Многокритериальная оптимизация процесса термической обработки яблочного сока прямого отжима с максимальным антиоксидантным действием

Термическая обработка является одним из основных способов, позволяющих сохранять качество продуктов, полученных из фруктов и ягод. Фрукты относятся к скоропортящимся продуктам. Приблизительно от 20 до 40% фруктового сырья теряется после сбора урожая еще задолго до того, как оно достигнет потребителя, независимо от того, подверглось оно переработке или нет. Чтобы сократить потери фруктового сырья и улучшить органолептические показатели готовых пищевых продуктов на их основе, применяют различные технологии переработки. Для переработки фруктов в настоящее время используются как традиционные, так и инновационные технологии. Благодаря щадящей технологии производства яблочный сок сохраняет все полезные вещества свежих плодов и вкус "живого" сока на длительный период. Яблоко – природный источник пектинов. Кроме того, в яблоках есть почти все водорастворимые витамины, но наиболее значимые в количественном отношении – это витамины С, В6 и Р [1].

В мировой научной литературе приведено много публикаций по изменению химического состава и антиоксидантной активности фруктов под воздействием различных технологий переработки, используемых в пищевой промышленности для производства фруктовых полуфабрикатов.

Так, например, ученые из Кореи изучали влияние эффекта нагревания при 50, 100, 150 °С в течение 0–60 мин с интервалом 10 мин на содержание полифенольных соединений и антиоксидантную активность по методу DPPH, а также и восстанавливающую силу экстрактов кожицы цитрусовых фруктов Unshiu. Доказано, что при температуре 150 °С получают экстракт, имеющий наивысшее значение показателей [2].

На примере сока плодов марулла, собранных на территории Израиля и Северной Аравии в августе 2005 и в январе 2007 года, определено [3] влияние параметров пастеризации (1–60 мин при 55 °С, 2–30 мин при 63 °С, 3–30 с при 72 °С) на содержание сухих веществ, титруемую кислотность, антиоксидантную активность по методу FRAP. Если показатели сухих веществ и кислотности остаются статичными, то антиоксидантная активность пастеризованного сока по сравнению со свежим в 1-ом режиме самая высокая, во 2-ом режиме выше свежего сока, в 3-ем режиме ниже, чем у свежего сока.

В статье [4] Канадских ученых исследовался сок из лавровишен двух сортов (Kiraz, Pek-mez) на наличие способности улавливать свободные радикалы DPPH, супероксид-радикалы, пероксид водорода, антиоксидантной активности по методу восстанавливающей силы.

Хотя в процессе концентрирования сок и теряет часть своей активности, однако авторы рекомендуют использовать сок из лавровишни как основу для производства продуктов лечебного питания.

На примере яблочного сока изучено [5] влияние различных режимов пастеризации: 1) 75 °С 15 с; 2) 35 °С под давлением СО 2 15 МПа расход 3 л/ч; 3) 35 °С под давлением СО 2 25 МПа расход 5 л/ч на показатели антиоксидантной активности на модели с кроцином, а также на микробиологическую обсеменен-ность. Любая обработка снижает показатели антиоксидантной активности по сравнению со свежим соком, но это снижение наименьшее в случае применения режима 3.

На примерах сока ежевики изучено [6] изменение химического состава и антиоксидантной активности на различных стадиях производства сока в стерильной таре. Любая технологическая обработка снижает все показатели. Значительное уменьшение наблюдается при вторичной пастеризации, бланшировании, горячем розливе. Отходы производства сока из ежевики обладают очень высокими изученными показателями: содержанием фенолов, способностью улавливать свободные радикалы ORAC и DPPH.

Анализируя литературные источники можно сделать вывод, что в зависимости от типа исходного фруктового сырья тепловая обработка может как увеличивать, так и снижать антиоксидантную активность. Однако пока существующие данные полученных исследований не позволяют вывести какие-либо правила и зависимости по влиянию разных видов обработки на уровень антиоксидантной активности фруктов. Поэтому при разработке технологических схем производства функциональных продуктов питания с направленным антиоксидантным действием необходимо для каждого вида фруктового сырья проводить оценку изменения показателей химического состава и уровня антиоксидантной активности под влиянием различных методов обработки.

