Моделирование включения изделий из чуфы в суточный набор продуктов для использования в биорегенеративной системе жизнеобеспечения

Введение. В экспериментальной системе жизнеобеспечения БИОС-3 измельченные в муку из клубеньков чуфы ( Cyperus esculentus L.) добавляли к пищевым продуктам как источник полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) для испытателей. При этом изменения органолептических свойств пищи не наблюдалось [1].

Физиологическая норма потребления ПНЖК составляла в то время 3,4–3,7 г/сут. В ходе 4-месячного эксперимента в БИОС-3 обеспеченность экипажа ПНЖК превышала 100 %. Данную оценку нельзя считать вполне корректной, поскольку при формировании суточного рациона принцип строгого регламентирования по физиологическим нормам применен лишь для запасаемых продуктов, которые были заранее скомплектованы из расчета среднесуточной потребности и введены в БИОС-3, а продукты внутрисистемного синтеза потреблялись в основном по усмотрению испытателей [2].

Требуется переоценка возможности использования чуфы в БСЖО, поскольку номенклатура и величины рекомендуемых норм потребления жирных кислот, а также других нутриентов существенно изменились за время, прошедшее от опытов в БИОС-3 до наших дней [3]. В частности, введены нормы на употребление n-3 и n-6 незаменимых жирных кислот на основании исследования их влияния на ишемическую болезнь сердца и другие заболевания [4, 5].

Помимо муки изделиями из клубеньков чуфы являются масло и напиток оршад. Коммерческое производство этих изделий существует в Испании [6]. В России чуфа не получила широкого распространения, поскольку она относится к теплолюбивым растениям.

Цель исследования : определение условий и последствий включения муки, масла и напитка оршад, изготовленных из клубеньков чуфы, в суточный набор пищевых продуктов, предназначенный для употребления в биорегенера-тивной системе жизнеобеспечения.

Объекты и методы исследования. Моделирование включения изделий из чуфы в СНП проводили в среде Excel 2007 – Visual Basic for Applications.

В качестве базового СНП использовали комплект из продуктов, предложенный для использования в биорегенеративной системе жизнеобеспечения (БСЖО) на лунной базе [7]. Часть продуктов этого комплекта планировали производить в БСЖО: муку, изготовленную из зерен пшеницы Triticum aestivum L., зерна риса Oryza sativa L., проростки и молоко из бобов сои Glycine max (L.) Merr., масло из орехов арахиса Arachis hypogaea L, плоды сладкого перца Capsicum frutescens L. var. longum Bailey, корнеплоды моркови Daucus carota L. var. sativa, плоды томатов Lycopersicon esculentum L. var. cerasi-forme, листья кинзы Coriandum sativum L., листья капусты Brassica chinensis L., листья салата Lactuca sativa L. var. Longifolia Lim., корнеплоды редиса Raphanus sativus L., плоды и семена тыквы Cucurbita moschata Duch, листья лука батуна Allium fistulosum L. var. giganteum, луковицы чеснока Allium sativum L. и плодовые тела гриба вешенки Pleurotus florida Fovose .

Из запасов предполагали использовать консервированные сардины и ставриды в масле, мясной соус, поваренную соль и сахар. Расширенный СНП получали путем добавления к базовому СНП муки, масла и напитка Оршад.

Подобный подход использовали при оценке включения мяса улитки в базовый СНП, который состоял из зерен риса, соевых бобов, салата, земляники, поваренной соли и воды и предназначался для употребления в БСЖО на лунной базе [8].

Базовый и расширенный СНП оценивали по следующим показателям:

• •    Общая суточная масса набора продуктов (IFM t ), г. Она включает массу продуктов, производимых в БСЖО (IFM in ) и массу продуктов из запасов (IFM s ).

• •    Автономность суточного набора продуктов, %, которая определяется соотношением между массой продуктов, производимой внутри БСЖО, и общей массой СНП:

FI = 100IFM in / IFM t .

• •    Количество дисбалансов (SNI), т. е. количество нутриентов в наборе, масса которых не укладывается в нормы физиологических потребностей.

• •    Масса муки, изготовленной из клубеньков чуфы, в расширенном наборе (mf), г.

• •    Масса масла, изготовленного из клу

беньков чуфы, в расширенном наборе (mo), г.

• •    Масса напитка Оршад в расширенном

наборе (md), г.

Сравнивали базовый и расширенный суточный набор продуктов, используя следующие целевые функции оптимизации:

– минимизация общей массы набора продуктов

IFM min = min(IFM t );

максимизация автономности суточного набора продуктов

FI max = max(FI).

Чтобы определить верхний предел масс изделий, изготовленных из чуфы, в расширенном СНП и определить причины, препятствующие увеличению масс изделий, использовали следующие целевые функции:

mf max = max(mf)    mo max = max(mo)

md max = max(md).

Каждый продукт P представлен в модели как вектор-столбец:

Pj = [m1j m2j … mij… muj]`, где mij = масса i-го нутриента в 100 г j-го продукта.

Совокупность векторов P 1 P 2 … P j … P v представляет собой матрицу «нутриент-продукт» размером u × v, где u – количество отслеживаемых нутриентов; v – количество продуктов в СНП. В нашей модели u = 43; в базовом СНП v = 25, в расширенном СНП v = 28.

К нутриентам относятся белки, жиры, углеводы, клетчатка, вода, минералы, макро- и микроэлементы, витамины, жирные кислоты и аминокислоты. Численные величины масс нутриентов находили в открытых базах данных: USDA National Nutrient Database for Standard Reference, SELFNutritionData, Fodevaredata, European Food Composition Tables.

