Размещено на http://www.allbest.ru/

05.18.04 - Технология мясных, молочных, рыбных продуктов и холодильных производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Исследование физико-химических процессов производства сыра с целью интенсификации технологии и повышения качества продукции

Лисин Петр Александрович

Кемерово 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО

Омский государственный аграрный университет

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Гаврилова Наталья Борисовна

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Майоров Александр Альбертович

Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Евдокимов Иван Алексеевич

доктор технических наук, профессор Киселева Татьяна Федоровна

Ведущая организация - Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова

Защита диссертации состоится на заседании диссертационного совета Д 212.089.01 в ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47. конференц-зал.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности».

С авторефератом можно ознакомиться на официальном сайте Минобрнауки РФ (http.ed.gov.ru/announcements/techn/), сайте КемТИППа.

Ученый секретарь диссертационного совета Н.Н. Потипаева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

сыр созревание сычужный биохимический

Актуальность работы. Среди продуктов питания сыры выделяются высокой биологической, пищевой и энергетической ценностью, они легко усваиваются организмом. Сибирский регион отличается сложной экологической обстановкой и континентальными климатическими условиями, поэтому население данного региона должно быть обеспечено высококалорийными продуктами, к которым относятся сыры. Однако при производстве сыров предъявляются высокие требования к заготовляемому молоку, оно должно быть сыропригодным. Сыры по технологической трудоемкости занимают особое место среди молочных продуктов. В производственном цикле его получения значительный период времени составляет созревание, во время которого в сырной массе последовательно протекает целый комплекс сложных микробиологических, биохимических и физико-химических процессов, в результате которых формируются консистенция, рисунок, специфический вкус и аромат сыра.

Проблема интенсификации технологии сычужных сыров является актуальной. Исследованиям различных аспектов технологии сыров посвящены фундаментальные труды отечественных и зарубежных ученых, таких как: Я.С. Зайковский, А.И. Чеботарев, Г.С. Инихов, С.А. Королев, З.Х. Диланян, И.А. Рогов, И.И. Климовский, Д.А. Граников, П.Ф. Крашенинин, А.М. Николаев, А.В. Гудков, В.К. Неберт, В.Н. Алексеев, Г.Г. Шилер, Л.А. Остроумов, А.А. Майоров, А.Г. Храмцов, И.А. Евдокимов, Ю.Я. Свириденко, М.С. Уманский, В.В. Бобылин, А.Ю. Камербаев, В.Д. Харитонов, М.П. Щетинин, Н.Б. Гаврилова, В.А. Оноприйко, А.М. Осинцев, И.А.Смирнова, Dalgleish, Davidson, Holt и др.

Выработка твердых сычужных сыров по интенсивной технологии позволит улучшить экономические показатели предприятий и, как следствие, увеличить объем производства сыров высокого качества.

Выпуск качественных сыров невозможен без контроля производства продукта, где доля субъективных методов оценки качества очень высока. Разработка инструментальных методов анализа процесса созревания с целью регулирования этого процесса является одной из важнейших задач в сыроделии. Основные изменения, протекающие при созревании сыра, происходят с его белковой частью, а энергия поверхностного слоя является физическим показателем, который характеризует динамику изменения биохимических процессов, протекающих в продукте. Накопление поверхностно-активных веществ в процессе созревания может служить параметром для характеристики проведения исследуемого процесса.

Несмотря на очевидную возможность контролировать процесс созревания по предлагаемому показателю, литературные данные по использованию величины поверхностной энергии в сыроделии недостаточны.

Проведение работ в этом направлении будет способствовать увеличению производства качественных сыров и расширению их ассортимента, что говорит об актуальности настоящих исследований, особенно для Сибирского региона, где количество сыропригодного молока весьма ограничено.

Целью диссертационной работы является теоретическое обоснование, исследование биотехнологических, физико- и биохимических закономерностей процесса производства сыров.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

- изучить дисперсный состав молока и молочных продуктов и установить степень влияния дисперсного состава сухих молочных продуктов (цельного и обезжиренного сухого молока) на активность биохимических и физико-химических преобразований белков в производстве молочных продуктов, в том числе и сыра;

- провести анализ сырья, изучить способы коррекции состава и свойств молочного сырья с применением восстановленных продуктов для активизации жизнедеятельности биообъектов на стадии процесса подготовки нормализованной смеси к свeртыванию;

