С целью придания им функциональных свойств

В природе не существуют продукты, которые содержали бы все необходимые человеку компоненты, поэтому только комбинация разных продуктов лучше всего обеспечивает организму доставку с пищей необходимых физиологически активных компонентов. В результатах научных исследований ведущих отечественных ученых сформулированы принципы и формализованные методы проектирования рациональных рецептур продуктов питания с заданным комплексом показателей пищевой ценности.

Академиком РАСХН Н.Н. Липатовым (мл.) предложен подход к проектированию многокомпонентных продуктов, учитывающий специфику индивидуальных особенностей организма. Придерживаясь основной концепции рационального питания, по его мнению, задача оптимизации рецептур состоит в подборе таких компонентов и определении их соотношений, которые обеспечивают максимальное приближение массовых долей нутриентов к персонифицированным эталонам. Исходт из предположения, что все виды механической обработки сырья, связанные с приготовлением рецептурных смесей, приданием отдельным компонентам требуемой дисперсности или необходимых реологических свойств, не нарушают принципа суперпозиции в отношении биологически важных пищевых веществ исходных ингредиентов. Затем получают расчетную информацию о массовых долях белков, липидов, углеводов, минеральных веществ, витаминов. Для проектирования и оценки возможно большего количества комбинаций исходных компонентов при разработке рецептур новых поликомпонентных пищевых продуктов создана система компьютерного проектирования, позволяющая пользоваться банком данных о составе компонентов.

Проектирование функциональных продуктов должно выполняться с использованием следующих методических принципов:

- формирование физиологической ценности продукта как продукта функционального питания;

- обеспечение функциональной совместимости физиологической добавки с основными компонентами пищевых систем;

- сохранение нативных свойств или физиологической активности добавок в процессе технологической обработки;

- улучшение потребительских свойств продуктов в результате введения в рецептуру предлагаемых добавок;

- обеспечении идентификации вводимых добавок с определенной биологической активностью (химической природой, содержанием и т.п.).

Разработка продуктов, отвечающих заданным требованиям, заключается в обеспечении сбалансированного химического состава и удовлетворительных потребительских характеристик. Оптимизация параметров разрабатываемого продукта проводится путем моделирования рецептуры с использованием интегрального критерия сбалансированности по показателям качества. Моделирование рецептур сводится к нахождению некоторой области G -многофакторного n -мерного пространства R_n, отвечающей ограничениям, поставленным целью проектирования. В конкретном случае в качестве многомерного пространства может выступать линейная форма вида:

F(X₁, …, Х_n)= C_iX_k, (5.1)

где n - количество ингредиентов в рецептуре;

m - количество компонентов в i -ом ингредиенте продукта;

X_k - k -ый ингредиент в рецептуре;

C_i - массовая доля i -го компонента в X_k ингредиенте, %.

Область G определяется системой неравенств, представляющих собой ограничения, накладываемые на содержание b_ii -х компонентов рецептуры, и сводится к отысканию экстремума:

b_imin≤ ≤ b_imax. (5.2)

В связи с тем, что совокупность ограничений может быть противоречива, данный метод лишь констатирует данные противоречия и не выявляет, какие из них более критичны. Существует модель, позволяющая учесть данное замечание. В качестве такой модели выбрана квалиметрическая мультипликативная модель вида:

D= , (5.3)

где D - обобщенный критерий моделирования, DÎ [0, 1];

d_i - частные критерии по каждому из факторов, т.е. коэффициент, который может принимать значения от 0 до 1 в зависимости от значения фактора (массовой доли компонента, входящего в рецептуру).

Модель позволяет свести в одну формулу относительные, комплексные и простые единичные показатели качества и обеспечить независимость свойств каждого из показателей. Фактор моделирования преобразуется в безразмерную величину, которая выступает показателем соответствия его значения эталону. Для нахождения частного критерия используют значения функцию желательности Харрингтона: 0, 8-1, 00 - отлично, 0, 63-0, 80 - хорошо, 0, 37-0, 63 удовлетворительно, 0, 20-0, 37 - неудовлетворительно, 0-0, 20 - неприемлемо (рис. 5.1).

При двустороннем ограничении на рассматриваемый фактор функция вычисляется по формуле:

d_i=exp(- ê y^, ê ⁿ, (5.4)

где y^, = [ 2b-(b_max+ b_min) ] / -(b_max+ b_min).

Функция (5.4) позволяет формировать функцию желательности в диапазоне значений фактора (5.2).

