Компьютерное моделирование рецептурного состава сахарного печенья пониженной энергетической ценности

Известно, что питание является одним из главных факторов, обусловливающих состояние здоровья человека.

Выявленное нарушение структуры питания и пищевого статуса у населения Российской Федерации приводит к разбалансировке защитных систем организма, снижению способности организма эффективно отвечать на отрицательное воздействие окружающей среды, и, как результат, способствует развитию различных заболеваний [1–4]. В этой связи представляет научный интерес разработка рецептур мучных кондитерских изделий со сниженной калорийностью. Приоритетной задачей оптимизации рецептурного состава изделий нового поколения является поиск и применение в рецептуре растительных компонентов, способных повысить пищевую ценность изделий, и снизить их калорийность.

Выбор растительных компонентов для оптимизации рецептуры базируется на анализе их химического состава. При этом в технологии продуктов питания в качестве готовых продуктов, полуфабрикатов и компонентов рецептуры для производства сухих завтраков [5, 6], хлебобулочных и мучных кондитерских изделий [7, 8], а также мясных кулинарных изделий и мясопродуктов [9], а также напитков [10] широко применяют продукты экстру-знойной обработки.

Свойства экструдированного сырья обусловлены различными факторами: конструктивно-технологическими параметрами экструдеров, режимами проведения всех стадий технологического процесса экструдирования, химическим составом экструдируемого сырья. Установлено, что эффективная модификация химического состава и функциональнотехнологических свойств растительного сы- рья, применяемого в производстве продуктов питания, возможна путем термовакуумного воздействия на экструдируемое сырье при выходе его из фильеры экструдера [11–13].

При разработке оптимизированных рецептур продуктов питания с заданным химическим составом и обогащенных функциональными пищевыми ингредиентами (ФПИ) актуальным является применение методов компьютерного моделирования [14, 15]. Компьютерное моделирование пищевых продуктов с заданным химическим составом и технологическими свойствами, в основном, базируется на методах линейного программирования.

Целью исследований является оптимизация с использованием симплекс-метода рецептурного состава сахарного печенья с применением ЭКС по критерию минимизации энергетической ценности.

Объекты и методы исследования

Для реализации поставленной цели в качестве объекта исследования использовали рецептуру сахарного печенья с применением ЭКС зерна пшеницы сорта Саратовская 36 и семян льна масличного в соотношении 3:1. ЭКС получали путем обработки в экструдере, снабженном вакуумной камерой [16]. Полученную ЭКС измельчали на лабораторной мельнице ЛМТ-1 и смешивали с пшеничной мукой. Прототипом послужили рецептура и технология сахарного печенья «Нева».

Выбор ЭКС обусловлен, во-первых, эффективным действием термопластической экструзии, приводящей к модификации биополимеров (крахмала и белка) и функционально-технологических свойств крахмалсодержащего сырья, а также сырья с повышенным содержанием липидов, и к повышению его технологического потенциала. Во-вторых, одновременное экструдирование крахмалсодержащего сырья с другими растительными добавками (белоксодержащими и липидсодержащими) представляет собой новую ступень в разработке полуфабрикатов с целью получения продуктов питания, обогащенных различными ФПИ [13].

Выбор в качестве ингредиента ЭКС семян льна обусловлен наличием в них ФПИ, таких, как пищевые волокна, витамины В1, В2, РР, макро- и микронутриенты (калий, кальций, марганец, фосфор, железо), полиненасыщен-ные жирные кислоты (ПНЖК) – линоленовая (ω-3) и линолевая (ω-6) кислоты. Указанные жирные кислоты участвуют в синтезе гормонов, осуществляющих регуляцию обменных процессов в клетках, оказывают влияние на сердечно-сосудистую деятельность. Существенно участие ПНЖК в формировании фосфолипидов клеточных мембран. Они необходимы для правильного роста и функционирования организма человека, и входят в состав всех клеточных оболочек и мембран. Дефицит ПНЖК приводит к патологическим изменением в различных органах. Велико в семенах льна содержание белка –20–25 %, а также пищевых волокон – 20–28 % [17].

Для проектирования рецептуры сахарного печенья пониженной энергетической ценности использовали надстройку MS Excel «Поиск решения», представляющую собой возможность решения задачи линейного программирования и позволяющую оптимизировать состав рецептур.

Задача оптимизации решалась по химическому, витаминному, минеральному составу. Целевой функцией являлась минимальная энергетическая ценность сахарного печенья.

Результаты и их обсуждение

Методология проектирования рецептуры многокомпонентного мучного кондитерского изделия заключалась в последовательной реализации этапов:

• –    формирование информационного банка данных химического состава и энергетической ценности компонентов проектируемой рецептуры сахарного печенья;

• –    создание линейных уравнений по оптимизации уровня белков, жирнокислотного, углеводного, витаминного и минерального состава проектируемого продукта;

• –    разработка ограничений на использование отдельных компонентов;

• –    определение функции цели (критерий оптимизации) для проведения оптимизации рецептуры (минимальная энергетическая ценность изделия);

• –    решение оптимизационной задачи при разработке рецептуры сахарного печенья с помощью компьютерного моделирования.

