Наукове обґрунтування і розроблення технологій борошняних кондитерських виробів спеціального дієтичного споживання

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТОРГОВЕЛЬНО-ЕКОНОМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 664.68 : 613.24

Наукове обґрунтування і розроблення технологій борошняних кондитерських виробів спеціального дієтичного споживання

Спеціальність 05.18.16 - технологія продуктів харчування

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дорохович Вікторія Віталіївна

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному торговельно-економічному університеті Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться 30 березня 2010 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.055.02 Київського національного торговельно-економічного університету за адресою: Україна, 02156, м. Київ, вул. Кіото, 21, ауд. Д 221.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного торговельно-економічного університету за адресою: Україна, 02156, м. Київ - 156, вул. Кіото, 19.

Автореферат розісланий 19 лютого 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Є.В. Тищенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Умови життя сучасної людини - психологічні навантаження, недостатня фізична активність, зниження якості харчових продуктів призводять до погіршення харчового статусу населення, послаблення імунітету, збільшення кількості хронічних неінфекційних захворювань, зменшення тривалості життя.

Останніми роками в світі різко збільшилась кількість хворих на цукровий діабет. Так, за прогнозами, у 2010 р. кількість хворих досягне 300 млн осіб, в Україні - близько 3 млн. Існує тенденція до збільшення хворих на целіакію, у Швеції щороку реєструється один випадок захворювання на целіакію на 270 осіб, в Австрії - на 476, у Франції - на 200 осіб. В Україні поки що недостатньо проводять діагностику захворювання на целіакію. Однак, за підрахунками фахівців Всеукраїнської спілки целіакії, лише в Києві близько 30 тис хворих. У світі і Україні зростає кількість хворих на фенілкетонурію. На залізодефіцитні стани різної етіології в світі страждає близько 1,8 млрд осіб. В Україні майже у 1/3 населення спостерігається нестача заліза.

Це зумовлює необхідність розроблення харчових продуктів спеціального та оздоровчого призначення. Вагомий внесок у створення науково-практичних засад їх виробництва зробили вчені України: Арсеньєва Л.Ю., Гуліч М.П., Дорохович А.М., Дробот В.І., Доценко В.Ф., Іоргачева К.Г., Капрельянц Л.В., Карнаушенко Л.І., Кравченко М.Ф., Ковбаса В.М., Корзун В.Н., Міцик В.Ю., Пивоваров П.П., Пересічний М.І., Перцевий Ф.В., Притульська Н.В., Рудавська Г.Б., Сімахіна Г.О., Сирохман І.В., Українець А.І., Ципріян В.І., Черевко А.І. та інших країн: Аксенова Л.М., Зубченко А.В., Магомедов Г.О., Пащенко Л.П., Скобельская З.Г., Савенкова Г.В., Ліпатов М.М., P. Vershuren, B. Minfil, F. Meiners, Y. Miler, K. Kreiten, M. Peterson, A. Johnson тощо. Проте проблема розроблення раціональних технологій БКВСДС (борошняних кондитерських виробів спеціального дієтичного споживання) з встановленням оптимальних параметрів технологічних процесів та оптимального складу інгредієнтних композицій з урахуванням вимог нутриціології до харчування різних груп населення є все ще не вирішеною, що зумовлює необхідність розроблення та наукового обґрунтування технологій БКВСДС, які відповідають вимогам нутриціології до харчування різних груп населення з урахуванням віку, фізичного навантаження, стану здоров`я, що може бути здійснено за рахунок використання цукрозамінників, глютенового та аглютенового борошна, фізіологічно-функціональних інгредієнтів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові дослідження та технологічні розробки проведено відповідно до комплексної програми „Цукровий діабет” № 45/222 (прийнята МОЗ України 20.09.2000 р.) і тематики науково-дослідних робіт КНТЕУ в межах держбюджетної теми „Розробка технології борошняної продукції з використанням функціональних компонентів на основі комп'ютерного моделювання”, госпрозрахункових тем „Розробка наукових основ конструювання харчової продукції для дітей, що проживають в екологічно несприятливих умовах України” (№ ДР0107U003080), „Розроблення технологій та нових видів печива для дитячого харчування (для дітей, починаючи з 6-місячного віку)” (№ ДР 0108U007029), розроблення ДСТУ „Вироби кондитерські борошняні для спеціального дієтичного споживання” (№ ДР 335a/008).

Особистий внесок здобувача полягає в участі як виконавця чи керівника зазначеними темами, розробленні програм, методик, проведенні лабораторних і промислових досліджень, теоретичному обґрунтуванні запропонованих рішень, аналізі та узагальненні отриманих результатів, підготовці матеріалів до публікації, впровадженні технологій у виробництво.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування і розроблення новітніх технологій конкурентопридатних БКВСДС із врахуванням вимог нутриціології до харчування дітей (починаючи з 6-місячного віку), людей похилого віку, спортсменів, хворих на цукровий діабет, целіакію, фенілкетонурію, залізодефіцитну анемію, остеопороз, які забезпечать економію сировинних ресурсів і енерговитрат.

Досягнення поставленої мети передбачає вирішення таких завдань:

· сформулювати концептуальні підходи до розроблення оптимального складу харчових композицій БКВСДС з урахуванням вимог нутриціології до харчування людей різних вікових груп (діти, люди похилого віку), фізичного навантаження (спортсмени), стану здоров'я (хворі на цукровий діабет, целіакію, фенілкетонурію, залізодефіцитну анемію, остеопороз);

· застосувати системний підхід до розроблення інноваційних технологій БКВСДС і провести математичне моделювання великої технологічної системи за критерієм ефективності функціонування та окремих підсистем із встановленням оптимальних параметрів технологічних процесів з урахуванням значення цільової функції;

· провести дослідження технологічних властивостей цукрозамінників і сумішей на їх основі з установленням і математичною формалізацією їх споживчих і технологічних властивостей за комплексним показником якості;

· науково обґрунтувати вибір цукрозамінників та сумішей на їх основі, глютенового й аглютенового борошна, фізіологічно-функціональних сировинних інгредієнтів для розроблення різних груп борошняних кондитерських виробів (здобне печиво, кекси, бісквіти, білково-збивне печиво) спеціального дієтичного споживання, визначити вплив цих інгредієнтів на формування структури тістових мас та якість готового продукту;

