Размещено на http://allbest.ru

Федеральное агентство по рыболовству

Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет

ФГБОГ ВО «ДАЛЬРЫБВТУЗ»

Контрольная работа

Проектирование многокомпонентных пищевых систем

По дисциплине «Основы моделирований технологий продуктов из водных биоресурсов»

Выполнил студент Кипцер Е.В.

Проверил Полещук Д.В.

Владивосток 2022

Содержание

• 1. Методика проектирования комбинированных продуктов
• 2. Основы концепции рационального питания
• Список использованных источников

1. Методика проектирования комбинированных продуктов

Под проектированием пищевых продуктов понимают процесс создания рациональных рецептур, способных обеспечить высокий уровень адекватности комплекса свойств пищевого продукта требованиям потребителя и нормируемым величинам содержания нутриентов и энергии. Это сравнительно новое научное направление исследований, позволяющее разрабатывать состав сложных многокомпонентных продуктов с заданным комплексом качественных и количественных показателей. При этом комплекс показателей постоянно расширяется и включает в себя не только потребительские свойства продуктов, но и технологические, медико-биологические, санитарно-гигиенические и др.

В соответствии с современными представлениями понятие «проектирование» продуктов включает в себя разработку моделей, описывающих этапы создания продуктов заданного качества и представляющих собой математические зависимости, отражающие все изменения одного или нескольких ключевых параметров, на основе которых они разрабатываются, а также оптимизацию выбора и соотношения исходных компонентов, по которым можно получить рецептуру, которая по количественному содержанию и качественному составу максимально соответствует формуле сбалансированного питания, отвечает медико-биологическим требованиям и обладает высокими потребительскими свойствами [6].

Одной из важных задач при проектировании многокомпонентных пищевых систем является обеспечение оптимального набора и соотношения рецептурных ингредиентов при разработке новых видов функциональных продуктов питания для различных категорий населения.

В общем виде процесс построения математической модели состоит из отдельных последовательно выполняемых этапов: выбора вида разрабатываемого продукта (объекта проектирования), определения цели исследования, выбора критерия оптимальности, выявления неизвестных и основных ограничений, математической формализации (рисунок 1).

Рисунок 1 - Алгоритм проектирования рецептуры пищевого продукта

Выбор вида разрабатываемого продукта (объекта проектирования). Объектами разработки (проектирования) могут служить изделия различных групп (молочные, мясные, хлебобулочные, кондитерские и др.), обладающие своими особенностями, которые должны быть учтены в процессе проектирования. На основе анализа характеристик продуктов конкретной группы определяется объект проектирования.

Определение цели разработки нового или модификации существующего продукта. Разработка новых и совершенствование традиционных пищевых продуктов проводится с определенной целью. Эта цель должна быть четко сформулирована. От того, насколько правильно и конкретно отражена цель, зависит и содержание модели. Формулировка цели должна характеризоваться четкостью и полнотой. Например, при проектировании пластифицированной сырной массы может быть поставлена цель -- разработать продукт функционального назначения.

Начальный этап проектирования заключается в формализации целей и задач, что позволяет структурировать процесс разработки, установить взаимосвязи и последовательность основных этапов. В качестве примера такого подхода на рисунке 2 изображена схема процесса разработки сырного продукта с растительным наполнителем.

Рисунок 2 - Схема этапов создания пластифицированной сырной массы

Выбор критерия оптимальности. В связи с поставленной целью исследований определяется критерий оптимальности, т. е. экономический, технологический или другой показатель, на основе которого сравниваются возможные варианты, и выбирается наилучший из них.

Критерий оптимальности служит формой количественного выражения цели поставленной задачи. Он может иметь стоимостное и натуральное выражение. сырный продукт растительный питание

При разработке пищевых продуктов может использоваться один или несколько критериев оптимальности. При этом в случае использования нескольких критериев, решение задачи может иметь противоречивый характер, поэтому необходимо установить требуемое сочетание выбранных критериев (по сути, перейти к комплексному критерию оптимизации).

