Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние и практическая необходимость развития методологии проектирования пищевых систем и прогнозирование их потребительских свойств . 18
1.1. Перспективы развития инженерных подходов к конструированию и прогнозированию потребительских свойств многокомпонентных пищевых систем. 18
1.1.1. Пищевая комбинаторика. 20
1.1.2. Квалиметрические модели. 24
1.1.3. Аналитические модели оценки качества пищи. 29
1.2. Активность воды, ее влияние на качество продукции общественного питания. 32
1.3. Теоретические и практические основы сбалансированного, адекватного питания. 38
1.4. Современное состояние и перспективы развития критериев энтропийной оценки информационно-технологического состояния пищевых систем .
1.4.1. Физическая энтропия. 43
1.4.2. Информационная энтропия. 49
1.4.3. Нечеткая энтропия. 52
1.4.4. Физико-математическая оценка энтропий различного характера с целью нахождения их взаимосвязи. 54
1.5. Оценка влияния состава пищевой продукции на её потребительские свойства с учетом требований к здоровому питанию. 59
1.6. Применение дескрипторно-профильного метода дегустационного анализа при разработке новых блюд и кулинарных изделий. 65
1.7. Выводы. 69
ГЛАВА 2. Объекты, методы исследования и обработки экспериментальных данных. 71
2.1. Объекты исследования. 71
2.2. Методы исследования.
2.2.1. Традиционные методы исследования. 76
2.2.2. Оригинальные методы исследования . 79
2.3. Методы анализа и математической обработки экспериментальных данных. 87
2.4. Выводы. 90
ГЛАВА 3. Формирование требований к прогнозированию потребительских свойств продукции общественного питания на основе энтропийного анализа . 93
3.1. Классификация специфических требований, предъявляемых к продуктам питания. 93
3.2. Компонентные требования, предъявляемые к содержанию различных веществ и химических элементов в пищевых продуктах . 103
3.3. Требования, связанные с органолептическим восприятием кулинарной продукции. 116
3.4. Выводы. 130
ГЛАВА 4. Феноменологические подходы к формированию методологии прогнозирования потребительских свойств и проектированию пищевых систем . 133
4.1. Методика определения диапазонов варьирования доминирующих факторов и степени доступности пищевой энергии на основе термодинамического анализа и комплекса свойств физико химических систем. 133
4.1.1. Механизм взаимодействия различных продуктов с водой, частиц или фракций между собой. 134
4.1.2. Термодинамика внутреннего массопереноcа при взаимодействии различных частиц или фракций пищевых продуктов с водой, а также между собой. 143
4.1.3. Сорбционные характеристики овощей и расчет степени доступности их пищевой энергии. 150
4.1.4. Биотестирование для проверки адекватности предлагаемой методики по определению степени доступности пищевой энергии объектов исследования. 165
4.2. Универсальное критериальное уравнение качественной и количественной оценок процесса приготовления многокомпонентной и многофазной пищевой смеси. 167
4.2.1. Разработка критериального уравнения, описывающего процесс приготовления многокомпонентной и многофазной пищевой смеси (заправочные супы) методами теории подобия. 168
4.2.2. Анализ теплофизических и структурно-механических характеристик пищевых продуктов, входящих в состав заправочных первых блюд. 170
4.2.3. Экспериментальное исследование и обработка результатов экспериментов в виде зависимости между безразмерными комплексами. 180
4.3. Разработка математической модели переноса степени доступности в продукте в процессе его тепловой обработки. 186
4.3.1. Обоснование использования основ теории тепломассопереноса при разработке математической модели, описывающей перенос степени доступности в биоматериале в процессе его кулинарной обработки. 187
4.3.2. Скорость распространения поля степени доступности пищевой энергии. 190
4.3.3. Плотность потока степени доступности, при движущей силе равной единице. 191
4.3.4. Математическая модель изменения усвояемости в тепловых и массообменных процессах. 192
4.3.5. Перенос усвояемости в процессе кулинарной обработки. 195
4.4. Выводы. 200
ГЛАВА 5. Изучение процессов производства замороженных полуфабрикатов и возможности использования пленкообразующих растворов в технологии общественного питания . 202
5.1. Исследование процесса измельчения овощных продуктов. 203
5.2. Исследование процессов гигро- и гидротермической обработки овощных продуктов. 211
5.2.1. Выражения для внешних тепло- и влагопотоков. 211
5.2.2. Температура «мокрого» термометра и постоянная скорость поверхностного фазового перехода (пар-вода). 217
5.2.3. Флегма и флегмовый поток. Механизмы их возникновения и основные свойства. 221
5.2.4. Внутренний теплоперенос в капиллярно-пористых телах. 228
5.2.5. Кинетика гигротермических процессов варки овощных продуктов на пару. 235
5.3. Исследование замораживания овощных пюреобразных продуктов в штрангах. 242
5.3.1. Кондуктивно-конвективный способ охлаждения и замораживания пищевых овощных полуфабрикатов. 243
5.3.2. Теплофизические, физико-химические и структурно механические свойства овощных пюре как объектов замораживания . 246
5.3.3. Внутренний теплоперенос в капиллярно-пористых телах при охлаждении в экструдере и замораживании в камере морозильника. 265
5.4. Разработка рецептуры и технологии «съедобной» упаковки. 275
5.5. Влияние оригинального защитного покрытия на сроки хранения пищевых биоматериалов в технологии общественного питания. 284
5.6. Выводы. 286
ГЛАВА 6. Разработка технологий приготовления супов и хранения пюреобразных растительных ингредиентов, адаптированных к методам прогнозирования потребительских свойств . 290
6.1. Разработка рецептур и экспресс-технологии производства супов. 290
6.2. Разработка технологии производства пюреобразных овощных полуфабрикатов. 298
6.3. Модифицированные условные обозначения процессоров для описания технологии организации процесса общественного питания. 313
