Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,593

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОСТАВА БЕЛКОВО-УГЛЕВОДНОГО КОМПОЗИТА

Волончук С.К. 1 Науменко И.В. 1 Резепин А.И. 1
1 Сибирский федеральный научный центр агробиотехнологии РАН Сибирский научно-исследовательский и технологический институт переработки сельскохозяйственной продукции
В статье приведены результаты теоретических исследований получения белково-углеводного композита для кормления сельскохозяйственных животных на основе молочной сыворотки, зерна пшеницы и пшеничных отрубей. Цель исследований: разработать компьютерную модель состава белково-углеводного композита из зерна пшеницы, молочной (подсырной) сыворотки и пшеничных отрубей. Работа проводилась в 2018 г. в лабораториях института переработки сельскохозяйственной продукции (СибНИТИП). Дано обоснование выбора компонентов композита. Приведена последовательность операций получения композита путем ферментативного гидролиза зерна пшеницы и молочной сыворотки в присутствии ферментов с получением патоки, содержащей сахара, и обогащения ее белками и клетчаткой путем смешивания с пшеничными отрубями и последующей инфракрасной сушкой до влажности 8–10 %. При этом количественное соотношение зерна, сыворотки и отрубей устанавливается экспериментально. Кратко описаны существующие способы оптимизации состава при создании комбинированных продуктов, основанные на использовании современных компьютерных технологий. Это универсальные математические системы MathCAD, Maple, Excel, программа FORECASTE, алгоритмы симплексного метода Branch-and-bound в программе Microsoft Excel, linprog Matlab. Установлено, что для моделирования кормов сельскохозяйственных животных разработана программа КОРАЛЛ. Приведено компьютерное моделирование рецептуры белково-углеводного композита из зерна пшеницы, молочной (подсырной) сыворотки и пшеничных отрубей с максимальной физиологической ценностью, определяемой количеством углеводов, белков и клетчатки с использованием программы linprog Matlab. Получены численные расчетные значения в рецептуре композита: зерна – 29,765 %, сыворотки – 38,500 %, отрубей – 31,803 %.
модель
сыворотка
отруби
зерно пшеницы
патока
композит
сахар
белок
клетчатка
1. Осадченко И.М., Горлов И.Ф., Божкова С.Е., Соложенкина М.И., Струк А.Н. Способ получения молочно-растительной кормовой добавки // Патент РФ № 2363238. Патентообладатель ГУ ВНИТИ ММС и ППЖ Россельхозакадемии. 2008. Бюл. № 22.
2. Motovilov K.Ya., Aksenov V.V., Motovilov O.K. Nanobiotechnologies in the processing of starch-containing grain raw materials into molasses. International Journal of Applied and Fundamental Researchn. 2015. № 2. Р. 54.
3. Аксенов В.В., Волончук С.К., Резепин А.И., Дубкова С.А. Оценка эффективности технологических приемов совершенствования способа получения кормовой патоки // Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. № 2. С. 45–47.
4. Краснов А.Е., Красуля О.Н., Воробьева А.И. Красников С.А., Кузнецова Ю.Г., Николаева, С.В. Основы математического моделирования рецептурных смесей пищевой биотехнологии. М.: Пищепромиздат. 2006. 240 с.
5. Хабибуллин Р.Э., Жакслыкова С.А., Решетник О.А. Современные программы автоматизированного расчёта рецептур комбинированных пищевых продуктов // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 21. С. 257–260.
6. Гермидер О.В., Смоленская Е.А. Математическое моделирование оптимальной рецептуры функциональных пищевых продуктов // Современные технологии продуктов питания: материалы Международной научно-практической конференции (Г. Курск, 3–4 декабря 2014 г.). Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, Издательство ЗАО «Университетская книга», 2014. С. 56–59.
7. Лукьянов Б.В., Лукьянов П.Б. Новая информационная технология оптимизации рационов для сельскохозяйственных животных (компьютерные программы КОРАЛЛ): учеб. пособие. М.: Издательство РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 2009. 119 с.
8. Муратова Е.И., Толстых С.Г., Дворецкий С.И. Зюзина О.В., Леонов Д.В. Автоматизированное проектирование сложных многокомпонентных продуктов питания. Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2011. 80 с.

В современной науке о кормлении сельскохозяйственных животных большое внимание уделяется кормовым добавкам и предподготовке зерна перед скармливанием, которые улучшают усвояемость основных компонентов рациона. При этом меньше затрачивается энергии на переваривание кормов, повышается продуктивность животных, улучшается состояние здоровья. В настоящее время для улучшения усвояемости зерно подвергают плющению, экструдированию, ферментации и др. Все большее распространение находят биохимические технологии получения кормовых нутриентов для животных из растительного сырья. Так же в корма включают покупные кормовые добавки: премиксы, комбикорма, белково-витаминные добавки. При этом следует обратить внимание на то, что недостаточно используются в кормах животных вторичные ресурсы, так называемые отходы основных производств, содержащие массу полезных и питательных белково-углеводных, витаминных и макро-, микроэлементов. К вторичным ресурсам относятся молочная сыворотка и отруби пшеничные.