· визначити вплив цукрозамінників і сумішей на їх основі на піноутворюючу здатність і стійкість піни на основі меланжу, яєчного білка, а також яєчного жовтка, сухого яєчного білка, відновленого водою та овочевими соками і пюре; визначити їх вплив на фізичні та структурно-механічні властивості тістових мас, кількість вільної та зв'язаної вологи;

· науково обґрунтувати вплив цукрозамінників, аглютенового борошна, фізіологічно-функціональних інгредієнтів на тепломасообмінні процеси та визначити оптимальні параметри термообробки різних груп БКВСДС;

· розробити методику розрахунку показника глікемічності (ПГ) та новітні технології виробів з низьким показником глікемічності;

· запропонувати методологічний підхід до оптимізації складу харчових композицій, спрямованих на поліпшення харчової (обчислення за інтегральним скором), біологічної цінності (за амінокислотним скором), зменшення глікемічності (за показником глікемічності), редукованої калорійності (за енергетичними показниками) з використанням математичних методів: багатофакторного планування експерименту, симплекс-методу, графоматематичного методу, методу квадратичного програмування;

· визначити конкурентопридатність розроблених БКВСДС за комплексним показником, який враховує ефективність рецептурного складу, соціальний ефект, ефективність функціонування технологічних систем виробництва різних груп БКВСДС, енергетичні витрати, пов'язані з виробництвом БКВСДС, патентну захищеність нових технологій або рецептурного складу;

· розробити нормативну документацію на нові види БКВСДС (ДСТУ, технічні умови, рецептури), провести промислову апробацію та впровадження новітніх технологій у закладах ресторанного господарства і на підприємствах харчової промисловості, апробувати нові БКВСДС у клінічних умовах; визначити економічну ефективність і прибуток від реалізації розроблених виробів.

Об'єкт дослідження - технології борошняних кондитерських виробів.

Предмет дослідження - борошняні кондитерські вироби спеціального дієтичного споживання на основі використання цукру та цукрозамінників, глютенового і аглютенового борошна, фізіологічно-функціональних інгредієнтів («Гемівітал», PURACAL PP/FCC, продукти ВЕNЕОТМ, зародкові пластівці пшениці, гірчична олія, морквяне пюре та сік), жовтка, нативного та сухого яєчного білка, кукурудзяної та гірчичної олії.

Методи дослідження - аналітичні, хімічні, фізико-хімічні, теплофізичні, структурно-механічні, сенсорні, експериментально-статистичні, виконані з використанням сучасних приладів і комп'ютерних технологій та спеціальні методи досліджень, розроблені автором.

Наукова новизна одержаних результатів. У комплексі вирішено важливу державну проблему розроблення БКВСДС, інгредієнтний склад яких відповідає вимогам нутриціології стосовно харчування різних груп населення залежно від віку, інтенсивності фізичного навантаження, стану здоровя за рахунок раціонального використання цукру та цукрозамінників, глютенового та аглютенового борошна; фізіологічно-функціональних інгредієнтів, технологія яких оптимізована на підставі використання системного підходу та методів аналогізації, основних принципів теоретичної кваліметрії, керуючої реології, термодинаміки незворотних процесів, сорбційно-десорбційних процесів.

Вперше:

· на основі теоретичних та експериментальних досліджень сформульовано наукову концепцію, згідно з якою БКВСДС запропоновано класифікувати за двома групами: вироби оздоровчі, до складу яких входять фізіологічно-функціональні сировинні інгредієнти в кількості що забезпечує 10...50% їх добової потреби, яка залежить від віку, статі, фізичного навантаження, і вироби дієтичного призначення з урахуванням захворювань (цукровий діабет, целіакія, фенілкетонурія);

· визначено комплексні показники якості цукрозамінників з урахуванням коефіцієнтів вагомості одиничних показників основних властивостей (розчинність, солодкість, гігроскопічність, калорійність, термостабільність, глікемічність). Встановлено, що найвищі значення комплексного показника має лактитол (К=0,847) і фруктоза (К=0,842); визначено оптимальний склад суміші лактитол+фруктоза (0,66+0,34);

· встановлено вплив глюкози, фруктози, сорбіту, лактитолу, ізомальту на формування клейковинного комплексу, кількість вільної та зв'язаної вологи в тістових масах, формування фізичних і структурно-механічних властивостей модельних тістових мас. Доведено, що фруктоза збільшує, а глюкоза, лактитол, ізомальт зменшують вміст вільної вологи в тістових масах відносно тістових мас на цукрі. Встановлено недоцільність використання поліолів для виробництва тістових мас вираженої еластичної структури (затяжне печиво, крекери);

· визначено закономірності впливу цукрозамінників (лактитолу, ізомальту, фруктози, глюкози, сорбіту), аглютенового борошна (рисового, гречаного, кукурудзяного) на формування коагуляційних, коагуляційно-кристалізаційних, коагуляційно-піноподібних слабко- та сильно- структурованих тістових мас. Обґрунтовано, що всі цукрозамінники, крім ізомальту, не мають негативного впливу на формування коагуляційної, коагуляційно-кристалізаційної структури тістових мас. Поліоли (лактитол та ізомальт) позитивно впливають на формування тістових мас коагуляційно-піноподібної структури;

· обґрунтовано закономірності впливу цукрозамінників (лактитолу, ізомальту, фруктози) і аглютенового борошна (рисового, гречаного, кукурудзяного) на кінетику та динаміку тепломасообмінних процесів під час випікання-охолодження бісквітів та кексів, випікання-сушіння-охолодження здобного печива, сушіння-охолодження білково-збивного печива; визначено теплофізичні характеристики цукрозамінників, тістових мас і готових виробів. Розраховано кінетику теплопоглинання під час термооброблення БКВ, з визначенням теплоти на прогрівання заготовок і видалення вологи, що дало можливість науково обґрунтувати оптимальні режими термооброблення різних груп БКВСДС. Доведено, що застосування фруктози під час виробництва борошняних кондитерських виробів зменшує витрати тепла на 9...12%, а ізомальту - збільшує на 14...15%. Доведено, що при використанні лактитолу та суміші лактитол+фруктоза витрати тепла наближаються до витрат тепла під час термооброблення виробів на цукрі; аглютенового борошна - тривалість термооброблення збільшується 5...15%.

