автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Развитие физико-химических основ обезвоживания сырной массы натуральных сыров

Пре t _ ' _ сссии

(репгезие от " À " J&L

ирисуд:^:. уч-^"ут:о OFA

наук

: ВАКРоссии

СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ (СтГТУ)

УДК 621.6.031 (033); 637.333. На правах рукописи

Оноприйко Алексей Владимирович

Развитие физико-химических основ обезвоживания сырной массы натуральных сыров

Специальность 05.18.04. - технология мясных, молочных

и рыбных продуктов

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные консультанты: Академик РАСН, д.т.н., проф.Храмцов А.Г. Член- корр. РАСН, д.т.н., проф. Кочетов B.C.

Ставрополь, 1998 г.

Светлой памяти Табачникова Владимира Петровича с благодарностью и грустью

посвящаю

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................................6

Актуальность проблемы............................

Глава I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ОСНОВ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ СЫРНОЙ МАССЫ НАТУРАЛЬНЫХ СЫРОВ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.............................15

1.1. Анализ физико-химического состава молока..........

1.2. Физико-химические аспекты подготовки молока

к свертыванию ........................................27

1.3. Физико-химические процессы свертывания молока

и обработки сгустка .....................................................36

! .4. Физико-химические процессы обезвоживания сырной

массы при формовании и прессовании ..........................46

1.5. Физико-химические процессы при созревании

и хранении сыров...........................................................51

1.6. Анализ состояния проблемы обезвоживания

сырной массы и задачи исследований .........................59

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ........... 63

2.1. Объекты исследований ....................................................-

2.2. Приборы и методы исследований ....................

2.3. Методы математической обработки экспериментальных данных ....................................................................97

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ ПОДГОТОВКИ МОЛОКА К СВЕРТЫВАНИЮ, ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ И СИНЕРЕЗИСА СГУСТКА........................... 99

3.1. Влияние способов и режимов подготовки молока

на его технологические свойства...........................103

3.2. Влияние добавленной в молоко воды на физико-химические и технологические свойства молока........... 116

3.3. Исследование физико-химических процессов образования и синерезиса сгустка ................... 120

3.4. Математическое описание явления сычужной коагуляции молока ..........................................143

3.5. Исследование физико-химических процессов обезвоживания сычужного сгустка ......----....... 145

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ СЫРНОЙ МАССЫ ПРИ ФОРМОВАНИИ И ПРЕССОВАНИИ .......... 165

4.1. Основные факторы, влияющие на обезвоживание

сырной массы в условиях отжима ................... -

4.2. Влияние параметров дренажной поверхности на отпрессовку сыра.................................. 191

4.3. Установление оптимальных режимов бессалфеточного прессования сыра в перфорированных формах ........ 230

4.4. Влияние технологических режимов выработки сырного зерна на обезвоживание сыра при бессалфеточном прессовании ..................................................246

4.5. Разработка средств механизации процессов формования

и прессования .................................... 257

Глава 5. ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ВЛАГОУДАЛЕНИЯ ПРИ СОЗРЕВАНИИ СЫРА...... 271

5.Ь Физико-химические процессы обезвоживания

5.2. Физико-химические процессы обезвоживания сыра

при созревании и хранении ..............................292

Г лава 6. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ ................................. 312

6.1, Разработка альтернативных вариантов интенсивной тех-

нологии на основе оптимизации физико-химических процессов образования сырной массы и ее обезвоживания ...

6.2. Испытания оборудования для формования и бессалфеточного прессования сыра, внедрение в промышленность 314

6.3. Теоретическая, практическая и социальная

значимость работы............................................317

ВЫВОДЫ..................................................319

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................327

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ .....................................329

ЛИТЕРАТУРА..............................................................330

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................................361

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы.

Сыр - продукт величайшего изобретения природы, человеческого ума и тысячелетнего опыта совершенствования, является жизненно необходимым продуктом питания в нашей стране.