Целью данной работы является исследование влияния различных режимов пастеризации на химический состав и антиоксидантную активность сока прямого отжима из яблок сорта Жигулевское, произрастающего в Самарской области.

В качестве параметров пастеризации были выбраны следующие режимы:

• 1)    температура 85–90 °С, время выдержки 180 секунд;

• 2)    температура 115–120 °С, время выдержки 120 секунд;

• 3)    температура 130–135 °С, время выдержки 60 секунд.

Выбор температурных и временных параметров основан на рекомендациях по режимам пастеризации соков в литературе и реальных параметрах, рекомендуемых для работы пастеризаторов в производстве продукции консервной промышленности. Анализируя антиоксидантные показатели выбранных режимов термообработки, мы получили результаты, представленные в таблице 1.

Т а б л и ц а 1

Результаты исследования антиоксидантной активности яблок в зависимости от режимов термообработки

T a b l e 1

The study results of apples antioxidant activity depending on heating conditions

Режимы Термообработки Heat Treatment Types	Показатели Rates
	Исходный сок Source Juice	Температура Temperature 85–90 °С Время выдержки Holding Time 180 с	Температура Temperature 115– 120 °С Время выдержки Holding Time 120 с	Температура Temperature 130– 135 °С Время выдержки Holding Time 60 с
Общее содержание фенолов, мг галловой кислоты / 100 г. исходного сырья Total amount of phenols, mg of gallic acid / 100 g of raw material	230	160	317	178
Общее содержание флавоноидов, мг катехина / 100 г. исходного сырья Total amount of flavonoids, mg of cate-chine / 100 g of raw material	48	42	146	102
FRAP, ммоль Fе2+/1 кг исходного сырья FRAP value mmol Fe2+/1 kg of raw material	5,04	1,62	5,23	4,50
Е с50 , мг/см3 E с50 , mg/cm3	52	139	25	99
Антиоксидантная активность в системе линолевая кислота,% ингибирования окисления линолевой кислоты Antioxidant activity in linolic acid system,% of inhibition of oxidation of linolic acid	28,8	5,1	17,0	21,1

В таблице 1 представлены данные изменения антиоксидантной активности в зависимости от различных параметров термообработки. Для оптимизации выбора режима пастеризации на основании полученных экспериментальных данных была проведена математическая обработка материалов.

Представление зависимостей в виде таблиц, содержащих экспериментальные данные для факторов X I и выходных параметров y i , не обладает наглядностью, не позволяет определить значения при значениях факторов, отличных от зарегистрированных, неудобно для последующих исследований, особенно с применением компьютерных программ расчёта. В подобных ситуациях всегда возникает задача о построении аналитического выражения (математической модели), которое в том или ином смысле хорошо описывало бы данные, представило бы информацию в «сжатом» виде.

С учётом изложенного в настоящей работе предлагается специальный метод обработки баз данных в форме таблиц, который использует методы интерполяции и аппроксимации, подбирая соответствующие алгебраические многочлены, а также другие аналитические зависимости, широко используемые в инженерно-технологической исследовательской практике. Этот метод аналитического расширения табличных данных (сокращённо АРТД) позволяет трансформировать исходную (начальную) таблицу экспериментальных данных (НТЭД) в сводную (конечную) таблицу данных (СТД), которая даёт возможность решать определённые задачи статистического и экстремального содержания.

В качестве наиболее важных факторов были выбраны значения антиоксидантых свойств яблочного сока, представленные в таблице 1.

