Text (PDF):
Read
Download
Введение В настоящее время вопросами повышения качества жизни и питания людей, страдающих пище- выми аллергическими реакциями, обеспокоены ученые не только в области медицины, но и специ- алисты пищевой индустрии. Однако сложность решения данного вопроса заключается не только в создании продукта повышенной пищевой и биоло- гической ценности, но также в имитации особых органолептических и реологических характеристик, свойственных традиционным видам пищевых изде- лий [1, 2]. В качестве основных видов безглютенового мучного растительного сырья в большинстве суще- ствующих рецептур безглютеновых продуктов пи- тания используется соевая, амарантовая, арахисо- вая, гороховая, гречневая, кукурузная мука и т.д. Проведенный анализ литературных данных указал перспективу использования при производстве аглютеновых мясопродуктов рисовой, льняной, амарантовой, нутовой муки и кукурузного крахма- ла ввиду их повышенной перевариваемости, пище- вой и биологической ценности [3, 4]. Целью настоящих исследований стало опреде- ление рецептурного состава безглютеновой смеси, обеспечивающей высокие органолептические и структурно-механические свойства модельным те- стовым системам, произведенным на ее основе. Объекты и методы исследования Для проведения процесса моделирования и оп- тимизации рецептурного состава безглютеновой смеси для производства пельменного теста в качестве основного сырья и объектов исследования бы- ли использованы мучные композиции и модельные тестовые системы, включающие в свой состав ри- совую муку (ТУ 9293-002-43175543-03), амаранто- вую муку (ТУ 9146017-70834238-11), нутовую муку (ТУ 9293-009-89751414-10), льняную муку (ТУ ), кукурузный крахмал (ГОСТ 32159-2013). В качестве контрольного об- разца использована модельная тестовая система из муки пшеничной в/с (ГОСТ Р 52189-2003). Органо- лептическая оценка контрольных (пшеничных) и опытных (безглютеновых) модельных мучных си- стем производилась по пятибалльной шкале (вкус, цвет, запах), структурно-механические свойства модельных тестовых систем определялись на ин- формативно-измерительном приборе структуро- метр СТ-1 в режиме «№ 4» путем установления количественного соотношения между упругой и пластической деформацией. Реализация и планирование активного полно- факторного эксперимента по заданным критериям оптимизации производились согласно составленной матрице ротатабельного центрального композиционного униформ-планирования (РЦКП) в при- кладной программе использования персонального компьютера для математического и статистическо- го анализа Statgraphics Centurion 16.1.11 и Statistica 10.0 [5]. Основными факторами варьирования планируе- мого эксперимента были выбраны следующие па- раметры: x1 - количество амарантовой муки, % к массе рисовой муки (x0); х2 - количество нутовой муки, % к массе рисовой муки (x0); х3 - количество льняной муки, % к массе рисовой муки (x0); х4 - количество кукурузного крахмала, % к массе рисо- вой муки (x0); х5 - количество влаги, расходуемое при замесе модельной тестовой системы, % к массе мучной смеси; выходными параметрами послужи- ли: у0 - органолептическая оценка; у1 - упругие де- формации модельных тестовых систем, мм; у2 - пластические деформации модельных тестовых систем, мм. Выбор рисовой муки в качестве основного ком- понента в рецептурном составе мучных смесей обусловлен рядом технологических факторов, свя- занных с ее пищевой, биологической