6.4. Выводы. 318
ГЛАВА 7. Некоторые аспекты практической реализации результатов исследования . 320
7.1. Требования к практической модификации рецептур многокомпонентных пищевых систем. 320
7.2. Требования к операциям в технологии заправочных супов. 324
7.3. Метод проектирования многокомпонентных пищевых систем на основе связей между физико-химическими характеристиками. 325
7.3.1. Процедура решения задачи оптимизации. 327
7.3.2. Оптимизация рецептуры блюда по заданному
соотношению макронутриентов для индивидуума. 329
7.3.3. Пример расчета необходимого соотношения белков, жиров и углеводов для индивидуума. 333
7.4. Система выбора состава многокомпонентных кулинарных смесей. 335
7.5. Описание программного продукта реализации разработанных алгоритмов. 339
7.5.1. Оптимизация по калорийности. 339
7.5.2. Оптимизация по химическому составу. 343
7.5.3. Оптимизация по энтропии и расчет степени доступности пищевой энергии. 344
Заключение. 346
Результаты и выводы
- Современное состояние и перспективы развития критериев энтропийной оценки информационно-технологического состояния пищевых систем
- Оригинальные методы исследования
- Компонентные требования, предъявляемые к содержанию различных веществ и химических элементов в пищевых продуктах
- Теплофизические, физико-химические и структурно механические свойства овощных пюре как объектов замораживания
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Насыщение продовольственного рынка конкурентоспособной продукцией из отечественного сырья входит в число приоритетных векторов реализации государственной политики. Следует выделить проектные направления, которые необходимо оперативно поддерживать и развивать, в частности: разработка кластерной политики в агропромышленном секторе, модернизация и стандартизация пищевого производства, прогнозирование конкурентоспособности пищевой продукции.
Представление технологии в математически формализованном виде с целью получения новых пищевых композиций, основанное на теплофизическом и термодинамическом (эксергетическом, с учетом энтропии системы) подходе, позволит рационально решить поставленные задачи. Искусственно введенное понятие «энтропии», применяемое для выявления термодинамических закономерностей, наряду с «энергией» стало часто использоваться не только в теплофизике, но и в математическом, в частности, статистическом моделировании, технологиях информации, лингвистике и т.д.
На базе анализа положений термодинамики возможно решение задач стабилизации различных фаз и соединений пищевой системы и выявление в ней обобщающих закономерностей энергетического взаимодействия. Определение термодинамической вероятности очередности энергетического перераспределения способствует выявлению механизмов течения технологических процессов в различных пищевых системах и, как следствие, нахождению путей модернизации технологии с опорой на феноменологический подход.
Феноменологический подход не предполагает изучение микромеханизма физических процессов, кроме самых общих, справедливых для всех существующих термодинамических систем. Он применяется для выявления теоретических выводов, основных положений, сконцентрировавших в себе опыт изучаемых физических явлений, а все выводы, полученные при таком подходе, обладают силой всеобщности.
Феноменологический подход позволяет теоретически описывать наблюдаемые явления (феномены). В физике, к примеру, применение термодинамических принципов для описания взаимодействия макроскопических объектов в процессах теплообмена посредством малого числа макроскопических показателей и их функциональных зависимостей вполне достаточно для решения множества технологических и технических задач. Основополагающие термодинамические принципы общеприняты для описания сложных физических явлений в любых системах, в частности, пищевых.
Актуальность заключается в разработке оригинальных методов, программных продуктов, технологий, в частности, общественного питания и конструкторских решений, влияющих на проектирование и конкурентоспособность пищевых систем, что позволяет быстро переходить на выпуск востребованной продукции, с
учетом показателей качества выпускаемого продукта и комплекса количественных методов качественной оценки прогнозируемых потребительских ожиданий.
Степень ее разработанности.
Научными и практическими аспектами исследуемой проблемы занимались отечественные и зарубежные ученые.
Фундаментальные и прикладные исследования проблем питания и ассимиляции пищи проводились Бражниковым А.М., Липатовым Н.Н., Журавской Н.К., Горбатовым А.В., Уголевым А.М. и др., Среди зарубежных учёных значительный вклад в науку о питании внесли Ю. Либих, М. Петтенкофер, К. Фойт, У. Этуотер и Н. Рубнер и др.
Научной базой для выполнения работы явились фундаментальные исследования Покровского А.А., Тутельяна В.А., Спиричева В.Б., Панфилова В.А., Храмцова А.Г., Шатнюк Л.Н., Позняковского В.М., Касьянова Г.И., Добровольского В.Ф., Тамовой М.Ю., Попова А.М. и других отечественных и зарубежных учёных. Анализ работ Гинзбурга А.С., Красникова В.В., Казиахмедова М.Н., Космодемьянского Ю.В., Ильясова С.Г., Рогова И.А., Лыкова А.В., Алексаняна И.Ю. и др. позволил сформулировать научно-методический подход к настоящему исследованию.
Разработкой математических методов системной проработки производственных комплексов, ориентированных на практическую реализацию теоретических подходов с помощью информационных технологий занимались такие отечественные учёные, как Канторович Л.В., Брагин А.А., Иванилов Ю.П., Карпов В.И. и др.
Следует отметить, что вопросы, связанные с проектированием рецептур пищевых продуктов, обеспечивающих задаваемый уровень адекватности, и прогнозированием их качества на основе анализа и обобщения комплекса свойств и характеристик пищевых систем и их ингредиентов недостаточно проработаны и требуют дальнейшего изучения.