Возвращаясь к приведенному примеру, можно отметить два возможных варианта:

1) один критерий оптимальности - содержание витамина С в 100 г сырной массы, в данном случае оптимальным будет рецептурное соотношение, позволяющее получить массу с заданным содержанием витамина;

2) два критерия оптимальности - содержание Ca и P в 100 г сырной массы, в этом случае целесообразно в качестве оптимального принять такое рецептурное соотношение, которое обеспечит сочетание Ca и P в готовом продукте в пропорции, рекомендованной медико-биологическими исследованиями.

Выявление ограничений. Поиск оптимального решения с помощью математического аппарата осуществляется обычно в условиях каких-либо ограничений. Состав ограничений зависит от свойств объекта проектирования и требований, которые вытекают из формулировки задачи. Поэтому состав ограничений должен достаточно полно, наиболее эффективно и по возможности кратко отражать существо задачи разработки. В математической модели ограничения выражаются в виде систем неравенств, уравнений и других соотношений.

Состав и число ограничений влияют на сложность решения задачи. При выборе ограничений необходимо стремиться к тому, чтобы их было столько, сколько требуют условия поставленной задачи. Включение в модель большого числа ограничений усложняет вычислительный процесс и сокращает область выбора решений задачи. Но, с другой стороны, упущение какого-либо ограничения в модели может привести к тому, что результат решения задачи окажется практически непригодным.

Достаточное число ограничений не всегда удается определить при разработке модели. Отдельные необходимые для конкретной задачи ограничения могут быть выявлены только после ее решения. Например, при разработке рецептуры пластифицированной сырной массы в качестве ограничений использованы: максимальные концентрации отдельных ингредиентов и содержание витамина С в готовых изделиях. После решения задачи выяснилось, что не была учтена себестоимость продукции, что существенно сказалось на конкурентоспособности продукта. В этом случае модель должна быть дополнена и расчет проведен заново.

Математическая формализация. Процесс разработки записывается в виде математической модели с помощью различных символов, обозначающих искомые неизвестные и разнообразные технико-экономические показатели задачи.

Математические модели в виде алгебраических и дифференциальных уравнений, уравнений регрессии, систем уравнений в частных производных и конечных разностях при достаточном объеме априорных данных могут быть получены аналитическими методами с использованием основных физических законов и классических принципов анализа систем, а также экспериментальными методами, с применением математической статистики, регрессионного анализа и планирования эксперимента. Сложность получения адекватных моделей влияния рецептурного состава на качественные характеристики пищевых продуктов обусловлена их достаточно большой начальной неопределенностью, связанной с трудноформализуемым разбросом нормативов и свойств сырья, а также характеристик связей между физико-химическими показателями сырья и готовой продукции. При этом внешние воздействия и факторы, определяющие свойства сырья и продукта на различных стадиях технологического процесса, меняются и иногда заранее не могут быть однозначно определены.

В этих условиях наряду с традиционными подходами моделирование должно быть связано с созданием адаптивных моделей в виде алгоритмов обучения и адаптации, основанных на методах математического программирования в задачах опознавания, идентификации и исследования операций.

Выбор тех или иных методов и технических средств моделирования во многом определяется целевым назначением модели, определяемым прикладными задачами ее использования в системах автоматизированного расчета и оптимизации рецептур многокомпонентных пищевых систем.

В последнее время задачи, связанные с моделированием многокомпонентных рецептурных смесей пищевых продуктов, решают с помощью математического программирования количественного состава - заданных парциальных частей (компонентов), входящих в данную смесь. Используемые правила описания систем, состоящих из заданных компонентов смесей, основываются, как правило, на линейных аддитивных моделях, когда их результирующие физические, химические и другие (в том числе потребительские) свойства являются аддитивной (взвешенной) суммой соответствующих свойств компонентов. Задача заключается в отыскании весовых коэффициентов и масс компонентов смеси. При моделировании систем применяется также подход, состоящий в том, что многокомпонентные рецептурные смеси описываются различными регрессионными уравнениями, связывающими характеристики этих смесей с характеристиками и массовыми долями их парциальных компонентов. В основном для этих целей используют полиномиальные зависимости функционально-технологических свойств от массовых долей их парциальных компонентов второго (а иногда, но гораздо реже, третьего) порядка, обосновывая выбор порядка соображениями минимизации наименьших квадратичных ошибок моделей. Однако полиномиальные зависимости не всегда согласуются с физическим смыслом задачи, что заставляет находить новые приемы для решения поставленной проблемы. Оптимизация параметров смеси позволяет обеспечить получение (с большей долей вероятности) продуктов заданного качества.