ценностью, органолептическими, структурно-механическими характеристиками и химическим составом. Результаты и их обсуждение Для проведения процесса оптимизации был определен уровень введения сырьевых ингредиентов, взятых в процентном соотношении к массе рисовой муки: для амарантовой муки 5-15 %, для нутовой муки 5-30 %, для льняной муки 0-5 %, для кукурузного крахмала 10-20 % (табл.1). Таблица 1 Планирование экспериментальных исследований органолептической оценки модельных мучных систем от уровня введения мучных ингредиентов Установленные уровни введения льняной, нуто- вой и амарантовой муки обусловлены химическим составом - повышенным содержанием жира, со- кращающего длительность хранения замороженных мясопродуктов. Согласно составленной матрице РЦКП (табл. 2) экспериментально полученные дан- ные подвергались статистическому анализу и про- верке значимости коэффициентов регрессионного уравнения на адекватность. Таблица 2 Матрица РЦКП активного эксперимента по исследованию зависимости изменения Натуральные значенияфакторов Кодированныезначения факторов х1 х2 х3 х4 X1 X2 X3 X4 у0 1 5 5 0 10 -1 -1 -1 -1 4,14 2 15 5 0 10 1 -1 -1 -1 3,92 3 5 30 0 10 -1 1 -1 -1 4,27 4 15 30 0 10 1 1 -1 -1 3,91 5 5 5 5 10 -1 -1 1 -1 4,18 6 15 5 5 10 1 -1 1 -1 3,8 7 5 30 5 10 -1 1 1 -1 4,31 8 15 30 5 10 1 1 1 -1 3,79 9 5 5 0 20 -1 -1 -1 1 4,19 10 15 5 0 20 1 -1 -1 1 3,99 11 5 30 0 20 -1 1 -1 1 4,34 12 15 30 0 20 1 1 -1 1 4 13 5 5 5 20 -1 -1 1 1 4,25 14 15 5 5 20 1 -1 1 1 3,89 15 5 30 5 20 -1 1 1 1 4,39 16 15 30 5 20 1 1 1 1 3,89 17 0 17,5 2,5 15 -2 0 0 0 4,11 18 20 17,5 2,5 15 2 0 0 0 3,06 19 10 0 2,5 15 0 -2 0 0 4,46 20 10 42,5 2,5 15 0 2 0 0 4,37 21 10 17,5 0 15 0 0 -2 0 4,6 22 10 17,5 7,5 15 0 0 2 0 4,18 23 10 17,5 2,5 5 0 0 0 -2 4,31 24 10 17,5 2,5 25 0 0 0 2 4,46 25 10 17,5 2,5 15 0 0 0 0 4,7 26 10 17,5 2,5 15 0 0 0 0 4,7 27 10 17,5 2,5 15 0 0 0 0 4,7 28 10 17,5 2,5 15 0 0 0 0 4,7 29 10 17,5 2,5 15 0 0 0 0 4,7 30 10 17,5 2,5 15 0 0 0 0 4,7 31 10 17,5 2,5 15 0 0 0 0 4,7 органолептической оценки модельных композиций от уровня введения мучных компонентов Пределы варьированияосновных факторов Условия планирования х1 х2 х3 х4 Основной уровень (0) 10 17,5 2,5 15 Интервал 5 12,5 2,5 5 Верхний уровень (+1) 15 30 5 20 Нижний уровень (-1) 5 5 0 10 Верхняя «звездная точ-ка» (+2,0) 20 42,5 7,5 25 Нижняя «звездная точ-ка» (-2,0) 0 0 0 5 Графическая интерпретация результатов по- строения органолептических профилей поликомпо- нентных модельных мучных композиций представ- лена в виде данных сечения проекции поверхности отклика и данных карты Парето, отражающей ста- тистически наиболее значимые коэффициенты ре- грессионной модели (рис. 1). а б Рис. 1. Карта Парето (а) и проекция сечения поверхности отклика (б), зависимости изменения органолептической оценки мучной смеси от уровня введения безглютеновых ингредиентов Наивысшие балльные оценки органолептиче- ских профилей модельных композиций были полу- чены при внесении льняной муки до 3 %, амаран- товой муки в количестве 10 %, нутовой муки - 17,5 %, крахмала кукурузного - 15 %, взятых к мас- се рисовой муки. Отмечено, что использование в составе смеси большого количества амарантовой и льняной муки значительным образом ухудшало вкусовые свойства моделируемых мучных компо- зиций, а нивелирующим органолептическим эф- фектом исходя из полученных коэффициентов уравнения регрессии (1) обладает кукурузный крахмал и нутовая мука: y0 = 4,7 - 0,207Х1 - 0,297Х1 2 - 0, 09Х2 2 - 0,046Х3 - - 0,097Х3 2 - 0,098Х4 2 (R2 = 0,93) (1) Замес теста определяется как главный техноло- гический этап процесса производства, где в значи- тельной степени роль в формировании высоких реологических характеристик играет химический состав и функционально-технологические свойства сырья, количество влаги, время вымешивания и скорость вращения месильных органов и т.