· реалізовано системний підхід до створення новітніх технологій БКВСДС, запропоновано методологію математичного обґрунтування ефективності функціонування великої технологічної системи за комплексним показником, який враховує науково обґрунтовані вимоги розробленого ДСТУ „Вироби кондитерські борошняні для спеціального дієтичного споживання” та методологію оптимізації технологічних показників окремих підсистем;

дістали подальшого розвитку:

· теоретичні й практичні передумови раціонального використання фізіологічно-функціональних інгредієнтів («Гемовітал», ВЕNЕОТМST, ВЕNЕОТМ Synergy, PURACAL PP/FCC, зародкові пластівці пшениці, овочеві пюре, соки, гірчична олія) у виробництві БКВ оздоровчого, дієтичного призначення;

· концептуальний підхід до створення БКВСДС із визначенням ефективності інгредієнтного складу виробів, у основу якого покладено значення інтегрального скору, що враховує задоволення добової потреби (залежно від віку, статі, фізичного навантаження) у білках, жирах і вуглеводах, незамінних і замінних амінокислотах, насичених, моно-, та поліненасичених жирних кислотах, моно-, дицукридах, засвоюваних і незасвоюваних поліцукридах, поліолах, вітамінах, мінеральних речовинах та амінокислотного скору, що враховує вміст есенційних амінокислот.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджуються їх перевіркою за допомогою органолептичних, фізико-хімічних, біохімічних, теплофізичних, структурно-механічних методів аналізу, використання сучасної інструментальної техніки, застосування методів статистичного опрацювання результатів досліджень; перевіркою адекватності математичних моделей, промисловою та клінічною апробацією розроблених технологій.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено новітні технології БКВСДС із встановленими оптимальними параметрами технологічних процесів.

Запропоновано методику кількісного визначення глікемічності харчових продуктів за показником глікемічності, який враховує глікемічний індекс вуглеводів та їхній вміст у 100 г продукту. У разі застосування цієї методики можливо розрахунковим методом визначити доцільність споживання кондитерських виробів хворими на цукровий діабет.

На підставі проведених досліджень науково обґрунтовано методологію визначення комплексного показника (), який характеризує конкурентопридатність БКВСДС, що дасть змогу оцінити цей показник у нових виробах відносно існуючих. В основу визначення комплексного показника покладено значення декількох показників, які характеризують: К1 - ефективність рецептурного складу; К2 - ефективність функціонування великої системи; К3 - соціальний ефект розроблених БКВСДС; К4 - енерговитрати нових технологій; К5 - патентну захищеність рецептурного складу або технологічних рішень.

Теоретичні та науково-практичні доробки автора стали підґрунтям для розроблення нормативної документації: ДСТУ «Вироби кондитерські борошняні для спеціального дієтичного споживання”, ТУ У 15.8-0156617-078:2008 «Продукти спеціального дієтичного споживання. Вироби борошняні кондитерські безглютенові». Розроблено та затверджено рецептури на 41 найменування БКВСДС.

Новизну технічних рішень підтверджено 17 патентами України.

Проведено промислову апробацію та впровадження розроблених технологій БКВСДС у закладах ресторанного господарства та на підприємствах харчової промисловості. Ефективність розроблених технологій і БКВСДС підтверджено результатами медико-біологічних досліджень і клінічних апробацій виробів на різних групах населення.

Визначено економічну ефективність від впровадження БКВСДС та їх конкурентопридатність. Прибуток від реалізації 1000 кг виробів залежно від виду продукції становить: для здобного печива - 1588...2516 грн, кексів - 1238...1694 грн, бісквітів - 1445...2989 грн, білково-збивного печива - 7017...7818 грн.

Нові БКВСДС демонструвалися на професійних дегустаційних конкурсах «Солодкий тріумф», які проходили на виставках «Ласощі-2005, 2009». Так, бісквіт «Хвильки» та кекс «Лакті-Фру» отримали «Гран-прі», а кекс «Літній» та печиво «Лактитолочка» - нагороду «Тріумф якості».

Соціальний ефект від впровадження розробок полягає в тому, що в Україні хворі на целіакію, цукровий діабет, фенілкетонурію, залізодефіцитну анемію та остеопороз мають можливість споживати борошняні кондитерські вироби вітчизняного виробництва. Споживання БКВСДС із статусом «функціональний харчовий продукт», «редукована калорійність» і зниженою глікемічністю сприяє поліпшенню здоров'я всіх груп населення України.

Особистий внесок здобувача полягає в одноосібно виконаному науковому дослідженні, в якому вирішено важливу наукову проблему розроблення технологій БКВСДС. Під керівництвом та за особистої участі автора проведено теоретичні, аналітичні, експериментальні дослідження. Розроблено методологічні підходи до створення оптимальних рецептурних композицій БКВСДС, які відповідають вимогам нутриціології стосовно харчування людей залежно від віку (діти, особи похилого віку), інтенсивності фізичного навантаження (спортсмени), стану здоров'я (хворі на цукровий діабет, целіакію, фенілкетонурію, залізодефіцитну анемію, остеопороз), методологію визначення: ефективності складу рецептурних композицій; ефективності виробництва БКВСДС як великої технологічної системи; конкурентопридатності БКВСДС; показника глікемічності харчових продуктів.

Дослідження технологічних властивостей цукру і цукрозамінника лактитолу, структурно-механічних властивостей тістових мас і готового печива проводили спільно з Яременко О.М., розроблення технологій печива і кексів на цукрі та рисовому, кукурудзяному, гречаному борошні - сумісно з к.т.н. Бабіч О.В. (НУХТ), технології бісквітів на фруктозі - сумісно з Ганоцькою С.О. (КНТЕУ). Визначення сорбційних і десорбційних властивостей БКВСДС проведено в Інституті фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського НАН України; реологічних властивостей тістових мас на різних цукрозамінниках - у Харківському державному університеті харчування та торгівлі; термографіометричні дослідження - в Національному університеті ім. Т.Г. Шевченка; дослідження стану вологи методом імпульсного ЯМР - сумісно з к.т.н. Дьяковим О.Г. (ХДУХТ). Обговорення та узагальнення результатів досліджень проведено спільно з науковим консультантом д.т.н., проф. Ковбасою В.М., результатів клінічних апробацій розроблених БКВСДС - сумісно з д.м.н Гуліч М.П.