- исследовать кинетику получения молочно-белкового сгустка на основе положений термодинамики. Предложить метод контроля процесса свертывания, позволяющий оперативно регулировать процесс с целью повышения его эффективности;

- изучить анизотропность сырной массы. На основе определения нестационарной теплопроводности и массопроводности разработать математические модели, определяющие зависимость степени анизотропности от параметров технологического процесса;

- на основании последовательного изучения биотрансформации компонентов молока в производстве сыра, разработать модель процесса кислотообразования нормализованной смеси - основы интенсификации всего технологического процесса получения качественного продукта;

- исследовать способы интенсификации процесса созревания сычужного сыра;

- теоретически обосновать и практически использовать методы регулирования качеством технологии производства сыра;

- использовать теоретические и экспериментальные результаты для разработки интенсивных технологий сыров;

- определить пищевую, биологическую ценность и качественные показатели новых продуктов;

- разработать технологию, техническую документацию на новые виды продуктов;

- провести апробацию и внедрение теоретических, а также практических результатов диссертационной работы в производство и учебный процесс подготовки высококвалифицированных специалистов для молочной промышленности.

Концептуальная направленность работы состоит в разработке научных положений, позволяющих создавать новые виды интенсивных технологий производства сычужных сыров и сырных продуктов с использованием инструментальных методов контроля и принципов управления технологических процессов, с целью повышения качества выпускаемого продукта.

Научная концепция диссертационной работы. В основу научной концепции, развиваемой в диссертационной работе, положена гипотеза о том, что применение интенсивных технологий, основанных на использовании биоактивации, коагуляции, биотрансформации и выбора рациональных параметров, позволит направленно регулировать состав, свойства сырья и сформулировать требуемые биохимические, структурно-механические, органолептические показатели сычужных сыров с высокими показателями биологической ценности и экономики.

Научная новизна работы. Сформулирована и научно обоснована концепция разработки новых видов твердых сычужных сыров с проведением корректирующего и физико-химического анализа нормализованной смеси молока, молочно-белкового сгустка (геля) и сырной массы.

Исследовано влияние технологических режимов выработки твердых сычужных сыров на формирование их физико-химических свойств; изменения реологических характеристик, термодинамику образования глазков в сыре, формирование рисунка в пространственно-временном технологическом интервале и установление их аналитических зависимостей.

Проведены реологические исследования сыров, изучено влияние режимов посолки, геометрической формы и размеров головки сыра и параметров рассола на особенности биотрансформации соли и влаги в сырной массе.

На основании анализа технологических параметров производства различных видов сыров, факторов, влияющих на показатели их качества, динамики микробиологических, биохимических и массообменных процессов при созревании разработана методология компьютерного моделирования технологических процессов сыроделия.

Разработана структура модели технологического процесса производства сыра, состоящая из подсистем: формирования физико-химических свойств сырной массы как среды обитания микроорганизмов и развития микрофлоры сыра на разных этапах производственного цикла.

Дано теоретическое и экспериментальное обоснование динамики развития кислотообразования в среде обитания. Особенностью математической модели является возможность прогнозировать развитие микроорганизмов в пространственно-временном интервале модельных сред.

Исследованы закономерности тепло и массообменных процессов, на основании которых определены темп нагрева (охлаждения) и темп диффузии соли в сырной массе.

Разработана физико-химическая модель процессов коррекции смеси молока, подготовленного к свертыванию, структурирования молочно-белкового сгустка и созревания сыра, которая позволяет прогнозировать изменение физико-химических свойств сырной массы, развитие в ней микрофлоры, а также формирования рисунка.

Научная новизна предложенных технологических решений подтверждена 6 патентами и 2 заявками на изобретение.

Практическая значимость и реализация работы в промышленности. Разработаны технические условия и технологические инструкции на производство новых видов сыров. Результаты работ, включенных в диссертацию, нашли практическое применение при разработке новых технологий производства сыров («Сибаковский», «Нежность», «Студенческий», «Тюкалинский», сырный продукт «Десертный», мягкий сыр «Курултай» и др.), а также интенсификации технологий традиционных твердых сычужных сыров (голландский, пошехонский, костромской и др.).