Разработка рецептур продуктов питания, отвечающих современным физиологическим нормам, заключается в обеспечении сбалансированного химического состава готового изделия при высоких органолептических показателях и оптимальности стоимости. При решении этой задачи совокупность требований к качеству готового продукта формулируется в виде множества ограничений, которые касаются как элементов химического состава и стоимости продукта, так и процентного содержания отдельных ингредиентов. Такие ограничения имеют, как правило, вид следующих двойных неравенств:

где C_i - значение i-го элемента (белок, жир и т. д.) в готовом продукте;

Y_j - массовая доля j-гo ингредиента в рецептуре;

C_{i min}; C_{i max}; Y_{j min}; Y_{j max} - верхние и нижние границы допустимого диапазона.

Нахождение оптимальной рецептуры сводится к решению системы уравнений:

где X_ij - значение i-гo элемента в j-м ингредиенте; n - число ингредиентов в продукте.

Задача поиска экстремума некоторой линейной формы в n-мерном пространстве при наличии ограничений в виде неравенства на множестве линейных форм известна в математике как классическая задача линейного программирования. Попытки решения задач такого рода показали, что совокупность ограничений, накладываемых на свойства готового изделия, часто противоречива, т. е. в пространстве рецептур вообще не существует области, точки которой удовлетворяют всем ограничениям одновременно. В таких случаях возможно: ослабить ограничения на свойства готового изделия посредством отклонений от некоторых из них; ослабить каждое из них, множество ограничений; расширить набор ингредиентов рецептуры продукта при неизменных ограничениях с тем, чтобы устранить их противоречивость.

Моделирование рецептурных смесей пищевых продуктов общего и функционального назначения находит все более широкое применение на практике. Оптимизационные задачи, как правило, решаются по выбранным направлениям, например, химическому, минеральному, витаминному составам, энергетической ценности. Большое внимание при этом уделяется вопросам проектирования комбинированных пищевых систем, т. е. созданию рациональных рецептур и/или оптимальных структурно-механических свойств продукта при одновременном использовании сырья растительного и животного происхождения.

2. Основы концепции рационального питания

Формирование научных представлений о питании и роли пищевых веществ в процессах жизнедеятельности началось лишь в середине XIX в. благодаря ряду научных открытий, непосредственно или опосредованно связанных с питанием.

Суть первой научной парадигмы питания сводилась к необходимости обеспечения организма требуемыми питательными веществами. Эта парадигма использована в теории сбалансированного питания, в основе которой лежат три главных положения.

1. При идеальном питании приток веществ точно соответствует их потере.

2. Приток питательных веществ обеспечивается путем разрушения пищевых структур и использования организмом образовавшихся органических и неорганических веществ.

3. Энергетические затраты организма должны быть сбалансированы с поступлением энергии.

Формула сбалансированного питания по А. А. Покровскому представляет собой таблицу, включающую перечень пищевых компонентов с потребностями в них в соответствии с физиологическими особенностями организма: белки, жиры, углеводы; незаменимые аминокислоты; незаменимые жирные кислоты; витамины; минеральные вещества. Также человеку необходима вода для воспроизведения потерь в различных биологических процессах.

Балансовый подход к питанию привел к ошибочному заключению, что ценными являются только усваиваемые организмом компоненты пищи, остальные же относятся к балласту.

В 80-е гг. XX в. была сформулирована новая теория питания, представляющая собой развитие теории сбалансированного питания с учетом новейших знаний о функциях балластных веществ и кишечной микрофлоры в физиологии питания. Эта теория, автором которой явился российский физиолог академик А. М. Уголев, была названа теорией адекватного питания. В основе теории лежат четыре принципиальных положения:

· пища усваивается как поглощающим ее организмом, так и населяющими его бактериями;

· приток нутриентов в организме обеспечивается за счет извлечения их из пищи и в результате деятельности бактерий, синтезирующих дополнительные питательные вещества;

· нормальное питание обусловливается не одним, а несколькими потоками питательных и регуляторных веществ;

· физиологически важными компонентами пищи являются балластные вещества, получившие название «пищевые волокна».

