Проектирование биопродукта, обогащенного фитойодом

Вве^ение. В настоящее время, как в России, так и за рубе^ом в пищевой промышленности наблюдается тенденция создания принципиально нового поколения пищевых продуктов, отвечающих современным требованиям. Основными их характеристиками являются: сбалансированный состав, пони-^енное содер^ание ^ира, легкоусвояемых углеводов, высокое содер^ание белка, а так^е пробиотические свойства. При этом благодаря современным биотехнологическим приемам в комплексе с традиционными методами пищевой технологии мо^но создавать уникальные по своему составу и свойствам ферментированные молочные и молокосодер^ащие продукты с контролируемым химическим составом, заданными физиолого-биохимическими свойствами [1, 2, 3, 4]. Этого мо^но достигнуть за счет комбинирования молочных и растительных компонентов, в частности, злаковых культур [5, 6, 7, 8, 9].

Йододефицит является одной из актуальных проблем в Российской Федерации. По данным Эндокринологического научного центра Р^МН, недостаточное потребление йода создает серьезные проблемы для здоровья у 100 млн россиян, угро^ая физическому и умственному развитию 33,7 млн детей. Ученые ВОЗ у^е однозначно пришли к выводу, что коэффициент интеллекта (IQ) напрямую зависит от содер^ания йода в организме. Е^егодно в России ро^даются 215 тыс. детей с мозговыми нарушениями, обусловленными дефицитом йода [10].

В России не существует территорий, на которых население не подвергалось бы риску развития йоддефицитных заболеваний. Во всех обследованных к настоящему времени регионах страны, от Центральных областей до Сахалина, у населения имеется дефицит йода в питании. Особенно неблагополучны Повол^ье, Северо-Кавказский, Уральский, Восточно-Сибирский и Западно-Сибирский регионы [11].

Одной из основных задач, отра^енных в распоря^ении Правительства РФ от 25 октября 2010 г. N 1873-р «Основы государственной политики Российской Федерации в области здорового питания населения на период до 2020 года», является развитие производства пищевых продуктов, обогащенных незаменимыми компонентами, специализированных продуктов детского питания, продуктов функционального назначения, диетических (лечебных и профилактических) пищевых продуктов и биологически активных добавок к пище, в том числе для питания в организованных коллективах [12].

В связи с вышеизло^енным целью иссле^ований является разработка технологии обогащенного биопродукта для организации питания детей школьного возраста и профилактики йоддефицитных состояний.

Условия, материалы и мето^ы. Экспериментальные исследования и обработка полученных данных проводились в лабораториях кафедр управления качеством и товароведения Российского государственного аграрного университета – МСХ^ имени К.^. Тимирязева, продуктов питания и пищевой биотехнологии Омского государственного аграрного университета имени П.^. Столыпина, аккредитованных испытательных лабораториях: ООО ЦСЭ «Омск-тест», молочного предприятия «Манрос-М» филиал О^О «Вимм-Билль-Данн».

Объектами исследований являлись:

• -    молоко коровье сырое не ни^е 1 сорта по ГОСТ 31449-2013;

• -    толокно овсяное по ГОСТ 2929-75;

• -    сухая молочная сыворотка по ГОСТ Р 53492-2009;

• -    бактериальный препарат прямого внесения ALBABIOS-09 «^льба-ТИММ» по действующей нормативной документации, утвер^денной в установленном порядке;

• -    вкусовые наполнители фирмы «AgranaFruits» по действующей нормативной документации, утвер^денной в установленном порядке;

• -    йодсодер^ащая биологически активная добавка «Йодказеин» по ТУ 9229-001-79899185-2007;

• -    йодсодер^ащая биологически активная добавка «Фитойод» по ТУ 9191 -001-48859312-06;

• -    йодсодер^ащая биологически активная добавка «Йодхитозан», Свидетельство о государственной регистрации № RU 77.99.11.003.E. 003091.11.10 от 26.11.10 г.;

При выполнении экспериментальной части исследований применялся комплекс общепринятых, стандартных и модифицированных методов, в том числе физико-химических, микробиологических, биохимических, реологических, а так^е математические методы статистической обработки результатов исследований и построения математических моделей.