Молочная сыворотка содержит углеводы представленые лактозой (3,5 %), моносахаридами (галактоза, глюкоза), аминосахаридами (нейраминовая кислота, включая ее производные, кетопентоза), олигосахаридами (серологически активные вещества, арабиноза). Творожная сыворотка содержит 0,8 % белка, а подсырная – 1,0 %. Содержащиеся в сыворотке витамины: В12 (цианокобаламин) – 3,2 мкг, В3 (пантотеновая кислота – 4,2 мкг, и ВН (биотин) – 40 мкг способствуют улучшению кроветворения и состава крови, что также способствует улучшению здоровья животного.

К недостаткам сыворотки относятся: 1 – неблагоприятное для пищеварения соотношение белков, углеводов и минеральных веществ, 2 – сыворотка должна скармливаться в течение 12 ч из-за быстрой ее порчи и уменьшения содержания лактозы на 40 %, белка – на 14 %, сухих веществ – на 10 %, 3 – она является крупнотоннажным отходом при переработке молока и в настоящее время ее сливают в канализацию, она попадает в водоемы, что неблагоприятно сказывается на экологии [1].

К достоинствам отрубей относится большое количество клетчатки (46 %), значительное количество – 15,5 % белка, наличие витаминов А, Е, а также группы В: В1, В2, В6; микро- и макроэлементов: калий, кальций, магний, фосфор, натрий, медь, йод; жирных кислот (Омега-3, Омега-6, пантотеновая – благотворно влияет на ЖКТ); Эта составляющая также позволит увеличить количество белка в патоке и клетчатки в композите, т.е. заменить часть зерна пшеницы в существующем рационе.

Ранее в СибНИТИП была разработана и внедрена технология получения паток кормового назначения, содержащих легко перевариваемые углеводы, из различного зернового сырья [2, 3], в качестве концентрированной углеводной добавки. Патока производилась в роторно-пульсационном аппарате (РПА) с использованием воды, подкисленной до рН 5,5–5,8. Содержание сахаров в патоке составляло 17,0 ± 2 %. Главным недостатком такой патоки является: необходимость хранения в холодильных установках, так как в обычных условия патока является благоприятной средой для развития микроорганизмов, приводящих к ее порче. Кроме того, в патоке недостаточное количество сахаров, совсем мало белка и отсутствует клетчатка, необходимая животному для жизнедеятельности микроорганизмов, участвующих в пищеварительном процессе. Это три наиболее ценных компонента в рационе питания животного.

Повысить питательную ценность кормов можно путем создания композитов из патоки, полученной ферментативным гидролизом из молочной сыворотки и пшеничного зерна на первом этапе и последующим обогащением патоки белками и клетчаткой, смешивая ее с пшеничными отрубями. При этом количественное соотношение зерна, сыворотки и отрубей устанавливается экспериментально.

При обычной практике научно-исследовательской работы (НИР) разработка нового продукта – это проведение значительного количества экспериментов и, как следствие, большие затраты времени, расходных материалов и энергозатрат. Чтобы уменьшить указанные составляющие НИР, обратимся к методам моделирования процесса создания многокомпонентного продукта.

В настоящее время существуют различные способы оптимизации состава при создании комбинированных продуктов, основанные на использовании современных компьютерных технологий. Это универсальные математические системы MathCAD, Maple, программа FORECASTE, распространённая оболочка: табличный процессор Microsoft Excel [4–6]. Общим для них является формирование банка данных исходного состава сырьевой смеси путем экспертной оценки ингредиентов и выбор количественных ограничений доз основных компонентов на основе литературных источников.

Программа «КОРАЛЛ-кормление» позволяет комплексно оптимизировать рацион с включением в него комбикормов, премиксов, белково-витаминных добавок, сочетающихся с основными кормами [7]. Мы предлагаем для включения в эту программу оригинальный белково-углеводный композит, созданный по методу автоматизированного проектирования сложных многокомпонентных продуктов питания с использованием программы linprog Matlab, разработанному в Тамбовском государственном техническом университете [8].

Цель исследования: разработать компьютерную модель состава белково-углеводного композита из зерна пшеницы, молочной (подсырной) сыворотки и пшеничных отрубей.

Материалы и методы исследования

Зерно пшеницы, молочная (подсырная) сыворотка и пшеничные отруби. метод автоматизированного проектирования сложных многокомпонентных продуктов питания с использованием программы linprog Matlab. Химический состав всех перечисленных компонентов исследовали по литературным источникам. Выбор количественных ограничений доз основных компонентов проводили на основе литературных источников. Так же по литературным источникам и результатам ранее проведенных исследований установили количественные значения физиологически ценных биологически активных веществ (БАВ), содержащихся в выбранных компонентах смеси, влияющих на продуктивность животных.

Далее провели теоретическое обоснование соотношения белков, углеводов и клетчатки в белково-углеводном композите, отвечающее современным требованиям кормления КРС.