Результаты работы внедрены в образовательный процесс подготовки высококвалифицированных специалистов по специальности 260303 «Технология молока и молочных продуктов», направлению подготовки бакалавров техники и технологии 552400 «Технология продуктов питания», процесс подготовки кадров высшей квалификации по научной специальности 05.18.04 - Технология мясных, молочных, рыбных продуктов и холодильных производств. Материалы используются при чтении лекций, проведении лабораторно-прак-тических занятий, при выполнении выпускных квалификационных работ и диссертационных работ, обобщены в монографиях: «Дисперсный состав молока и молочных продуктов», «Совершенствование технологии молочных продуктов на основе электрофоретического изучения белков молока», «Биотермодинамика поверхностного слоя молока и молочных продуктов», учебных пособиях: «Инженерная реология», «Компьютерные технологии в рецептурных расчетах молочных продуктов», «Современные теплообменные аппараты для молока и молочных продуктов».

На основе системного анализа результатов научно-исследовательских работ, проводимых в НПО «Углич», Сибирском НИИ сыроделия, Ереванском зоотехническо-ветеринарном институте, Омском государственном аграрном университете, Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности и других научно-исследовательских организациях и вузах России и стран СНГ в период с 1990-2009 гг., отечественных и зарубежных публикаций, а также авторских исследований разработаны алгоритмы и программы математических моделей в технологических процессах производства твердых сычужных сыров:

- матричный метод коррекции состава молока;

- нестационарная теплопроводность в сырной массе;

- динамика трансформации соли в сырной массе;

- двухфакторный дисперсионный анализ в сыроделие;

- обоснование рациональной геометрической формы головки сыра;

- модель развития микроорганизмов в сырной массе;

- многофакторный эксперимент.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались на конференциях, конгрессах и симпозиумах различного уровня, в том числе на межрегиональных и межвузовских научно - практических конференциях: «Роль инноваций в развитии регионов в рамках промышленно-инновационного форума», «ПРОМТЕХЭКСПО - 99», Омск, 1999; «Приоритет экологическому образованию на рубеже 21 века», Омск, 2000; «Научные основы развития животноводства Западной Сибири», Омск, 1997; научно-технической конференции «Совершенствование производства молочных продуктов», Омск, 1999; «Перспективные направления научных исследований молодых ученых», Вологда - Молочное, 1999; на 11-й Международной научно-практической конференции «Пища, экология, качество», Новосибирск - Краснообск, 2002; Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы адекватного питания в эндермичных регионах», Улан-Удэ, 2002; научных чтениях посвященных 100-летию со дня рождения Д.А. Граникова, Москва, 2002; на Международной научно-практической конференции «Перспективы производства продуктов питания нового поколения», Омск, 2003, 2005; «Актуальные направления развития экологически безопасных технологий производства, хранения и переработки сельскохозяйственной продукции», Воронеж, 2003; на Международных конгрессах «Молочная промышленность Сибири», Барнаул, 2000, 2004; на научных чтениях, посвященных 90-летию со дня рождения Н.С. Панасенкова и 90-летию образования ОмГАУ, Омск, 2007; на II Международной научно-практической конференции «Аграрная наука - сельскому хозяйству», Барнаул, 16 марта 2007 г.; Международной научно-практической конференции «Современный взгляд на производство творога, творожных паст и сыров: расширение ассортимента, совершенствование технологии и оборудования», Ставрополь, 16-20 июня 2008 г., Сибирский НИИ сыроделия, Барнаул, июнь 2008 г,; VI Специализированном конгрессе «Молочная промышленность Сибири», Барнаул. 3-5 сентября 2008 г.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в монографиях: «Совершенствование технологии молочных продуктов на основе электрофоретического изучения белков молока» - 10 п.л. (2003 г.), «Дисперсный состав молока и молочных продуктов» - 6 п.л. (2007 г.), «Биотермодинамика поверхностного слоя молока и молочных продуктов» - 8 п.л. (2008 г.), в научных статьях, из которых 14 изданы в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных материалов диссертаций - «Молочная промышленность», «Сыроделие и маслоделие», «Хранение и переработка сельхозсырья», «Пищевая промышленность», «Научные достижения АПК», а также в материалах конгрессов, международных конференций, 6 авторских свидетельствах и патентах, 2 заявках на изобретение и других изданиях.

В диссертации обобщены результаты исследований, проведенных лично автором, при его непосредственном участии и под его руководством.

