Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЛОРИЙНОСТИ ЯИЦ

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к производству пищевых яиц, и может быть использовано в сельскохозяйственных предприятиях, крестьянских и фермерских хозяйствах, занимающихся производством и реализацией куриных яиц.

В 2011 г. производство яиц в РФ составило 41 млрд. шт., или в среднем около 290 яиц на человека, что приблизилось к норме потребления этого продукта. Мировое производство пищевых куриных яиц достигло 2 трлн. шт. (72 млн. т), что составляет более 170 яиц на душу населения. Использование гибридных кур-несушек яичных кроссов (среднегодовая яйценоскость 310-320 яиц) и сбалансированных полнорационных комбикормов в оптимальных условиях микроклимата в птичниках позволяет получать в течение всего продуктивного периода пищевые яйца заданной массы с достаточно высокой питательной и энергетической ценностью.

Куриное яйцо - полноценный источник питательных веществ и биологически активных соединений, в числе которых основные нутриенты - белки, жиры, углеводы, витамины и минеральные элементы. Питательность яиц отвечает физиологической потребности человека в них, они практически полностью усваиваются организмом. Оценка питательной и энергетической ценности яиц проводится в основном химическими методами. По содержанию питательных веществ в продукте можно рассчитать энергию биохимических связей в процессе метаболизма, суммирующим показателем которой является калорийность (Фисинин В.И., Штеле А.Л., Ерастов Г.М. Качество пищевых яиц и здоровое питание // Птицеводство. - 2008. - №2. - С.2-6; №3. - С.4 -7).

Известен прямой метод определения энергетической ценности продукта с помощью колориметрических анализов, точность которых сопоставима с принятым методом определения обменной (усвояемой) энергии в корме (пище). Принцип метода состоит в проведении химического анализа корма/продукта и определении сырого протеина, сырого жира, углеводов с последующим пересчетом содержания энергии (калорийности) в них по уравнению регрессии (формула). При этом данные химического состава и пересчета калорийности по принятой формуле полностью соответствовали (на 99-100%) результатам колориметрических анализов. В производственных условиях энергетическую ценность (калорийность) всего ассортимента кормов и комбикормов, также как яиц и яичных продуктов, определяют по табличным (усредненным) данным или расчетным методом, основанным на химическом анализе содержания пищевых веществ продукта (Оперативный метод определения обменной энергии. В сб.: Оценка качества кормов, органов, тканей, яиц и мяса птицы. Методическое руководство. Сергиев Посад: РАСХН ВНИТИП, 2007. - 112 с. Прототип).

Основной недостаток прототипа - трудоемкость определения калорийности.

Задача изобретения - упрощение процесса определения калорийности яиц.

Поставленная задача достигается за счет того, что в способе определения калорийности яиц, по содержанию в белке и желтке яйца питательных веществ - нутриентов (протеин, жир, углеводы), многократно сканируют эмпирические данные на основе уравнений регрессии калорийности яйца от массы яйца и коэффициента соотношения белка и желтка, формируют модель - формулу, представленную в виде:

Е_ккал=М×(0,276-0,032×К_б/ж)×10, по которой затем определяют калорийность яиц,

где Е_ккал - калорийность яйца;

М - масса яйца;

К_б/ж - коэффициент соотношения белка и желтка;

0,276; 0,032; 10 - постоянные коэффициенты.

Математическое моделирование (виртуальные/реальные модели) представляет один из вариантов решения исследуемой проблемы. В основе математического моделирования лежат необходимые исходные данные, качество формул для расчета результатов, их достоверность. Математические модели позволяют ограничить имеющуюся информацию о реальном объекте, выделяя наиболее важную, исходя из конкретной задачи.

При построении модели в эксперименте проведен выбор параметров оценки объекта и связи между ними. Использовали регрессионные модели, где взаимосвязь между показателями (параметрами) описывается алгебраическими уравнениями. Исследования моделируемого объекта не выходили за область значений аргументов регрессионной модели (экстраполяция), что обеспечивает точность расчетов. Нами решена задача построения модели энергетической ценности (калорийности) пищевых яиц, исключающей проведение массовых анализов химического состава яиц и части морфологических исследований (Совершенствование методики проведения длительных полевых опытов и математические методы обработки экспериментальных данных. М.: Агроконсалт, 2003. - 276 с.).

