Оптимизация состава сухой функциональной смеси для молочных напитков

Введение. В последние годы все большее внимание уделяется разработке функциональных продуктов питания, способных оказывать определенное регулирующее действие на организм. Функциональные сухие смеси, обогащенные растительными компонентами – современная перспективная форма продукта для восстановления из них напитков здоровья с многовекторной биологической активностью и высокими вкусовыми качествами. В состав функциональных сухих смесей входит натуральное сырье, которое восполняет дефицит жизненно необходимых пищевых веществ, выступает в качестве эффективного инструмента профилактики распространенных алиментарно-зависимых заболеваний [1].

Обогащенные продукты содержат витамины, микроэлементы, пищевые волокна, белки и другие природные вещества и решают задачу обеспечения организма человека микронутриентами [2, 3]. Источником обогащающих компонентов в составе разрабатываемых смесей могут служить растительные порошки полученных методом сублимационной сушки. Ягодные порошки имеют хорошие органолептические характеристики, значительную концентрацию физиологически активных веществ, высокий уровень сохранности термолабильных компонентов – витаминов, макро- и микроэлементов, ферментов, аминокислот, обладают способностью к быстрой регидратации, полной растворимостью в составе мелкодисперсных и порошковых материалов [4, 5].

Особый интерес при производстве функциональных сухих смесей представляют белковые препараты животного происхождения – сывороточные белки. Функциональные сухие смеси, обогащенные сывороточным белком, способствуют повышению содержания в тканях организма человека глутатиона – наиболее важного природного антиокислителя, стимулирующего иммунную активность организма [6]. Одним из перспективных белоксодержащим продуктом является сухой яичный белок. Использование его в функциональной сухой смеси позволит снизить существующий дефицит белка, увеличить объем выпускаемой продукции [7]. Дополнительно сухой яичный белок может использоваться в качестве пенообразующего компонента в рецептуре молочных коктейлей. Порошок стевии целесообразно применять в качестве натурального подсластителя, снижая тем самым общую калорийность разработанного продукта.

Основой для создания обогащенных смесей может являться сухое обезжиренное молоко, так как оно имеет длительный срок хранения, удобство употребления и обладает высокой пищевой и биологической ценностью. В связи с тем, что сухое обезжиренное молоко в процессе производства подвергается интенсивной тепловой обработке, количество витаминов в нем невелико, но вместе с тем нельзя не подчеркнуть их важность в составе сухого молока. Витамин А необходим для образования зрительного пурпура, роста клеток молодого организма; витамин Е выполняет функцию биологических антиоксидантов [8].

Целью работы является оптимизация рецептуры сухой функциональной смеси с помощью методов математического моделирования.

Материалы и методы.

Объектом исследования является сухая функциональная смесь, в состав которой входят следующие компоненты: сухое обезжиренное молоко, сывороточный белок, порошки клубники и малины сублимационной сушки, сухой яичный белок, стевия. Для получения основы функциональной сухой смеси с заданными характеристиками проведена оптимизация рецептуры для определения содержания различных компонентов в рецептуре.

Оптимизация рецептуры многокомпонентных пищевых продуктов является объектом научных исследований. Разработаны научно-практические предпосылки создания многокомпонентных пищевых продуктов с желательными качественными характеристиками и потребительскими свойствами [9]. В Южно-уральском государственном университете разработана методика оптимизации состава молочнорастительных батончиков, которую также можно применить для оптимизации рецептуры разрабатываемой функциональной смеси. Для расчета введены обозначения: j – индекс различного наименования компонента (j = 1, 2…, n); i – индекс питательного вещества (i = 1, 2…, m); x – искомая часть содержания j-го компонента в составе единицы продукта, b – требуемое количество i-го питательного вещества в рецептуре; a – содержание i-го питательного вещества в единице j- го вида компонента [10].

Обозначим через x – содержание в рецептуре сухого обезжиренного молока, x – сывороточный белок, x – содержание порошка клубники, x – содержание порошка малины, x – содержание сухого яичного белка, x – содержание стевии, x – искомый удельный вес включения в состав продукта каждого вида сырья.

Для каждого питательного вещества было рассчитано его количество в рецептуре сухой молочной функциональной смеси по формуле:

b = У " x a .

j=1 j ц при условиях:

• 1)    наличия в рецептуре требуемых ингредиентов:

• а)    по максимальной границе

Х-л xjaj ^ bi;

• б)    по минимальной границе

Z”=i xjaj > b;

• 2)    формирования единицы смеси

S ”=1 Xj=1;

• 3)    не отрицательности переменных

Xj >  0, j = 1,2,..., n.