Таблица 1 методом полигональной интерполяции со столбцами факторов X I ( i = 1, 2, 3, 4) и выходного параметра y 1 трансформирована в сводную таблицу 2. Введены следующие обозначения: фактор x 1 – температура термообработки (°С); фактор x 2 – время выдержки в секундах (с); фактор x 3 – общее содержание флавоноидов (мг катехина / 100 г. сырья); фактор x 4 – Е С50 , (мг/см³); выходной параметр y 1 – антиоксидантная активность в системе

Вестник ВГУИТ/Proceedings of VSUET, № 3, линолевая кислота (% ингибирования окисления линолевой кислоты). Базовые экспериментальные данные в таблице 2 представлены строками 1, 4, 9, 12, остальные имеют смысл численных экспериментов, а остальные четыре уравнения системы

Т а б л и ц а 2

Сводная таблица данных при исследовании влияния термической обработки на свойства яблочного сока

T a b l e 2

представляют собой необходимые условия экстремума функции четырех переменных y i = f i ( x 1 x 2 x 3 x 4 ), которые автоматически реализуются при решении системы.

Summary table of data in the study of the heating effect on the properties of apple juice

№ эксперимента № of experiment	Факторы Factors				Параметры Parameters
	x 1	x 2	x 3	x 4	y 1
1	20,1	0	48	52	28,8
2	48,05556	101,4815	17,85185	127,3461	14,265
3	70,27778	158,5185	19,03704	151,5438	6,900694
4	87,5	180	42	139	5,1
5	95,78	179,52	62,256	119,8327	6,020102
6	102,74	171,36	84,848	95,73675	8,017646
7	108,56	157,44	107,712	69,82481	10,74479
8	113,42	139,68	128,784	45,20886	13,85434
9	117,5	120	146	25	17
10	123,0556	88,14815	160,5185	9,568889	21,37556
11	127,7778	65,18519	149,037	29,43316	23,27795
12	132,5	60	102	99	21,1
13	0	180	42	139	0
14	87,5	0	42	139	0
15	87,5	180	0	139	0
16	87,5	180	42	0	0

Для математической обработки данных сводной таблицы 2 воспользуемся планом 2 ^k . Применительно к нашей сводной таблице 2, состоящей из 16 строк, наиболее подходит план 2⁴ = 16, который позволяет определить 16 коэффициентов в уравнении регрессии:

y = b0 +b1x1 + b2x2 +^x3 + b4x4 + bnxYx2 +bl3xYx3 +bl4xYx4 + b 23 X 2 X 3 + + b 24 X2 X4 +b34 X3 X4 + b123 X1 X 2 X3 + b124 X1 X 2 X4 +

^b 134 X X 3 X 4 ^+b 234 X 2 X 3 X 4 ⁺ + / >.2 3., X X 2 X 3 X 4

Окончательная реализация всего вычислительного алгоритма позволила получить параболическую аппроксимационную модель четвертого порядка:

y = - 1002375 , 627 + 7804 , 12763 ^+ 10393 , 0145 x₂

+ 18164 , 85905 x₃ + 5906 , 734576 x₄ - 106 , 9207263 x^ -

134 , 8600472 X]X ₃ -54 , 76973129 X]X ₄ -- 65 , 01513939 x₂x₃ - 60 , 65248461 x₂x₄ - 70 , 77717745 x₃x₄+ 0 , 53965145y^ +

+ 0 , 683066942 x j x₂x₄+ 0 , 607848215 X j X₃x₄ - 0 , 028629753 x^x^ + + 2 , 83016 E- 14 X j X₂x₃x₄

Модель адекватна, отклонения по всем расчётным точкам сводной таблицы меньше 1%. В качестве оптимальной точки исследования многофакторного пространства по данным таблицы 1 выбрана точка с минимальным значением y1 = 5,1, т. е. точка P1(87,5; 180; 42; 139). Исследование изменения функции Δ2 в окрестности этой точки с помощью варьирования приращений h11, h12, h13, h14 независимых переменных x1, x2, x3, x4 выявило, что значения функции совпадают при симметричных по знаку значениях приращений hij и это даёт основание утверждать – в исследуемом гиперпространстве 4-x факторов данные сводной таблицы 2 представляют гиперповерхность типа гиперболический параболоид.

Заключение

Таким образом, на основании проведённых исследований по изучению антиоксидантных свойств яблочного сока прямого отжима и математической оптимизации полученной модели был рекомендован оптимальный температурный режим пастеризации температура нагревания 115–120 °С, время выдержки – 120 секунд, поскольку при этом обеспечиваются самые благоприятные показатели комплекса антиоксидантных свойств продукта.