с тем, в настоящее время основная масса мясопродуктов, выпускаемых промышленностью, не сбалансирована по нутриентному составу и не соответствует возрастающим потребностям населения в дополнительных питательных и биологически активных веществах,
недостаток которых вызывает заболевания, связанные в основном с дефицитом белка, ПНЖК, пребиотиков, пищевых волокон, витаминов и микро-, макроэлементов (йода, кальция и др.).
Основополагающим фактором повышения качества жизни россиян является реализация принципов здорового питания, в основу которых положены разработка и производство пищевых продуктов массового потребления с функциональными пищевыми ингредиентами (далее по тексту – функциональные ингредиенты), адекватно обеспечивающими организм человека основными источниками эссенциальных веществ.
Учитывая, что на структурном, нутриентном и молекулярном уровнях
поликомпонентные мясопродукты представляют собой достаточно сложную
пищевую матрицу, развитие высоких технологий на базе фундаментальных и
современных прикладных исследований с использованием принципиально
новых компьютерных программных инструментов является актуальным
стратегическим направлением в решении поставленных задач. В этой связи
разработка и развитие научно-практических основ, создание и производство
качественных и безопасных отечественных продуктов питания,
сбалансированных по нутриентному составу и обогащенных натуральными биокоррегирующими ингредиентами приобретает особую значимость.
Работа выполнялась в рамках приоритетного направления развития науки, технологии и техники РФ «Технологии живых систем», в соответствии с научным направлением СКФУ (СевКавГТУ) «Живые системы», выигранных конкурсов Правительства Ставропольского края (2006), «Старт-2010» (проект №10-3-Н5.3-0425, выполнен по гос. контракту №7800р/11471 от 16.04.2010 г.), госбюджетных и хоздоговорных НИР кафедр: технологии мяса и консервирования, машин и аппаратов пищевых производств, информационных систем и технологий СевКавГТУ; кафедры товароведения и технологии общественного питания СтИК БУКЭП, технологии машиностроения и технологического оборудования, пищевых технологий и инжиниринга СКФУ.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является развитие и реализация научных основ и методологических принципов создания инновационных технологий поликомпонентных мясопродуктов для здорового питания.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- проанализировать сущность, терминологические аспекты, смысловое
наполнение методологии пищевой комбинаторики, проблем и тенденций,
связанных с разработкой, классификацией и созданием мясопродуктов для
здорового питания;
- на основе развития методологии многоуровневого моделирования
разработать концепцию и реализовать адаптацию принципов системного
проектирования при разработке поликомпонентных мясопродуктов;
- выполнить теоретический анализ физико-химических процессов
гелеобразования желатина и на основе результатов молекулярного
моделирования, исследования его конформационных характеристик и
межмолекулярных взаимодействий определить особенности формирующейся структуры в различных дисперсионных средах;
- исследовать внутриструктурную организацию молекул казеина с
использованием 3D-моделирования и установить специфику их
конформационных перестроек и межмолекулярных взаимодействий с
водной и жировой средами;
- изучить и обосновать, начиная с молекулярного уровня,
принципиальную возможность регулирования функциональных свойств
белков зернобобовых ЭХА водой;
- исследовать основные ФТС активированных белоксодержащих
систем на основе желатина, казеина и белков зернобобовых и провести
оценку качества модельных композиций и готовых образцов мясопродуктов;
- изучить и описать на основе исследований in silico механизм
повышения активности ферментов в ЭХА средах, экспериментально
определить и обосновать параметры технологической обработки мясного и
растительного сырья при его биотрансформации;
- разработать математическое обеспечение, алгоритмы и программный
комплекс для эффективной реализации процесса моделирования рецептур и
оценки качества нутриентносбалансированных поликомпонентных
мясопродуктов;
-на основе результатов проведенных теоретических,
экспериментальных исследований и многоуровневого моделирования
разработать рецептуры и частные технологии поликомпонентных
нутриентносбалансированных и обогащенных функциональными
ингредиентами мясопродуктов для здорового питания;
- разработать техническую документацию на ассортиментную линейку
мясопродуктов профилактической направленности для массового
потребления, провести их промышленную апробацию.
Концептуальная направленность работы состоит в развитии существующих и научно-практическом обосновании новых подходов и методов проектирования сбалансированных по нутриентному составу мясопродуктов для здорового питания на основе многоуровневого моделирования и определения механизмов взаимодействий компонентов пищевых белоксодержащих систем, рецептур поликомпонентных смесей, разработке и реализации принципов их применения при создании инновационных технологий мясопродуктов.
Научная новизна. Разработан концептуальный подход к развитию научных принципов проектирования пищевых продуктов на основе методологии многоуровневого моделирования поликомпонентных биосистем и использования новейших инструментов информационных технологий.
Предложена методология многоуровневого моделирования,
включающая несколько иерхарических уровней. Представлена
характеристика и содержание каждого уровня с обоснованием их взаимосвязи и обособленности, целевых функций и задач.