• 4)    получение единицы продукта:

x_Y + x ₂ + x ₃ + x ₄ + x ₅ + x ₆ + x₇ = 1;                                  (6)

• 5)    условие получения неотрицательных переменных для всех видов компонентов в смеси:

  x ₁, x ₂, x ₃, x ₄, x ₅, x ₆, x ₇

  
  

  > 0;

  
  
  
  

• б)    функцией цели выбрана себестоимость, которая стремится к минимальному значению [10].

Результаты исследований и их обсуждение.

При формировании исходной матрицы использовали данные о химическом составе сырья, представленные в таблицах 1-3. В соответствии с ГОСТ 33933-2016 «Продукты диетического лечебного и диетического профилактического питания. Смеси белковые композитные сухие. Общие технические условия. Технические условия», разрабатываемая сухая функциональная смесь должна содержать не менее 5 % жира и не более 8 % влаги. При проведении оптимизации учитывали содержание витаминов и минеральных веществ с применением средних суточных физиологических норм потребления для отдельных пищевых компонентов (табл. 4) [11].

Таблица 1 – Содержание питательных веществ в используемом сырье

Наименование компонента	Массовая доля, %
	белка	жира	пищевых волокон	влаги
Сухое обезжиренное молоко	35,1	1,0	-	4,0
Сывороточный белок	80,0	7,0	-	3,0
Порошок клубники	4,9	15,0	12,6	-
Порошок малины	5,1	9,6	19,3	-
Сухой яичный белок	82,4	1,8	-	9,0
Стевия (порошок)	0,1	0,3	-	-

Таблица 2 – Содержание витаминов в используемом сырье

Наименование компонента	Наименование витаминов, мг
	A	B 2	B 6	Е	РР	С
Сухое обезжиренное молоко	0,004	0,5	0,3	-	6,5	4,0
Сывороточный белок	-	-	-	-	-	-
Порошок клубники	0,071	0,121	0,35	3,5	-	9,6
Порошок малины	0,073	0,05	0,07	0,6	0,7	2,4
Сухой яичный белок	-	0,2	-	-	2,7	-
Стевия (порошок)	-	-	-	-	-	-

Таблица 3 – Содержание минеральных веществ в используемом сырье

Наименование компонента	Наименование минеральных веществ, мг
	Кальций	Магний	Фосфор	Марганец	Медь	Железо
Сухое обезжиренное молоко	280	160	920	0,055	0,122	1
Сывороточный белок	365	52	-	-	-	-
Порошок клубники	88	71,5	132	0,703	0,264	2,255
Порошок малины	40	74,63	37	0,21	0,17	1,2
Сухой яичный белок	75	29	194	0,03	0,18	1,8
Стевия (порошок)	-	-	-	-	-	-

Таблица 4 – Суточная норма потребления витаминов и минеральных веществ

Минеральные вещества	Суточная норма потребления, мг/сут	Витамины	Суточная норма потребления, мг/сут
Кальций	1100	A	0,9
Магний	400	B 2	1,8
Фосфор	800	B 6	2,0
Медь	1,0	E	15
Железо	14	РР	20
Марганец	2,0	C	90

С целью проведения оптимизации рецептуры функциональных смесей были сформированы следующие балансовые уравнения:

• 1.    Содержание в вырабатываемом продукте жира в пересчете на сухое

• 2.    Содержание в молочной смеси продукте не более 8 % влаги, д.ед.

• 3.    Содержание в продукте суточной нормы потребления следующих витаминов, д.ед.:

вещество не менее 5 %, д.ед.

(0,01 x ₃ + 0,07 x, + 0,15 x ₃ + 0,096 x ₄ + 0,018 x ₅ + 0,003 x ₆) x

x 100/(100 - (0,04 x + 0,03 x ₂ + 0,09 x ₃)) >  0,05,

0,04 x, + 0,03 x ₂ + 0,09 x₃ <  0,08.