Апробація результатів дисертації. Основні результати проведених досліджень доповідались та обговорювались на XV Міжнародному симпозіумі „Нетрадиционное растениеводство. Эниология. Экология и здоровье” (Алушта, 2005, 2006), Другій між нар. наук.-практич. конф. „Наук. дослідж. - теорія та експеримент” (Полтава, 2006), VI та

V Міжнародних науково-практичних конференціях „Хлібопродукти-2006”, „Хлібопродукти-2007”, „Хлібопродукти-2009” (Одеса, 2006, 2007, 2009), IV Міжнародній науково-практичній конференції „Актуальні питання гігієни харчування та безпечності харчових продуктів. Проблеми функціонального харчування” (Київ, 2006), III Міжнародному інформаційно-консультативному науково-практичному практикумі „Кондитерські вироби та харчоконцентрати. Технологія, обладнання, якість та асортимент” (Мукачеве, 2006), Міжнар. наук.-практ. конф. «Туризм і рестор. бізнес. Сучас. тенденції та перспектива розв.» (Київ, 2007), VI Міжнародній конференції „Кондитерские изделия XXI века” (Москва, 2007), VI Междунар. науч.-практ. конф. «Совершенствование технологий и оборудования пищевых производств» (Мінськ, 2007), Всеукраїнській науково-практичній конференції „Прогресивні техніка та технології харчових виробництв, ресторанного господарства і торгівлі. Економічна стратегія і перспективи розвитку сфери торгівлі та послуг” (Харків, 2007), V Міжнародній науково-практичній конференції „Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація та економіка” (Донецьк-2007-Святогірськ), Всеросійській науковій конференції „Социально-медицинские аспекты экологического состояния Центрального экономического района России» (Тверь, 2007), семінарі для спеціалістів кондитерського виробництва „Сучасні технології кондитерських виробів. Підвищення якості та безпеки” (Київ, 2007), IV Міжнарод. інформаційно-консультативному практикумі „Кондитерські вироби та харчоконцентрати. Енергозберігаючі технології, автоматизація виробництва, харчові добавки та ароматизатори” (Яремча, 2008), Міжнарод. науково-практична конференція „Інноваційні енерго- й ресурсозберігаючі технології та обладнання в хлібопекарській, кондитерській, макаронній, харчоконцентратній і зернопереробній галузях харчової промисловості” (Київ, 2008), науково-практичній конференція „Кондитерські вироби століття: фізіологічно-функціональні сировинні інгредієнти, інноваційні технології (Київ, 2009), Міжнар. наук. фестиваль «SPA I WELLNESS - стратегія розвитку» (Форос, 2009).

Публікації. За результатами роботи опубліковано 63 наукових праць, у т.ч. 24 - у фахових журналах і збірниках наукових праць, 7 - в інших виданнях, 15 матеріалів та тез доповідей на науково-практичних конференціях, отримано 17 патентів України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел із 619 найменувань (книга 1) і додатків (книга 2). Робота, викладена на 307 сторінках основного тексту, включає 82 рисунки і 78 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації та її значення у розв'язанні проблеми розроблення БКВСДС оздоровчої, профілактичної і дієтичної спрямованості, сформульовано мету та завдання дослідження, викладено наукову концепцію, визначено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, наведено дані щодо апробації новітніх технологій.

У першому розділі „Сучасні науково-технічні підходи до розроблення раціональних технологій конкурентопридатних борошняних кондитерських виробів спеціального дієтичного споживання” розглянуто проблему неповноцінності раціону харчування та способи розроблення харчових продуктів оздоровчого призначення, проаналізовано сучасні технології борошняних кондитерських виробів оздоровчої та дієтичної спрямованості. Розглянуто теоретичні основи структуроутворення кондитерських мас коагуляційної, коагуляційно-кристалізаційної, коагуляційно-піноподібної структури та обґрунтовано доцільність проведення комплексу досліджень з визначення впливу нетрадиційної сировини (цукрозамінників, аглютенового борошна, фізіологічно функціональних харчових інгредієнтів) на формування структури тістових мас. Наведено теоретичні основи процесів випікання, випікання-сушіння та сушіння різних груп борошняних кондитерських виробів (БКВ), показано необхідність проведення комплексу досліджень щодо встановлення оптимальних параметрів процесу термообробки БКВСДС; наведено теоретичне обґрунтування процесів, що відбуваються під час зберігання БКВ.

Аналітичний огляд літератури визначив необхідність розроблення наукової концепції створення нового складу БКВ з урахуванням їх спеціального (оздоровчого та дієтичного) призначення, які відповідають вимогам нутриціології відносно харчування практично здорових людей з урахуванням віку (діти, люди похилого віку), інтенсивності фізичного навантаження (люди розумової праці, спортсмени) і стану здоров'я (цукровий діабет, целіакія, фенілкетонурія, залізодефіцитна анемія, остеопороз) та розроблення раціональних технологій, що забезпечують конкурентопридатність БКВСДС.

У другому розділі „Організація, об'єкти та методи досліджень” сформульовано програму аналітичних та експериментальних досліджень (рис. 1), яка передбачає системний підхід до розроблення технологій БКВСДС, розроблення наукової концепції створення оптимального рецептурного складу, що задовольняє вимоги нутриціології відносно харчування практично здорових людей з урахуванням віку, інтенсивності фізичного навантаження, з метою надання виробам оздоровчого, профілактичного призначення, та дієтичного призначення для харчування людей з певними захворюваннями; експериментальні дослідження і наукове обґрунтування оптимізації рецептурного складу, оптимальних параметрів замісу тістових мас, термообробки тістових заготовок, зберігання готових виробів.