Впервые получены, проанализированы и описаны результаты
молекулярного моделирования, изучен механизм конформационных
перестроек структурообразования белков животного и растительного происхождения (желатина, казеина, 11S глобулина) в ЭХА воде. Путем квантово-химического исследования определены и обоснованы механизм, параметры и степень интенсифицирующего воздействия католита на водосвязывающую, гелеобразующую и эмульгирующую способность белков.
На основе построения топологической модели изучен механизм
повышения активности каталитического центра и конформационная
структура молекулы субтилизина, как одного из типичных представителей
группы отечественных ферментных препаратов микробиального
происхождения, обоснованы направления интенсификации и регулирования их протеолитической активности.
Разработаны оригинальные теоретические подходы и реализованы
практические решения в виде математических моделей и алгоритмов
оптимизации нутриентной сбалансированности рецептур, которые наряду с
обобщением и развитием существующих научных представлений послужили
основой создания программного комплекса для проектирования
поликомпонентных пищевых продуктов.
В соответствии с предложенной концепцией на основе системного
подхода и результатов многоуровневого моделирования разработаны,
теоретически и экспериментально обоснованы рецептуры и технологии
новых поликомпонентных мясопродуктов с функциональными
ингредиентами, определены их показатели нутриентной сбалансированности, качества и безопасности.
Новизна технических решений подтверждена 4 патентами РФ, свидетельством Роспатента о государственной регистрации программ для ЭВМ (№2005610751).
Теоретическая и практическая значимость работы.
На основе алгоритмизации оригинального математического
обеспечения, развития существующих принципов, современных и новых
подходов проектирования пищевых продуктов, создания
многофункционального программного комплекса «Etalon» обеспечена
разработка новых рецептур и формирование ассортиментных групп
поликомпонентных нутриентносбалансированных и/или обогащенных
функциональными ингредиентами продуктов для здорового питания.
В результате теоретических и экспериментальных исследований разработаны и предложены:
- методики: графоаналитического расчета гидродинамического радиуса
молекул белков в конформации глобулы в зависимости от показателя рН
среды и расчета энергии их ионного взаимодействия;
- математические модели формирования: функционально-
технологических свойств гидратированных белоксодержащих добавок в
зависимости от вида, рН среды и содержания поваренной соли; основных
качественных характеристик готовых образцов мясопродуктов;
- параметры, режимы и способы: биотрансформации мясного сырья активированными ферментными препаратами и растительного – методом проращивания семян в различных водных средах с обработкой некогерентным красным светом; обеспечения технологических процессов производства новых видов поликомпонентных мясопродуктов.
На примере предложенных четырех видов мясопродуктов, принятых в
качестве базовых, разработаны рецептуры и технологии сбалансированных
по нутриентному составу и обогащенных комплексом микро-,
макроэлементов, витаминов и пребиотиков мясопродуктов
биокоррегирующего действия на основе общих принципов формирования их ассортиментных групп.
Предложенные и реализованные технологии продуктов для здорового питания с новыми разновидностями рецептурного состава (более 25 единиц) и сочетанием натуральных функциональных ингредиентов позволяют обеспечить заданный уровень от рекомендуемой суточной потребности (РСП) человека в основных наиболее дефицитных микро-, макронутриентах (незаменимые аминокислоты, ПНЖК, пребиотики, витамины, йод, кальций, магний и др.).
Основные технико-технологические результаты и решения, в том числе с использованием программного комплекса «Etalon» по разработке новых мясопродуктов апробированы или внедрены на предприятиях и организациях СКФО. Проведены подтвержденные актами производственные выработки и исследование качества опытных партий четырех ассортиментных групп мясопродуктов (мясорастительных полуфабрикатов, желированных изделий, консервов и вареных колбас) на 12 промышленных предприятиях.
По результатам исследований апробированы и утверждены комплекты технической документации на новые виды продуктов (ТУ 9213-007-02067965-2004, ТУ 9217-007-02067965-2006, ТУ 9110-015-02067965-2007, ТУ 10.13.14-010-02067965-2017), зарегистрированные в ФБУ «Ставропольский ЦСМ».
Продана лицензия (договор № Л-12/01 от 05.12.2012 г.) на право использования интеллектуальной собственности НОУ НПЦ «Инфа-образование» (Ставрополь) по свидетельству Роспатента на программу для ЭВМ.
Программный комплекс «Etalon» апробирован и использован в научно-исследовательских (1 докторская и 7 кандидатских диссертаций), выпускных квалификационных и курсовых работах.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований включены в лекционные курсы, методические разработки и используются в учебном процессе при подготовке бакалавров, магистров и аспирантов технологических и технических специальностей СКФУ и СтИК (филиал) БУКЭП (Ставрополь).