В результате оптимизации должно быть достигнуто снижение энергетической ценности изделия и его обогащение ФПИ.

На основании информационного банка составлена система линейных балансовых уравнений по белку, а также жировому, углеводному, витаминному и минеральному составу проектируемого изделия.

В диалоговом окне «Поиск решения» указана целевая функция и приведены ограничения (рис. 1).

Результаты расчета рецептуры сахарного печенья с помощью надстройки MS Excel «Поиск решения» приведены на рис. 2.

Масса компонентов оптимизированной рецептуры приведена в граммах в составе массы теста, необходимого для получения 100 г сахарного печенья. В соответствии с базовой рецептурой для получения 100 г сахарного печенья масса теста составляет 113,6 г. Содержание основных пищевых ингредиентов в изделиях по традиционной рецептуре и по предлагаемой модернизированной приведено без учета потерь сухих веществ.

Цель проектирования рецептуры сахарного печенья с применением ЭКС достигнута. Энергетическая ценность сахарного печенья в соответствии с математическим моделированием по предлагаемой оптимизированной рецептуре составляет 413,37 ккал, что на 6,7 % ниже энергетической ценности сахарного печенья по традиционной рецептуре (444,5 ккал).

В соответствии с математическим моделированием оптимальным количеством ЭКС является 12,5 г к массе рецептурных компонентов для получения 100 г печенья. Указанное количество внесенной ЭКС в сравнении с рецептурой прототипа позволяет снизить содержание пшеничной муки высшего сорта на 11,0 % (с 66,34 г до 59,0 г), сахарной пудры на 11,8 % (с 21,55 г до 19,0 г), маргарина на 23,7 % (с 12,68 г до 9,68 г). При этом в модернизированную рецептуру сахарного печенья требуется внести больше, чем в рецептуру прототипа, кукурузного крахмала, меланжа и инвертного сахара на 1,9; 0,5; 0,5 %, соответственно.

Содержание белка по результатам расчета оптимизированной рецептуры сахарного печенья на 8,8 % выше, чем в изделиях по традиционной рецептуре. Содержание жира ниже на 15 %. Внесение 12,5 % ЭКС для получения 100 г сахарного печенья привело к обогащению изделий ПНЖК. Высокий уровень ПНЖК в семенах льна приводит к повышению в 5,8 раза указанных функциональных ингредиентов в проектируемых изделиях с заменой 11 % пшеничной муки на муку ЭКС. В проектируемых изделиях с применением ЭКС содержание α-линоленовой кислоты (ω-3) возрастает в 21 раз. Содержание линолевой жирной кислоты (ω-6) возрастает в 4,8 раза в сравнении с уровнем указанной жирной кислоты изделиях по традиционной рецептуре.

Расчет количества крахмала в изделиях по традиционной рецептуре свидетельствует о более высоком уровне в сравнении с проектируемыми изделиями: содержание крахмала снизилось на 2 %. Содержание моно- и дисахаридов повысилось на 11,4 %, что коррелирует с полученными авторами ранее данными о деструкции крахмала растительного сырья при экструзионной обработке [11].

В соответствии с математическим моделированием в проектируемых изделиях повышается содержание пищевых волокон – на 125 %. Улучшился витаминный состав проектируемых изделий. Содержание В1, В2 и РР повысилось на 91; 36; 84 %, соответственно.

Применение муки ЭКС привело к повышению содержания калия, магния, фосфора и железа в сравнении с традиционным составом изделий.

В табл. 1 приведена рецептура сахарного теста с применением ЭКС в соответствии с результатами математического моделирования.

Рецептура сахарного печенья, полученная путем компьютерного моделирования, апробирована в лабораторных исследованиях. Установлено, что по органолептическим показателям сахарное печенье с применением ЭКС в количестве 12,5 г при изготовлении 100 г изделий не уступало показателям прототипа.

Определение органолептических (цвет, вкус, запах, форма, состояние поверхности, вид в изломе) и физико-химических (массовая доля влаги, намокаемость) показателей качества разработанного печенья подтвердило его соответствие требованиям ГОСТ 24901-2014.

В табл. 2 приведены результаты определения пищевой и энергетической ценности сахарного печенья в соответствии с оптимизированной рецептурой.

Анализ пищевой ценности прототипа и сахарного печенья с применением ЭКС свидетельствует о значительном повышении пищевой ценности изделия по оптимизированной рецептуре за счет обогащения белками – 11,6 % от уровня суточной потребности (СП) против 10,7 % в прототипе (см. табл. 2). Известно, что содержание белка в 100 г пищевого продукта более 7,5 г является высоким [18].

