Моделирование и оптимизация рецептур мучных кондитерских изделий функционального назначения

Кондитерские изделия представляют собой группу высококалорийной продукции, которая пользуется у населения большим спросом и популярностью. Основной недостаток кондитерских изделий заключается в том, что их чрезмерное потребление нарушает сбалансированность рационов питания по пищевым веществам и энергетической ценности, что объясняется высоким содержанием жира, углеводов и достаточно низким, а в ряде случаев полным отсутствием пищевых волокон, минеральных веществ. Поэтому разработка новых видов кондитерских изделий функционального назначения представляется нам актуальной. В настоящий момент наиболее перспективным источником пищевых волокон могут стать выжимки ягод – отходы соковых производств предприятий пищевой и перерабатывающей промышленности АПК.

По собственным исследованиям выявлено, что сушеные выжимки ягод брусники и клюквы содержат пектина: 1,66–3,43%; клетчатки 45,89–47,03%; витамина С 2,69–3,48 мг%; кислот 3,36–4,35%; Na 15,52–4,18 мг%; K 246,02–301,52 мг%; Ca 43,90–67,38 мг%; Mg 28,13–48,35 мг%.

Цель исследований . Разработать новые виды мучных кондитерских изделий функционального назначения с заданными структурно-механическими свойствами с использованием в качестве функциональной добавки порошков из сушеных выжимок ягод (брусники и клюквы).

Задачи исследований . Изучить структурно-механические показатели и определить оптимальную концентрацию компонентов (муки пшеничной высшего сорта, порошка из сушеных выжимок (брусники, клюквы)), входящих в состав мучных кондитерских изделий.

Разработаны рецептуры кексов пониженной калорийности с порошком из выжимок ягод (брусники, клюквы). Сушеные выжимки ягод брусники и клюквы предварительно были измельчены до порошкообразной консистенции (мельница УИМ-2(Т), размер частиц 0,4–0,5 мм). Полученный порошок просеян через сито (размер ячеек 0,5 мм, вибросито «Каскад»).

Определение оптимального соотношения компонентов, входящих в состав рецептуры мучных кондитерских изделий

Оптимальное содержание порошка из сушеных выжимок ягод брусники, клюквы в выпечных кексах определялось экспериментально. В результате эксперимента стремились не только увеличить содержание минеральных веществ и пищевых волокон в кексах, но и стабилизировать их структурно-механические и органолептические показатели.

Решение задачи оптимизации рецептурной смеси проводили в 3 этапа. Первый этап состоит в планировании и проведении эксперимента, а именно – нахождении массовой доли компонентов смеси, с которыми проводится контрольный эксперимент. Второй этап: исследование модели смеси после проведения эксперимента, нахождение параметров модели (регрессивно-факторная зависимость). Третий этап включает нахождение уже оптимальных массовых долей компонентов, которые необходимо взять для производства данной продукции.

Результаты исследований. Первый этап . Определены пределы концентрации рецептурных компонентов композиций на основании проведенных предварительных поисковых проработок, а также предельное напряжение сдвига, пластичность, эластичность в кексах пониженной калорийности с различной концентрацией порошка из выжимок ягод (брусники, клюквы). Результаты опытов представлены в таблицах 1,2.

Физико-химические показатели кекса пониженной калорийности с порошком из выжимок ягод брусники

Таблица 1

Номер опыта	Композиция 1: экспериментальные данные
	х 1	х 2	у 1 (опт)	у 2 (опт)	у 3 (опт)
1	12224	3447	108	78	79
2	12694	2977	99	76	78
3	13007	2664	93	74	78
4	13321	2350	87	71	77
5	13634	2037	81	69	77
6	13947	1724	75	67	76
7	14261	1410	69	64	76
8	14574	1097	65	62	75
9	14888	783	60	60	75
10	12067	3604	111	79	79
11	11754	3917	117	83	80
12	10970	4701	123	87	80

Таблица 2

Номер опыта	Композиция 2: экспериментальные данные
	х 1	х 2	у 1 (опт)	у 2 (опт)	у 3 (опт)
1	12224	3447	110	80	83
2	12694	2977	101	78	82
3	13007	2664	94	76	82
4	13321	2350	89	73	81
5	13634	2037	82	71	81
6	13947	1724	76	69	80
7	14261	1410	71	66	80
8	14574	1097	66	64	79
9	14888	783	62	62	79
10	12067	3604	112	81	83
11	11754	3917	118	84	83
12	10970	4701	125	89	84

Для удобства введем следующие обозначения:

• композиция 1 – мука пшеничная высшего сорта – порошок из сушеных выжимок ягод брусники;

• композиция 2 – мука пшеничная высшего сорта – порошок из сушеных выжимок ягод клюквы.