Методология и методы исследований. Структура исследований выстроена в логическую цепь последовательно выполненных этапов на основе сбора и анализа информации, систематизации результатов
теоретических и экспериментальных исследований, статистической
обработки эмпирических данных и построения математических моделей,
развития методологических принципов проектирования поликомпонентных
мясопродуктов и реализации разработанной концепции. При проведении
комплексной оценки качества сырья и готовой продукции применяли
общепринятые, стандартные и специальные методы исследования
органолептических и функционально-технологических свойств, показателей пищевой ценности и безопасности.
Положения, выносимые на защиту:
- концептуальный подход к развитию научных принципов
проектирования пищевых продуктов на основе методологии
многоуровневого моделирования поликомпонентных биосистем;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований,
молекулярного моделирования и квантово-химических расчетов
характеристик, свойств и механизмов взаимодействий белков животного,
растительного происхождения и жировой фазы с активированной водной
средой;
- совокупность результатов in silico и экспериментальных
исследований формирования свойств активированных ферментных
растворов, качественных характеристик биотрансформированного мясного
сырья и готовых мясопродуктов;
- научное обоснование методологического подхода, математического
обеспечения и алгоритмов формирования комплекса программ для
моделирования рецептур сбалансированных по нутриентному составу
пищевых продуктов и оценки их качества;
- результаты и научное обоснование разработки новых
технологических решений при производстве мясопродуктов с
функциональными ингредиентами для здорового питания.
Степень достоверности и апробация результатов работы. Степень
достоверности полученных автором результатов обеспечивалась
проведением исследований с согласованием новых и традиционных подходов на базе общепризнанных положений фундаментальных и прикладных наук, метрологическим обеспечением проведения натурных экспериментов, применением современных методов и многократной повторностью исследований, строгостью выполненных математических выкладок и согласованностью результатов с известными закономерностями и информацией научных источников, апробацией и результатами практических внедрений. Научные положения, результаты, выводы и рекомендации не противоречат известным положениям науки.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, региональных научно-технических и научно-практических конференциях: Ставрополь (2002, 2004-2014, 2016, 2017); Москва (2004, 2005, 2011, 2013, 2016); Новочеркасск (2005); Новосибирск (2003, 2012); Барнаул (2012); Краснодар (2013); Кисловодск (2013); Белгород (2010, 2014, 2016); Махачкала (2016); Воронеж
(2016); Волгоград (2016, 2017); Семей (Казахстан, 2017) и международных научных семинарах на базе СКФУ (Ставрополь, 2016), организованных совместно с проф. Саверио Маннино (Миланский университет) и проф. Хани Абу Кдаис (Иорданский университет науки и технологий).
Результаты работы демонстрировались на VIII Международном
молодежном форуме (Харьков, 2004); Московском международном салоне
инноваций и инвестиций (Москва, 2006-2007 гг.), по итогам которых
получены дипломы и медали; Всероссийском конкурсном отборе
инновационных проектов (Москва, 2005), Первом Международном конгрессе
«Экологическая, продовольственная и медицинская безопасность
человечества» (Москва, 2011), международном конкурсе «Лучшая научно-исследовательская работа-2016» (Москва, 2016).
По результатам исследований были выиграны: конкурс «Старт-2010»
(проект №10-3-Н5.3-0425) и выполнен государственный контракт
(№7800р/11471 от 16.04.2010г.); Всероссийский конкурс инновационных
проектов по направлению «Живые системы» (Киров, диплом победителя,
2006); открытый конкурс Правительства Ставропольского края по
внедрению инновационных технологий (Ставрополь, 2006); III
Всероссийский инновационный конкурс на лучшую монографию (диплом победителя № ОК000691 от 07.11.2016 г., Киров, 2016).
Личный вклад соискателя заключается: в разработке концепции
проектирования поликомпонентных продуктов питания на основе
многоуровневого моделирования пищевых биосистем; в постановке цели и
задач исследований; в выполнении молекулярного компьютерного
моделирования и натурных экспериментов; математическом обеспечении,
алгоритмизации и разработке программного комплекса; проектировании
нутриентносбалансированных мясопродуктов с функциональными
ингредиентами; в разработке технологий, анализе и обобщении результатов исследований свойств, качества и безопасности сырья и готовой продукции; разработке технической документации на продукты для здорового питания.
Диссертационная работа является обобщением результатов научных исследований, выполненных в 2002-2018 гг. лично автором или в соавторстве при непосредственном участии в качестве руководителя или исполнителя программ выигранных конкурсов, хоздоговорных и госбюджетных НИР.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 86 печатных работ, в том числе 5 монографий, 19 статей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России, 3 статьи в журналах, входящих в базу цитирования Scopus и Web of Science, получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ и 4 патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов, списка литературы из 407 наименований и приложений. Работа изложена на 385 страницах основного машинописного текста, содержит 87 рисунков и 48 таблиц.
Методология системного проектирования при разработке поликомпонентных пищевых продуктов
Как известно, объектами проектирования могут выступать физические, социальные, технические, биологические и иные объекты-системы, а также комбинированные системы. Так как свойства системы по ее определению не сводятся к сумме свойств отдельных ее составляющих (частей и элементов), то проектирование системы требует знания составляющих её элементов и особенностей системы в целом.