Результаты и обсуждение. Особенно чувствительны к недостатку йода дети школьного возраста. Согласно СанПиН2.4.5.2409-08 «Санитарноэпидемиологические требования к организации питания обучающихся в общеобразовательных учре^дениях, учре^дениях начального и среднего профессионального образования» школьный возраст делят на две группы: первая с 7 до 11 лет, вторая – 11 лет и старше [13]. Сведения о физиологической суточной потребности школьников в основных минеральных веществах представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Суточная потребность в основных пищевых веществах и энергии учащихся различных возрастных групп

Название микронутриентов	Ед. изм.	Возрастная группа
		с 7 до 11 лет	11 лет и старше
Кальций	мг	1100	1200
Фосфор	мг	1650	1800
Магний	мг	250	300
Железо	мг	12	17
Цинк	мг	10	14
Йод	мкг	100	120

Организм человека не синтезирует микронутриенты и дол^ен получать их в готовом виде с пищей. Способность запасать микронутриенты впрок на сколько-нибудь долгий срок у организма человека отсутствует. Поэтому они дол^ны поступать регулярно, в полном наборе и количествах, соответствующих физиологической потребности человека во все периоды года.

Наиболее приемлемым способом ликвидации йододефицита является разработка и внедрение в массовое производство йодированных продуктов питания. Обогащать минеральными веществами, в частности йодом, пре^де всего следует продукты массового потребления, доступные для всех групп детского и взрослого населения, используемые регулярно и повсеместно в повседневном питании. Среди них ва^ное место занимает молочная продукция: молочные составные продукты, молочные напитки, кисломолочные продукты, творо^ные продукты, продукты переработки молока, молочная плазма, моро^еное и другие продукты, содер^ащие молоко.

На первом этапе работы проводили коррекцию белкового, аминокислотного состава биопродукта проводили с помощью сухой молочной сыворотки. Для определения оптимальной массовой доли сухой молочной сыворотки был определен аминокислотный скор (далее ^С) лимитирующих незаменимых аминокислот (метионин+цистин). Обязательным условием конструирования молочно-растительной основы по эффекту взаимного обогащения является ^С≥100%. На основании проведенных исследований обоснован состав молочно-растительной основы биопродукта по оптимальному балансу незаменимых факторов питания, эффекту взаимного обогащения, биологической ценности: молоко с массовой долей ^ира 2,5 %, сухая молочная сыворотка – 2%, овсяное толокно – 3-5%.

В качестве источника йода были выбраны добавки, содер^ащие органический йод: «Йодказеин», «Фитойод», «Йодхитозан». Органический йод – это йод, находящийся в химической связи с каким-либо органическим веществом (сахара, полисахариды, аминокислоты). Органический йод, в отличие от минерального, находится в связанном состоянии, и в большинство химических реакций с органическими веществами организма не вступает. При этом йод, поступая через пищеварительный тракт в печень, под действием ферментов отщепляется от аминокислоты (тирозин, гистодин) и используется для синтеза гормонов щитовидной ^елезы. Механизм регулирования органического йода, поступающего извне, контролируется через систему гомеостаза, и расщепление органического йода идет строго индивидуально: организм получает йода ровно столько, сколько ему ну^но. Чем острее ощущается недостаток йода, тем активнее становится деятельность ферментов в печени. Излишний органический йод (не востребованный щитовидной ^елезой) естественным образом выводится из организма, поэтому не наблюдается накопления йода и соответствующих каких-либо негативных последствий [14].

Йодосодер^ащие добавки вносятся в молочно-растительную основу в виде раствора, в связи с этим была изучена их растворимость в воде. Лучшими технологическими свойствами обладает йодосодер^ащая добавка «Фитойод», которая и была выбрана для обогащения йодом биопродукта с овсяным толокном.

«Фитойод» содер^ит йод в стабилизированной и биодоступной форме, а так^е другие ингредиенты (в частности, пектин), совместимые с пищевыми продуктами. Данное биологическое соединение представляет собой легкорастворимый мелкодисперсный порошок, состоящий из компонентов растительного происхо^дения. Он не обладает аллергенными свойствами, обеспечивает пролонгированное действие йода, связывает и выводит из организма экотоксиканты как органического, так и неорганического происхо^дения [15]. На основании экспертного заключения ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии» (г. Москва) разрешено производство Б^Д «Фитойод» для использования в пищевой промышленности на территории РФ – Свидетельство о государственной регистрации № RU 77.99.11.003.E.002991. 11.10 от 19.11.10 г.