Физико-химические показатели кекса пониженной калорийности с порошком из выжимок ягод клюквы

На качество кекса влияют структурно-механические показатели. Для характеристики качества кексов пониженной калорийности с порошком из выжимок ягод брусники или клюквы были выбраны следующие показатели: у 1 – предельное напряжение сдвига, Па; у 2 – пластичность; у 3 – эластичность.

Независимыми или варьируемыми факторами являются: х 1 – концентрация муки высшего сорта, %; х 2 – концентрация порошка из сушеных выжимок ягод брусники или клюквы, %.

Второй этап . Полученные экспериментальные данные обработаны с помощью пакета программ STATISTICA 6.0 (проведен регрессионный и корреляционный анализ данных).

Для оценки надежности уравнения регрессии и значимости коэффициента корреляции используется F-критерий Фишера.

Результаты линейного регрессионного анализа представлены в таблице 3.

Результаты линейного регрессионного анализа

Таблица 3

Функция отклика	Коэффициент корреляции ( R )	Коэффициент детерминации ( R2 )	Критерий Фишера ( F )
Композиция 1
Предельное напряжение сдвига	0,999	0,998	3712,88*
Пластичность, %	0,997	0,995	1040,35*
Эластичность, %	0,991	0,98	249,24*
Композиция 2
Предельное напряжение сдвига	0,999	0,998	2466,099*
Пластичность, %	0,998	0,996	1404,614*
Эластичность, %	0,98	0,97	181,81*

^* Критический уровень F табл находим с помощью таблицы ( F – распределение: критические значения F с v 1 и v 2 степенями свободы, уровень значимости в 5 %): F табл = 4,26.

Поскольку исследования подтвердили, что F факт >F табл , то представленные ниже уравнения адекватно описывают опытные данные, т.е. влияние концентрации каждого компонента композиции на их структурно-механические показатели.

Для композиции 1:

у1= -621432,37 + 39,66•х1 + 39,67•х2;(1)

у2 = -57640,2 + 3,682•х1 + 3,688•х2;(2)

у3= -74451,2 + 4,7556•х1 +4,7572•х2.(3)

Для композиции 2:

у1= -564603,16 +36,032•х1 + 36,05•х2;(4)

у2 = - 24955,501 + 1,5961•х1 + 1,603•х2;(5)

у3= -41764,7939 + 2,6701•х1 + 2,6715•х2.(6)

В таблице 4 представлен корреляционный анализ, показывающий тесноту связей между факторами и функциями отклика.

Корреляционный анализ влияния факторов на функции отклика

Таблица 4

Функция отклика	Коэффициент парной корреляции
	Концентрация муки высшего сорта х' 1, %	Концентрация порошка из сушеных выжимок ягод брусники, клюквы х' 2 , %
Композиция 1
Предельное напряжение сдвига	- 0,995	0,995
Пластичность, %	- 0,997	0,997
Эластичность, %	- 0,98	0,98
Композиция 2
Предельное напряжение сдвига	- 0,995	0,995
Пластичность, %	- 0,999	0,999
Эластичность, %	- 0,985	0,985

Из полученных уравнений, графиков и расчетных данных видно, что искомые функции у 1 , у 2 , у 3 , адекватно описывающие процесс изменения структурно-механических свойств, аппроксимированы линейными прямыми, анализ которых позволил выявить следующие закономерности для кексов пониженной калорийности с порошком из выжимок ягод брусники, клюквы:

• •    на предельное напряжение сдвига существенное влияние оказывает рост или снижение концентрации муки пшеничной (r 1 =-0,995; r 2 =-0,995) и порошка из сушеных выжимок ягод брусники, клюквы (r 1 = 0,995; r 2 = 0,995);

• •    на пластичность существенное влияние оказывает рост или снижение концентрации муки пшеничной (r 1 = - 0,997; r 2 =-0,999) и сушеных выжимок ягод брусники, клюквы (r 1 = 0,997; r 2 =-0,999);

• •    на эластичность существенное влияние оказывает рост или снижение концентрации муки пшеничной (r 1 = - 0,98; r 2 =-0,985) и сушеных выжимок ягод брусники, клюквы (r 1 = 0,98; r 2 =-0,985).