Рассмотрим некоторые возможные варианты проектирования функциональных продуктов питания.

Принято считать, что 1 г идеального белка должен содержать изолейцина - 40, лейцина - 70, лизина - 55, метионина с цистином - 35, фенилаланина с тирозином - 60, триптофана - 10, треонина - 40 и валина - 50 мг. Для оценки качества жиров по жирнокислотному составу Институт питания РАМН и ВНИИМС предложили по аналогии с идеальным белком ввести понятие «гипотетически идеальный жир», предусматривающее определенные соотношения между отдельными группами и представителями жирных кислот. Согласно этой модели «гипотетически идеальный жир» должен содержать (в относительных частях): ненасыщенных жирных кислот - от 0, 38 до 0, 47; насыщенных жирных кислот - от 0, 53 до 0, 62; олеиновой кислоты - от 0, 38 до 0, 32; линолевой кислоты - от 0, 07 до 0, 12; линоленовой кислоты - от 0, 005 до 0, 01; низкомолекулярных насыщенных жирных кислот - от 0, 1до 0, 12; трансизомеров - не более 0, 16. Отношения содержания ненасыщенных и насыщенных жирных кислот в таком жире должны находиться в пределах от 0, 6 до 0, 9; линолевой и линоленовой кислот - от 7 до 40; линолевой и олеиновой кислот - от 0, 25 до 0, 4; олеиновой с линолевой и пентадециловой со стеариновой кислот - от 0, 9 до 1, 4. Эти сведения можно использовать при создании программ компьютерного проектирования рецептур многокомпонентных продуктов. Программное обеспечение проектирования, а также его реализация на IBM-совместимой компьютерной технике на основании теоретических подходов с использованием уравнений базировалось на работах академиков И.А. Рогова и Н.Н. Липатова. В основу методологии положено уравнение материального баланса:

Si^S= , (5.5)

где S_i^S - массовая доля вещества в рецептурной смеси, %;

Х_i - массовая доля i -го компонента в рецептурной смеси, %;

S_i - массовая доля пищевого вещества i -го компонента в рецептурной смеси, %.

Из различий аминокислотного состава белков вытекает возможность повысить их биологическую ценность в результате смешения сырья растительного и животного происхождения, дополняющих друг друга по аминокислотному составу. Необходимо также отметить, что эффекты взаимного обогащения и повышения биологической ценности наблюдаются как для смеси белков, так и комбинаций пищевых продуктов, содержащих эти белки. Применительно к различным отраслям пищевой промышленности, а также проектированию белкового, аминокислотного, углеводного, витаминного, минерального состава уравнение (5.1) модифицировано с учетом специфики проектируемых продуктов. Независимо от сути предлагаемых технических решений для поликомпонентных смесей возможны, как минимум, три варианта постановки задачи.

1. Достижение точного соответствия количественных соотношений нутриентов проектируемого продукта эталону. В этом случае составляется система линейных алгебраических уравнений вида:

=А_идi, (5.6)

где n - число компонентов;

m - число оптимизируемых веществ;

- массовая доля i -го оптимизированного вещества в

j -ом компоненте;

С_j - массовая доля j -го компонента.

В рассматриваемой задаче оптимизации состава продукта путем подбора его рецептурного состава, где неизвестными являются Сj, имеем систему линейных алгебраических уравнений из m уравнений с n неизвестными, которая разрешима при выполнении условий:

n< m; D¹ 0, (5.8)

где D - главный определитель системы.

Т.к. в случае

С_j³ 100, (5.9)

задача не имеет физического смысла, на решение системы необходимо наложить ограничение

С_j< 100. (5.10)

2. Минимизация суммы отклонений реальных количественных соотношений веществ проектируемого продукта от рекомендуемого эталоном для каждого вещества составляет

®min. (5.11)

3. Оптимизация показателей продукта, отличных от тех, которые регламентируются эталоном. В большей степени использование этого варианта оптимизации возможно при моделировании биологической ценности, например, по коэффициенту утилитарности аминокислотного состава белка, расчета коэффициентов различия аминокислотного скора и т.д.

Несмотря на простоту процедуры нахождения точного решения, условия (5.4) и (5.6) существенно ограничивают область практического применения предлагаемых подходов.