Работа выполнена в рамках реализации «Концепции государственной политики в области здорового питания населения Российской Федерации на период до 2020 года». В основу значительной части диссертационного исследования, касающейся путей решения задач модернизации, развития и форматизации сетей общественного питания легли основные положения постановления правительства Астраханской области «Стратегия социально-экономического развития Астраханской области до 2020 года».
Цель и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является научно-практическое обоснование и совершенствование методического комплекса рационального проектирования пищевых систем и прогнозирование их качества путем изучения, анализа и моделирования физико-химических свойств продуктов и процессов тепломассообмена.
В соответствии с целью поставлены следующие задачи:
-
изучить и обосновать выбор перспективных базовых инженерных подходов к проектированию многокомпонентных пищевых систем и прогнозированию их качества на основе теории сбалансированного и адекватного питания;
-
обосновать выбор объектов и методов исследования, разработать новые методы, позволяющие сформировать значимые требования к прогнозированию потребительских свойств продукции общественного питания, выявить взаимные связи и зависимости между введенными классами требований;
-
исследовать механизм взаимодействия продуктов из растительного сырья с водой, оценить виды и энергию связи влаги с растительным сырьем во взаимодействии с тепловыми технологическими процессами. Установить зависимости сорбционной активности сырых и имеющих кулинарную готовность растительных материалов от относительной влажности и температуры варочного агента, разработать способ определения степени кулинарной готовности продукта;
-
определить последовательность и термодинамическую вероятность перераспределения энергии в пищевых системах, степень доступности и интенсивность переноса пищевых компонентов и пищевой энергии. Разработать математическую модель эволюции полей температур и усвояемости питательных веществ в продукте при его кулинарной обработке с использованием численно-аналитических методов расчета;
-
получить универсальное для тепломассообменных и гидромеханических процессов критериальное уравнение качественной и количественной оценки готовой продукции в технологии многокомпонентных и многофазных пищевых смесей, выработать модифицированные условные обозначения процессоров для описания технологии приготовления блюд и кулинарных изделий;
-
проанализировать влияние степени измельчения капиллярно-пористой клеточной структуры овощной продукции на технико-экономические показатели протирочного оборудования;
-
разработать ресурсо- и энергосберегающие технологии, позволяющие повысить интенсивность отдельных операций и увязать подсистемы операторной модели технологического потока;
-
выявить взаимосвязь внешнего и внутреннего влаго- и теплопереноса для изучения кинетики и динамики, а также аналитического описания и обоснованного выбора рациональных режимных параметров процесса тепловой обработки овощной продукции в парогазовой или паро-газо-жидкостной среде;
-
повысить эффективность технологии овощных заправочных супов с использованием разработанных методов проектирования, прогнозирования потребительских свойств пищевых систем, а также обосновать способы замораживания пюреобразных овощных продуктов, сушки пленкообразующих растворов и разработать аппараты для их осуществления;
-
обосновать целесообразность применения биодеградируемых съедобных упаковочных материалов из пленкообразующих растворов для пищевых смесей;
11) апробировать результаты исследований, выработать рекомендации по их внедрению и практическому использованию.
Научная концепция.
В основу создания оригинальных пищевых систем положен феноменологический эксергетический (с учетом энтропии системы) подход к формированию алгоритма проектирования продукции общественного питания и прогнозирования её качества на всех этапах – от анализа до синтеза и корректировки конечного продукта.
Научная новизна.
Впервые предложены и научно обоснованы три класса требований потребительских свойств продукции общественного питания (компонентный, сатисфак-торный и термодинамический). Впервые модифицирован и адаптирован к задаче оценки характеристик компонентного класса существующий аппарат нечеткой энтропии для характеристики содержания отдельных компонентов блюд или продукта с учетом основных неопределенностей, связанных с долевым содержанием отдельных компонентов. Выявлено превалирующее влияние термодинамической энтропии на усвоение необходимых нутриентов, учитывая, что внутренняя энергия при сохранении параметров продуктов до и после кулинарной обработки (температура, влажность, давление и т.п.) практически не меняется.
Впервые для оценки степени усвоения компонентов пищи использовались функциональные зависимости сорбционных характеристик сырья растительного происхождения, полуфабрикатов и готовой продукции от варьируемых факторов. Установлена возможность применения закономерности взаимодействия различных пищевых смесей с водой, а также частиц или фракций смеси для определения термодинамического энтропийного показателя степени усвоения пищевых продуктов. Получено критериальное уравнение в обобщенных переменных, позволяющее в области подобных тепломассообменных процессов определить кодирующий критерий, являющийся численным эквивалентом качественной потребительской оценки кулинарного блюда.
Впервые разработана математическая модель изменения степени доступности нутриентов в пищевых материалах при тепловой или механической обработке на базе теории тепломассопереноса. Предложен на основе математического моделирования метод расчета эволюции полей степени доступности пищевой энергии и температур в процессе варки на пару различных продуктов. Для предварительного учета флегмового потока жидкой фазы разработан математический аппарат описания внешнего влаго- и теплообмена между капиллярнопористым телом и газо-паро-жидкостной средой.
Разработана математическая модель проектирования рецептур блюд и кулинарных изделий по критерию выбранного параметра или параметров контроля системы (плотность, энергетическая ценность, себестоимость и др.).
Предложен новый научно обоснованный способ производства биоразла-гаемого упаковочного материала, доказана возможность его использования в ка-6
честве альтернативы традиционным.