Системное проектирование – это методология решения сложных проблем, которая также как и системное моделирование основывается на концепции системы1.
Отличительной особенностью «системного проектирования» является, то, что оно охватывает набор понятий, методологий, технических, организационно-технологических и других структур, которые могут быть развиты для объединения сложных функциональных систем, чтобы преодолеть проблемы в том числе «беспрецедентной сложности». Таковы, например, результаты программы «Аполлон» (NASA, США) – ведущего примера проекта системного моделирования и проектирования, когда совокупность процессов вновь созданного системного комплекса, привела к появлению объекта – системы нового качества, которое не вытекает из простого сложения исходных процессов.
Системное проектирование поощряет использование системного моделирования, а в моделировании позволяет выдвигать теории или гипотезы о сложных системах и взаимодействиях в их пределах1.
Особенностью системного проектирования является то, что оно сосредотачивается на анализе, выявлении потребительских потребностей и требуемой функциональности во всем цикле развития объекта, начиная с идеи, выдвижения и поддержки требований, разработки образа проекта, затем синтеза дизайна и системной проверки характеристик.
В настоящее время, на основе анализа и исследований сущности и содержания процесса проектирования, были разработаны рекомендации по проведению этой деятельности2. В соответствии с рекомендациями при создании любых сложных объектов (подобных поликомпонентным пищевым продуктам) их надо рассматривать в виде систем с определенной структурой как комплекса взаимосвязанных элементов с разнообразными внешними и внутренними связями и широким набором свойств.
Исследователями и разработчиками предложен ряд алгоритмов проектирования, которые совпадают в основных чертах, но различаются содержанием или названием отдельных этапов.
Разработки системного проектирования в области биосистем («Биологическое системное проектирование») в настоящее время ведутся с особым акцентом на биологию, химию и биотехнологию. Биоинженерия сосредоточена на медицинских аспектах, генной инженерии, в том числе в сельском хозяйстве, экосистемах и науке о продуктах питания3.
Разработка биосистем объединяет экспертные знания фундаментальных технических областей, а также биологии, химии, биотехнологии и других не технических дисциплин.
Рассмотрим методологию системного проектирования применительно к проектированию пищевых биосистем.
Законы, принципы и методы характерны для любой деятельности, в том числе и для проектирования поликомпонентных пищевых продуктов питания, а системность подхода реализуется, если существуют и выполняются его принципы. Применительно к пищевым биосистемам это следующие законы.
Основной закон диалектики развития – закон единства и борьбы противоположностей, который показывает, что с одной стороны рост потребностей человека вынуждает решать все более сложные задачи. С другой – проведение разработок заметно тормозится из-за сложности, видового разнообразия пищевых ресурсов и изменчивости их показателей.
Закон соответствия функции и структуры, который показывает, что наиболее жизнеспособными являются те проектные решения, у которых форма объекта содействует реализации предъявляемых к нему требований и подчинена внутреннему его содержанию.
Закон возрастания уровня идеальности системы, который показывает, что развитие нового поликомпонентного продукта как биосистемы идет в направлении возрастания уровня идеальности. В данном случае под идеальной системой-пищевым продуктом следует понимать такую, у которой функция сохраняется или выполняется, а качество, безопасность и другие исследуемые характеристики стремятся к наилучшему значению.
Закон неугасимого любопытства и непрерывного возрастания потребностей людей. Закон указывает, что после удовлетворения каждой потребности у человека появляется новое желание, которое не дает довольствоваться уже достигнутым, а получать не только больше, но и лучше. Такие тенденции развития потребностей указывают на определенные закономерности перехода от удовлетворения физиологических потребностей к эмоционально-психологическим. В этой связи можно прогнозировать укрепление тенденций создания пищевых продуктов для здорового питания, обладающих способностью улучшать физическое и психическое здоровье и/или снижать риск возникновения заболеваний.
Основные принципы системного проектирования пищевых биосистем можно сформулировать следующим образом: 1) практическая польза; 2) единство структуры и составных частей; 3) учет этапов жизненного цикла. В соответствии с первым принципом именно потребители должны определять цель проектирования продуктов питания и стимулировать деятельность по их совершенствованию.
Проектирование пищи должно носить целесообразный характер, поскольку не все новые потребности нуждаются в создании новых продуктов питания. Целесообразно вскрыть причины, почему не все существующие продукты питания удовлетворяют новым потребностям. Ясно, что эти причины определяются противоречиями как со стороны внутренней структуры, так и внешних свойств пищевых продуктов.
Проектирование должно быть обоснованным и эффективным. Обоснованность вытекает из необходимости удовлетворения потребности в новом виде продукта, эффективность предполагает поиск его оптимального варианта иногда по противоречивым критериям (показателям) предпочтения, которыми могут выступать, например, качество продукта или его себестоимость. Вот почему нельзя говорить об оптимальном решении, не указав критерий оптимизации.