Результаты полученных экспериментальных данных и их анализ подтверждают правильность выдвинутого предположения о структурной совместимости ингредиентов, входящих в рецептуру кексов.

Третий этап . Зависимость изменения структурно-механических свойств от концентрации рецептурных компонентов композиций носит соответственно линейный характер. Для определения оптимальных соотношений компонентов, составляющих композиции, использовался пакет программ Mathcad.

Поиск оптимума функций у 1 , у 2 , у 3 осуществлялся по полученным уравнениям регрессии.

Минимальные и максимальные концентрации компонентов х 1 , х 2 определялись по органолептическим показателям и составили для кексов пониженной калорийности с порошком из сушеных выжимок ягод брусники, клюквы:

11754 ≤ х ₁ ≤ 12694 ,

29777 ≤ х ₂ ≤ 3917 .

Пределы функций у 1 , у 2 , у 3 задавались исходя из органолептических характеристик и требований к структурно-механическим свойствам кексов пониженной калорийности. Для предложенных композиций кексов пониженной калорийности с порошком из сушеных выжимок ягод брусники, клюквы неравенства приняли следующий вид:

112 ≤ у ₁ ≤ 120 ,

79 ≤ у ₂ ≤ 87 ,

79 ≤ у ₃ ≤ 84 .

Оптимальная концентрация каждого компонента в композициях находилась определением среднего арифметического. Полученные результаты представлены в таблице 5.

Оптимальные концентрации компонентов в композициях

Таблица 5

Номер композиции	Поиск минимума функций у n	Оптимальные концентрации компонентов, %		Значение функции у(х 1 , х 2 , х 3 )
		Мука пшеничная высшего сорта х 1 , %	Порошок из сушеных выжимок ягод брусники, клюквы х 2 , %
Композиция 1
1	у 1	11754	3917	118,66
	у 2	12067	3604	82,046
	у 3	11754	3917	80,075
	Среднее значение х	11858,33	3812,66	-
Композиция 2
2	у 1	12067	3604	119,184
	у 2	11754	3917	84,01
	у 3	11754	3917	83,827
	Среднее значение х	11858,33	3812,66	-

Для композиции 1 получено следующее соотношение: х 1 = 11858,33; х 2 = 3812,66 при значениях функций у 1 = 118,66 Па; у 2 =82,046 %; у 3 =80,075 %; для композиции 2: х 1 = 11858,33; х 2 = 3812,66 при значении функций у 1 = 119,184 Па; у 2 = 84,01 %; у 3 = 83,827 %.

Оптимальная концентрация компонентов композиций по структурно-механическим показателям в графическом виде представлена на рисунках 1–6.

Рис. 1. Оптимальная концентрация компонентов кекса с порошком из выжимок ягод брусники по предельному напряжению сдвига

Рис. 2. Оптимальная концентрация компонентов кекса с порошком из выжимок ягод брусники

Рис. 3. Оптимальная концентрация компонентов кекса с порошком из выжимок ягод брусники

по пластичности

Рис. 4. Оптимальная концентрация компонентов кекса с порошком из выжимок ягод клюквы по предельному напряжению сдвига

по эластичности

Рис. 5. Оптимальная концентрация компонентов кекса с порошком из выжимок ягод клюквы по пластичности

Рис. 6. Оптимальная концентрация компонентов кекса с порошком из выжимок ягод клюквы

по эластичности

На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что по сравнению с традиционными рецептурами кексов введение в рецептуру кекса пониженной калорийности порошка из сушеных выжимок из ягод (брусники, клюквы) позволяет, с одной стороны, увеличить содержание в них пищевых волокон в среднем на 5,83–6,26 %, минеральных веществ, а с другой стороны – снизить калорийность изделий в среднем на 39,27 ккал.