Установлено, что степень удовлетворения СП в ПНЖК при употреблении 100 г изделий на основе муки из ЭКС составляет 26,4 %, в ω-3 жирной кислоте – на 66,0 %, в ω-6 жирной кислоте – на 22,9 %. При употреблении 100 г

Таблица 1

Рецептура сахарного печенья с применением ЭКС зерна пшеницы и семян льна (г/100 г изделий)

Наименование сырья	Массовая доля сухих веществ, %	На 100 г готовой продукции
		Сахарное печенье (прототип)		Сахарное печенье (оптимизированная рецептура)
		в натуре	в сухих веществах	в натуре	в сухих веществах
Мука пшеничная высшего сорта	85,50	66,34	56,70	59,00	50,45
ЭКС	93,00	0	0	12,50	11,63
Сахарная пудра	99,85	21,55	21,52	19,00	18,97
Маргарин	84,00	12,68	10,58	9,68	8,13
Крахмал кукурузный	87,00	4,91	4,27	5,00	4,35
Меланж	27,00	3,98	1,07	4,00	1,08
Инвертный сироп	70,00	2,98	2,09	3,00	2,10
Сода пищевая	50,00	0,49	0,25	0,49	0,25
Соль	96,50	0,49	0,47	0,49	0,47
Эссенция	0	0,27	0	0,27	0
Соль углеаммонийная	0	0,17	0	0,17	0
Итого		113,6	96,95	113,6	97,42
Выход	95,5	100,0	95,5	100,0	95,5

Таблица 2

Пищевая и энергетическая ценность сахарного печенья с применением экструдированной композитной смеси зерна пшеницы и семян льна

Наименование пищевых веществ и энергетическая ценность Рекомендуемый уровень суточного потребления [18, 19] Сахарное печенье (прототип) Сахарное печенье по оптимизированной рецептуре содержание пищевых веществ в 100 г продукта степень удовлетворения суточной потребно-сти, % содержание пищевых веществ в 100 г продукта степень удовлетворения суточной потребно-сти, % Белки, г 75 8 10,7 8,7 11,6 Жиры, г 83 12,5 15,1 10,6 12,8 в т.ч., ПНЖК, г 11 0,5 4,5 2,9 26,4 ω-3 (α-линоленовая), г 1 0,03 3,0 0,66 66,0 ω-6 (линолевая), г 10 0,47 4,7 2,29 22,9 Усвояемые углеводы, г 365 75 20,5 71,1 19,5 в том числе, сахара, г 65 25 38,5 22,2 34,2 Пищевые волокна, г 20 1,1 5,5 1,48 7,4 Витамин В1, мг 1,5 0,08 5,3 0,15 10,0 Витамин В2, мг 1,8 0,05 2,8 0,07 3,9 Витамин PP, мг 20 0,7 3,5 1,29 6,5 β-каротин, мг 5 0,008 0,2 0,003 0,1 Калий, мг 3500 110 3,1 145,4 4,2 Кальций, мг 1000 29 2,9 27,24 2,7 Магний, мг 400 20 5,0 38 9,5 Фосфор, мг 800 90 11,3 111,2 13,9 Железо, мг 14 2 14,3 3,9 27,9 ЭЦ, кДж 10467 1861 17,8 1735 16,6 ЭЦ, ккал 2500 444,5 17,8 414,4 16,6 сахарного печенья по традиционной рецептуре степень удовлетворения СП в ПНЖК составляет лишь 4,5 %, в ω-3 жирной кислоте – 3 %, в ω-6 жирной кислоте – 4,7 %. В соответствии с ГОСТ Р 55577-2013 пищевой продукт является источником ω-3 жирных кислот при условии, если сумма ω-3 жирных кислот составляет не менее 0,4 г на 100 г продукта. Следовательно, изделия, изготовленные по оптимизированной рецептуре, являются источником высокого содержания ω-3 жирных кислот, так как содержат 0,66 г в 100 г продукта.

Степень удовлетворения СП в пищевых волокнах в изделиях по традиционной рецептуре (прототип) составляет 5,5 %, по оптимизированной рецептуре – 7,4 %. Следовательно, происходит обогащение изделий пищевыми волокнами. Кроме того, повышается степень удовлетворения СП в витаминах (В1, В2, РР) и минеральных веществах. Так, в магнии степень удовлетворения СП составляет 9,5 % против 5,0 % в прототипе, в фосфоре – 13,9 % против 11,3 % в прототипе, в железе – 27,9 % против 14,3 % в прототипе.

Заключение

В результате проведенного исследования обоснована актуальность моделирования многокомпонентных мучных кондитерских изделий с заданным химическим составом, обогащенных функциональными пищевыми ингредиентами. Для повышения пищевой и понижения энергетической ценности предложена ЭКС зерна пшеницы и семян льна, в качестве источника моно- и дисахаридов, белка, липидов, пищевых волокон, витаминов и минеральных веществ.

На основе компьютерного моделирования разработана рецептура сахарного печенья пониженной энергетической ценности с применением ЭКС зерна пшеницы и семян льна и обогащенного белками, эссенциальными по-линенасыщенными жирными кислотами, пищевыми волокнами, витаминами и минеральными веществами.

Применение компьютерного моделирования рецептур мучных кондитерских изделий будет способствовать созданию продуктов питания с высоким уровнем сбалансирования нутриентов и обогащению суточных рационов.