При этом критериальный подход при проектировании поликомпонентных пищевых продуктов не может основываться на получении только одного оптимального варианта, а должен включать возможность анализа полученных результатов, позволяющего не только находить эффективные решения, в наибольшей степени удовлетворяющие сложившимся потребностям, но и обосновывать принятые решения, аргументировано объяснять причины их выбора.
Поскольку основные критерии оптимальности пищевых продуктов для здорового питания наряду с качеством и безопасностью характеризуются целым комплексом показателей, таких как нутриентная сбалансированность или основная профилактическая направленность, определяемая функциональными ингредиентами, то для упрощения задачи можно выбирать главные из них, отражающие наиболее существенные их (биокоррегирующие) свойства. В связи с этим в развитие принципов системного проектирования к основным общим принципам формирования различных ассортиментных групп поликомпонентных мясопродуктов для здорового питания, следует отнести:
- сбалансированность по основным видам нутриентов;
- профилактическую направленность (профилактика современных превалирующих алиментарных заболеваний из-за дефицита в питании основных эссенциальных веществ: полноценных белков, ПНЖК, витаминов, микро, макроэлементов, антиоксидантов, пищевых волокон и пребиотиков);
- использование натурального сырья в качестве источника функциональных пищевых ингредиентов;
- широкое предназначение (для массового потребления).
Физико-химические аспекты проблем регулирования функциональных свойств растительных белков
Одной из глобальных проблем, стоящих перед человечеством является решение проблемы дефицита белка, которую невозможно решить без использования сырьевых ресурсов растительного происхождения, прежде всего получаемых при переработке семян зернобобовых культур.
Комбинирование животного сырья с растительным вызывается, главным образом, необходимостью повышения степени сбалансированности аминокислотного состава белка создаваемых продуктов питания. Пути решения этой проблемы лежат в направлении поиска новых ресурсов белка и оценки их технологического потенциала как экспериментально, так и посредством молекулярно-компьютерного прогнозирования1.
Анализ показывает, что в семенах зернобобовых культур (соя, фасоль, нут, горох, фасоль золотистая, люпин, чечевица и др.) содержание общего белка достаточно высоко и составляет 20-40% (таблица 3.7).
Высокая пищевая ценность и содержание белка при развитых технологиях высокобелковых продуктов (особенно из сои – изолятов, концентратов и муки) обеспечили их широкое применение в питании населения и пищевой промышленности. По прогнозу LMC International Ltd, одной из ведущих британо-американских консалтинговых компаний в области пищевой промышленности и сельскохозяйственных рынков, к 2020 году мировой рынок соевых концентратов вырастет до 5,6 млн. тонн, а соевых изолятов до 1,6 млн. тонн. Прогнозируется, что часть рынка сывороточных белков молока и до половины рынка казеинатов может быть замещена растительными белковыми продуктами2.
В мясной промышленности наибольшее применение получили изоляты сои с содержанием белка около 91,0 % на сухое вещество, концентраты – 68,0 % и соевая мука – 57 %. Применение широкого набора химических и биотехнологических методов выделения, очистки и концентрирования растительных белков, а также физических методов воздействия, позволяют получать в настоящее время продукты с заданными характеристиками, в том числе функциональные концентраты. Представители нового поколения таких продуктов характеризуются четырьмя основными свойствами: высокой степенью гидратации (1:4–1:6); структурообразующими свойствами, хорошей адсорбцией жира и эмульгированием.
При производстве мясных изделий особое значение приобретают такие функциональные свойства растительно-белковых продуктов как растворимость, вязкость, влагосвязывающая, эмульгирующая, гелеобразующая способность и поверхностно-активные свойства. Особняком стоит требующая своего разрешения проблема их регулирования. Основными направлениями ее решения считаются: выбор оптимальных физико-химических и термодинамических параметров обработки; применение биотехнологических методов и физических воздействий.
Установлено1, что растворимость растительных белков значительно повышается в процессе гидролиза и физических воздействий. Например, в процессе гомогенизации при сдвиговых деформациях происходит изменение пространственной структуры молекулы белка с увеличением удельной конформационной энергии белковых частиц. В результате полярные гидрофильные остатки (R-группы глицина, треонина, серина, цистеина, тирозина, и др.) оказываются в большей степени экспонированными на поверхность молекулы и взаимодействуют с водой. Структурную трансформацию белка осуществляют в щелочных или кислотных условиях при повышенной температуре и центробежной гомогенизации2. Эти факторы снижают агломерационную способность частиц белка, обеспечивают интенсификацию реакции гидролиза и высвобождение гидрофильных групп.
Наоборот, трансформация белковых частиц с преобладанием гидрофобных R-групп (лейцина, аланина, пролина, изолейцина и валина) повышает их жироэмульгирующие характеристики. В конечном счете, эти воздействия позволяют регулировать и управлять медико-биологическими и функционально-технологическими свойствами конечных продуктов.