По определению, данному в Общем стандарте А-6, рекомендованном для сыра, приведенном в приложении к Кодексу принципов, относящихся к молоку и молочным продуктам СХ 5/70. 19-й сессией ФАО/ВОЗ :

"Сыр представляет собой свежий или прошедший созревание продукт твердой или полутвердой консистенции, получаемый:

а) путем свертывания, отдельно или в виде смеси, молока, обезжиренного молока, частично обезжиренного молока, сливок, сливок из мок» 4

лочнои сыворотки или пахты с помощью воздействия сычужного фермента или других молокосвертывающих препаратов с последующим частичным удалением подсырной сыворотки, образующейся в результате этого свертывания;

б) с использованием технологий производства, обеспечивающих свертывание молока и/или веществ, являющихся его производными, с целью получения готового продукта, основные физические, химические и органолептическис характеристики которого идентичны характеристикам продукта, определенного в п. а)" [242].

Сыр изготавливают, преимущественно, из коровьего, козьего и овечьего молока. В 1 кг коровьего молока, используемого для производства натуральных сыров, содержится 0,86-0,88 кг воды, в том числе 0,03-0,04 кг в связанном виде, остальные 0,69-0,70 кг в свободном состоянии. В этой воде растворены или находятся в коллоидном состоянии все компоненты молока: протеины, липиды, минеральные вещества, витамины, ферменты и другие, биологически активные вещества [2, 5, 43].

В натуральных, в том числе твердых, сычужных сырах содержится значительно меньше влаги, чем в молоке.

Вода способна, и действительно взаимодействует практически со всеми веществами, входящими в состав пищевых продуктов, в том числе молока и сыра [2, 241, 242]. В моложе и сырной массе вода находится в свободном и связанном состояний преимущественно в жидком и, частично, парообразном виде. Только при длительной выдержке при отрицательных температурах некоторая часть воды в молоке и влаги в сыре может переходить в лед. В последнем случае это не является нормальным состоянием ни молока, ни сыра.

Вода составляет около половины массы (40 - 60%) твердых сыров и оказывает существенное влияние на физико-химические свойства продукта, органолептические, реологические, структурные, и другие показатели. Содержание влаги в твердых сырах четко регламентируется нормативно-технической документацией на всех стадиях технологического процесса и в готовом продукте.

Вода в сыре представлена в виде сыворотки и является растворителем лактозы, солей, кислот, водо-растворимых белков, витаминов, биологически активных веществ и других составных частей молока. Вода в сыре находится в разном состоянии и сложном взаимодействии с составными и сухим веществом. Она представляет собой электролит, в котором происходят многочисленные электрохимические, биохимические и физико-химические процессы, осуществляются сложнейшее химическое и микробное разложение и синтез, ферментный катализ, многочисленные превращения веществ в сложные комплексы и разложение до простых

•д т г ^ V» л мт я 1"» м ит V гпртт^иий и гтл т;тгт« г я чпопменя

А** ¿V* б^А л Л. V*. Л V «кл. л м. л. м. л л. л^-- —- V --- -— — .

Состояние водного комплекса многообразно влияет на состав и свойства других компонентов сыра, органолептические показатели, физико-химический состав, выход сыра, стойкость его в хранении и др.

Роль воды в технологии изготовления и хранения сыра часто не учитывается и мало изучена. В научной и технической литературе достаточно глубоко и подробно рассмотрены вопросы превращения жиров, белков, лактозы, солей, ферментов и других составных частей молока и сырной массы, зачастую без увязки с содержанием, формой связи и активностью влаги, без учета ее роли в этих превращениях. Без учета влияния влаги все, даже глубокие, исследования во многом теряют ценность, так как сделанные по ним выводы не всегда корректно отражают суть этих реакций.

Основополагающей работой в изучении взаимодействия воды с сухим веществом явилась классификация форм и видов связи влаги в материалах, разработанных академиком П.А.Ребиндером [251, 252]. В основу этой классификации положена энергия связи, т.е. термодинамический принцип, что делает эту классификацию универсальной и всеобъемлющей. В соответствии с этой классификацией форм и видов связи применительно к сыру мы имеем:

1. Свободная влага или влага смачивания, находящаяся на поверхности сырных зерен, в макрополостях и макропорах, это самая непрочно связанная с сухим веществом влага, которую можно эвакуировать механически, например, при формовании и прессовании;