Профессором К.К. Полянским предложено учитывать не только функциональные свойства используемых в рецептурах пищевых добавок, но и их технологические характеристики. Например, пищевые волокна помимо сорбционных свойств в отношении токсинов обладают влагосвязывающими показателями. В связи с этим, количество пищевых волокон w_ПВ, %, с учетом органолептических и структурно-механических показателей определяли по формуле:

w_ПВ = К₁К₂ , (5.12)

где К₁, К₂ - эмпирические безразмерные коэффициенты;

i - количество компонентов в смеси;

m_i - массовая доля влаги в i -ом компоненте, %;

M_i - расход i -го компонента смеси, части.

При использовании уравнения (5.12) выбор коэффициентов К₁, К₂ зависит от влагоудерживающей способности и вида использованного сырья. Например, для растительного сырья, содержащего пищевые волокна с влагоудерживающей способностью (ВУС) от 2 до 2, 5 г воды на 1 г пищевых волокон К₁ колеблется от 0, 4 до 0, 5; при ВУС от 20, 9 до 23, 4 К₁ составляет от 0, 048 до 0, 43; при ВУС от 12, 0 до 12, 5 К₁ составляет 0, 081-0, 083. Эмпирический коэффициент К₂ зависит от органолептических характеристик и изменяется в интервале от 0 до 1.

Отметим, что наиболее серьезные методы проектирования многокомпонентных продуктов питания сложного сырьевого состава разработаны для корректировки именно биологической ценности продуктов питания. Начальный этап разработки теоретических основ и конкретных методов реализации принципов проектирования сбалансированных пищевых продуктов по биологической ценности связан с формализацией качественных и количественных представлений о рациональности использования незаменимых аминокислот в технологии адекватной экзотрофии.

Для определения показателя сопоставимой избыточности содержания незаменимых аминокислот (s_с), характеризующего суммарную массу незаменимых аминокислот, не используемых на анаболические цели в таком количестве белка оцениваемого продукта, которое эквивалентно по их потенциально утилизируемому содержанию 100 г белка эталона, используют формулу:

s_с = , (5.13)

где А_j - массовая доля j -й незаменимой аминокислоты в продукте, г/100 г белка;

С_min - минимальный скор незаменимых аминокислот оцениваемого белка по отношению к физиологически необходимой норме (эталону) (%), или доли ед.;

А_эj - массовая доля j -й незаменимой аминокислоты, соответствующая физиологически необходимой норме (эталону), г/100 г белка.

Физический смысл уравнения (5.13) состоит в том, что чем меньше значения s_с, тем лучше сбалансированы незаменимые аминокислоты и тем рациональнее они могут быть использованы организмом (в идеале s_с =0).

Продукт по биологической ценности может считаться предпочтительным, когда при условии равного обеспечения организма анаболическим материалом максимальная, по сравнению с другими вариантами, доля содержащихся в его белке ассимилируемых аминокислот в силу взаимосбалансированности между собой и с заменимыми аминокислотами способна использоваться на анаболические цели без деградации на нужды биосинтеза заменимых и не расходоваться на компенсацию энергозатрат организма.

{Rc® max; S^БСНАК® min; S^ЭГНАК® min} (5.14)

В результате анализа существующих рецептур и реальных возможностей промышленных предприятий молочной промышленности выявлено, что при разработке новых видов продуктов, в т.ч. специального назначения, вряд ли следует использовать в их рецептурах более шести белоксодержащих ингредиентов. В связи с этим несложно получить зависимость, позволяющую с помощью ЭВМ реализовать циклический алгоритм состава шестикомпонентной композиции. Оригинальность этой модели в том, что при ее реализации на ЭВМ достаточно задавать только массовую долю первого компонента.

В дальнейшем рассчитывают энергетическую ценность проектируемых продуктов питания (Q, кДж):

Q=17, 2SX_i^pp_i{1-C_min(X_i^p)}+38, 8SSX_i^LL_iI_ij+15, 7SSX_i^CC_ij, (5.15)

где SX_i^p - массовая доля i -го белоксодержащего компонента, ед.;

p_i - массовая доля белка в i -м компоненте, %;

X_i^L - массовая доля i -го жиросодержащего компонента, ед.;

­L_i - массовая доля жира в i -м компоненте, %;

I_ij - массовая доля жира j -х жирных кислот в жире i -го компонента, %;

X_i^C - массовая доля i -го углеводсодержащего компонента, ед.;

C_ij - массовая доля j -х сахаров в i -ом углеводсодержащем компоненте, %;

17, 2; 15, 7 и 38, 8 - коэффициенты, пропорциональные энергетической ценности белков, углеводов и жиров.