Основные положения, выносимые на защиту:

- регулирование биохимических, микробиологических и физико-химических процессов производства сыра путем коррекции состава и свойств молока, динамики свертываемости белков молока, выбора рациональной геометрической формы головки сыра, процесса созревания сырной массы;

- теоретическое и экспериментальное обоснование биотрансформации компонентов молока в процессе производства сыра;

- биотермодинамические положения процессов коррекции состава и свойств нормализованной смеси, структурирования молочно-белкового сгустка и созревания сырной массы;

- совокупность положений, направленных на управление микробиологическими, биохимическими и физико-химическими процессами производства сыров;

- разработка интенсивных технологий производства сыра с использованием молочных концентратов, биологически активных веществ и активация процессов путем воздействия на среду обитания магнитным полем с заданными параметрами.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из девяти глав, в том числе введения, аналитического обзора, методологической части, результатов собственных исследований, выводов, списка использованных источников литературы и приложений. Основной текст работы изложен на 375 страницах, включает 54 таблицы и 75 рисунка. Список литературы насчитывает 490 наименований, в том числе 95 иностранных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность выбранного направления работы, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

Глава 1. Современные тенденции производства и контроля качества твердых сычужных сыров (аналитический обзор)

Проведен анализ публикаций, посвященных изучению коррекции состава и свойств молока в сыроделии, способов интенсификации процессов структурирования молочно-белкового сгустка, созревания твердых сычужных сыров и сырных продуктов, влияния основных технологических факторов на повышение качества сыров. Изложены объективные и субъективные методы контроля отдельных технологических операций как на этапе подготовки сырья, так и при созревании сыров. Анализ отечественной и зарубежной научной литературы позволяет сделать вывод о том, что целесообразна разработка и внедрение, наряду с традиционными, принципиально новых средств интенсификации технологических процессов производства сыров. Несмотря на очевидную возможность контролировать созревание сыров по величине поверхностного натяжения водорастворимой фракции белков зреющего сыра, литературные данные об использовании этого показателя в практике сыроделия неполны и не систематизированы. Анализ состояния вопроса позволил сформулировать рабочую гипотезу и обосновать цель и задачи теоретических и экспериментальных исследований.

Глава 2. Обоснование направлений научных исследований, их цель и задачи

Технология производства натуральных сыров представляет собой комплекс микробиологических, биохимических и физико-химических процессов, связанных с расщеплением составных компонентов сырной массы (лактозы, белков и липидов) и образованием многочисленных соединений, определяющих органолептические показатели продукта. Основными инициаторами этих процессов являются ферментные системы молока, молокосвертывающие ферменты, а также микрофлора, участвующая в созревании сыра. Причем последний фактор считается решающим.

При изучении и установление основных закономерностей взаимовлияния технологических параметров на качественные показатели сыра и сырных продуктов применялся системный анализ - это стратегия изучения систем, каковыми, в частности, являются процессы производства сыров. В качестве метода исследования используется математическое моделирование, а основным принципом анализа является декомпозиция сложной системы на более простые подсистемы (принцип иерархии системы). В этом случае математическая модель системы строится по блочному принципу: общая модель подразделяется на блоки (процессы), которым можно дать сравнительно простые математические описания. При этом имеется в виду, что все подсистемы взаимодействуют между собой, составляя общую единую математическую модель.

С позиций системного анализа в работе решались задачи моделирования, оптимизации, управления и проектирования технологических систем в сыроделии.

Использование методологических принципов системного подхода позволили провести декомпозицию технологической системы производства натурального сыра, расчленить каждый из технологических потоков на несколько подсистем. Подсистемы связаны между собой последовательно и в свою очередь состоят из отдельных технологических операций, представляющих собой совокупность типовых физических, биохимических и микробиологических процессов. В связи с этим исследованию подлежат потоки информации, веществ, энергии, контролируемых параметров и показателей, которые на одной из технологических стадий сливаются в единую технологическую систему. Учитывая особенности технологической схемы производства сыра, при проведении исследований были выделены три модельных среды - объектов исследования:

- нормализованная смесь молока, подготовленная к свертыванию;

- молочно-белковый сгусток (гель);

- сырная масса, переходящая в процессе созревании в продукт.

Исследуемые модельные среды отличаются друг от друга пространственно-временной структурой, структурно-механическими параметрами, анизотропностью, массовым соотношением компонентов, энергетическими уровнями. Энергия определяет фундаментальное состояние вещества, а энергетический потенциал характеризует способность биосистемы совершать биохимические реакции. Задача состоит в исследовании перечисленных свойств и оценки уровней энергетического состояния, как в каждой отдельно взятой модельной среде (подсистеме), так и в целом технологическом процессе производства натуральных сычужных сыров и сырных продуктов.