Разработаны математические модели предварительного и окончательного замораживания овощных отварных пюреобразных материалов. Научно обосновано и экспериментально подтверждено использование разработанного методического комплекса для прогнозирования потребительских свойств, проектирования рецептур блюд и кулинарных изделий и совершенствования традиционных технологий.
Новизна технологических решений подтверждена патентами и свидетельствами о регистрации программных продуктов.
Практическая значимость исследования.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке новых энерго- и ресурсосберегающих технологий, проектировании технологических линий предприятий общественного питания, оптимизации рецептур и рационализации реализуемых в технологии процессов.
Разработанный методический комплекс проектирования состава многокомпонентных пищевых систем позволяет получить блюда и кулинарные изделия, определяющие физиологическую адаптивность рациона нормативным и физиологическим требованиям.
Разработаны и реализованы способы ведения процессов охлаждения, предварительного и окончательного замораживания овощных отварных пюреобразных материалов и их математические модели, для практического использования которых реализованы численные методы расчета продолжительности процесса и эволюции полей температур в продукте. Разработаны режимные параметры интенсивного замораживания пюреобразных, кусковых, тонкодисперсных продуктов и оборудование для их осуществления.
Для упаковки замороженных полуфабрикатов и декорирования блюд и кулинарных изделий предложена и апробирована водорастворимая биодеградируе-мая съедобная пленка, обладающая выраженными вкусовыми характеристиками. Разработана оригинальная конструкция аппарата для ее производства.
Введенный ряд модифицированных процессоров, обозначающих специфические тепловые операции кулинарной обработки сырья и полуфабрикатов, а также хранения и раздачи готовых блюд и кулинарных изделий позволяет наиболее полно схематично описать особенности технологий. Разработанные технологии, где все операции относятся к одному классу, ведут к росту ассортимента продукции и производительности за счет увязки подсистем операторной модели технологического потока.
На производство продуктов разработаны технико-технологические карты и технические условия. Разработанные технологии прошли апробацию в промышленных условиях в ЗАО «Завод Современная Быстрая Кухня» (г. Астрахань), на производственно-технической базе школы шоколада Е.М. Сучковой (ООО «Успех») (г. Москва) и внедрены на ООО «ИнТехПрод» (г. Астрахань), ООО НПП «Биополимер» (г. Астрахань), предприятиях партнерах Национальной ассоциации
кулинаров России (г. Москва).
Методология и методы исследования.
В основу исследования положен феноменологический подход к формированию алгоритма проектирования продукции и прогнозирования её качества. Для реализации поставленных задач применялись общепринятые и специальные методы сбора, обработки и анализа информации, изучения потребительских свойств и качественных характеристик.
Основные положения, выносимые на защиту.
Результаты исследования по применению компонентного, сатисфакторно-го и термодинамического классов требований к прогнозированию потребительских свойств продукции общественного питания и возможности использования взаимодействия различных пищевых смесей с водой, а также частиц или фракций смеси между собой, для определения термодинамического энтропийного показателя степени усвоения пищевых продуктов.
Экспериментально-аналитические данные механизма тепломассопереноса и кинетических закономерностей при реализации кулинарных процессов в определенных технологических границах, материалы по физическим характеристикам различных пищевых продуктов.
Методы проектирования различных рецептур блюд и кулинарных изделий по критерию выбранного параметра контроля системы с учётом стабилизационного показателя, позволяющего контролировать качество конечного продукта.
Разработанные технологии, адаптированные к методам хранения, прогнозирования потребительских свойств, проектирования пищевых систем и пюреоб-разных растительных ингредиентов. Результаты апробаций разработанного способа производства биоразлагаемого упаковочного материала и возможности его использования в качестве альтернативы традиционным материалам. Способы ведения процессов быстрого замораживания пюреобразных, кусковых, тонкодисперсных продуктов и конструктивные особенности аппаратов для их осуществления.
Степень достоверности и апробации результатов.
Степень достоверности результатов обеспечивалась базированием проводимых исследований на достижениях фундаментальных и прикладных наук, согласованием новых подходов с традиционными теоретическими закономерностями в товароведении, прикладной математике, метрологическим обеспечением экспериментальных работ, публикациями результатов работы в рецензируемых изданиях.
Достоверность полученных материалов подтверждена заключениями, выданными аккредитованной лабораторией ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии Астраханской области», актами проведения экспериментальных работ: на территории Всероссийского научно-исследовательского института овощеводства (ФГБНИ ВНИИО) (Московская область), в промышленных условиях ЗАО «Завод Современная Быстрая Кухня» (г. Астрахань), на производственно-технической базе (ООО «Успех») (г. Москва).
Основные положения и результаты исследований доложены на конференциях, симпозиумах и совещаниях различного уровня: Международной научно-практической конференции «Современные тенденции и инновации в науке и производстве» (г. Междуреченск, 2013г.), I Международной научной конференции «Science progress in European countries: new concept and modern solutions» (Stuttgart, Germany, 28 марта 2013г.), Международной научно-практической конференции «Vdeck prmyslevropskho kontinentu– 2013» (Прага, 2013г.), V Международной научно-практической конференции «Инновационные пищевые технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья: фундаментальные и прикладные аспекты» (Краснодар, 28-29 мая 2015г.), XVIII Международной научно-практической конференции «Современные концепции научных исследований» (г. Москва, 2015), II Международной научно-практической конференции «Явления переноса в процессах и аппаратах химических и пищевых производств» (г. Воронеж, 16-17 ноября 2016г.) и др.
Публикации.