д. [6, 7]. С целью дальнейшей оптимизации рецептурно- го состава по выявлению условного «максимума» значений упругих и пластических деформаций при разном количественном использовании компонен- тов смеси и влаги был спланирован и реализован многофакторный эксперимент (табл. 3). Таблица 3 Условия планирования Пределы варьированияосновных факторов х х х х х Основной уровень (0) 10 16 1.5 14 77,5 Интервал 2 2 1.5 2 2,5 Верхний уровень (+1) 12 18 3 12 80 Нижний уровень (-1) 8 14 0 16 75 Верхняя «звезднаяточка» (+2,0) 14 20 4,5 18 82,5 Нижняя «звезднаяточка» (-2,0) 6 12 1,5 10 72,5 Планирование эксперимента по исследованию структурно-механических характеристик поликомпонентных модельных тестовых систем 1 2 3 4 5 Определение количества влаги, используемой на замес поликомпонентных смесей, осуществля- лось на основании данных поисковых эксперимен- тальных исследований однокомпонентных модель- ных тестовых систем, сенсорной технологической оценки качества модельных тестовых систем, обу- словленной липкостью и степенью разжижения тестовой массы. Матрица планирования активного эксперимента и результаты исследования струк- турно-механических характеристик модельных те- стовых систем представлены в виде данных табл. 4. Результатом проведенного процесса оптимиза- ции стали графические зависимости изменения упругих и пластических деформаций модельных тестовых систем, представленные в виде сечения поверхностей отклика у1 и у2 и карт Парето (рис. 2). Таблица 4 Матрица РЦКП активного эксперимента по исследованию реостабильности модельных тестовых систем от уровня введения компонентов Натуральные значения факторов Кодированные значенияфакторов Упругиедеформации, мм Пластическиедеформации, мм 1 2 3 4 1 х1 х2 х3 х4 х5 X1 X2 X3 X4 Х5 у1 у2 2 8 14 0 12 80 -1 -1 -1 -1 1 0,28 1,80 3 12 14 0 12 75 1 -1 -1 -1 -1 0,45 1,34 4 8 18 0 12 75 -1 1 -1 -1 -1 0,53 1,22 5 12 18 0 12 80 1 1 -1 -1 1 0,49 2,12 Окончание табл. 4 1 2 3 4 6 8 14 3 12 75 -1 -1 1 -1 -1 0,49 1,23 7 12 14 3 12 80 1 -1 1 -1 1 0,46 1,93 8 8 18 3 12 80 -1 1 1 -1 1 0,53 1,81 9 12 18 3 12 75 1 1 1 -1 -1 0,70 1,35 10 8 14 0 16 75 -1 -1 -1 1 -1 0,22 1,52 11 12 14 0 16 80 1 -1 -1 1 1 0,18 2,42 12 8 18 0 16 80 -1 1 -1 1 1 0,26 2,30 13 12 18 0 16 75 1 1 -1 1 -1 0,43 1,84 14 8 14 3 16 80 -1 -1 1 1 1 0,23 2,11 15 12 14 3 16 75 1 -1 1 1 -1 0,39 1,65 16 8 18 3 16 75 -1 1 1 1 -1 0,47 1,53 17 12 18 3 16 80 1 1 1 1 1 0,44 2,43 18 6 16 1,5 14 77,5 -2 0 0 0 0 0,35 1,65 19 14 16 1,5 14 77,5 2 0 0 0 0 0,48 2,09 20 10 12 1,5 14 77,5 0 -2 0 0 0 0,27 1,37 21 10 20 1,5 14 77,5 0 2 0 0 0 0,56 1,57 22 10 16 0 14 77,5 0 0 -2 0 0 0,27 1,96 23 10 16 4,5 14 77,5 0 0 2 0 0 0,49 1,78 24 10 16 1,5 10 77,5 0 0 0 -2 0 0,58 1,47 25 10 16 1,5 18 77,5 0 0 0 2 0 0,25 2,27 26 10 16 1,5 14 72,5 0 0 0 0 -2 0,52 1,19 27 10 16 1,5 14 82,5 0 0 0 0 2 0,32 2,55 28 10 16 1,5 14 77,5 0 0 0 0 0 0,42 1,87 29 10 16 1,5 14 77,5 0 0 0 0 0 0,42 1,87 30 10 16 1,5 14 77,5 0 0 0 0 0 0,42 1,87 31 10 16 1,5 14 77,5 0 0 0 0 0 0,42 1,87 32 10 16 1,5 14 77,5 0 0 0 0 0 0,42 1,87 а б (5)х5(L) (4)х4(L) х2(Q) (1)х1(L) (2)х2(L) (3)х3(L) х4(Q) х1(Q) х5(Q) х3(Q) 