Наведено характеристику об'єктів досліджень, визначено методики для досліджень фізико-хімічних, структурно-механічних, теплофізичних показників сировини, тістових мас та готових виробів; методів моделювання, оптимізації та статистичної обробки результатів досліджень.

Задачу оптимізації рецептурного складу БКВСДС запропоновано розв'язувати математичним методом лінійного програмування - симплекс-методом, для чого складено систему лінійних рівнянь, вказано граничні умови та визначено цільову функцію. Якщо задача спрямована на зменшення калорійності, глікемічності, то f>min, а якщо на використання фізіологічно функціональних харчових інгредієнтів, то f>mах.

У тих випадках, коли нова сировина підвищує біологічну цінність виробів і, в той же час, погіршує органолептичні показники, використано графоматематичний метод.

Запропоновано методику розрахунку комплексного показника (), який характеризує конкурентопридатність БКВСДС на основі врахування ефективності рецептурного складу (), ефективності функціонування

У випадку, якщо розрахунок показав, що дорівнює 5...4,5 бала, то БКВСДС слід вважати висококонкурентопридатними, якщо 4,4...4,0 бала, то конкурентопридатними, якщо 3,9 бала та менше, то не конкурентопридатними.

У третьому розділі „Наукове обґрунтування раціональних технологій борошняних кондитерських виробів спеціального дієтичного споживання” науково обґрунтовано концептуальний підхід до створення БКВСДС з урахуванням вимог нутриціології до харчування різних груп населення залежно від віку (діти, люди похилого віку), інтенсивності фізичного навантаження (люди розумової праці, спортсмени) та стану здоров'я (цукровий діабет, целіакія, фенілкетонурія, залізодефіцитна анемія, остеопороз).

Обґрунтовано доцільність аналізу виробництва БКВСДС як великої технологічної системи, яка поділяється на такі підсистеми: С1 - розроблення оптимальних рецептурних композицій БКВСДС; В1 - приготування тістових мас; В2 - формування тістових заготовок; В3 - термічне оброблення тістових заготовок; А - зберігання готової продукції. Встановлено, що під час розроблення БКВСДС підсистему С1 доцільно розглядати як центральну підсистему.

Аналіз кожної підсистеми здійснено на макро- та мікрорівні. На макрорівні проведено аналіз взаємодії складових елементів системи між собою та навколишнім середовищем з метою встановлення критерію оптимізації. З великої кількості вихідних факторів визначено головний, за яким і проведено оптимізацію підсистеми з урахуванням вхідних керованих і некерованих факторів. На мікрорівні досліджено фізико-хімічні, структурно-механічні, тепломасообмінні та інші процеси, які зумовлюють оптимальні параметри технологічних процесів.

Мета функціонування великої технологічної системи виробництва БКВСДС - випуск конкурентопридатної продукції, яка відповідає вимогам нутриціології до харчування людей різного стану здоров'я, віку, професійної діяльності, а за показниками якості - вимогам нормативної документації. У розробленому нами ДСТУ „Вироби кондитерські борошняні для спеціального дієтичного споживання”, крім традиційних вимог до органолептичних (Р1), фізико-хімічних (Р2), мікробіологічних показників (Р3), показників безпеки (Р4), введено показник (Р5), який вказує на спеціальне призначення БКВ (рис. 2) і на другому рівні диференціюється на Р51...Р5n. Це може бути ПГ, вміст фізіологічно функціональних харчових інгредієнтів, вміст клейковини (у виробах для хворих на целіакію Р5і=0), вміст білка та фенілаланіну (у виробах для хворих на фенілкетонурію). Показник ефективності функціонування великої системи, відповідно, значення показників 2-го рівня, розраховано за формулою:

Значення відповідає такій оцінці: =0,9...1,0 - відмінно; =0,75...0,89 - добре; =0,5...0,74 - задовільно; ? 0,49 - незадовільно.

Усі БКВСДС згідно з розробленими ДСТУ поділено на дві групи. Перша - це вироби оздоровчого призначення, які рекомендовано споживати практично здоровим особам. Відрізняються від традиційних виробів тим, що до складу 100 г продукту входять фізіологічно-функціональні сировинні інгредієнти в кількості 10...50% добової потреби. Друга - вироби дієтичного призначення для хворих людей, які не можуть споживати звичайні БКВ (хворі на цукровий діабет, целіакію, фенілкетонурію).

У четвертому розділі „Технологічні властивості цукрозамінників та їх використання у виробництві різних груп борошняних кондитерських виробів спеціального дієтичного споживання” наведено результати комплексних досліджень з визначення основних технологічних властивостей цукру, глюкози, фруктози, лактитолу, ізомальту, сорбіту. Досліджено (на установці Мак Бена) сорбційні та десорбційні властивості цукрозамінників. Встановлено, що у разі низького вологовмісту (aw=0,0...0,25) не відбувається поглинання вологи ні цукром, ні цукрозамінниками, якщо aw=(0,25...0,75), тільки фруктоза (aw=0,45) і сорбіт (aw=0,50) поглинають вологу. Тому цукор та цукрозамінники (крім фруктози та сорбіту) слід віднести до речовин з низькою гігроскопічністю. Термообробка БКВСДС передбачає дію високих температур, тому визначено її вплив на властивості цукру та цукрозамінників. Аналіз дериватограм показав, що найбільш термостійким є цукор: плавлення цукру відбувається в інтервалі 180...194оС, фруктози - 104оС...132оС, сорбіту - 98...100оС, лактитолу - 100...135оС, ізомальту - 135...155оС. Досліджено кінематичну і динамічну в'язкість розчинів цукру та цукрозамінників різної концентрації (30 та 50%). Встановлено, що в'язкість розчинів глюкози, фруктози, сорбіту відповідно менша на 30, 25, 15% за в'язкість розчинів цукру тієї ж концентрації, а в'язкість розчинів лактитолу та ізомальту, відповідно, на 12 і 40% більше. Досліди з визначення поверхневого натягу цукридів та поліолів показали, що у цукридів він практично однаковий і коливається у межах 78,2...78,6 Н; у поліолів поверхневий натяг значно менший і становить у сорбіту - 66,1 Н, лактитолу - 66,3 Н, ізомальту - 67,7 Н. Це вказує на доцільність їх використання у БКВ піноподібної структури.