Основное содержание диссертации опубликовано в 67 печатных работах, в т.ч. 1 монографии, 15 статьях в журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнау-ки РФ, 3 патентах РФ на изобретение, 3 патентах РФ на полезную модель, 8 свидетельствах о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертационной работы.
Диссертация состоит из 7 глав, в т.ч. введения, аналитического обзора литературы, методологической части, результатов собственных исследований, выводов, списка использованных источников литературы и приложений. Основное содержание изложено на 350 страницах печатного текста, включает 90 таблиц, 88 рисунков, 306 литературных источников отечественных и зарубежных авторов, 10 приложений.
Современное состояние и перспективы развития критериев энтропийной оценки информационно-технологического состояния пищевых систем
Экологическая ситуация на сегодняшний день такова, что помимо традиционных функций пища должна не только насыщать энергией, но и защищать организм от проникновения вредных веществ. Именно структура, условия и привычки питания являются основными факторами, определяющими здоровье человека, раскрывают дополнительные возможности его оздоровления. Совершенствуется медико-биологический и химический контроль при получении пищевых продуктов, особое внимание уделяется их сбалансированности.
Одним из направлений в науке о питании, учитывающей защиту организма от экологически вредных воздействий, а также для его оздоровления, является функциональное питание. Термины «функциональное питание» и «функциональные пищевые продукты» появились в Японии в восьмидесятых годах XX века при создании первых продуктов, обогащенных пробиотиками, пребиотиками и синбиотиками, комбинациями тех и других [22, 37, 41, 137, 236, 256, 279].
Функциональная пища – это продукты (или их ингредиенты), которые способствуют укреплению здоровья человека. Среди них – продукты, изначально содержащие полезные вещества и обогащенные специальными добавками продукты. К категории функциональных пищевых продуктов относятся: лечебные продукты; профилактические продукты; тонизирующие напитки; биологически активные добавки и обогащенные продукты [22].
Сегодня проводится масса исследований по изучению функциональных свойств продуктов питания, что позволяет разработать совершенно новый вид продуктов, которые благодаря своим оздоровительным свойствам пользуются все большим спросом [22, 140, 236, 286]. В России они получили распространение в конце XX века в связи с доведением до массового сознания людей необходимости поддержания своего здоровья в сложившейся экологической ситуации и проводимой в стране политики качества и безопасности питания. Основной целью функционирования пищевой и перерабатывающей промышленности, согласно стратегии ее развития в РФ на период до 2020г., утвержденной в апреле 2012г., является гарантированное обеспечение и устойчивое снабжение населения России качественным продовольствием [234]. Также отмечается, что на развитие отраслей пищевой и перерабатывающей промышленности повлияют факторы, к которым можно отнести, прежде всего, вхождение Российской Федерации в мировое экономическое пространство, что, однозначно, приведет к увеличению рисков снижения стабильного динамичного развития пищевой индустрии на мировом рынке продовольствия. Следовательно, отрасль нуждается во внедрении новых технологий, в частности, нано и биотехнологии, расширяющие возможности производства высококачественных продуктов нового поколения, а также специализированных лечебно-профилактических, геронтологических и других пищевых материалов [22, 173, 286].
В условиях жесткой конкуренции в «борьбе» за потребителя, обусловленной нарастающим развитием мировой индустрии продуктов питания; разрабатываются новые маркетинговые и производственные технологии. С целью сохранения стабильной конкурентоспособности, производитель идет на пересмотр содержания своего продуктового ассортимента, наполняя рынок новыми идеями [101, 173].
Процессу совершенствования имеющихся или созданных принципиально новых рецептур и технологий пищевых продуктов свойствен традиционный подход, основанный на предварительном или экспериментальном выборе видов, количественного содержания и соотношения компонентов в составе рецептуры пищевого продукта [26, 32, 277]. Субъективность этого подхода подразумевает высокую степень профессиональной квалификации технолога производства. В первую очередь он обращает внимание на органолептические свойства, степень проявления функционально-технологических свойств конкретных ингредиентов создаваемой рецептуры, их сочетаемость в блюде, интуитивно предполагая суть механизма структурирования, связывания и воздействия на сенсорные особенности потребителя. В то время, как одной из главных задач создания нового продукта сохраняется снижение его себестоимости, не оставляя без внимания такие основополагающие факторы, как биологическая, энергетическая и физиологическая ценность, усвояемость [110, 241, 275].
К пяти превалирующим группам пищевой продукции, производимой в мире, можно отнести: традиционную группу; функционального назначения (здорового питания); для специального контингента (военнослужащих, работающих в тяжелых условиях и т.д.); питания детей (новорожденных, дошкольников, школьников), части студентов и молодежи, беременных женщин; лечебного питания [137, 140, 147, 194, 195, 241]. К группе микроингредиентов, используемых при конструировании МПС [114, 207, 218] можно отнести пищевые ароматизаторы и добавки, биологически активные вещества (БАВ) и комплекс технологических вспомогательных материалов.
