Формирование функционально-технологических свойств мясных фаршей с использованием белково-углеводных композитов

Дефицит питания является значимой проблематикой для глобального сообщества. Примерно 33% населения планеты сталкиваются с одной из форм недостаточности питательных веществ, к которым относятся голод, энергетическое истощение, дефицит критически важных микронутриентов или избыточный вес, приводящий к разнообразным патологиям, нарушениям в развитии и функциональности организма. Это, в свою очередь, сокращает продолжительность жизни и уменьшает количество лет, проведенных в состоянии здоровья. В ответ на эту проблему были предприняты шаги по перестроению продовольственных систем в различных странах. Основные задачи, поставленные в рамках этих усилий, включают в себя обеспечение доступности продовольствия, сокращение потерь и отходов пищевых продуктов, а также улучшение их питательной ценности. Эти меры находят поддержку в законодательных актах и решениях, принятых на уровне государства, в том числе и в Российской Федерации, что подтверждается соответствующими документами [1].

Наиболее востребованными продуктами питания являются полуфабрикаты и на сегодняшний день полуфабрикаты из мясного сырья занимают особое место на рынке. Однако стоит отметить, что состав таких продуктов не всегда сбалансирован по пищевым и биологическим характеристикам. В связи с государственной политикой, нацеленной на здоровый образ жизни и правильное питание, все больше потребителей обращают внимание на состав пищевых продуктов. Решением проблемы обогащения полуфабрикатов занимаются на протяжении последнего десятилетия очень активно. Так в технологии производства мясных рубленых полуфабрикатов предлагают использовать растительное сырье, которое сможет обогатить мясную основу не только белковой составляющей, но и пищевыми волокнами. В качестве обогатителей в этом случае выступают растительные композиты, в том числе овощные культуры, растительная клетчатка, а также продукты переработки бобовых культур. Использование растительных добавок может значительно обогатить продукт волокнами, которые положительно влияют на пищеварительную систему. Кроме того, такая технология позволит значительно снизить затраты на производство и как следствие конечную цену продукта для потребителя, делая мясные полуфабрикаты доступными для больших групп населения.

Данная ситуация подчеркивает необходимость увеличения ассортимента специализированных и функциональных продовольственных товаров, а также товаров повседневного потребления с добавленными питательными веществами. Также важно заниматься разработкой новых видов продовольственных изделий, обладающих определенными характеристиками, будь то полуфабрикаты или продукция, готовая к немедленному употреблению.

Однако для применения растительных добавок имеются и ограничения. При их добавлении могут значительно меняться органолептические показатели готового продукта, что отрицательно повлияет на спрос. Производство функциональных мясных рубленых полуфабрикатов обогащенного состава предполагает использование не только растительных компонентов, но и биомодифицированного вторичного мясного сырья, в частности субпродуктов крупного рогатого скота. Использование белково-углеводных обогатителей будет способствовать обогащению мясных полуфабрикатов пищевыми волокнами, а также оказывать влияние на повышении его реологических и органолептических характеристик и снижение стоимости конечного продукта.

Цель работы – исследование функционально-технологической свойств модельных фаршевых систем, содержащих белково-угле-водную композицию на основе композитов растительного и животного происхождения.

Материалы и методы

Для получения модельной фаршевой основы использовали мясную систему на основе грудной части цыплят-бройлеров и говядины 2 сорта в оптимально подобранном соотношении 60:40 на основе изучения функционально – технологических свойств мясной системы, в частности влагосвязывающей, влаго- и жироудерживающей способности. Подобранное соотношение компонентов мясной системы позволило достигнуть их максимальных значений до уровня 65,5–68,2%. При разработке белково-углеводной композиции (БУК) на основе растительного и животного сырья важна степень сочетаемости вводимых для обогащения компонентов с мясной матрицей. Входящие, в состав БУК составляющие – биомодифицированные проращиванием семена маша и субпродукты крупного рогатого скота характеризуются высоким содержанием белка (таблица 1 и 2), что открывает перспективы для их комплексного использования в технологии мясных продуктов.

Использование в составе БУК коммерческого препарата яблочной клетчатки обосновано тем, что происходит повышение сочности продукта, уменьшаются потери при жарке, а также происходит более полное связывание влаги и жира в мясной системе [2].