Згідно з основними технологічними властивостями (солодкість (f1), гігроскопічність (f2), розчинність (f3), калорійність (f4), термостійкість (f5), глікемічний індекс (f6)) побудовано профілограми показників якості цукру, фруктози, глюкози, лактитолу, ізомальту, сорбіту (рис. 3). Запропоновано загальну оцінку проводити за 10-баловою шкалою, тобто балів. Найкраще значення технологічних властивостей цукру або цукрозаміника має 10 балів, а відповідне значення властивостей інших речовин розра-ховано відносно нього. В зв'язку з тим, що кожний показник має різну вагомість у загальній оцінці якості, у розрахунках застосовано коефіцієнти вагомості Мi і розрахунок (К) проведено за формулою:

Встановлено, що з цукридів найбільше значення комплексного показника має фруктоза (К=0,808), з поліолів - лактитол (К=0,735). З урахуванням окремих позитивних властивостей фруктози та лактитолу у виробництві БКВСДС доцільно використовувати суміш лактитол - фруктоза. Оптимальне їх співвідношення визначено за допомогою методу квадратичного програмування, в якому система обмежень описується лінійними нерівностями, а цільова функція квадратична згідно з критерієм „багатокутник якості”. F=f1f2+f2f3+f3f4>max. Відповідно до розв'язку задачі встановлено оптимальне співвідношення лактитол - фруктоза (0,66:0,34), яке використано під час розроблення БКВ для хворих на цукровий діабет.

На альвеографі визначено вплив цукру та цукрозамінників на температуру клейстеризації крохмалю. встановлено, що цукор і цукрозамінники підвищують температуру клейстеризації, однак, вплив їх різний, що пояснюється різною розчинністю, молекулярною масою та їхньою хімічною будовою. Аналіз отриманих даних дає змогу прогнозувати, що фруктоза та поліоли будуть скорочувати тривалість термооброблення порівняно з цукром, тому що температура клейстеризації крохмалю за їх використання нижча за температуру клейстеризації крохмалю у тістових масах на цукрі. Однак рецептурний склад БКВСДС дуже складний, багатокомпонентний і на тривалість термообробки буде мати вплив цілий ряд факторів, серед яких значне місце належить водопоглинальній здатності (ВПЗ) борошняної сировини. Встановлено ВПЗ пшеничного та аглютенового (кукурудзяного, гречаного, рисового) борошна (табл. 1) і вплив на ВПЗ цукру та цукрозамінників.

Таблиця 1

Водопоглинальна здатність різних видів борошна у присутності цукру та цукрозамінників, (%) Р0.05

Структура тіста і поведінка тістових заготовок під час термічної обробки значною мірою залежить від вологовмісту. Дослідження на фаринографі показали, що для досягнення однакової консистенції тіста (рівень на фаринограмах 500 од.) необхідна різна кількість води. Для замісу тіста на фруктозі та сорбіті потрібна менша вологість тіста (порівняно з тістом на цукрі), відповідно, на 2,2 та 1,5%, для замісу тіста на глюкози, лактитолі, ізомальті - відповідно більше на 9,0; 5,0 та 10,2%. Причиною є різна розчинність та молекулярна маса цукру та цукрозамінників. Висока розчинність сприяє збільшенню вільної вологи, яка забезпечує утворення більшого прошарку між білковими молекулами, що робить систему більш пластичною. Фруктоза, глюкоза, сорбіт мають невелику молекулярну масу відносно молекулярної маси цукрози, лактитолу, ізомальту, тому їх молекули більш рухомі і швидше заповнюють внутрішньомолекулярний простір, утворений розгалуженими макромолекулами білків та крохмалю.

Структуру тістових мас обумовлює не тільки вологість маси, а й кількість вільної води. Кількість вільної та зв'язаної води визначено за допомогою дериватографа. Для визначення кількості загальної, вільної та зв'язаної води зроблено такі припущення. По-перше, кількість загальної вологи визначали як кількість вологи, виділену під час прогріву всіх зразків до t=175оС. Така температура обумовлена тим, що температура скоринки БКВ у кінці термообробки не повинна бути більше 175 оС. По-друге, вологу, яка виділяється до температури 1000С, розглядали як вільну вологу, після 100оС - як зв'язану. Результат аналізу дериватограм показав, що кількість вільної води у тістових масах на фруктозі дорівнює 32,5%, сорбіті - 27,2%, цукрі - 25,7%, глюкозі - 23,7%, лактитолі - 23,6%, ізомальті - 20,5%. Дані щодо кількості вільної і зв'язаної вологи у цих модельних системах підтверджено дослідженнями, проведеними за допомогою методу імпульсивного ядерно-магнітного резонансу. Визначено час повздовжної (Т1) та поперечної (Т2) релаксації тістових мас (рис. 4, 5).

Аналіз отриманих даних свідчить, що час спін-решіткової та спін-спінової релаксації у тістових масах на фруктозі та сорбіті менший, ніж у тістових масах на цукрі, глюкозі, лактитолі, ізомальті. Таким чином, термообробка тістових заготовок на фруктозі і сорбіті буде відбуватись за більш короткий час і потребувати менших витрат тепла. найбільших витрат тепла потребує термообробка тістових мас на ізомальті.

На процес формування і термообробки впливає не тільки кількість вільної і зв'язаної вологи, але й значною мірою структурно-механічні властивості тістових мас, а цукор і цукрозамінники впливають на ці показники. За допомогою альвеографа „Chopin” визначено, що існує чітка залежність між профілем альвеограм та видом солодких речовин (цукриди, поліоли). Доведено, що всі цукрозамінники зменшують пружність тістових мас, але у різному ступені (табл. 2). Встановлено, що пружність тістових мас, виготовлених на цукридах, розташовується в такий ряд: тістові маси на глюкозі > на цукрі > на фруктозі; поліолах: на ізомальті > на лактитолі > на сорбіті. Еластичність тістових мас на поліолах порівняно з моделлю на цукрі настільки мала, що визначити її було неможливо. Аналізуючи результати досліджень, дійдемо висновку, що застосування поліолів у виробництві БКВ, тістові маси, яких повинні мати виражені еластичні властивості (листковий напівфабрикат, затяжне печиво, крекери, галети), є недоцільним. У зв'язку з тим, що ізомальт сприяє значному збільшенню пружності тіста, його використання для здобного пісочного печива і кексів теж вважаємо недоцільним.