Растворимость изолированного соевого белка минимальна в изоэлектрической точке3 (обычно при рН 4,6-4,8) и является наибольшей при рН 2,0-3,0 и рН 9,0-11,0. С увеличением температуры растворимость возрастает и с повышением содержания хлористого натрия – снижается. По её численному значению можно судить о других функциональных свойствах белков. Исследователи4 обратили внимание на взаимозависимость количества эмульгированного масла и растворимости соевых белков при различных значениях рН. Более того, подобная корреляция обнаружена также у таких многокомпонентных мясопродуктов, как колбасные изделия. Было достоверно установлено, что потеря жира этих продуктов и консистенция связаны с растворимостью соевых белков, входящих в продукт.
Важным свойством растительных белков, обеспечивающим их применение при производстве мясопродуктов, является способность увеличивать вязкость водных дисперсий, которая возрастает по мере повышения концентрации белка и температуры. Вязкость соевых белков резко повышается при концентрациях сухих веществ выше 10%. При нагревании до (70-100)оС водные дисперсии соевого белка переходят в гель при концентрации (9-14)% в течение 10-13 минут. Последующее нагревание до 125оС этот гель разрушает, однако при концентрации соевого белка выше (16-17)% гель менее чувствителен к нагреванию. Гели концентратов соевого белка образуются при более высокой температуре.
В технологической практике производства мясопродуктов свойство растительных белков к гелеобразованию играет особо важную роль, положительно влияя на устойчивость фаршей и консистенцию продуктов. Однако нагревание белковых смесей приводит к денатурации белка. В нем происходят структурные изменения, приводящие к увеличению доли гидрофобных участков на поверхности, снижению его растворимости и изменению функциональности1.
По зависимости влияния термообработки на растворимость от концентрации белков установлено два их класса. Также как и желатин, белки сои относят к желирующим. Их поведение в значительной степени обусловлено меньшим содержанием гидрофобных аминокислот, чем у коагулирующих (гемоглобин, овальбумин и др.). На этом основании исследователями сделан вывод о том, что белки должны иметь превосходные свойства термокоагулирующих белков, зависящие от концентрации, учитывая повышенное содержание в них гидрофобных аминокислот2. Температура денатурации растительных белков как правило составляет 45-60 оС.
Установлено3, что термическая денатурация во всех случаях приводит к повышению гидрофобности поверхности макромолекул и как правило, не улучшает эмульгирующие свойства.
Поэтому с целью достижения благоприятной зоны гидрофобности или ее регулирования для каждого белка рекомендуется подбирать оптимальную продолжительность, температуру, показатель рН и ионную силу. При уменьшении молекулярной массы белковых частиц значительно возрастает их термостабильность, повышается устойчивость к ионной силе раствора.
В процессе тепловой обработки растворимость белков зернобобовых может меняться при взаимодействии с другими компонентами пищевой смеси. Так например, 7S глобулин сои, растворимый после прогрева при 100С в течение 30 минут, на 50% осаждается после этой же теплообработки в присутствии 11S глобулина1.
Проведенный автором анализ химического состава семян зернобобовых культур, функциональных свойств растительно-белковых продуктов и физико-химических факторов, определяющих свойства их белков при технологической обработке показывает, что гидротермическая обработка в общем случае способствует уменьшению растворимости белков. Однако одновременно можно сделать вывод о том, что ее влияние на конформационные изменения, агрегацию или явления диссоциации тесно связаны с условиями обработки и физико-химическими свойствами самих белков.
В отношении белков зернобобовых установлено2, что с растворимостью тесно коррелирует такая характеристика как абсорбция воды, понятие которой обычно относится к связыванию на уровне гидрофильных групп белка первых слоев молекул воды у поверхности молекулы белка. Наличие воды вокруг макромолекул белка обычно понимают как эффект абсорбции или удерживания молекул воды, подвергшихся действию силового поля, действующего в непосредственной близости. То есть абсорбция воды, с биохимической точки зрения, это результат связывающего взаимодействия водородной связью первого слоя молекул воды и последующих слоев, преимущественно адсорбированных на гидрофильных участках белка. Абсорбция воды в функциональном отношении, является одним из важных показателей, поскольку придает сочность пищевым продуктам.
Оптимизация параметров биотранформации мясного и растительного сырья для производства мясопродуктов
Для поступательного развития современного отечественного производства продуктов здорового питания все актуальнее становится направление на повышение эффективности рационального использования сырьевых ресурсов и придание мясным изделиям более широкого спектра полезных свойств. Технологический прорыв в индустрии здорового питания не возможен без претворения новых идей, генерируемых научным сообществом.
Для решения этих задач необходима разработка и внедрение интенсивных технологий с применением современных биотехнологических методов и приемов, в частности, ферментативной биотрасформации сырья.