Согласно СанПиН 2.3.2.1078-01 продукт считается обогащенным при условии, что его усредненная суточная порция (200 мл) содер^ит от 15% до 50% витаминов и/или минеральных веществ от нормы физиологической потребности человека.

Количество витаминов и минеральных веществ, дополнительно вносимых в обогащаемые ими продукты, дол^но быть рассчитано с учетом их естественного содер^ания в исходном продукте или используемом для его изготовления сырье, а так^е потерь в процессе производства и хранения, с тем, чтобы обеспечить содер^ание этих витаминов и минеральных веществ на уровне не ни^е регламентируемого в течение всего срока годности обогащенного продукта. При обогащении пищевого продукта дополнительное внесение обогащающего компонента дол^но составлять не менее 10% от нормы физиологической потребности человека.

При выборе массы йодсодер^ащей добавки предполагали, что разрабатываемый биопродукт будет предназначен для организации питания школьников. Из СанПиН2.4.5.2409-08 «Санитарно-эпидемиологические требования к организации питания обучающихся в общеобразовательных учре^дениях, учре^дениях начального и среднего профессионального образования» следует, что суточная потребность в йоде школьников младшей возрастной группы (7-11 лет) составляет 100 мкг, для старшей возрастной группы (11 лет и старше) – 120 мкг.

В последнее время актуальной является теория моделирования пищевых продуктов с заданными потребительскими свойствами, соответствующими современным концепциям рационального питания. Учитывая вышеизло^енное, на следующем этапе была спроектирована рецептура молочно-растительной основы биопродукта с минимальным и максимальным содер^анием йода.

Проектирование продуктов с направленным химическим составом осуществляется путем варьирования количественным соотношением сырьевых ингредиентов. Для решения рецептурных задач используются современные математические компьютерные системы. Особую роль в решении данного типа задач занимают так называемые линейные модели, т.е. модели, где математические зависимости (равенства или неравенства) – линейны относительно всех переменных величин, включенных в модель. Решение задач такого вида заключается в том, чтобы из мно^ества возмо^ных рецептурных вариантов выбрать оптимальный по заданному признаку. Этот универсальный метод линейного программирования называется симплекс-методом. При решении системы линейных балансовых алгебраических уравнений возмо^ны три варианта ответов:

• -    система линейных алгебраических уравнений имеет единственное решение (поло^ительное определяет одну рецептуру продукта);

• -    система линейных алгебраических уравнений не имеет решений (при заданных ингредиентах и их химическом составе система не совместна, рецептуру составить в данном случае не возмо^но);

• -    система линейных алгебраических уравнений имеет мно^ество решений (выбор рецептуры в данном случае определяется целевой функцией).

На начальном этапе проектирования рецептуры молочно-растительной основы биопродукта была создана информационная матрица, включающая в себя вид ингредиентов, химический состав, индексированные переменные (Х), представленная в виде таблицы 2.

Таблица 2 – Информационная матрица данных для проведения оптимизации молочнорастительной основы биопродукта

Ингредиенты	X	Масса, кг	Массовая доля, %
			белки	^иры	углеводы	вода
Молоко с м.д.^. 2,5%	Х1	92,98	2,90	2,5	4,73	93,90
Толокно овсяное	Х2	5,00	12,20	6,00	52,10	88,70
Сухая молочная сыворотка	Х3	2,00	12,00	1,10	73,30	25,60
Раствор Б^Д «Фитойод»	Х4	0,01	0,00	0,00	0,47	99,00
Препарат бактериальный ALBA BIO S-09	Х5	0,01
Итого, кг		100,00
Среднесуточная потребность школьников (7-11 лет)			77,0	79,0	335,0
Состав проектируемого продукта			3,3	2,4	14,90	77,40
Балансовые уравнения			3,3	2,4	14,90	77,40

На основании информационной матрицы составлена система линейных балансовых алгебраических уравнений по ^иру, белку, углеводам.

Баланс по Жиру:	Линейные балансовые неравенства и уравнения 0,025х1+0,06х2+0,011х3≥ 2,5
Белку:	0,029х1+0,122х2+0,12х3≥ 3
Углеводам:	0,047х1+0,521х2+0,733х3≥ 6
Массе:	х1+х2+х3+х4+х5 = 100

На завершающем этапе компьютерного проектирования была проведена оптимизация молочно-растительной основы биопродукта по содер^анию йода. Моделирование рецептуры было осуществлено с учетом естественного содер^ания йода в исходном сырье. Содер^ание органически связанного йода в 1,0 г «Фитойод 0,24 г.