Теория адекватного питания формулирует основные принципы, обеспечивающие рациональное питание, в котором учитывается весь комплекс факторов питания, взаимосвязи этих факторов в обменных процессах и соответствие ферментных систем организма индивидуальным особенностям протекающих в нем химических превращений.

Первый принцип рационального питания. Пища для человеческого организма, прежде всего, является источником энергии. Именно при ее превращениях происходит выделение энергии, необходимой организму в процессах жизнедеятельности (поддержание температуры тела, пищеварение, работа мышц). Энергию выражают в килокалориях (ккал) или килоджоулях (кДж); 1 ккал соответствует 4,18 кДж. Калорийность белков - 4 ккал/г; жиров - 9 ккал/г; углеводов - 4 ккал/г. Доля энергии, которая может высвободиться из макронутриентов в ходе биологического окисления, характеризует энергетическую ценность (калорийность) продукта.

Организму человека в зависимости от пола, возраста, вида деятельности необходимо определенное количество энергии. При этом должен соблюдаться баланс между энергией потребляемой и расходуемой. Избыток энергии будет аккумулироваться в виде жира, что приводит к избыточной массе тела.

Второй принцип рационального питания. В соответствии со вторым принципом рационального питания, должно быть обеспечено удовлетворение потребности организма в основных пищевых веществах.

Углеводы являются наиболее распространенными питательными веществами. Суточная потребность организма человека в углеводах составляет 400-500 г, что соответствует 53-58% калорийности дневного рациона.

Жиры или триацилглицерины являются одним из основных источников энергии, а кроме того, служат источником углеродных атомов в биосинтезе холестерина и других стероидов. Суточная потребность организма в жирах составляет 60-80 г, что соответствует 30-35% от общей энергетической ценности рациона.

Белки являются источником незаменимых и заменимых аминокислот, а также вносят хотя и небольшой, но важный вклад в ежедневный общий расход энергии. Суточная потребность в белках 85-90 г.

Витамины участвуют в метаболизме, укрепляют иммунную систему организма. Минеральные вещества, как функциональные ингредиенты, влияют на осмотическое давление межклеточной жидкости, работу мышц, участвуют в процессах кроветворения, участвуют в построении костной ткани и иммунной системы человека.

Третий принцип рационального питания. В основу третьего принципа рационального питания положены четыре основных правила:

· регулярность питания связана с соблюдением времени приема пищи;

· дробность питания в течение суток, которая должна составлять не менее 3-4 раз в день с целью равномерной нагрузки на пищеварительный аппарат;

· рациональный подбор продуктов при каждом приеме для обеспечения оптимального усвоения пищи;

· оптимальное распределение пищи в течение дня дифференцируется в зависимости от возраста, характера физической активности, распорядка дня.

Список использованных источников

1. Бобренева, И. В. Математическое моделирование в технологиях продуктов питания животного происхождения: учебное пособие / И. В. Бобренева, С. В. Николаева. - Санкт-Петербург: Лань, 2019. - 124 с.

2. Бобренева, И. В. Функциональные продукты питания и их разработка: монография / И. В. Бобренева. - Санкт-Петербург: Лань, 2019. - 368 с.

3. Лакиза, Н. В. Анализ пищевых продуктов: учебное пособие. - 2-е изд., стер. - М.: ФЛИНТА, 2017. - 187 с.

4. Мезенова, О. Я. Биотехнология рационального использования гидробионтов: учебник / О. Я. Мезенова. - Санкт-Петербург: Лань, 2013. - 416 с.

5. Муратова, Е. И. Автоматизированное проектирование сложных многокомпонентных продуктов питания: учебное пособие / Е. И. Муратова, С. Г. Толстых, С. И. Дворецкий, О. В. Зюзина, Д. В. Леонов. - Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2011. - 80 с.

6. Олейникова, А. Я. Технологические расчёты при производстве кондитерских изделий / А. Я. Олейникова, Г. О. Магомедов, И. В. Плотникова. - СПб.: Издательство РАПП, 2008. - 240 с.

Размещено на Allbest.ru