Первая сумма во втором слагаемом формулы (5.15) учитывает, что при правильной сбалансированности жирнокислотного состава полиненасыщенные кислоты не должны быть использованы на компенсацию энергозатрат организма. В первой сумме третьего слагаемого значения индекса j отождествляют: 1 - с моносахаридами; 2 - с дисахаридами; 3 - с гидролизуемыми полисахаридами.

Расчетную энергетическую ценность по формуле (5.15) сравнивают с требуемой Q_э. Если расчетная энергоценность меньше Q_э, то в состав продукта вводят дополнительные технологически допустимые углеводсодержащие компоненты. Если расчетное Q> Q_э, то можно заменять X_i^L с излишне высокими значениями L_i на новые, технологически допустимые, с меньшими значениями L_i.

Для того чтобы весь белок одноразового рациона мог быть использован на анаболические нужды организма, необходимо выполнение следующего равенства:

A_эi=M_pP_pA_j+DP z_j /P_н, (5.16)

где A_эi - массовая доля j -й незаменимой аминокислоты в белке-эталоне, г/100 г белка;

A_j - рассчитанная массовая доля j -й незаменимой аминокислоты в немолочной части одноразового рациона, г/100 г белка;

z_j - требуемая для удовлетворения массовая доля j -й незаменимой аминокислоты в белке немолочного продукта, входящего в одноразовый рацион, г/100 г белка.

z_j=(A_эiP_н-M_pP_pA_j)/DP, (5.17)

Такие z_j являются новым эталоном аминокислотного состава, к которому должен стремиться белок проектируемого продукта.

Доказано, что обеспечение всех слоев населения эссенциальными биологически активными веществами наиболее эффективно и экономически целесообразно путем обогащения продуктов питания массового потребления. Это направление в СССР получило свое развитие с 30-х годов ХХ в. благодаря усилиям профессора В.В. Ефремова. Он, по сути, является инициатором и родоначальником создания доступных для всех слоев населения функциональных продуктов. Следует отметить предпринимаемые Институтом питания РАМН усилия, направленные на улучшение структуры и пищевого статуса всех слоев населения.

В нашей стране до начала реформ обогащение продуктов питания являлось обязательным и было закреплено нормативными документами. Особого внимания заслуживает внимания Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 20.06.88 № 764, в котором Госагропрому СССР и Минхлебопродукту СССР доводились плановые задания по выпуску витаминизированных продуктов.

В качестве эффективного способа получения продуктов питания специального назначения может служить использование в рецептурах поливитаминных и витаминно-минеральных премиксов, которые представляют собой смеси основных необходимых человеческому организму витаминов (С, А, Е, D, В₁, В₂, В₆, В₁₂, РР, фолиевой и пантотеновой кислот, биотина), с сахарозой или молочным сахаром (лактозой), минеральными веществами - железом, кальцием, йодом, фтором. В рецептурах премиксов витамины используются в виде специально разработанных водорастворимых форм, стабильность которых при некоторых видах технологической обработки (пастеризация, перемешивание) максимальна.

Для любого продукта существуют оптимизированные витаминно-минеральные добавки, которые вносят на определенных стадиях технологического процесса. Так, в хлебобулочные и макаронные изделия целесообразно вносить сухие премиксы на стадии замеса теста; в муку и крупу также лучше вносить премиксы на стадии помола; на рис и сухие завтраки лучше напылять покрытие, содержащее биопрепараты; соки, безалкогольные напитки, молочные продукты лучше обогащать перед тепловой обработкой водорастворимыми витаминами или эмульсиями жирорастворимых микронутриентов (в процессе гомогенизации); маргарины обогащают жировой эмульсией микронутриентов перед сбиванием; в сахар вводят порошкообразный премикс на стадии отбеливания; соль обогащают водным раствором микронутриентов или порошкообразным премиксом после размола.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие ученые внесли вклад в развитие современной парадигмы питания?

2. Что такое FOSHU - “food for specifield helth use”?

3. Какие ученые внесли значительный вклад в развитие принципы моделирования состава функциональных мясных и молочных продуктов?

4. Что учитывают при проектировании аминокислотного состава?

5. Какой белок является идеальным? Для чего он используется?

6. С чем связано проектирование жирнокислотного состава функциональных продуктов? Что такое «гипотетически идеальный жир»?

7. Приведите основные принципы обогащения продуктов питания незаменимыми нутриентами.