Выбор исходных данных - параметров для модели. Куриное яйцо как природный продукт имеет присущие ему строение, состав и свойства. В числе основных морфологических признаков и физико-химических свойств - масса яйца и отношение составных частей (белок - 56-62%, желток - 28-32%, скорлупа - 10-12%), плотность яйца, толщина скорлупы, индексы формы, белка и желтка. Наибольшее значение для определения пищевой ценности имеет масса яйца и отношение белок/желток, их химический состав.

Средняя масса куриных яиц составляет 55-65 г. Сверхкрупные (более 75 г) и очень мелкие яйца (35-45 г) занимают небольшой удельный вес в общем объеме производства пищевых яиц. Большая часть очень крупных яиц двухжелтковые и/или с дефектами скорлупы, а мелкие яйца зачастую неполноценные по соотношению составных частей. Таким образом, около 95% объема реализуемых потребителю яиц имеют массу 45-75 г. Пищевые яйца других градаций используются в основном для переработки в яичные продукты.

Оптимальный уровень соотношения белок:желток 1,9-2,1:1 отражает характерную для куриных яиц питательную и энергетическую ценность яиц. Лимит этого параметра составляет 53-69% для белка и 24-36% для желтка, а соотношения белок/желток - 1,50-2,90:1. В производственных условиях невозможно проверить энергетическую ценность всего многообразия кормов и рецептов комбикормов, так же как и широкого ассортимента яиц и яичных продуктов при огромном размахе соотношения белок/желток, привязанных к массе яйца. Поэтому калорийность продукта (ккал/100 г) определяют, главным образом, по его химическому составу в пересчете на усредненные энергетические коэффициенты. (Царенко П., Васильева Л. Эволюция куриного яйца // Животноводство России. - 2009. - №9. - С.21-22; Штеле А.Л. Образование биологически полноценных яиц и продуктивность кур яичных кроссов // Птица и птицепродукты. - 2011. - №6. - С.19-23).

Пример конкретного выполнения способа

Параметры качества яиц для моделирования калорийности (масса, отношение белок/желток, химический состав) изучали в эксперименте в группировках по градациям (классам) с интервалом 5 г. В пределах указанных промежутков куриные яйца имеют сходные морфологические и другие показатели качества. Выбранный лимит по массе яиц (45-75 г) охватывал основной объем пищевых яиц, реализуемых потребителю. Яйца массой менее 41 г и более 75 г для исследований не отбирали.

Яйца указанной массы получали от гибридных кур яичного кросса в возрасте несушек 9-10 мес при установлении в это время оптимального размера яиц - 60-62 г. Птицу содержали в клеточных батареях при соблюдении принятых условий микроклимата и светового режима. В кормлении кур использовали типовой полнорационный комбикорм, предназначенный для кур-несушек данного возраста (Штеле А.Л. Питательность и энергетическая ценность пищевых яиц различной массы // Птицеводство. - 2012. - №3. - С.39-41).

Массу яйца, белка, желтка и скорлупы, соотношение белок/желток, другие морфометрические показатели устанавливали при морфологическом анализе. В белке и желтке определяли принятыми методами первоначальную влагу, протеин, жир, углеводы, минеральные вещества (зола). Калорийность белка, желтка и содержимого яйца рассчитывали по энергетическим коэффициентам, принятым для жира - 9, протеина и углеводов - по 4,0 ккал/г (Оценка качества кормов, органов, тканей, яиц и мяса птицы. Сергиев Посад: ВНИТИП. - 2007. - 119 с.).