• а)    витамина A

  0,004 x, + 0,071 x ₂ + 0,0073 x₃ >  0,13 5,

0,004 x + 0,071 x ₂ + 0,073 x ₃<  0,45,

• б)    витамина B 2

0,5 x + 0,121 x ₂ + 0,05 x ₃ + 0,2 x ₄ >  0,27,

0,5 x + 0,121 x ₂ + 0,05 x₃ + 0,2 x ₄<  0,9,

• в)    витамина B 6

0,3 x, + 0,35 x ₂ + 0,07 x ₃ >  0,2,

0,3 x, + 0,35 x ₂ + 0,07 x ₃<  1,0,

• г)    витамина Е

3,5 x + 0,6 x ₂ >  2,25,

• 3,5 x + 0,6 x ₂<  7,5, д) витамина PP

6,5 x + 0,7 x ₂ + 2,7 x ₃ >  3,

6,5 x + 0,7 x ₂ + 2,7 x ₃<  10,

• е) витамина С

• 4.    Содержание в сухой смеси суточной нормы потребления минеральных веществ, д.ед.:

4,0 x + 9,6 x ₂ + 2,4 x ₃ >  13,5,

4,0 x_x + 9,6 x ₂ + 2,4 x ₃<  45,

• а)    кальция

280 x + 365 x ₂ + 88 x ₃ + 40 x ₄ + 75 x₅ >  165,

280 x, + 365 x ₂ + 88 x ₃ + 40 x ₄ + 75 x ₅<  550,

• б)    магния

160 x + 52 x ₂ + 71,5 x ₃ + 74,63 x ₄ + 29 x₅ >  60,

160 x_x + 52 x ₂ + 71,5 x ₃ + 74,63 x ₄ + 29 x ₅<  200,

• в)    фосфора

920 x_x + 132 x ₂ + 37 x ₃ + 194 x ₄ >  120,

920 x_x + 132 x ₂ + 37 x ₃ + 194 x ₄<  400,

• г)    марганец

0,055 x_x + 0,703 x ₂ + 0,21 x ₃ + 0,03 x ₄ >  0,3,

0,055 x_x + 0,703 x ₂ + 0,21 x ₃ + 0,03 x ₄<  1,0,

• д)    медь

• 5.    Функцией цели выбрана себестоимость, для которой введено условие получения минимального значения. Себестоимость рассчитывали следующим образом:

0,122 x , + 0,264 x ₂ + 0,17 x ₃ + 0,18 x ₄ >  0,15, 0,122 x + 0,264 x ₂ + 0,17 x ₃ + 0,18 x ₄<  0,5, е) железо

1,,0 x + 2,255 x ₂ + 1,2 x ₃ + 1,8 x ₄ >  2,1,

1,0 x, + 2,255 x ₂ + 1,2 x ₃ + 1,8 x ₄<  7,0,

225 x^ + 160 x ₂ + 229 x ₃ + 292 x ₄ + 213 x ₅ + 271 x ₆ ^min.7

С учетом всех условий и данных был проведен поиск решений в приложении программы Excel, в результате которого получена рецептура смеси, представленная в таблице 5.

Таблица 5 – Рецептура функциональной молочной смеси

Наименование компонента	Количество, %
Сухое обезжиренное молоко	44,5
Сывороточный белок	23,5
Порошок клубники	15,0
Порошок малины	7,5
Сухой яичный белок	6,5
Стевия	3,0
Всего	100

По результатам расчета получена рецептура сухой функциональной смеси для молочных коктейлей. Количество основных пищевых компонентов в рецептуре разработанной смеси соответствует ГОСТ 33933-2016 «Продукты диетического лечебного и диетического профилактического питания. Смеси белковые композитные сухие. Технические условия». Содержание в рецептуре жира в пересчете на сухое вещество составляет 5,1 % , влаги – 3,07 8 %, содержание белка – 40,8 %.

В соответствии с ГОСТ Р 52349-2005 «Продукты пищевые. Продукты пищевые функциональные. Термины и определения» содержание данных эссенциальных нутриентов в продукте должно составлять от 15 до 50 % от суточной нормы [12]. В таблице 6 представлены результаты расчета питательных веществ в сухой молочной смеси, витаминов и минеральных веществ – в таблице 7.

Таблица 6 – Содержание пищевых веществ в продукте

Наименование показателей	Массовая доля, %
	по ГОСТ 33933-2016	результаты расчета
Содержание белка	От 40 до 75	40,8
Содержание жира	Не менее 5	5,1
Содержание влаги	Не более 8	3,07

Таблица 7 – Результаты расчета содержания витаминов и минеральных веществ

Наименование витаминов и минеральных веществ	Норма суточного потребления для населения, мг/сут	Результаты расчета, мг	% от суточной нормы
1	2	3	4
Витамины, мг
A	0,9	0,02	2,2
B 2	1,8	0,25	13,8
B 6	2,0	0,19	9,5
Е	15	0,57	3,8
РР	20	4,86	24,3
С	90	3,4	3,7

Окончание таблицы 7

1	2	3	4
	Минеральные вещества, мг
Кальций	1100	231,45	21,0
Магний	400	101,62	25,4
Марганец	2,0	0,15	7,5
Фосфор	800	444,58	55,5
Медь	1,0	0,19	19,0
Железо	14	0,80	5,7

В составе смеси содержание нескольких элементов входят в данный диапазон: витамины B 2 и РР содержатся в количестве 13,8 % и 24,3 % соответственно; минеральные вещества – кальций (21,0 %), магний (25,4 %) и медь (19,0 %). Это позволяет рекомендовать разработанные смеси как источник функциональных ингредиентов - минеральных веществ и витаминов.