Инструментом, позволяющим проектировать качественные пищевые продукты и выполняющие защитную функцию его генетической структуры человека, служит пищевая комбинаторика. В ее основу положен научно обоснованный набор действий: выбор обогащающих микронутриентов и продуктов, подлежащих обогащению; оценка подлинной эффективности внедренных в них веществ [11, 119, 194, 195]. Концептуальную основу пищевой комбинаторики составляет характеристика пищевой, физиологической, биологической, органолептической и энергетической ценности полуфабрикатов, блюд и кулинарных изделий, их безопасность и усвояемость [113, 118, 132, 218, 229]. Чем продиктовано формулирование определения: пищевая комбинаторика – это научно-производственный процесс создания новой пищевой продукции, посредством формирования нормируемых физико-химических, органолептических, энергетических характеристик и лечебно-профилактических свойств, через введение соответствующих пищевых и биологически активных добавок [11, 119, 194, 195]. Именно сложной экологической обстановкой, особенно в крупных городах, вызвана необходимость ежедневного введения в пищевой рацион блюд и кулинарных изделий, учитывающих принципы пищевой комбинаторики. Процесс создания новых форм пищевых продуктов основан на трех научно-технологических принципах: элиминация – исключение какого-либо компонента из состава продукта; обогащение – введение недостающего пищевого вещества в продукт; замена – вместо изъятого – вводится сходный, обладающий полезными свойствами компонент [119, 194, 218, 223
Оригинальные методы исследования
При анализе факторов, влияющих на связь компонентного содержания и степени усвоения продукта, можно выделить неопределенность содержания компонента в продукте и продукта в блюде, потому что может изменяться как содержание компонентов в продукте при смене источника его получения, или в результате временных изменений, так и содержание самого продукта в блюде при модификации его рецептуры или неточном ее соблюдении.
Таким образом, необходимо провести исследование энтропии величины в условиях неопределенности ее возможных значений. Используемый аппарат анализа заключается в следующем.
Пусть требования охватывают показатели A1, A2,…, An, причем возможные значения показателей ограничены некоторым промежутком для всех . По отдельным или всем показателям может быть задано следующее дополнительное требование, типичное для процесса приготовления многих блюд: наиболее предпочтительными являются значения показателя в промежутке . При этом, очевидно, должны выполняться условия . В частности, возможна ситуация, когда предпочтительным является не промежуток, а отдельное значение aj,0 – в этом случае aj,0 = amin,j = amax,j. Если нет дополнительных данных по параметру Ai, которые бы позволили уточнить характер поведения этого параметра как случайной величины с определенным законом распределения, то перечисленная информация позволяет классифицировать и рассматривать Ai только как неопределенную (точнее, интервальную) величину. В теории нечетких множеств для характеристики подобных величин дополнительно задается некоторая функция принадлежности или предпочтения, которая описывает относительную степень предпочтения, ожидания или допущения (принятия) одних значений параметра Ai внутри интервала , и его изменения по отношению к другим его значениям.
Если нет никаких других данных по возможным значениям Ai (что достаточно часто встречается на практике), то все значения параметра внутри интервала его изменения одинаково предпочтительны или непредпочтительны по отношению друг к другу – в этом случае функция предпочтения имеет вид верхней половины прямоугольника. Однако, эта функция в концевых точках и промежутка своего изменения имеет скачкообразное поведение, что нетипично для реальных параметров в сфере общественного питания, имеющих непрерывный характер поведения и изменения. Поэтому в этом случае к полученной форме функции предпочтения добавляют небольшие буферные участки, обеспечивающие непрерывность изменения параметра Ai и на концах промежутка изменения. Наиболее простой из подобных функций является трапециевидная функция, которая и используется ниже при описании покомпонентного состава продуктов питания.
Если имеется дополнительный интервал [amin,j; amax,j] предпочтительных значений параметра, то трапециевидная функция предпочтения приобретает выступ на указанном промежутке, принимая пятиугольную форму – пример графика указанной функции приведен ниже. Есть одно существенное замечание: выбор типа (колоколообразный, трапециевидный, многоугольный и др.) функции принадлежности обычно осуществляется субъективно на основе представлений и предпочтений конкретных лиц, поэтому все дальнейшие выводы, опирающиеся на эти функции, в значительной степени имеют субъективный характер. По этой причине обычно ограничиваются наиболее простыми типами функций, в частности, трапециевидными, поскольку использование более сложных типов функций, удовлетворяющих условиям задачи, не позволяет существенно повысить долю объективной составляющей конечного результата.
Наличие более сложного набора требований к неопределенным параметрам приводит к усложнению типа функции принадлежности ввиду необходимости учета всех требований, но и в этих условиях ограничиваются наиболее простыми типами функций принадлежности, обеспечивающими выполнение требований к неопределенному параметру. Имеются работы, в которых проводится анализ выбора возможных типов функции принадлежности применительно к конкретным задачам.
Таким образом, выбран аппарат нечетких множеств для исследования компонентного состава продуктов питания и блюд, и встает задача выбора методов анализа соответствующих нечетких характеристик и величин. Наиболее приемлемыми методами изучения характеристик в сфере общественного питания являются методы, опирающиеся на понятие энтропии. Ряд важных достоинств энтропийного подхода к анализу характеристик, связанных с процессом приготовления блюд был перечислен выше. Однако, есть еще одно важное свойство, которым обладают энтропийные показатели – это свойство аддитивности энтропийных оценок, которое заключается в следующем: если известны энтропийные показатели отдельных компонентов, то энтропия смеси этих компонентов равна сумме энтропий отдельных компонентов с учетом их долевого количества.
Таким образом, зная энтропийные показатели отдельных компонентов, из которых готовится конкретное блюдо, а также долю каждого из компонентов в блюде (например, в соответствии с рецептурой приготовления данного блюда), можно легко найти энтропийный показатель всего блюда как взвешенную сумму энтропий отдельных компонентов.