Суточную массу mni i-го нутриента в СНП рассчитывали по формуле mrii

V

=∑

^mij · mpj

100    ^,

где mp j – масса j-го продукта в СНП; 1 ≤ i ≤ u; 1 ≤ j ≤ v.

На область изменения масс нутриентов наложено ограничение nd i ≤ mn i ≤ nh i , где nd i – нижний предел для массы i-го нутриента, а nh i – верхний предел, определяемый нормами питания [4].

Независимыми переменными в модели являются массы продуктов mp j . На область изменения независимых переменных наложено ограничение: mpd j ≤ mp j ≤ mpu j , где mpd j и mpu j – верхний и нижний предел массы j-го продукта соответственно.

Калорийность СНП принимали равным 2 800 ккал в соответствии с расчетными суточными энергозатратами испытателей Бр. и Ас. в БИОС-3 [2]. Расчет калорийности проводили по формуле Атватера

E = 4·[protein] + 9·[fat] + 4·[carbohydrate], где [protein], [fat], [carbohydrate] – массы белков, жиров и углеводов в СНП. Верхний предел массы СНП принимали равным 4 017 г в соответствии со схемой массообмена экипажа испытателей на 2-м этапе эксперимента в БИОС-3 [2]. Пищевую ценность белков определяли по аминокислотной шкале ФАО [9].

Результаты исследования и их обсуждение. Дефицит незаменимых серосодержащих аминокислот в базовом СНП составляет 0,3 г. Несбалансированность базового СНП по серосодержащим аминокислотам обусловлена тем, что полноценные белки продуктов животного происхождения не компенсируют дефицит метионина и цистина в растительных продуктах. Поэтому в базовый СНП добавлен дополнительный продукт – сухой яичный белок, в котором скор суммы «метионин + цистин» и скоры других незаменимых аминокислот не меньше, чем в эталонном белке [9].

Минимальная общая масса базового СНП, при использовании которой соблюдаются все нормы питания, составляет 3 456 г, при этом автономность СНП равна 84 % (табл.). Автономность базового СНП при ее максимизации достигает 85 % за счет увеличения массы низкокалорийных растительных продуктов, которые производят в БСЖО. Общая масса базового СНП при этом возрастает до 3 485 г.

Минимальная общая масса расширенного СНП составляет 3 452 г. При этом в состав расширенного СНП включены мука и напиток оршад в количестве 15 и 139 г соответственно. Автономность расширенного СНП возрастает до 86 %, поскольку изделия из чуфы предусмотрено производить в БСЖО. Лимитирующим фактором в максимизации автономности расширенного СНП, а также в максимизации масс муки, масла и напитка оршад является принятый нами верхний предел общей массы СНП – 4017 г.

Результаты моделирования находятся в противоречии с опытами по включению муки в продукты питания. Установлено, что мука в количестве 130 г может быть без ущерба для здоровья включена в дневной рацион [1]. В перспективе планировали опыты по увеличению количества муки. Следует отметить, что норма на мононе-насыщенные жирные кислоты является «жесткой», поскольку задается одним числом без интервала допустимых отклонений. Возможно, что в будущем норма в отношении мононенасы-щенных жирных кислот будет скорректирована, и появится интервал, в пределах которого масса мононенасыщенных жирных кислот в СНП может варьировать. Увеличение массы напитка Оршад приводит к сокращению количества воды и соевого молока, поскольку суточное потребление воды ограничено величиной 4200 г [3]. По-видимому, соотношение масс напитков и воды целесообразно определять на основе индивидуальных предпочтений.

Моделирование показало, что вместо арахисового масла в расширенном СНП можно использовать масло, полученное из клубеньков чуфы. Взаимозаменяемость масел из арахиса и чуфы обусловлена сходным составом жирных кислот: доминируют олеиновая, пальмитиновая и линолевая кислоты. Причем арахисовое масло отличается более высоким содержанием незаменимой n-6 линолевой кислоты [10, 11]. Окончательный вывод о перспективе использования арахиса и чуфы в БСЖО можно будет сделать после построения схем материального баланса при производстве масла из этих культур.

Показатели базового и расширенного суточного набора продуктов при использовании различных целевых функций оптимизации

Показатель	Базовый СНП		Расширенный СНП
	Целевая функция
	1= 1 о I 8 i § s Ф 3" Ю о	1 о J? ” о s° S e 05	г 1 о I 8 i § 3" о	1 о J? SI S e 05	S s 05 > s о о О ьг СО 2	h со ®	«^ 1 ” 0 8 ® со S 2
Общая масса СНП, г	3456	3485	3452	4017	4017	4017	4017
Автономность СНП, %	84	85	86	95	94	92	92
Масса муки, г	–	–	15	55	102	0	0
Масса масла, г	–	–	0	0	0	28	6
Масса напитка, г	–	–	139	242	0	270	2202

Выводы

• 1.    Максимальные массы изделий из чуфы в суточном наборе продуктов могут достигать: муки – 102 г, масла – 28 г, напитка оршад – 2 202 г, – без нарушения норм питания.

• 2.    Включение изделий из чуфы в суточный набор продуктов позволяет увеличить его автономность до 95 %.

• 3.    Вместо арахисового масла в суточном наборе продуктов можно использовать масло, получаемое из клубеньков чуфы.