Отмечено, что яйца градаций 41-45 г и 46-50 г имели равную калорийность одного яйца (65,5-65,1 ккал), при том что различались по отношению белка к желтку соответственно 1,72 и 2,01 (табл.1). В пределах лимита установлено существенное повышение калорийности яиц при возрастании их массы от 65,5 ккал до 96,6 ккал. При этом в крупных яйцах (71-75 г) абсолютное содержание белка и желтка достигает максимума, соответственно, 44,0 г и 19,7 г. Показательно, что соотношение белок/желток для разных классов по массе яиц, кроме мелких (41-45 г) и крупных яиц (71-75 г), было в оптимальных пределах.

Особенно богат питательными веществами желток, что и определяет важность оптимального соотношения содержимого яйца (табл.2). Калорийность желтка среднего по массе яйца (60 г) составляет более 64-65 ккал и в 4 раза превосходит белок яиц (16-17 ккал) по этому показателю. В яичном белке нет жира, при минимальном уровне углеводов, как и в целом яйце - около 1%. Полученные данные по химическому составу яиц и калорийности сопоставимы с питательной и энергетической ценностью пищевых яиц со справочными данными Института питания АМН РФ (Химический состав продуктов питания. / Под ред. Скурихина И.М. и Тутельяна В.А. - М.: Де Ли принт, 2002. - 235 с.).

Полученные в эксперименте данные по химическому составу и калорийности яиц различной массы при определенном соотношении белка к желтку использованы на следующем этапе исследований - математическом моделировании. Учитывали, что при известных границах абсолютных и относительных показателей массы белка и желтка существенно изменяется питательность и энергетическая ценность. При том что и в белке и желтке практически сохраняется постоянство сухого вещества, протеина и жира. На этой основе определены параметры качества пищевых яиц для математического моделирования их энергетической ценности (калорийности).

Методика и результаты формирования модели калорийности яйца (формула и таблица) в зависимости от массы и соотношения белка и желтка

В основу разработанной методики формирования модели (формул) положен метод многократного (двойного) сканирования эмпирических данных. При этом необходимо определить зависимость между результативным фактором Ykij и показателями группировочных признаков Xi, Xj и Xk. Алгоритм метода многократного сканирования представлен в трехуровневой интерпретации:

Шаг 1. Перевод непрерывных эмпирических данных в дискретные путем построения простых и комбинационных группировок.

Шаг 2. Первый уровень сканирования - построение регрессионной модели взаимосвязи результативной и независимыми переменными при фиксированных значениях показателей группировки.

Шаг 3. Второй уровень сканирования - построение регрессионных моделей по взаимосвязям коэффициентов регрессионной модели первого уровня с показателем группировки по первому признаку.

Третий (и последующий) уровень сканирования - построение регрессионных моделей, определяющих коэффициенты регрессионных моделей на предыдущих уровнях.

Рассмотрим реализацию метода двойного сканирования на примере простой группировки, в которой отражена зависимость калорийности яйца Y от массы яйца М и коэффициента соотношения белка и желтка X. Совокупность данных представлена 30 градациями по массе яиц и 7 градациями по коэффициентам соотношений белка и желтка.

На первом этапе строятся уравнения регрессии, отражающие связь между зависимой переменной Y (результат) и одной или несколькими независимыми переменными X1, Х2,…, Хр (факторы) для различных (фиксированных) значений других факторов M1, M2,…, Mq.

В нашем случае определяются коэффициенты уравнения регрессии калорийности (зависимая переменная) от соотношения белка и желтка (независимая переменная) для различной массы яйца М (фиксированный фактор).

Y=a+b×X,

где Y - калорийность (результат) яйца;

Х - соотношение белка и желтка (независимая переменная);

а - свободный коэффициент (пересечение с осью Y);

b - коэффициент регрессии (угловой коэффициент при переменной X).

При этом формируются коэффициенты уравнения регрессии по уровням фиксированного фактора. На втором этапе сканирования на основе коэффициентов регрессии определяются уравнения регрессии, отражающие зависимость коэффициентов уравнений регрессии от уровней фиксированного фактора. Материал дополняется коэффициентами уравнений регрессии свободных коэффициентов а и коэффициентов регрессии b от фиксированного фактора М.