Результаты исследования и их обсуждение

Оптимизация состава композита сводится к решению задачи разработки рецептуры композита с максимальной физиологической ценностью и проводится с использованием программы linprog Matlab. Физиологической ценностью обладает композит, содержащий максимальное количество белков, углеводов и клетчатки в определенном соотношении.

Ставится задача: разработать рецептуру композита с максимальной физиологической ценностью, содержащего углеводов не менее 22 г сахара в 100 г патоки (исходя из суточной нормы 3 кг патоки), белка не менее – 11 г/100 г композита, клетчатки не менее – 10 г/100 г композита. При этом другие содержащиеся в сырье в незначительных количествах вещества при расчете не учитываются.

Последовательность шагов.

Дано: 1. Исходя из рекомендаций к проектированию комбинированных продуктов, изложенных в [7], задаем пределы возможного варьирования (в %) выбранных компонентов смеси (зерно, сыворотка, отруби) с указанием содержания сухих веществ (в %). Варианты сводим в табл. 1.

Таблица 1

Содержание сухих веществ и диапазон варьирования компонентов смеси

Рецептурные

компоненты

Возможный диапазон

варьирования компонентов, %

Содержание сухих веществ, %

Компонент 1(зерно ИК)

10–40

90 (после ИК сушки)

Компонент 2 (сыворотка)

38,5–80

6

Компонент 3 (отруби)

15–30

97

2. Составляем табл. 2 с указанием количества физиологически ценных биологически активных веществ (БАВ), содержащихся в выбранных компонентах смеси, влияющих на продуктивность животных,

Таблица 2

Количество физиологически ценных пищевых веществ компонентов смеси

Перечень ценных кормовых веществ

Количество пищевых веществ, мас. %

Зерно (ИК)

пшеницы

Сыворотка молочная

Отруби

пшеничные

Углеводы (сахара)

66

3,5

16,0

Белок

13,9

0,8

15,5

Клетчатка

11,3

0

43,6

Итого

91,2

4,3

75,1

Максимальная физиологическая ценность выражается формулой F(x) = max {91,2Х1 + 4,3Х2 + 75,1Х3}, в которой коэффициенты взяты из строки «Итого» табл. 2. Требуется найти значения Х1 – зерна, Х2 – сыворотки, Х3 – отрубей при соблюдении следующих условий:

1) Наличие в сыром композите сухих веществ (СВ) не менее (сами задаемся) 50 %

94 Х1 + 6 Х2 + 97 Х3 ≥ 0,50

2) Содержание сахара не менее 22 %

66 Х1 + 3,5 Х2 + 16 Х3 ≥ 22

3) Содержание белка не менее 11 %

13,9 Х1 + 1.0 Х2 + 15,5 Х3 ≥ 11

4) Содержание клетчатки не менее 10 %

11,3 Х1 + 0 Х2 + 43,6 Х3 ≥ 10

5) Получение единицы продукта (композита)

Х1 + Х2 + Х3 = 1

6) Задание нижних ограничений переменных (из табл. 1)

Х1 ≥ 10; Х2 ≥ 38,5; Х3 ≥ 15

7) Задание верхних ограничений переменных (из табл. 1)

Х1 ≤ 40; Х2 ≤ 80; Х3 ≤ 30

8) Определение коэффициентов целевой функции

f = [91.4; 4,5; 75,1] (из «Итого» табл. 2)

f = – f

9) Задание матрицы А и вектора b правой части системы неравенств (ставят точку вместо запятой)

[66 3.5 16

13.9 1.0 15.5

11.3 0 43.6

94 6 97]

А= – А

b = [–22; –11; –10; –50]

10) Задание ограничений типа равенств

Аеq [1 1 1]

beq [1]

11) Задаем ограничения снизу на переменные

lb = [10; 38,5; 15]

12) Задаем ограничения сверху на переменные

rb = [40; 80; 30]

13) Решение и вывод результата в командное окно программы

x = linprog (f, А, b, Аеq, beq, lb, rb)

14) Получим на компьютере результаты расчета значений Х1; Х2; Х3

В результате решения задачи с помощью linprog Matlab находим численные значения Х1 = 29,765, Х2 = 38,500, Х3 = 31,803.

Выводы

В результате проведенных расчетов получены теоретические значения процентного содержания зерна 29,765 %, молочной сыворотки 38,500 % и отрубей пшеничных 31,803 % в проектируемой белково-углеводной композитной смеси, которую планируется использовать в качестве добавки при разработке рецептур кормов сельскохозяйственных животных. По разработанным таким способом рецептам животноводческие предприятия могут заказывать или производить самостоятельно кормовые добавки, обеспечивающие больший экономический эффект по сравнению с производимыми в настоящее время.


Библиографическая ссылка

Волончук С.К., Науменко И.В., Резепин А.И. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОСТАВА БЕЛКОВО-УГЛЕВОДНОГО КОМПОЗИТА // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2019. – № 4. – С. 21-24;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=12690 (дата обращения: 29.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674