2. Механически связанная влага, находящаяся в микрокапиллярах (их размер Ю-7 м). Эту влагу можно удалить из сырного зерна при втором наревании, вымешивании, чеддаризации, вакууммировании и даже при прессовании сыра;

3. Структурная или осмотически удерживаемая влага внутри сетки

и,г/лттг\итг/т.-п/-» ТАТТСГ ^ТГ» <=■ ТТТ(=> ЙПТТРР ттп/лстп рпачяциясг ттятя и пня \?ття ттартглт

\ ¿V А1 IV' г V > X V - 1XX . -'1 ^ ' Г I ( V. V < V' - 1 л- 3 ^ - Л - ' ^ ^" * л. V*.«- - , - - - - ~

изменением активной кислотности, температуры, временем выдержки.

4. Адсорбционно-связанная влага. Удерживается молекулярным силовым полем на поверхности раздела фаз (коллоидных частиц с окружающей средой). Адсорбция этой влаги сопровождается выделением

тепла гидратации. Эта влага обнаруживается при сушке молока, сыра, других продуктов и еще более тесно связана с сухим веществом.

5. Химически связанная влага, так называемая гидратная вода, находящаяся в кристаллах сухой лактозы, сахара, молочного камня и др., удерживается ионной связью. Удалить ее можно только прокаливанием.

Дальнейшее развитие эта проблема получила в работах Белоусов а А.П., Бройера П., Воларовича М.П., Гамаюнова Н.И., Гинзбурга А.С., Граникова Д.А., Дерябина Б.В., Дубинина М.М., Зацепиной Г.Н., Казакова Е.Д., Киселева А.В., Климовского И.И., Крашенинина П.Ф., Крусь Г.И., Липатова Н.Н., Лихтенштейна Г.И., Остроумова Л.Н., Пошкуса Д.П., Раманаускаса Р.И., Табачникова В.П., Тинякова Г.Г., Чураева Н.В., Шалыгиной A.M., Хургина Ю.И., и многих других отечественных и зарубежных ученых.

На удаление заданного количества влаги и направлено большинство физико-химических процессов сыроделия.

Влага из сырной массы удаляется в виде подсырной сыворотки, сложного по своему составу электролита, в котором растворены или диспергированы все составные части молока. Удаление из сырной массы заданного количества сыворотки это сложный, длительный во времени и трудоемкий технологический процесс.

Сов ершенствов ание процессов обезвоживания сырной массы, особенно при изготовлении твердых сыров, всегда составляет одну из основных задач сыроделия.

Актуальность проблемы развития физико-химических основ произ-

-Г. л rfrtmrv л fn-r« r-rr ттт «т тт»т Ttr Л* ТЧ-% ЛТЛ А /Л V* ТУТ Т'Т'ЛТТЛТТтТ ТТЛ Г» TTTTTI T*Tll"\ t~~\ Т

киды±5» хйсрдыл ^ыч^лтыл ъырив Lunuili a iiriicrt\..rivpjnivau,jm

1тл/чттртт1..гс1 'м PDPT i^vopuna п^пснпияниа и ттпятгтмчргтгпго ПЛИМРНШИЯ

VOl I/ чу^ц VJ AI Л/1 W V А V i Л V/А АХ ЖД у V,' V Ui Л V-' A-V •.»Л il i/Д л. л. и^мш.** AW vavv/a ii^ * лил w* a wa мж

новых или совершенствования известных способов, приемов и методов обезвоживания сырной массы. Цели и задачи исследований. Основными целями настоящей работы являются:

- развитие физико-химических основ обезвоживания сырной массы твердых сычужных сыров для дальнейшей интенсификации и совершенствования технологических процессов сыроделия;

-обобщение и дополнение сведений об основных закономерностях структурообразования, синерезиса и обезвоживания сырной массы твёрдых сычужных сыров;

- создание на этой основе предпосылок для более точного управления технологическими процессами сыроделия, повышения эффективности технологии.