Технологія бісквітів, кексів, білково-збивного печива пов'язана з процесом піноутворення. Досліди показали, що цукор і цукрозамінники знижують піноутворюючу здатність (ПУЗ) білкових систем на яєчному білку та меланжі (рис. 6). Визначено, що поліоли (сорбіт, лактитол) менше впливають на погіршення ПУЗ, ніж цукриди. Це можна пояснити їх властивостями як ПАР. Низьку ПУЗ на ізомальті ми пояснюємо його низькою розчинністю. Тому у подальшому під час розроблення технології бісквіта на ізомальті використано теплий спосіб приготування бісквітного тіста.

Під час визначення стійкості піни (СП) встановлено, що цукор і цукрозамінники покращують СП як на яєчному білку, так і на меланжі.

Визначено, що у разі застосування цукрозамінників під час виробництва піноподібних виробів фруктозу, глюкозу, сорбіт, а також суміш лактитолу та фруктози доцільно використовувати для приготування кексів і бісквітів; лактитол, ізомальт, глюкозу - для виробництва білково-збивного печива. Фруктозу та сорбіт використовувати у виробництві білково-збивного печива недоцільно, оскільки вони мають високу гігроскопічність.

У п'ятому розділі „Наукове обґрунтування і розроблення технологій тістових мас борошняних кондитерських виробів спеціального дієтичного споживання” як центральну розглянуто підсистему, що пов'язана із розробленням харчових композицій різних груп БКВСДС. Розроблення складу БКВСДС проводили відносно критерію оптимізації (yi), для визначення якого чітко зазначено та науково-обґрунтовано мету функціонування підсистеми та дію вхідних керованих (хi) та некерованих (hi) факторів. Фактор оптимізації визначали як за одиничними показниками (yi=К0), так і за комплексним показником (). Для визначення критерію оптимізації К0 було використано такі методи: багатофакторного планування експерименту, графоматематичний, симплекс-метод. При цьому враховували, що структурно-механічні характеристики тістових мас повинні забезпечити можливість використання існуючого обладнання, а якість БКВСДС має відповідати вимогам, наведеним у ДСТУ. Тістові маси мають різні структурно-механічні властивості, кожна структура тіста потребує визначення оптимальних параметрів дії.

Встановлено (рис. 7), що цукрозамінники по-різному впливають на утворення коагуляційно-кристалізаційної структур-ри тістових мас для здобного печива. Найбільш слабка та піддатлива до деформації структура притаманна тістовій масі на фруктозі. На ізомальті тісто має занадто міцну структуру, що обумовлює недоцільність його засто-сування для виготовлення здобного печива. Реологічні характеристики тістових мас на лактитолі мають характер змін, аналогічний до мас, виготовлених на цукровій пудрі. Відмінність полягає у тому, що для тістових мас на лактитолі характерно більш виражене відновлення структури після зняття навантаження.

Визначено вплив цукру та цукрозамінників на реологічні характеристики коагуляційно-пастоподібної структури тіста для кексів. Аналіз отриманих даних (рис. 8) показав, що цукор і цукрозамінники суттєво впливають на піддатливість мас до дії навантаження, що дало змогу усі маси поділити на три групи: - це легкопіддатливі маси, що виявляють властивості вязкопластичної течії за навантаження 100 г (це маси на лактитолі, сорбіті, суміші лактитол-фруктоза (66:34)); - це маси середньої піддатливості, вони для течії потребують навантаження на 20% більше, ніж маси групи (це маси на цукрі та фруктозі); - важкопіддатливі маси (це тістова маса на глюкозі, яка виявляє вязко-пластичну течію за навантаження 170 г). Маса на ізомальті навіть за навантаження понад 200 г не виявляє вязкопластичну течію. Отримані дані показали, що під час розроблення рецептур на лактитолі, суміші лактитол-фруктоза, сорбіті можна кількість жиру зменшити на 5%; на фруктозі вміст жиру доцільно залишити таким же, як на цукрі; на глюкозі - збільшити на 5...7%. Людям з високим фізичним навантаженням доцільно споживати кекс на глюкозі як висококалорійний легкозасвоюваний продукт. Використовувати ізомальт у виробництві кексів вважаємо недоцільним.

Дослідження процесів структуроутворення коагуляційно-піноподібних слабко- та сильностуктурованих тістових мас показали позитивний, порівняно з цукром, вплив поліолів на процес піноутворення. З метою розроблення складу та технологій нових білково-збивних виробів проведено дослідження з визначення оптимальних умов піноутворення відновленого яєчного білка та впливу на ПУЗ різних цукрозамінників. За результатами дослідів встановлено, що оптитимальним співвідношенням сухий яєчний білок : вода є 1:7, температура маси - 200С, рН 6.

Під час дослідження впливу цукру та цукрозамінників на формування коагуляційно-піноподібних слабко- (тісто для бісквіта) та сильноструктурованих (тісто для білково-збивного печива) мас встановлено, що цукор та цукрозамінники зменшують ПУЗ у такій послідовності: лактитол < сорбіт < фруктоза < глюкоза < цукор < ізомальт.

Порівнюючи визначену за допомогою мікроскопу структуру піноподібних мас, отриманих збиванням відновленого водою яєчного білка (співвідношення 1:7) та цукру-піску, лактитолу, ізомальту, дійдемо висновку, що поліоли лактитол та ізомальт сприяють утворенню більш монодисперсної структури, ніж структура піни на цукрі, і це пояснює більшу стійкість їх пін. Оскільки піни на основі поліолів мають значно більшу стабільність, досліджено можливість зменшення їх кількості у рецептурних сумішах. Визначено, що оптимальне співвідношення відновленого водою яєчного білка (1:7) до маси цукрозамінників (лактитол, ізомальт) відповідає 1,0 : (1,0...1,25).