Таблица 1.

Химический состав коммерческого препарата яблочной клетчатки и порошкообразного полуфабриката из биомодифицированных проращиванием семян маша, г на 100 г. продукта

Table 1.

The chemical composition of the commercial preparation of apple fiber and powdered semi-finished product from biomodified germination of masha seeds, g per 100 g of the product

Массовая доля, % Mass fraction, %	Содержание | Content
	Коммерческий препарат яблочной клетчатки Commercial preparation of apple fiber	Порошкообразный полуфабрикат из биомодифицированных семян маша Powdered semi-finished product from modified masha seeds
Влага | Moisture	10,80	9,10
Жир | Fat	0,52	2,10
Белок | Protein	1,28	24,10
Углеводы | Carbohydrates	84,79	61,35
нерастворимых пищевых волокон, % insoluble dietary fiber, %	43,10	16,50
Зола | Ash	2,61	3,35

Таблица 2.

Химический состав субпродуктов КРС

Table 2.

Chemical composition of cattle by-products

Субпродукт By-product	Содержание, % | Content, %			Белки, в том числе % | Proteins, including %
	Липиды Lipids	Зола Ash	Вода Water	Полноценные Full-fledged	Коллаген Collagen	Эластин Elastin	Всего Total
Вымя | Udder	13,7	0,80	72,60	3,20	7,56	1,54	12,30
Легкое | Lungs	4,70	1,00	77,50	9,47	4,64	1,04	15,20
Сердце | Heart	3,28	1,25	78,5	9,81	1,19	3,8	14,8

В ходе наших предыдущих экспериментов было осуществлено тестирование мясных систем, в которые вводилась гидратированная яблочная клетчатка в количестве от 0% до 10%. На основании полученных данных, оптимальной оказалась концентрация яблочной клетчатки в размере 3%. Выбранная дозировка значительно улучшила функциональные и технологические характеристики мясного фарша. В частности, было выявлено, что введение данной добавки в количестве 3% в предварительно гидратированном виде является наиболее эффективным, поскольку обеспечивает водоудерживающую способность (ВУС) модельного фарша на уровне 77%, в то время как для контрольного образца (без ввода яблочной клетчатки) данный показатель составлял 61%. Наблюдалось, что с ростом процентного содержания яблочной клетчатки в общем объеме фарша его влагоудерживающая способность увеличивалась, достигая значения в диапазоне 72–78%.

Результаты

При разработке новой рецептуры обогащенного мясного продукта предлагается вертикально-интегрированный подход, который поможет выявить наилучшее соотношение белково-углеводных композитов с целью придания конечной системе заданных свойств.

Для обработки полученных экспериментальных данных использовали статистический метод на основе ротатабельном униформпланировании. Такой подход позволил в результате 32 экспериментов в трехкратном повторении получить уравнение регрессии, которое дают представление о протекающем в системе процессе.

Факторы, которые существенно влияют на разрабатываемую рецептуру, включают следующие значения: х 1 – дозировка биомодифи-цированного сердца КРС, %, х 2 – дозировка субпродуктовой пасты из биомодифицирован-ного вымени и легкого КРС, %; х 3 – дозировка коммерческого препарата яблочной клетчатки, %; х 4 – дозировка порошкообразного полуфабриката из биомодифицированных семян маша. Для оценки влияния составляющих элементов были использованы следующие определения: у 1 – ВСС, %; у 2 – ВУС, %. Пределы изменения факторов исследования представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Пределы изменения факторов исследования

Table 3.

Limits of change of study factors

Условия планирования Planning conditions	Пределы изменения факторов | Limits of change of factors
	х 1 , %	х 2 , %	х 3 , %	х 4 , %
Нулевой уровень (0) | Level zero (0)	7,5	7,0	3,0	9,0
Верхний уровень (+1) | Upper level (+1)	9,5	8,0	4,0	11,0
Нижний уровень (-1) | Lower level (-1)	5,5	6,0	2,0	7,0
Верхняя «звездная» точка (+2) | Upper "star" point (+2)	11,5	9,0	5,0	13,0
Нижняя «звездная» точка (-2) | Lower "star" point (-2)	3,5	5,0	1,0	5,0

