Обоснование ингредиентного состава молочного составного продукта методом математического моделирования

Объектом исследования служили опытные образцы молочно-растительной смеси. Обоснована целесообразность использования компонентов молочно-растительной смеси и представлены результаты их оптимального содержания в рецептуре. В качестве основы применяли обезжиренное молоко и пахту в соотношении 1:1. Дополнительными источниками растительного белка, пищевых волокон, минеральных элементов и витаминов в составе рецептуры служили гречневая мука в количестве 3 % и какао-порошок, содержание которого варьировали в пределах от 1 до 2 % с шагом 0,5 %. Для улучшения органолептических показателей использовали сахарозу, массовая доля которой составила 5-7 % с шагом 1 %. Методом корреляционно-регрессионного анализа установлено влияние доли какао-порошка и сахарозы на органолептические свойства полученных образцов. Выбран образец, содержащий 2 % какао-порошка и 5 % сахара.

С целью улучшения потребительских показателей и придания новому продукту функциональных свойств большие перспективы имеет метод комбинаторики, позволяющий сочетать различные виды пищевого сырья. При этом в проектировании новых рецептур особое значение имеет направленный выбор составляющих сырьевых компонентов. В нашем исследовании запланирована разработка пробиотического молочного составного продукта с повышенным содержанием белка.

Важным критерием при обосновании компонентов рецептуры являются не только их высокие нутритивные качества, но и экономические показатели. Например, обезжиренное молоко и пахта, являясь низкокалорийным вторичным сырьем невысокой стоимости, содержат практически весь белковый, углеводный и минеральный комплекс цельного молока, за исключением липидной составляющей [1]. На этом основании в качестве основного сырья использовано обезжиренное молоко и пахта.

Как источник растительного белка, пищевых волокон, минеральных элементов и витаминов в состав рецептуры запланировано введение гречневой муки и какао-порошка – доступных на российском рынке и популярных у потребителя ингредиентов.

И гречневая мука, и какао-порошок имеют свои собственные вкусы и цвет, что придаст молочному сырью характерные привкусы и оттенки. Также для улучшения органолептических показателей готового продукта запланировано введение сахарозы.

В дегустационной оценке, проводимой путем сенсорного анализа, невозможно избежать субъективных факторов, например, индивидуальных особенностей дегустаторов и результаты, полученные эмпирически, делают оценку недостаточно полной. Поэтому при исследовании органолептических характеристик и обосновании ингредиентного состава смеси для многокомпонентного продукта поставлена цель – использование метода математического моделирования.

С целью сенсорного анализа образцов была создана комиссия в количестве пяти человек. Экспертизу проводили вслепую с зашифрованными образцами. Для описания органолептических показателей молочно-растительных смесей специально были разработаны шкалы оценки внешнего вида и консистенции, вкуса и запаха, цвета.

Для оценки согласованности экспертных мнений рассчитаны коэффициенты конкордации Кендалла [4, 5] по формуле 1:

W =

12 • S

m ²( n ³ - n ) (1)

где: W – коэффициент конкордации;

S – сумма квадратов отклонений (d2) от среднего (d); n – число анализируемых показателей;

m – количество дегустаторов.

Для оценки значимости коэффициента конкордации вычисляли критерий согласования Пирсона, который сравнивали с табличным значением для числа степеней свободы 2 и при заданном уровне значимости α = 0,05.

Для изучения взаимодействия различных факторов, влияющих на органолептические характеристики молочного напитка, были применены математические методы планирования эксперимента. Расчеты выполнены с использованием программы Statistica 12.

Результаты исследования

Молочно-растительные смеси формировали в соответствии с несколькими вариантами рецептур (таблица 1). С целью усиления функциональных свойств и улучшения органолептических показателей выбранная молочная основа с растительными компонентами в дальнейшем будет обогащена пробиотической микрофлорой.

Таблица 1 – Рецептуры молочно-растительных смесей, кг на 1000 кг (без учёта потерь)

Наименование                 Варианты рецептур

компонента	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Обезжиренное молоко	455	447,5	440	450	442,5	450	445	452,5	445
Пахта	455	447,5	440	450	442,5	450	445	452,5	445
Мука гречневая	30	30	30	30	30	30	30	30	30
Какао-порошок	10	15	20	10	15	20	10	15	20
Сахароза	50	60	70	60	70	50	70	50	60

Как видно из данных таблицы 1, в каждом из образцов соотношение обезжиренного молока и пахты составляло 1:1. Такое сочетание данных видов молочного сырья наиболее оптимально для использования при дальнейшем сквашивании [7]. С учетом исследований, опубликованных в работе Макаркина Д.В., во всех рецептурах использовано одинаковое количество вносимой гречневой муки – 3 % [6]. Количество какао-порошка варьировали в пределах от 1 до 2 % с шагом 0,5 %. Диапазон изменения массовой доли сахарозы составлял от 5 до 7 % с шагом 1 %.

Органолептические показатели внешнего вида и консистенции, вкусаизапаха, атакжецветаоценивалипоразработаннымпятибалльным шкалам. Характеристики показателей при их максимальной оценке представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Органолептические показатели молочно-растительной смеси

Показатели	Характеристика при максимальном значении
Внешний вид и консистенция	Однородная, жидкая, без видимых взвесей, неприятных ощущений и твёрдых включений
Вкус и запах	Чистый, молочный с легким вкусом и ароматом внесённых наполнителей, без посторонних привкусов и запахов, умеренно сладкий
Цвет	Соответствующий цвету наполнителей, равномерный по всей массе, однородный по интенсивности

Оценка средней степени согласованности мнений всех экспертов показала, что коэффициент конкордации Кендалла составил 0,735. Такое значение коэффициента Кендалла указывает на высокую степень согласованности мнений экспертов [5].