5,227856 -4,60051 ,4502096 ,4502096 ,4502096 ,4502096 -13,148 12,75597 24,04814 41,61373 p=,05 в г Рис. 2. Проекции сечения поверхности отклика (а, б) и карты Парето (в, г), зависимости изменения упругопластических деформаций модельных тестовых систем от уровня введения безглютеновых компонентов Анализ интерпретации графических результатов процесса оптимизации показал положительное вли- яние амарантовой, нутовой и льняной муки на упругие деформации, что, очевидно, связано с по- вышенным содержанием белка и пентозанов, обла- дающих структурообразующими свойствами. Увеличение уровня введения крахмала и влаги, расхо- дуемой на замес тестовой системы, позволяет в значительной степени повысить пластичность теста. Результаты экспериментально полученных дан- ных исследования реодинамичности поликомпонентных модельных тестовых систем можно выра- зить регрессионной моделью зависимости: у1 = 0,418 + 0,065X1 + 0,144 X2 + 0,109X3 - 3 - 0,164X4 - 0,1X5 - 0,0185X 2 (R2 = 0,98) (2) у2 = 1,87 + 0,203X1 + 0,083X2 - 0,195X2 2 - - 0,07X3 + 0, 38X4 + 0,66X5 (R2 = 0,99) (3) Поскольку результаты максимальных значений исследуемых факторов находятся в удалении от оптимума друг друга, то в условиях дальнейшей оптимизации необходим дополнительный поиск условного «максимума». Полученные значения «оптимума» уровня введения мучных компонентов процесса оптимизации упругих и пластических деформаций модельных тестовых систем были взя- ты в качестве верхних и нижних «звездных точек» (табл. 5). В ходе реализации повторного многофакторно- го эксперимента получены усредненные арифмети- ческие значения упругих и пластических деформа- ций, представленные матрицей ротатабельного центрального композиционного планирования ис- следования, варьируемые от исследуемых парамет- ров (табл. 6). Таблица 5 Условия планирования Пределы варьированияосновных факторов х1 х2 х3 х4 х5 Основной уровень (0) 10,6 16,85 1,5 13,3 78,5 Интервал 0,4 0,52 0,45 1,48 1 Верхний уровень (+1) 11 17,4 1,95 14,8 79,9 Нижний уровень (-1) 10,2 16,3 1,05 11,8 77,9 Верхняя «звезднаяточка» (+2,0) 11,4 17,9 2,4 16,2 80,9 Нижняя «звезднаяточка» (-2,0) 9,8 15,8 0,6 10,3 76,9 Планирование эксперимента по оптимизации рецептурного состава смеси согласно заданным реологическим критериям Таблица 6 Матрица РЦКП активного эксперимента по оптимизации рецептурного состава мучной безглютеновой смеси Кодированные значения факторов Упругиедеформации, мм Пластические деформации, мм 1 х1 х2 х3 х4 х5 X1 X2 X3 X4 Х5 у1 у2 2 10,2 16,3 1,1 11,8 79,9 -1 -1 -1 -1 1 0,45 1,8 3 11 16,3 1,1 11,8 77,9 1 -1 -1 -1 -1 0,49 1,54 4 10,2 17,4 1,1 11,8 77,9 -1 1 -1 -1 -1 0,49 1,54 5 11 17,4 1,1 11,8 79,9 1 1 -1 -1 1 0,45 1,8 6 10,2 16,3 2 11,8 77,9 -1 -1 1 -1 -1 0,61 0,96 7 11 16,3 2 11,8 79,9 1 -1 1 -1 1 0,57 1,22 8 10,2 17,4 2 11,8 79,9 -1 1 1 -1 1 0,57 1,22 9 11 17,4 2 11,8 77,9 1 1 1 -1 -1 0,61 0,96 10 10,2 16,3 1,1 14,8 77,9 -1 -1 -1 1 -1 0,46 2,64 11 11 16,3 1,1 14,8 79,9 1 -1 -1 1 1 0,42 2,9 12 10,2 17,4 1,1 14,8 79,9 -1 1 -1 1 1 0,42 2,9 13 11 17,4 1,1 14,8 77,9 1 1 -1 1 -1 0,46 2,64 14 10,2 16,3 2 14,8 79,9 -1 -1 1 1 1 0,54 2,32 15 11 16,3 2 14,8 77,9 1 -1 1 1 -1 0,58 2,06 16 10,2 17,4 2 14,8 77,9 -1 1 1 1 -1 0,58 2,06 17 11 17,4 2 14,8 79,9 1 1 1 1 1 0,54 2,32 18 9,8 16,85 1,55 13,3 78,9 -2 0 0 0 0 0,49 1,95 19 11,4 16,85 1,55 13,3 78,9 2 0 0 0 0 0,49 1,95 20 10,6 15,75 1,55 13,3 78,9 0 -2 0 0 0 0,62 1,95 21 10,6 17,95 1,55 13,3 78,9 0 2 0 