Исследуемый процесс может быть представлен в математической модели полинома второй степени:

y = b 0 ⁺Y bx + Yh x ⁺ t b ^xx   (1)

i-1           i-1            i < j где b0 – представляет собой свободный член уравнения, который равен средней величине отклика при средних "нулевых" уровнях факторов; x – это масштабированные значения факторов, определяющие функцию отклика и подверженные варьированию; bij – коэффициенты двухфакторных взаимодействий, отражающие, как изменяется степень влияния одного фактора при изменении величины другого; bii – коэффициенты квадратичных эффектов, определяющие нелинейность выходного параметра от рассматриваемых факторов; i, j – индексы факторов; n – число факторов в матрице планирования.

Обсуждение

В целях оценки адекватности математической модели был проведен дисперсионный анализ (ANOVA) эксперимента с использованием программы Design Expert (Stat-Ease Inc.).

y = 80,50 + 1,85 x + 1,07 x ₂ + 1,09 x ₃ + 1,92 x ₄ -- 1,42 xx ₂ - 0,92 x₃x ₃ + 0,83 x₂x ₃ + 0,29 x₂x ₄ -   (2)

- 1,45 X [² + 0,05 x ₂ ² - 1,08 x ₃² - 0,79 x₄²

y ₂ = 78,70 + 0,75 x + 0,25 x ₂ + 0,55 x ₃ + 0,21 x ₄ - - 0,48 xx + 0,28 xx - 0,31 xx + 0,19 x₂x ₃ -      ⁽³⁾

- 0,63 x₂x ₄ - 1,29 x j² - 0,73 x 2² - 1,02 x ₃² - 0,47 x 2²

Анализируя полученные уравнения регрессии (2 и 3), выделили факторы, которые влияют на исследуемый процесс. В результате делали вывод о том, что для показателя ВСС наибольшее влияние оказывали дозировки биомодифицированного сердца КРС и порошкообразного полуфабриката семян маша. Для показателя ВУС особое влияние оказывала дозировка биомодифицированного сердца КРС и яблочной клетчатки. Также было обнаружено, что знак «+» перед коэффициентом при линейных членах указывает на то, что с увеличением значения параметра, значение выходного параметра будет уменьшаться со знаком «–» – убывать.

На рисунке 1 представлена оценка влияния входных параметров хi на выходные параметры уi.

Данная модель позволяет определить оптимальное сочетание входных факторов для получения максимального значения выходных параметров. Оптимизация основывается на анализе больших объемов данных и использовании статистических методов.

Процедура численной оптимизации основывается на методах математического программирования. Благодаря использованию этих методов удалось снизить сложность задачи и получить быстрое и точное решение.

Графическая процедура оптимизации представляет собой интуитивный и наглядный способ визуализации результатов. Она позволяет наглядно представить зависимость выходных параметров от входных факторов и определить оптимальное сочетание этих факторов.

Таким образом, предложенные численная и графическая процедуры оптимизации обладают значительным практическим потенциалом и позволяют прогнозировать оптимальный уровень входных факторов, а также получать средне-высокие значения выходных параметров.

Рисунок 1. Воздействие значений хi на показатели уi; а – для ВСС, %; б – для ВУС, %

Figure 1. Impact of xi values on yi indicators; a – for VSS, %; b – for VUS, %

(b)

В результате решения оптимизационной задачи было выявлено, что для нахождения интервалов оптимальных значений параметров необходимо учесть значение желательности, которое составляет D→1,0.

Были определены оптимальные интервалы параметров, которые влияют на решение поставленной задачи оптимизации. Конкретнее, значения следующих параметров лежат в оптимальных интервалах: х1 (8,48–9,75, %); х2 (6,78–8,01, %); х3 (2,84–3,95, %; х4 (8,07–10,64, %).

Далее, были наложены полученные интервалы друг на друга, что позволило определить область пересечения оптимального решения. Она выделена на рисунке 2 и представляет собой белую зону. Важно отметить, что данная область соответствует заданным критериям оптимизации.