Расчетный критерий Пирсона составил 10,29 и превышал табличное значение 5,99. Этот результат указывает, что коэффициент конкордации Кендалла равный 0,735 – величина не случайная, и, следовательно, полученные результаты имеют смысл и могут использоваться в дальнейших исследованиях.

На основе получения суммы рангов вычислены коэффициенты весомости органолептических показателей (таблица 3).

Таблица 3 – Расположение факторов по значимости при оценке образцов молочнорастительной смеси

Показатели	Сумма рангов	Весовые коэффициенты (gi)
Цвет	8	0,6190
Внешний вид и консистенция	14	0,3333
Вкус и запах	20	0,0476

Результаты суммарной органолептической оценки внешнего вида и консистенции, вкуса и запаха, а также цвета с учетом весовых коэффициентов каждого из них представлены на диаграмме (рисунок 1).

Рисунок 1 – Органолептические показатели молочно-растительных смесей, отличающихся содержанием какао и сахара

На диаграмме заметно, что наивысшую оценку получили образцы рецептуры номер 6 (таблица 1), с максимальным содержанием какао-порошка 2 % и массовой долей сахара 5 %. Данные образцы были в меру сладкими, имели однородную консистенцию и хороший внешний вид. Оценка других образцов была снижена, главным образом, за неоднородную консистенцию, наличие нерастворенных частиц, образование осадка муки и какао, а также за менее выраженный молочный вкус, чрезмерную или недостаточную сладость, неоднородность окраски.

При анализе влияния массовой доли какао-порошка и сахарозы на органолептические показатели молочно-растительной смеси методом корреляционно-регрессионного анализа определяющими факторами приняты: массовая доля какао-порошка (х1) и массовая доля сахарозы в смеси (х2).

В качестве выходных параметров приняты:

y1 – внешний вид и консистенция, балл;

y2 – вкус и запах, балл;

y3 – цвет, балл.

Интервалы изменения факторов в эксперименте представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Интервалы варьирования факторов в эксперименте

Факторы	Значения уровней			Интервал варьирования
	Min (-1)	0	Max (+1)
Массовая доля какао-порошка (х1)	10	15	20	5
Массовая доля сахарозы в смеси (х2)	50	60	70	10

Матрица планирования и усредненные результаты эксперимента приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Матрица планирования эксперимента

№ опыта	Кодированные значения входных параметров		Численные значения входных параметров		Отклики
	х1	Х2	х1	Х2	У1	У2	У3
1	-	-	10	50	0,40	0,10	2,10
2	-	+	10	70	0,57	0,12	2,48
3	+	-	20	50	0,95	0,20	2,75
4	+	+	20	70	0,67	0,14	2,35
5	-	0	10	60	0,47	0,13	2,60
6	0	-	15	50	0,59	0,13	2,23
7	+	0	20	60	0,95	0,15	2,48
8	0	+	15	70	0,68	0,13	2,49
9	0	0	15	60	0,87	0,17	2,10

После статистической обработки данных сенсорной оценки изучено влияние вариабельности определяющих факторов x1 и x2 на органолептические показатели образцов молочно-растительной смеси. Основные результаты представлены в таблице 6.

Таблица 6 – Результаты регрессионного анализа

Выходной	Уравнение	1- x X X Ш J X го J X X s e Z sg	1X X Ф X X J J к X R «X 2 *	’X -H	Критерий Стьюдента, t		β-коэффициент (уровень значимости фактора)
параметр, y	регрессии				x1	x2	x1	x2
Внешний вид и консистенция, балл	y1=0,68+0,13x1	0,88	0,96	0,58	9,91	20,54	0,85	0,58
Вкус и запах, балл	y2=0,14+0,016x1-0,01x2	0,89	0,94	0,13	10,29	20,74	0,92	0,87
Цвет, балл	y3=2,39+0,05x1	0,86	0,91	0,98	8,72	19,95	0,83	0,41

Анализ проводили для закодированных уровней факторов x1 и x2. Вклад каждого фактора в изменение зависимой переменной (y1, y2, y3) определяли с помощью стандартизованного β-коэффициента. Проведенный регрессионный анализ подтверждает статистическую значимость уравнений регрессии и всей модели в целом. Коэффициенты Фишера и Стьюдента подтвердили надежность модели. Рассчитанные коэффициенты корреляции указывают на высокую степень взаимосвязи факторов и выходных параметров.

В условиях эксперимента наибольший вклад в формирование вкуса, запаха, консистенции и цвета напитка вносит какао-порошок. Из анализа коэффициентов уравнений регрессии установлено, что массовая доля какао оказывает влияние на формирование всех органолептических характеристик (вкус, запах, консистенция, и цвет). В то время, как внесение сахарозы ощутимо повлияло только на вкус молочно-растительных смесей.

Применение метода математического моделирования при создании нового многокомпонентного продукта помогло сформировать наглядные варианты рецептур для сравнения их относительно друг друга. Полученные математической обработкой данные, позволили оптимизировать рецептурный состав молочно-растительной смеси для дальнейших исследований. В нашем случае целесообразно выбрать рецептурус массовойдолейкакао-порошка 2%применьшемсодержании сахарозы 5 %, что благоприятно для снижения калорийности продукта.