0 0 0,62 1,95 22 10,6 16,85 0,65 13,3 78,9 0 0 -2 0 0 0,37 2,53 23 10,6 16,85 2,45 13,3 78,9 0 0 2 0 0 0,61 1,37 24 10,6 16,85 1,55 10,3 78,9 0 0 0 -2 0 0,52 0,85 25 10,6 16,85 1,55 16,3 78,9 0 0 0 2 0 0,45 3,05 26 10,6 16,85 1,55 13,3 76,9 0 0 0 0 -2 0,53 1,62 27 10,6 16,85 1,55 13,3 80,9 0 0 0 0 2 0,45 2,13 28 10,6 16,85 1,55 13,3 78,9 0 0 0 0 0 0,49 1,95 29 10,6 16,85 1,55 13,3 78,9 0 0 0 0 0 0,49 1,95 30 10,6 16,85 1,55 13,3 78,9 0 0 0 0 0 0,49 1,95 31 10,6 16,85 1,55 13,3 78,9 0 0 0 0 0 0,49 1,95 32 10,6 16,85 1,55 13,3 78,9 0 0 0 0 0 0,49 1,95 Достоверность представленных эксперимен- тальных данных подтверждена критериями Стьюдента и Фишера в полученных регрессионных ма- тематических уравнениях вида: 2 у1 = 0,488 + 0,063 X 2 + 0,12X3 - 0,0316X4 - (R2 = 0,97) (5) 4 - 0,0004X 2 - 0,04X5 Графическая интерпретация результатов экспе- риментальных исследований упругих и пластиче- (R2 = 0,98) (4) у2 = 1,98 - 0,53X3 + 0,99X4 + 0,208X5 - 0,045X5 2 ских деформаций представлена в виде карт Парето и проекций сечения поверхностей отклика на рис. 3. а б в Рис. 3. Карты Парето (а, б) и проекция сечения поверхности отклика (в) и зависимости изменения упругопластических деформаций модельных тестовых систем от уровня введения мучных компонентов Таким образом, проведенный процесс модели- рования и оптимизации рецептурного состава без- глютеновой смеси по заданным реологическим и органолептическим критериям позволил получить оптимальную мучную композицию, представлен- ную в виде соотношения компонентов к массе ри- совой муки в балансовом уравнении (6): 0,098*х0 + 0,158*х0 + 0, 019*х0 + 0,163*х0 + х0 =100(6) где х0 =69,6 % - масса рисовой муки, тогда х1 = = 0,098 * x0 = 6,8 % - масса амарантовой муки, х2 = 0,158 * х0 = 11 % - масса нутовой муки, х3 = 0,019 * x0 = 1,3 % - масса льняной муки, х4 = 0,163 * x0 = 11,3 % - масса крахмала кукурузного, х5 = (55 ± 0,5) % - количество влаги, расходуемой на замес модельной тестовой системы. Сравнительный анализ органолептической и реологической оценки опытных и контрольных модельных тестовых систем представлен в виде данных табл. 7. Как видно из данных, соотношение упругих к пластическим деформациям и результаты органо- лептической оценки рецептурной композиции мучной смеси позволил получить мучную смесь с высокими качественными характеристиками. Таблица 7 Сравнительная оценка реологических и органолептических свойств модельных тестовых систем из пшеничной муки и безглютеновой смеси Модельные тестовые системы Упругие деформации, мм Пластиче-ские дефор- мации,мм Органолеп- тическая оценка, балл Безглютеноваямучная смесь 0,62 (17,8 %) 2,85 (82,2 %) 4,7 Пшеничная мукав/с 1,17 (15,5 %) 6,39 (84,5 %) 5,0 Выводы Таким образом, представленный практический процесс моделирования и оптимизации состава мучной безглютеновой смеси, основанный на ис- пользовании сырья с разным химическим составом и функционально-технологическими свойствами, позволил получить соотношение рецептурных ком- понентов, обеспечивающее высокие органолепти- ческие и реологические свойства модельных тесто- вых систем. Проведенный комплексный анализ пищевой и биологической ценности разработанной мучной композиции указал на перспективу ее использования в качестве альтернативной замены пшеничной муки. Полученная безглютеновая смесь может быть рекомендована к применению при производстве диетических профилактических продук- тов питания, в частности, замороженных полуфаб- рикатов в тесте.