В ходе проектирования был разработан алгоритм и программа расчета содер^ания минеральных веществ, в том числе и йода, разработана методика оптимизации содер^ания минеральных веществ в молочно-растительной основе биопродукта. Содер^ание йода в проектируемой молочно-растительной основе биопродукте мо^но целенаправленно повышать (уменьшать), изменяя функцию цели путем задания определенных значений.

Проектирование молочно-растительной основы биопродукта с максимальным и минимальным содер^анием минеральных веществ, в том числе и йода, в 100 граммах проектируемой основы представлено в виде таблиц 3 и 4.

Таблица 3 – Проектирование рецептуры молочно-растительной основы биопродукта с максимальным содер^анием минеральных веществ (в том числе, йода)

Ингредиенты	X	Масса, кг	Минеральные вещества, мг (%)
			Ca	K	Fe	I	Mg	P
Молоко с м.д.^. 2,5%	x1	92,98	120,00	146,00	0,06	0,005	14,00	90,00
Толокно овсяное	x2	5,00	61,00	372,00	3,00	0,006	118,34	345,26
Сухая молочная сыворотка	x3	2,00	1100,00	1400,00	1,50	0,01	150,00	1200,0
Раствор Б^Д «Фитойод»	x4	0,010	0,00	0,00	0,00	240,0	0,00	0,00
Препарат бактериальный		0,01
Сумма, кг		100,00
Суточная потребность школьников (7-11 лет), мг			1100	1500	12,00	0,10	250,00	1650,0
Суточная потребность школьников (11 лет и старше), мг			1200	2000	17,00	0,12	300,00	1800,0
% удовлетворения суточной потребности школьников 7-11 лет			11,3	11,4	2,6	28,5	8,4	7,0
% удовлетворения суточной потребности школьников 11 лет и старше			10,4	8,55	1,8	23,3	7,0	6,4
Содер^ание в продукте, мг			124,15	170,95	0,31	0,029	20,97	114,98

В ходе выполнения данного этапа работы был обоснован выбор йодсодер^ащей добавки «Фитойод», определена ее количественное содер^ание для обогащения молочно-растительной основы биопродукта (1 г на 1000 кг), предназначенного для питания детей школьного возраста.

Разработана методика оптимизации содер^ания минеральных веществ (в том числе йода) в молочно-растительной основе биопродукта.

На следующем этапе исследований было изучено влияние йодсодер^ащих добавок на биохимическую активность микроорганизмов (L. lactis, L. cremoris, L. diacetilactis, S. thermophiles, B. longum) в процессе ферментации молочно-растительной основы биопродукта. Продол^ительность ферментации составила 8 часов. Установлено, что йодсодер^ащие добавки «Фитойод» и «Йодхитозан», учитывая их незначительное количество внесения, не оказывают влияния на кислотность, органолептические показатели и в процессе ферментации не ингибируют развитие пробиотических культур микроорганизмов.

Таблица 4 – Проектирование молочно-растительной основы биопродукта с минимальным содер^анием минеральных веществ (в том числе, йода)

Ингредиенты	X	Масса, кг	Минеральные вещества, мг (%)
			Ca	K	Fe	I	Mg	P
Молоко с м.д.^. 2,5%	x1	92,99	120,00	146,00	0,06	0,005	14,00	90,00
Толокно овсяное	x2	5,00	61,00	372,00	3,00	0,006	118,34	345,26
Сухая молочная сыворотка	x3	2,00	1100,00	1400,00	1,50	0,01	150,00	1200,0
Раствор Б^Д «Фитойод»	x4	0,001	0,00	0,00	0,00	240,0	0,00	0,00
Препарат бактериальный	х5	0,01
Сумма, кг		100,00
Суточная потребность школьников (7-11 лет), мг			1100	1500	12,00	0,01	250,00	1650,0
Суточная потребность школьников 11 лет и старше, мг			1200	2000	17,00	0,12	300,00	1800
% удовлетворения суточной потребности школьников 7-11 лет			9,8	9,0	1,1	7,5	5,2	4,9
% удовлетворения суточной потребности школьников 11 лет и старше			9,0	6,7	0,8	5,8	4,3	4,4
Содер^ание в продукте, мг			107,51	134,59	0,14	0,007	13,04	80,03

Проведен сравнительный анализ пищевой, биологической ценности обогащенного биопродукта, установлена степень удовлетворения среднесуточной физиологической потребности школьников в йоде при потреблении 200 г биопродукта, обогащенного фитойодом: для школьников младшей возрастной группы (7–11 лет) – 42 %, для школьников старшей возрастной группы – 35 %.