Компонентные требования, предъявляемые к содержанию различных веществ и химических элементов в пищевых продуктах
Статические закономерности взаимосвязи с влагой и анализ изотерм кривых равновесия при сорбции позволяет выявить природу и провести оценку дифференциальной эволюции термодинамических членов уравнения Гиббса-Гельмгольца для процесса при постоянном давлении, температуры и объема системы, где – энтропийная часть свободной энергии. Природа изменения говорит о большой макромолекулярной гибкости, присутствии полунепроницаемых мембран (оболочек клеток, стенок мицелл), об особенной ориентированности водных молекул, осмотическом и иммобилизационном механизме их взаимодействия с влагой. Уравнение Гиббса-Гельмгольца вытекает из фазового правила Гиббса, для расчета количества степеней свободы у системы (число взаимонезависимых показателей, произвольно выбираемых, которые определяют величины всех иных показателей) , где k и f – есть количество компонентов и фаз, соответственно.
При термообработке и механическом воздействии (протирание) пищевых объектов (овощных полуфабрикатов или их смесей) кажется, что количество компонентов остается неизменным, а количество взаимно контактирующих подобных фаз (частиц или фракций) возрастает, уменьшая количество степеней свободы системы . Вместе с тем снижается энергия связи между фракциями, т.е. очевиден рост энтропийной составляющей системы. Это обстоятельство влечет и к росту а, следовательно, и положительному изменению степени доступности компонентов измельченных частиц. Эта парадоксальная ситуация объясняется тем, что количество переносимой компонентой массы k, которая, например, при тонком диспергировании, термическом воздействии на продукт, соотносится с количеством элементарных частей, растет, а переноса между фракциями, имеющие сходные свойства (подобными фазами), нет. В аспекте массопереноса это связано с тем, что вследствие различной кулинарной обработки объекта изучения, компонентное число увеличивается, а численное количество фаз остается неизменным, что и влияет на рост энтропийной составляющей и числу . Таким образом можно объяснить положительное изменение степени доступности необходимых для организма компонентов пищи после кулинарной обработки.
Необходимо отметить, что термодинамическая энтропия в уравнении Гиббса-Гельмгольца, из которого можно количественно оценить свободную энергию, определяет состояние межклеточной иммобилизационной влаги в продукте, значение энтропии которой увеличивается при деструкции ячеек, сомкнутых клеток, макро и микро капилляров, в случае реализации технологии по механической и термической обработке полуфабриката или сырья. К тому же наблюдается рост и числа степеней свободы в системе, и как следствие – степень усвояемости компонентов пищи.
Определив разницу между значениями термодинамических энтропий материала до и после обработки, величины которых известны из полученных зависимостей для абсолютно любого продукта с технологически заданным влагосодержанием, появляется возможность для вычисления степени доступности переносимых элементов продуктов питания, пищевой энергии, витаминов и др., а также изменение усвоения продукта в процессе кулинарного воздействия. Полученное энтропийное изменение системы даст возможность определить ее кинетические коэффициенты внешней и внутренней передачи энергии и массы, а также, в каких границах процесса идет кулинарная обработка, что важно для решения аналитической модели переноса степени пищевой энергетической доступности. Учитывая варьируемость влажности продукта до и после обработки и ее различную кулинарную степень готовности, необходимо получить равновесные кривые и их аналитическую интерпретацию для выявления диапазонов влияющих параметров и значения необходимых коэффициентов при любом влагосодержании и уровня обработки изучаемого материала.
Гипотетически полагая, что термообработка продукта при фиксированной температуре не влияет на изменение внутренней энергии (энтальпии системы), то степень энергетической доступности определяется разностью термодинамической энтропии системы в зависимости от влажности материала.
При связывании воды и увеличении когезии между частицами, закупоркой пор и капилляров, энтропия системы уменьшается, поэтому энтропийная составляющая , где (S = Sкон – Sнач, при Sкон Sнач) в уравнении Гиббса-Гельмгольца для изохорно-изобарно-изотермического процесса стоит со знаком минус . При этом Е (изменение общей подводимой тепловой энергии ) тратится на преодоление связи влаги с материалом, между частицами и фракциями с тепловым эффектом (изменение свободной энергии Гиббса F), на преодоление энтропийной связи (без теплового эффекта) структурной, иммобилизационной, микрокапиллярной и т.п. влаги с продуктом, а также на увеличение энтропии системы при тепломассобменной и механической обработке. Т.е. энтропийное связывание происходит без теплового эффекта, а на нарушение такой связи тратится тепловая или механическая энергия. Поэтому в уравнении для определения затрачиваемой энергии на испарение влаги все слагаемые в правой части уравнения стоят со знаком плюс . Иными словами, разность энтропийных составляющих до и после переработки объекта исследования, отнесенная к эксергии системы, характеризует работу, затраченную на изменение энтропии системы, и, как следствие – на изменение степени доступности кулинарной продукции . Зная соотношение изначальной калорийности материала и , можно определить на основе термодинамического подхода конечную или начальную степень усвоения полуфабриката или готовой продукции. при F = Fкон Fнач, Т = const и раскрытии скобок в знаменателе: или – отношение эксергии до и после обработки материала, где изменяется только энтропийная составляющая, которая и характеризует изменение степени доступности . Отсюда следует, что: . Таким образом, учитывая, что пищевая энергетическая ценность не равна общей энергии потребляемых продуктов (эксергии), изменение степени доступности можно оценить критерием (симплексом) – отношением энтропийной составляющей в уравнении Гиббса-Геймгольца к общей энергии Гиббса.
Продифференцировав уравнение Гиббса-Геймгольца по , и проведя математическое преобразование, получим: после сокращения, задавая Т const: Таким образом, термодинамический анализ кривых равновесия (изотерм сорбции или десорбции), т.е. статики процесса позволит определить степень доступности компонентов, содержащихся в продуктах, интенсивности их переноса и пищевых калорий.