Как известно повышенное содержание соединительно-тканных белков в мясе увеличивает жесткость готовых мясных продуктов, снижает их потребительские свойства. Консистенция мяса зависит в основном от свойств коллагеновых волокон и их количества. В отличие от многих белков коллаген в основном представлен пролином и оксипролином. Несмотря на противоречивые мнения о роли соединительной ткани в питании человека, содержание оксипролина по-прежнему является значимым показателем сортности и качества мясного сырья, поскольку показатель общего содержания белка не раскрывает сущности их полноценности.
Следует отметить, что в последнее время все большее число специалистов обращают внимание на технологические преимущества введения в мясное сырье ферментных препаратов с различной направленностью воздействия на структуру соединительной ткани.
С целью установления влияния вида раствора на совокупный гидролиз белков соединительной ткани на примере фермента протолихетерма Г20х в качестве субстрата использовали сухие измельченные сухожилия из баранины. Для проведения сравнительной оценки растворы ФП концентрацией 1,0 и 0,1 % готовили на буферном растворе и ЭХА-воде с одинаковыми значениями рН 5,5. Контролем служил не ферментированный образец1. Гидролиз проводили при установленной ранее оптимальной температуре действия используемого фермента (t = 50 оС). Анализ полученных результатов позволил выявить зависимость интенсивности протекания гидролиза белков соединительной ткани от вида ферментного раствора (рисунок 5.11).
Анализ полученных результатов позволил определить влияние вида ферментного раствора на интенсивность протекания гидролиза белков соединительной ткани. Установлено, что в независимости от концентрации фермента количество оксипролина в фильтратах при использовании активированных растворов в 1,6-1,7 раза больше, чем при использовании буферного раствора. Тем самым подтверждаются сделанные автором выводы по результатам молекулярного моделирования о возможности и целесообразности направленного регулирования активности ферментных препаратов ЭХА водой (раздел 5.2.1).
Таким образом, активированные растворы ферментных препаратов, при выборе которых может успешно применяться квантово-химический анализ их молекул, способны значительно интенсифицировать процессы биотрансформации коллагенсодержащего мясного сырья.
В развитие методологии многоуровневого моделирования продуктов здорового питания и полученных в настоящей работе результатов по изучению влияния ЭХА воды на протеолитическую активность ферментов животного происхождения были проведены исследования по определению основных показателей низкосортной говядины, биомодифицированной активированным пепсином. В результате на основании проведенных исследований по определению влияния ЭХА воды на протеолитическую активность исследуемых ферментных препаратов установлены зависимости структурно-механических, органолептических, функционально-технологических показателей образцов говядины и баранины от объема и концентрации активированных растворов ферментов.
Оптимизация планирования двухфакторного эксперимента и статистическая обработка опытных данных по биотрансформации мясного сырья проводилась с помощью построения униформ-рототабельных планов экспериментов Бокса-Хантера-Уилсона и использования компьютерной программы «Experiment».
Среди совокупности факторов были выбраны наиболее значимые: х – концентрация раствора фермента, %; y – количество ферментного раствора к массе сырья, %. Для исследований использовали говядину и баранину лопаточной части туш (с содержанием соединительнотканных включений не менее 25 %,) после созревания в течение 48-72 часов. Кусковое мясо инъецировали активированными растворами протолихетерма Г20х (для баранины) и пепсином говяжьим (для говядины) соответствующей концентрации и в количествах, согласно планам двухфакторного эксперимента (приложение В).
Ферментированные образцы мяса после созревания при температуре плюс 4-6С в течение 24 часов подвергали термической обработке (варке в собственном соку) до температуры в центре образца 72 С. В готовых образцах определяли совокупность основных качественных показателей: удельное усилие резания вдоль (Рв) и поперёк волокон (Рп), содержание общей влаги (ОВ), органолептическую оценку (ОР) и выход (В). Одновременно проводили контрольные опыты без ферментации мясного сырья и с ферментацией без использования ЭХА воды.
На основе матрицы планирования эксперимента и статистической обработки экспериментальных данных получены математические модели для определения качественных показателей ферментированного мясного сырья в виде уравнений с учетом значимости коэффициентов регрессии (в натуральных единицах, таблица 5.2).
Анализ уравнений регрессии (таблица 5.2) и графиков представленных на рисунках 5.12 – 5.13 позволил установить, что показатель удельного усилия резания имеет явную тенденцию к снижению при увеличении объёма и концентрации вводимого ферментного раствора, что свидетельствует о возрастании степени деструктивных изменений белков соединительной и мышечной ткани.
Результаты обработки экспериментальных данных с использованием методов математического моделирования показывают, что высокая дегустационная оценка (рисунок 5.14) коррелирует с оптимальными значениями показателей структурно-механических свойств, общей влаги и выхода исследуемых образцов мясного сырья (рисунки 5.12-5.16).
Установлено, что увеличение концентрации ферментов выше оптимальных значений приводит к снижению органолептических свойств появлению посторонних привкуса и аромата, не свойственных данным видам отварного мясного сырья.