(a)

Рисунок 2. Область решения задачи оптимизации в интервале [-2… + 2]

Figure 2. Solution domain of the optimization problem in the interval [-2… + 2]

(b)

Таким образом, проведенный анализ и определение оптимальных значений параметров помогли выявить область, где достигается наилучшее решение поставленной задачи оптимизации. Данные выходных параметров в итоге составили:

– ВВС, у 1 = 82,68, %, ВУС, у 2 = 78,43, %, при соответствующих входных: x 1 = 8,48%; x 2 = 6,79%; x 3 = 3,45%; x 4 = 10,56%.

Для проверки точности выбора оптимальных условий процесса была проведена серия параллельных экспериментов. После сравнения результатов экспериментов с расчетными данными была обнаружена значительная сходимость. Все полученные данные попали в пределы рассчитанных доверительных интервалов параметров оптимизации.

Подобранный компонентный состав БУК позволит нам разработать новый вид обогащенного мясного продукта для функционального питания.

Полученные данные легли в основу разработки рецептуры рубленых полуфабрикатов на основе модельного фарша – котлеты «Домашние».

Разработанный нами мясной рубленый полуфабрикат – котлеты «Закусочные» обогащен за счет включения композитов растительного и животного происхождения белками, пищевыми волокнами, витаминами группы В, а также магнием, фосфором и калием, что предполагает использование данного вида продукта для функционального питания.

Мясные продукты, обогащенные пищевыми волокнами, как в растворимом, так и в нерастворимом виде, обладают свойствами, препятствующими аккумуляции тяжелых металлов в организме. Они эффективно уменьшают содержание свинца в печени и в целом способствуют уменьшению концентрации солей тяжелых металлов. Растворимые пищевые волокна также способствуют лучшему усвоению кальция [1].

Химический состав рубленых полуфабрикатов – котлет «Закусочные» представлен в таблице 4.

Результаты исследования химического состава разработанного вида мясного рубленого полуфабриката с использованием белково – углеводной композиции и рН – среды позволяют установить зависимость между рецептурными компонентами мясной системы и обогащающей композиции. Показатели влагосвязывающей способности для опытного образца рубленого полуфабриката находится на уровне 77,5–78,0%, что превышает значения контрольного рубленого полуфабриката. Аналогично тенденция прослеживается по показателям влаго- и жироудерживающей способности фарша с включением белково-углеводной композиции (повышения до уровня 80,5–81,7% относительно контрольного образца, имеющего значения данных), что также говорит об улучшении функционально-технологических свойств разработанной мясной системы.

Таблица 4.

Химический состав мясных рубленых полуфабрикатов

Table 4.

Chemical composition of minced meat semi-finished products

Показатель Indicator	Значение показателя для полуфабрикатов рубленых (котлет) Value of the indicator for semi-finished chopped (cutlets)
	Котлеты «Домашние» (контроль) Cutlets "Homemade" (control)	Котлеты «Закусочные (опыт) Cutlets "Snack bars" (experiment)
Массовая доля влаги, % | Mass fraction of moisture, %	59,98	60,66
Массовая доля жира, % | Mass fraction of fat, %	18,08	12,07
Массовая доля белка, % | Mass fraction of protein, %	12,78	13,59
Массовая доля углеводов, % Mass fraction of carbohydrates, %	9,16	13,68
в том числе пищевых волокон including dietary fiber	–	9,34
рН полуфабриката | pH of the semi-finished product	6,0	6,3
Соотношение жир: белок: вода Fat:protein:water ratio	1,4:1: 4,7	1:1,12:5,02

Опытный образец рубленных полуфабрикатов обладал более высокой органолептической оценкой и плотной структурой.

Опытный образец рубленого мясного полуфабриката по сравнению с контрольным образцом содержит меньшее количество жира и большее количество белка. Последнее обусловлено увеличением в рецептуре белковой составляющей животного и растительного происхождения.

Заключение

Проведенные исследования по оценке эффективности использования в составе мясных систем белково-углеводных композиций свидетельствует о перспективах их внедрения в производственный цикл выработки мясных рубленых полуфабрикатов обогащенного состава. Методами математического моделирования оптимизирован состав белково – углеводной композиции, позволяющей формировать функционально-технологические свойства конечной фаршевой системы. Доказано, что применение в составе фаршевой системы белково-углеводной композиции на основе ингредиентов растительного и животного происхождения оказывает положительное влияние на структуру и пищевую ценность рубленых полуфабрикатов.