Для достижения указанной цели определены следующие основные задачи исследований:

- выявить влияние воды в молоке на физико-химические особенности образования, структурно-механические свойства и синерезис молочного сгустка;

- изучить влияние состава, свойств и структуры основных компонентов твёрдых сычужных сыров на обезвоживание сырной массы;

- оценить состояние и изменение водного комплекса в составе сычужного сгустка по мере его технологической обработки;

- выявить основные физики-химические процессы влагоудаления и механизмы их реализации в технологических операциях изготовления твёрдых сычужных сыров:

- разработать параметры дренажных материалов для формовочных аппаратов и форм для бессалфеточного прессования твёрдых сычужных сыров, обеспечивающих достаточно эффективное обезвоживание сырной массы и сыра;

- предложить эффективный способ производства жестких дренажных материалов отечественной перфоры по разработанным размерам перфораций, пригодных для формования и бессалфеточного прессования твердых сычужных сыров;

- разработать конструкции перфорированных форм для бессалфеточного прессования твёрдых сычужных сыров на основе отечественной перфорированной стали и определить преспективы их дальнейшего развития;

- создать перспективные конструкции формовочных устройств, прессов и других машин и определить концепцию их сов ершенств ов ания;

- обосновать основные положения, интенсификации отечественного сыроделия в области техники и технологии формования и прессования;

- исследовать физико-химические процессы обезвоживания сыров при посолке, созревании и хранении, наметить пути сов ерш енств ов а ния технологии;

- изучить физико-химические аспекты влагоудаления при копчении и запекании сырной массы и сыра;

Научная новизна работы.

С позиций современных достижений физико-химии, микробиологии, биотехнологии и других наук:

- пр о а на лизир ов ано влияние разных факторов на сыропригодные свойства молока, как сырья для производства твёрдых сычужных сыров, экспериментально установлены и научно обоснованы режимы подготовки молока на сыр, формирующие оптимальные условия для образования и синерезиса сгустка;

- проведено изучение комплексног о влияния разных факторов на ге-леобразование и синерезис сычужного сгустка и роль их в обезвоживании сырной массы;

- установлены и чётко определены основные движущие силы процессов обезвоживания сырной массы и сыра на разных стадиях изготовления, созревания и хранения;

- установлены оптимальные и предельно допустимые параметры дренажной поверхности, приг одной в качестве конструкционного мате-

риала отечественных перфорированных форм для бессалфеточного прессования твёрдых сычужных сыров;

- предложен и совместно с инженерами ЗМЗ ВНИИМС доведён до промышленного использования эффективный способ прокатки отечественной перфорированной стали, пригодной для изготовления перфорированных форм;

- разработаны конструкции отечественных перфорированных форм (одиночных» кассетных, групповых) и режимы прессования в них твёрдых сычужных сыров;

- разработаны конструкции вертикальных формовочных аппаратов, прессов, других машин н установок для комплексно-механизированной линии формования и прессования натуральных сыров;

- изучены физико-химические аспекты обезвоживания сыров при посолке, созревании, хранении, копчении и обжаривании.

Практическая ценность и реализация результатов , На основе изучения теоретических положений, достижений физ-химии, биотехнологии, микробиологии и других теоретических и прикладных наук определены перспективные направления совершенствования техники и технологии обезвоживания твёрдых сычужных сыров.

Предложены уточнённые режимы и способы подготовки молока для переработки на твёрдые сыры.

На основе комплексных физико-химических исследований состояния и изменений сырной массы в процессе её обработки предложены новые объяснения некоторых явлений, связанных с влагоудалением сыворотки из сыра.

Разработаны оптимальные и предельно допустимые параметры перфорированной стали, пригодной в качестве дренажной поверхности форм для бессалфеточного прессования твёрдых сычужных сыров, использования в формовочных аппаратах и прессах.

Предложен эффективный и высокопроизводительный способ изготовления отечественной нержавеющей перфорированной стали прокаткой между валками. Параметры перфораций соответствуют разным требованиям, в зависимости от вида сыра. Промышленное изготовление перфоры прокаткой налажено на ЭМЗ НПО "Углич" и ТОЗТИ.

Разработаны конструкции отечественных перфорированных (одиночных, кассетных и групповых) форм для бессалфеточного прессования сыров разных видов. Серийное производство форм налажено на заводах ЭМЗ НПО "Углич" и ТОЗТИ.

Разработаны конструкции комплексно-механизированных линий непрерывного формования и прессования натуральных сы