Проведен комплекс экспериментов по определению сорбционных характеристик определенного спектра пищевых продуктов, что позволит получить необходимые данные для выявления закономерностей изменения степени доступности ценных компонентов блюд и кулинарных изделий в результате тепловой обработки сырья и полуфабрикатов. Полученные данные, как и комплекс зависимостей структурно-механических и теплофизических характеристик пищевых продуктов и смесей от влияющих факторов, необходимы для физико-математического моделирования процессов обработки продуктов питания и проникновения энергетически ценных компонентов в материалы и в организм индивидуума.
Теплофизические, физико-химические и структурно механические свойства овощных пюре как объектов замораживания
Свежая и переработанная растительная пища принимает значительное участие в жизнедеятельности человека, т.к. является источником углеводных веществ, минеральных солей и витаминов, особенно витамина С. Существуют различные способы переработки растительного сырья, в том числе варка и измельчение до пюреобразного состояния с последующей заморозкой. Широкое использование пюре из плодоовощной продукции обусловлено его функциональными особенностями, значительной ценностью, как с точки зрения биологического состава, так и в плане усвоения. Для уменьшения влияния сезонности выпуска и роста ассортимента овощной продукции, в частности, в виде пюре – целесообразно внедрение оригинальных энерго- и ресурсосберегающих способов переработки сырья вегетативного происхождения с целью сохранения ценных компонентов нативных продуктов, которые в значительной степени теряются при сушке, обжаривании и тепловой стерилизации, альтернативой которым являются процессы варки и заморозки биологического сырья.
На этапе хранения готовой продукции, в частности, в виде замороженного овощного пюре, целесообразна реализация «барьерной технологии», базирующейся на использовании пленкообразующих растворов при разработке материалов и технологий общественного питания. В настоящее время наиболее популярным материалом для фасовки пищевой продукции признаны синтетические полимеры – ввиду их сравнительно малой цене и высоких технико-экономических показателей применения. Тем не менее, ряд серьезных минусов заставляет практических работников искать альтернативу этому упаковочному материалу. Во-первых, производство полиэтилена осуществляется в промышленности крекингом и пиролизом нефти или посредством каталитического дегидрирования этана, т.е. из невосстанавливаемых природных ресурсов. Еще более значительная проблема – экологическая. Пакеты из полиэтилена уже составляют около 9% мусора. Около 7 млн. тонн в год неутилизируемых отходов, основной объем которых составляет пластическая масса, загрязняет земную гидросферу. Многие страны уже начали уделять серьезное внимание экологической безопасности окружающей среды, в частности, из-за накопления пластикового мусора, и снизили применение полиэтиленовых материалов в бытовой упаковке или запретили их использование.
Овощной материал измельчают (нарезают, дробят, протирают) с целью повышения экономичности процессов варки, обжаривания, пассировки, поглощения масла и т.п., для образования однородной биомассы из нативных овощных материалов в виде пюре или икры, получения кускового объекта обработки с различной геометрической формой, которую обеспечивают нарезанием, а для пюре используют ситовую протирку [108, 262, 278], что влечет изменение габаритных размеров и формы продуктов, обеспечивает рост активной поверхности тепломассообмена. При этом меняются структурно-механические характеристики материалов, а также сопротивление нарезке [177, 235]. К нарезанным овощам предъявляют ряд требований, отнести к которым необходимо минимальное число неполноценных частиц при заданных формах и их размерах, при гладкой поверхности на срезе, исключая неровности и трещины, разрушение частиц и вытекание сока в случае обработки сочных материалов, а также деформацию мягких продуктов. Качественные показатели нарезанных материалов определяют в зависимости от рубящего или скользящего способа нарезания и варьируемых факторов: вида, угла заточки и остроты ножевых рабочих органов, способа фиксации объекта обработки при нарезании [29, 128, 213].
Применяемое в современной индустрии питания оборудование для протирания вареных плодоовощных полуфабрикатов не позволяет проводить тонкое измельчение. К тому же, данные об оценке технического уровня оборудования для протирки практически отсутствуют, а известные методы расчетов мощности на его привод не корректны, вследствие завышенных более чем на 50%, по сравнению с опытными данными, значений удельного расхода энергии для вареной овощной продукции. Кроме того, мало изучены усилия на рабочих органах оборудования для протирки, применяемое в общепите, не выявлено взаимосвязанное влияние на технико-экономические показатели протирочного оборудования угла наклона лопастей, число оборотов рабочего органа, массы и температуры обрабатываемого продукта [28].
В связи с многочисленностью влияющих факторов существующие теории измельчения характеризуют энергозатраты в общем виде, с учётом лишь наиболее важных параметров процесса и материала. Для расчета энергозатрат при измельчении применяют законы известных ученых, таких как Бонд, Риттингер, Ребиндер, Кик, Кирпичёв и др., которые, однако не дают точного описания разрушения объекта обработки [28, 129, 134].
В зависимости Риттингера учтена степень измельчения, связанная с возрастанием дополнительно образованных поверхностей, однако не определена работа приращения единицы поверхности для изучаемых материалов. В законе Кирпичёва учитывается работа до образования первой трещины при деформировании материала, но не учтена степень измельчения. В законе Ребиндера учтены оба показателя, но не охарактеризованы принципы определения повторяющегося числа циклов взаимно направленных усилий, которые необходимо приложить к материалу до полного разрушения.
Вышеперечисленные гипотезы применимы к измельчению образцов с геометрически правильной формой при воздействии на тела сжимающих нагрузок при их равномерном распределении. В связи с чем, использование данных закономерностей при проектировании машин для измельчения некорректно без введения поправочных коэффициентов [28, 129, 134].