Анализ полученных данных свидетельствует о высокой пищевой ценности разработанных сухих смесей, поэтому целесообразности их использования для получения молочных напитков функционального назначения. В соответствии с ГОСТ ГОСТ 33933-2016, сухие смеси являются компонентом для приготовления готовых блюд. Следовательно, целесообразно использовать полученные смеси для приготовления молочных напитков, в том числе коктейлей. Основой для получения напитков может являться питьевая вода, обезжиренное и цельное молоко, количество внесения смеси – 30 % к общей массе продукта. Результаты расчета пищевой ценности молочных напитков представлены в таблице 8. Уровень удовлетворения в основных пищевых компонентах рассчитывали с учетом средней физиологической суточной нормы [10] при употреблении 200 г молочного напитка.

Таблица 8 – Варианты получения молочных напитков функционального назначения (на 200 мл)

Показатели	Напиток на основе питьевой воды	Уровень удовлетворения суточной нормы, %	Напиток на основе обезжирен ного молока	Уровень удовлетворения суточной нормы, %	Напиток на основе цельного молока	Уровень удовлетво рения суточной нормы, %
Содержание белка, %	12,2	16,1	17,9	23,5	17,6	23,1
Содержание жира, %	1,5	2,7	1,8	3,2	7,6	13,5
Содержание углеводов, %	13,2	6,0	21,5	9,8	21,3	9,7
Витамины, мг
A	0,006	0,6	0,009	0,8	0,057	6,3
B 2	0,07	4,1	0,38	21,1	0,33	18,3
B 6	0,05	2,8	0,12	6,0	0,14	7.0
Е	0,17	1,1	0,18	1,2	0,32	2,1
РР	1,4	7,2	1,6	8,0	3,5	17,5
С	1,02	1,1	1,02	1,1	3,57	3,9
Минеральные вещества, мг
Кальций	77,1	7,01	276,8	25,1	273,4	24,8
Магний	32,1	8,04	49,1	12,2	54,2	13,5
Марганец	0,04	2,3	0,05	2,5	0,05	2,5
Фосфор	133,3	16,6	305,07	38,1	286,3	35,7
Медь	0,05	5,7	0,07	7,0	0,07	7,0
Железо	0,24	1,7	0,29	2,07	0,35	2,5

Полученные данные свидетельствуют о высокой пищевой ценности молочных напитков с использованием разработанных функциональных молочных смесей. Необходимо отметить высокое содержание белка в напитках – от 12,2 до 17, 6 % в 100 г продукта. Содержание жира в разработанных напитках составляет от 1,5 до 7,6 %. Количество углеводов варьируется от 13,2 % до 21,5 %, большее их количество в составе напитков на молочной основе обусловлено высоким содержанием лактозы в молочном сырье. Уровень удовлетворения в витаминах составляет от 0,6 до 21,1 %. Максимальное значение отмечено по содержанию витамина B 2 в напитках на основе обезжиренного и цельного молока 18,3 и 21,1 % соответственно, а также витамина РР – 17,5 %. Употребление 200 мл молочных напитков позволяет удовлетворить потребность в минеральных веществах от 2,3 %(марганец) до 38,1 % (фосфор). Напитки на основе обезжиренного и цельного молока являются источником кальция, уровень удовлетворения которого составляет 24,8 - 25,1 % и магния (12,2 – 13,5 %). Таким образом, напитки на основе цельного молока и обезжиренного молока имеют большее количество пищевых компонентов по сравнению с напитком на основе питьевой воды.

Выводы. Результаты проведенных исследований свидетельствуют о целесообразности применения математического моделирования при оптимизации рецептуры сухих функциональных смесей с заданными свойствами. Сочетание в рецептуре продуктов животного происхождения и растительных компонентов сублимационной сушки позволяет получить молочные напитки с высокой пищевой ценностью. Использование растительных добавок при производстве молочных продуктов открывает новые возможности для создания продуктов функционального назначения, повышенной пищевой и биологической ценностью, обладающих улучшенными органолептическими показателями.