На основе полученных коэффициентов уравнения регрессии второго уровня формируется модель (формула) взаимосвязи результативной переменной Y с факториальной переменной Х при заданном фиксированном факторе М

Y=Аа+Ab×X+М×(Ва+Вb×Х).

В нашем случае значения Аа и Аb равны 0, модель (формула) приобретает вид

Y=M×(Ba+Bb×X).

Метод многократного сканирования выгодно отличается от метода множественной и нелинейной регрессии логической обоснованностью полученных нелинейных зависимостей от множества (двух) факторов. При формировании модели (формулы) питательности яйца последовательность вычисления выглядит следующим образом (табл.3).

Тогда модель (формула) калорийности яйца будет выглядеть следующим образом:

V_ккал=М×(1,855-0,260×К_б/ж), (7)

где V_ккал - калорийность яйца, ккал;

М - масса яйца, г;

К_б/ж - коэффициент соотношения белка и желтка.

Таким образом, выявленная зависимость коэффициентов уравнений регрессии (свободного «а» и при переменной «b») от массы яйца М приводит к окончательному виду модели (формулы) калорийности яйца Vккал от массы яйца М и коэффициента соотношения белка и желтка К_б/ж.

Для подтверждения адекватности можно привести статистические показатели построения регрессионных моделей на первом и втором этапе сканирования, которые подтверждают нулевую гипотезу об адекватности регрессионной модели (из регрессионного анализа в Excel):

- коэффициент детерминации - от 0,989 до 0,999,

- стандартная ошибка - от 0,73 до 1,22.

Проверка по F-критерию подтверждает высокую адекватность модели. Диапазоны изменения факторов, в которых сохраняются адекватность предложенной модели (формулы), колеблются по массе яйца от 45 до 75 грамм и по соотношению белок/желток от 1,5 до 2,9. По аналогичной методике разработаны модели (формулы) по сухому веществу, белку (протеину), липидам (жиру), углеводам, питательности и выведена универсальная формула оценки качества яйца по суммарному показателю энергетической ценности и формула расчета калорийности яиц.

Модели определения формулы:

содержания в яйце сухого вещества, г (от массы яйца и соотношения белка и желтка)

V_cв=M×(0,292-0,033×К_б/ж),

содержания в яйце белка (протеина), г (от массы яйца и соотношения белка и желтка)

V_пр=M×(0,121-0,004×К_б/ж),

содержания в яйце липидов (жира), г (от массы яйца и соотношения белка и желтка)

V_жир=M×(0,155-0,028×К_б/ж),

содержания в яйце углеводов, г (от массы яйца и соотношения белка и желтка)

V_угл=М×(0,0083-0,0000032×К_б/ж),

энергетической ценности яйца, ккал (калорийность протеина - 4, жира - 9, углеводов - 3,8 ккал/г):

ЕС=М×(1,911-0,268×К_б/ж).

Формула расчета калорийности яиц:

Е_ккал=М×(0,276-0,032×К_б/ж)×10,

где 0,276; 0,032; 10 - постоянные коэффициенты.

Применение модели (формулы и таблицы) для определения калорийности яиц

Калорийность яйца в зависимости от массы и соотношения белок/желток рассчитывают по формуле Штеле-Филатова (ESF). Можно также воспользоваться таблицей энергетической ценности яиц различной массы при известном (определенном) или оптимальном соотношении белок/желток (1,896-2,142:1), которое отмечается у большинства пищевых куриных яиц (табл.4). Таким образом, для определения калорийности яйца достаточно ввести полученные данные по массе и отношению белок/желток в формулу или воспользоваться предложенной таблицей.

Предлагаемая модель определения энергетической ценности яиц имеет практическое значение для потребителя с целью учета калорийности продукта в пищевом рационе человека. Использование предложенной математической модели также играет важную роль и при маркетинговых коммуникациях на птицеводческих и других предприятиях для указания на упаковочных материалах и этикетках калорийности реализуемых яиц по пяти весовым категориям в соответствии с действующим стандартом РФ на яйца куриные пищевые.