Разработка рецептур и технологий обогащенных вареных колбас
Вареные колбасы, особенно бесструктурные, пользуются наибольшей популярностью у населения по ряду объективных причин. Во-первых, они являются полностью готовыми к употреблению, во-вторых, выпускаются в широком ассортименте с разными вкусовыми достоинствами, в-третьих, имеют большой диапазон цен и отсюда обладают практически всеобщей доступностью для разных слоев населения, в-четвертых, достаточно высокая пищевая ценность позволяет быстро удовлетворять потребность человека в питании. Однако традиционные вареные колбасы не относятся к продуктам для здорового питания1. Они не сбалансированы по основным видам нутриентов (рисунок 7.5)2 и без использования в рецептурах значительного количества натурального растительного сырья этого достичь практически невозможно.
Сочетание в них мясного и натурального растительного сырья в необходимых с этой целью соотношениях не предоставляется возможным из-за потери структуры, рисунка на разрезе, вкусовой гаммы, цвета и прочих свойств, характерных именно для вареных колбасных изделий.
Анализ уровня производства современных видов колбас в России за период с 2010 по 2016 год (доля вареных в натуральном выражении стабильно составляет более половины от общего объема производства колбас) свидетельствует о том, что никакие научные доводы об их сомнительной пользе с точки зрения здорового питания, даже подтвержденные результатами лабораторных экспертиз, не влияют на высокий уровень спроса на данную продукцию (рисунок 7.6)3.
В связи с вышеизложенным, автору представляется целесообразным использовать данный вид продуктов питания для создания мясопродуктов, обогащенных микро-, макроэлементами и витаминами с учетом дефицитных состояний организма современного человека. Кроме того, включение в рецептуры колбас муки из биомодифицированной проращиванием в активированной воде фасоли золотистой и люпина (главы 4, 5) позволяет провести корректировку нутриентного состава готовых изделий.
По мнению автора, употребление таких видов вареных колбас с учетом масштаба их потребления значительно повлияет на улучшение здоровья населения по широкому спектру существующих проблем.
Результаты проведенного автором молекулярного моделирования белков казеина и зернобобовых (на примере 11S глобулина), изучения эмульгирующей способности белковых продуктов, разработки рецептур модельных фаршевых систем, изучения их ФТС и характеристик готовых образцов (главы 3,4) послужили базисом для отработки и коррекции технологий вареных колбас. Согласно рецептурам в фарши колбасных изделий включены мука люпина (таблица 7.8, рецептуры №1, №2) и пророщенной фасоли золотистой (№3, №4), позволивших обогатить изделия клетчаткой и стабилизировать эмульсии. В первом варианте в фарш вводится эмульсия из свиной шкурки согласно разработанному патенту № 2440005, во втором – в состав эмульсии входит молочный белковый продукт «Белмикс» НК 2.1., жир-сырец свиной и католит (глава 4).
Для достижения цели получения продуктов профилактической направленности в рецептурах колбас использованы витаминный и витаминно-минеральный премиксы фирмы «АртЛайф», в рецептуры №2 и №4 введена лактулоза (в виде лактусана), ламинария (в виде гидратированного обесцвеченного порошка), в рецептуру №4 также включен цитрат кальция из яичной скорлупы (в виде гашеного лимонной кислотой или молочной сывороткой1 порошка). Внесение в рецептуры указанных ингредиентов позволило получить вареные колбасные изделия, обогащенные витаминами и минеральными веществами (таблица 7.8), в том числе с пребиотиком и биокоррекцией по уровню содержания кальция и йода.
Установленные в результате компьютерного моделирования пропорции цитрата кальция из яичной скорлупы и витаминно-минерального премикса ВП 60-05, позволили приблизить нутриентный состав продукта к 30% от уровня удовлетворения суточной потребности организма человека в кальции, а также оптимизировать соотношение кальция и фосфора (таблица 7.9).
На основании опытных данных по минеральному составу, полученных во ВНИИЖК (г. Ставрополь, 2004 г.) совместно с к.с.-х.н. Т.Ф. Лемешко количество кальция и фосфора в колбасах по рецептурам №1 и №2 составляет по 190 мг на 100 г продукта, что практически совпадает с расчетными данными и подтверждает достаточно высокую достоверность результатов, полученных с использованием программного комплекса «Etalon».
Согласно технологической схемы производства вареных колбас (рисунок 7.7) мойку сырья с целью снижения микробиальной обсемененности проводят анолитом (рН 2,2-2,8), гидратацию сухих белковых продуктов (главы 3,4) – католитом (рН 10,8-11,2).
Белково-жировые эмульсии готовят в куттере холодным способом. В начале процесса куттерования вводят говядину, затем нитритную и поваренную соль (при использовании несоленого сырья) и дробно ледяной католит (2/3 от объёма), затем вносят белоксодержащие продукты согласно рецептуре, полужирную свинину, функциональные ингредиенты, специи и оставшийся католит, за 2-3 минуты до окончания процесса куттерования вводят белково-жировую эмульсию. После формования батонов и термической обработки колбасу охлаждают водой, орошают анолитом, затем отправляют в холодильную камеру и на реализацию.