Запропоновано відновлення сухого яєчного білка, сухого меланжу, яєчного жовтка проводити овочевими пюре або соками. Визначено кінетику їх піноутворення (рис. 9, 10). Встановлено, що використання морквяного пюре та соку сприяє скороченню тривалості процесу піноутворення, максимальне значення ПУЗ досягається орієнтовно на 30% раніше, ніж у масах на меланжі та нативному яєчному білку, стійкість піни краща. Це пояснюється наявністю власних піноутворюючих факторів у пюре, крім того, незначне зниження активної кислотності рецептурної суміші створює умови для послаблення електростатичного відштовхування між яєчними протеїнами та пектинами морквяного пюре у адсорбційних шарах на межі розподілу фаз. Це сприяє максимальному залученню пектинів у ці шари.

Аналіз хімічного складу пшеничного борошна показує недостатню збалансованість есенційних амінокислот і низький вміст вітамінів, мінеральних речовин. Для покращання харчової та біологічної цінності БКВСДС запропоновано використовувати суміш борошняної сировини. Однак дуже часто борошняна сировина, що має кращий склад амінокислот, погіршує органолептичні показники. Для визначення оптимального співвідношення борошняної сировини використано графоматематичний метод. Наведено результати досліджень відносно оптимального співвідношення різних видів борошняної сировини (табл. 3). Отримані дані використано для розроблення рецептур здобного пісочного печива, кексів, бісквітів оздоровчого та дієтичного призначення.

Таблиця 3

Визначення оптимального співвідношення борошняної сировини

* - комплексний показник біологічної цінності

** - комплексний показник органолептичної оцінки

Бісквітна тістова маса і сам бісквіт дуже чутливі до дії зовнішніх факторів (дозування сировини, температури, тривалості збивання). Досліди показали, що у разі розроблення бісквіта для хворих на целіакію проста заміна пшеничного борошна на аглютенове (гречане, кукурудзяне) неможлива. Бісквіт на гречаному борошні мав погано розпушену м'якушку. Для покращання якості бісквіта частину гречаного борошна замінили на крохмаль. За допомогою 3-факторного експерименту, де Х1 - кількість гречаного борошна, Х2 - кількість крохмалю, Х3 - кількість цукру, отримано рівняння регресії. За критерій оптимізації (y) прийнято питомий об'єм бісквіту (см3/г):

Встановлено оптимальне співвідношення сировинних інгредієнтів - гречане борошно: кукурудзяний крохмаль: цукор-пісок - 100:34,5:145. Ці дані застосовано для розроблення бісквіта „Гречаночка”. М'якушка бісквіта на одному кукурудзяному борошні не мала необхідних пружно-еластичних властивостей, була дуже розсипчаста. Для покращання структури м'якушки використано добавку BENEOТМ HPX, яка представляє собою інулін.

За допомогою математичного планування 3-факторного експерименту (Х1 - кількість кукурудзяного борошна, Х2 - кількість BENEOТМ HPX, Х3 - кількість цукру-піску) отримано таке рівняння регресії:.

Визначено оптимальне співвідношення - кукурудзяне борошно : продукт BENEOТМ HPX : цукор-пісок - 100:20:116. Ці дані використано для розроблення бісквіта „Кукурудзяночка”. З метою надання бісквіту оздоровчих властивостей запропоновано використовувати борошно обсмажених зародкових пластівців пшениці (БОЗПП).

Виявлено (рис. 11), що атакованість пепсином сирих зародкових пластівців пшениці (ЗПП) на 25% більше, ніж білків пшеничного борошна вищого сорту, а обсмажених ЗПП - на 100% (30 хв дії пепсину), борошна обсмажених ЗПП - на 150%, тобто подрібнення ЗПП до борошна збільшує ферментативну атакованість на 50%.

За допомогою багатофакторного планування експерименту визначено, що оптимальне співвідношення БОЗПП і пшеничного борошна вищого сорту у виробництві бісквіта складає 20:80. Це використано для розроблення бісквіта „Золотистий”. При виробництві здобного печива оптимальне співвідношення обсмажених ЗПП і пшеничного борошна складає 45:55. Ці дані використано для розроблення печива „Золота глюкозка”

(рекомендується вживати спортсменам) та „Золота лактитолочка” (для хворих на цукровий діабет).

Встановлено, що дієтична добавка „Гемовітал” у кількості, що відповідає 30% добової потреби у перерахунку на гемове залізо, не має суттєвого впливу на структурно-механічні характеристики тістових мас БКВ. Для коригування кольору БКВСДС використано какао-порошок.

Розроблення БКВ для хворих на фенілкетонурію потребує особливого підходу, адже вміст фенілаланіну (ФА) у раціоні хворих повинен бути обмежений. Під час розроблення печива для хворих на фенілкетонурію ми виходили з того, що вміст ФА в 100 г печива повинен бути в межах 35...70 мг, що залежно від віку задовольняє 5...15% безпечної добової норми споживання. Розроблено два найменування печива - „Капітошка” (вміст ФА - 49,82 мг) і „Капітончик” (вміст ФА - 41,55 мг).

Розроблення продуктів зі зниженою калорійністю визнано ВООЗ одним з головних напрямів розвитку харчової індустрії. Виробам, калорійність яких знижена на 25 %, надається статус „редукована калорійність”. Проведено комплекс досліджень, за результатами яких розроблено кекс „Насолода”, здобне печиво „Дуже корисне”. Їх калорійність знижена, відповідно, на 25% та 26% за рахунок раціонального використання лактитолу та продукту BENEOТМ HPX. Розроблено рецептури білково-збивного печива „Лактитолочка” та „Ізомальточка”, калорійність яких знижено на 48%.

На замовлення „ХІПП-Ужгород” сумісно зі співробітниками НУХТ розроблено технологію нових видів розчинного печива для немовлят. За допомогою математичного методу багатофакторного планування експерименту розроблено печиво „Дитячий світ” (на глюкозі), „Дитячий світ” (на цукрі), „Веселка” (на суміші різних видів борошна). Критерієм оптимізації хімічного складу був комплексний показник , який складається з двох показників - тривалість розчинення печива, с; - міцність (Н) печива і розраховується за формулою. Значення базових показників та відповідали значенням показників у печиві компанії HIPP (Німеччина), яка є всесвітнім лідером виробництва продукції дитячого харчування.