По итогам проведенных исследований разработанбиопродукт, обогащенный фитойодомв следующем ассортименте:

• -    биопродукт с овсяным толокном «Вишенка», обогащенный фитойодом;

• -    биопродукт с овсяным толокном «Клубничка», обогащенный фитойодом;

• -    биопродукт с овсяным толокном «Черничка», обогащенный фитойодом.

По органолептическим показателям биопродукт, обогащенный фитойодом, дол^ен соответствовать требованиям, указанным в таблице 5.

Таблица 5 – Органолептические показатели обогащенного биопродукта

Наименование показателя	Характеристика показателя
Внешний вид и консистенция	Консистенция слегка тягучая, без отделения сыворотки, однородная
Вкус и запах	Кисломолочный с приятным запахом и привкусом овсяного толокна и наполнителя, в меру сладкий
Цвет	Равномерный по всей массе, обусловленный цветом добавленного наполнителя

По физико-химическим показателям биопродукт дол^ен соответствовать требованиям, указанным в таблице 6.

Таблица 6 – Физико-химические показат ели обогащенного биопродукта

Наименование показателя	Норма
Массовая доля ^ира, %, не менее	2,5
Массовая доля белка, %, не менее	3,2
Массовая доля влаги, %, не более	75,0
^ктивная кислотность, ед. рН	4,6-4,7
Температура, ºС	4±2
Фосфатаза	не допускается

Рецептура на производство обогащенного биопродукта (в кг на 1000 кг без учета потерь), разработанная методом системного проектирования приведена в таблице 7.

Таблица 7 – Рецептура обогащенного биопродукта

Наименование сырья и материалов	Биопродукт					Биопродукт, обогащенный фитойодом
	рецептура 1	рецептура 2		рецептура 3		рецептура 1		рецептура 2		рецептура 3
Обез^иренное молоко	768,24	768,24		768,24		768,15		768,15		768,15
Сливки с м.д.^. 40,0 %	50,16	50,16		50,16		50,15		50,15		50,15
Сухая молочная сыворотка	17,6	17,6		17,6		17,6		17,6		17,6
Толокно овсяное	44,0	44,0		44,0		44,0		44,0		44,0
Раствор «Фитойод»	-	-		-		0,1		0,1		0,1
Бактериальный препарат ALBA BIOS-09	по норме
Наполнитель «Вишня»	120		-		-		120		-		-
Наполнитель «Клубника»	-		120		-		-		120		-
Наполнитель «Черника»	-		-		120		-		-		120
Итого	1000		1000		1000		1000		1000		1000

Использование в молочной промышленности программы по варьированию компонентного состава продуктов в соответствии с необходимостью сни^ения себестоимости, повышения энергетической ценности или содер^ания витаминов и минеральных веществ, облегчит работу производства и расширит ассортимент продуктов для специального питания.

Научная новизна технологического решения защищена патентом на изобретение № 252649, заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюд^етное образовательное учре^дение высшего профессионального образования Омский государственный аграрный университет им. П.^. Столыпина. № 2013112559; заявл. 20.03.2013; опубл. 20.08.2014 [16].

Таким образом, определен состав молочно-растительной основы биопродукта по оптимальному балансу незаменимых факторов питания, включающий молоко с м.д.^. 2,5 %, сухую молочную сыворотку (2 %), овсяное толокно (5 %). Обоснован выбор йодсодер^ащей добавки «Фитойод» и ее количественное содер^ание (1 г добавки «Фитойод» на 1000 кг молочнорастительной основы биопродукта), разработана методика оптимизации состава молочно-растительной основы по критерию максимального (минимального) содер^ания минеральных веществ путем компьютерного проектирования. Разработаны технология производства и нормативная документация для биопродукта, обогащенного фитойодом (СТО 49527279-0012013).

Обогащенный биопродукт мо^ет быть включен в рационы питания детей школьного возраста и разных групп населения для профилактики йододефицитных состояний.