Глава 3. Методология и организация проведения теоретических и экспериментальных исследований

Теоретические и экспериментальные исследования выполнены в период с 1990 по 2009 гг. В главе изложены вопросы организации работы и методы исследований. Эксперименты проводились в лабораториях и производственных цехах следующих учреждений и предприятий: ФГОУ ВПО Омского государственного аграрного университета (г. Омск), ОНО «ВНИМИ - Сибирь» Россельхозакадемии (г. Омск), Сибирского НИИ сыроделия, г. Барнаул, ОАО Маслосыркомбината «Москаленский» (р.п. Москаленки, Омская область). В качестве объектов исследования использовались: бактериальный препарат «БП-Углич-4», сыры твердые сычужные с низкой температурой второго нагре-вания и сырные продукты.

Аминокислотный состав определяли на аминокислотных анализаторах «LG-5000» фирмы «Biotronik» (Германия), ААА-339М чешского производства.

Минеральный состав продуктов определяли методом эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-АЭС) на спектрометре шведской фирмы «Perkin Elmer-360» и спектрофотометре «VRA-30» (Германия) по ГОСТ 27996-88. Витаминный состав продуктов определяли методом инфракрасной спектроскопии на приборе ИК-4500 («ИнтерАгротех», г. Москва).

Пищевую и биологическую ценность продуктов определяли методами интегрального и аминокислотного скоров. Структурно-механические показатели молочно-белковых сгустков, сычужных сыров и сырных продуктов определяли методами инженерной механики с использованием пенетрометра марки АР-4/1; активность - воды на приборе АВК-4, разработанном в Саратовском государственном аграрном университете им. Н.И. Вавилова.

Схема проведения эксперимента представлена на рисунке 1.

Первый этап исследований заключался в анализе сыропригодности заготовляемого молока, коррекции состава и свойств нормализованной смеси путем добавления в смесь БАД, СОМ и физических методов обработки - магнитным полем с заданными характеристиками. Полученные на данном этапе результаты использовались для совершенствования процессов свертывания, структурирования геля и формирования молочно-белкового сгустка с заданными реологическими свойствами.

Второй этап связан с биотермодинамическими исследованиями молочно-белкового сгустка, определением его термодинамических параметров и пространственно-временных фаз структурирования. Результаты второго этапа ис-следований позволили определить энергетические характеристики геля и разработать динамический метод оценки степени готовности сгустка к разрезке.

Третий этап посвящен исследованию анизотропности сырной массы, моделированию нестационарной теплопроводности и массопроводности, термодинамики образования глазков в сыре и обоснованию геометрии сырной головки. Результаты исследований на данном этапе использовались в определении технологических режимов интенсификации созревания сыров.

Следующий этап исследований связан с разработкой принципов управления качеством сыров и сырных продуктов.

Заключительный этап включал исследования, связанные с разработкой и внедрением результатов. Проведены расчеты технико-экономических показателей, оформлена техническая и патентная документация.

На разных этапах работы объектами исследований являлись: молоко и продукты его переработки (молоко коровье по ГОСТ 13264; молоко сухое обезжиренное распылительной сушки с массовой долей жира 1% по ГОСТ 10979, сыры сычужные твердые с низкой температурой второго нагревания по ГОСТ 7616-85 «Сыры сычужные твердые»), вспомогательное сырье и материалы, отвечающие требованиям действующей документации.

При выполнении работы использовали общепринятые, стандартные и оригинальные методы исследования. Обработка экспериментальных данных производилась с использованием современных информационных технологий пакетов прикладных программ Microsoft Office XP, математических программ MathCAD Professional-14, Statistica-6, Maple-10, а также специально разработанных соискателем компьютерных программ.

Глава 4. Коррекция состава и свойств молока в сыроделии

Ряд регионов Российской Федерации, в том числе и Омская область, характеризуются в основном несыропригодным по составу и свойствам молоком, особенно это характерно в зимнее и весеннее время года. Среди большого многообразия факторов, влияющих на состав, свойства, органолептические показатели и выход натуральных сыров и сырных продуктов, первостепенное место занимают: химический состав, физико-химические и органолептические свойства, а также бактериальная обсемененность перерабатываемого молока. В сыроделии совокупность этих свойств объединяет понятие «сыропригодность» молока. При выработке сыров к составу молока предъявляются повышенные требования (табл. 1).

Таблица 1 - Требования к составу молока в сыроделии

Состав	Содержание, %, не менее	Содержание, %, по Омской области
СОМО	8,40	8,20
Жира	3,60	3,50
Белка	3,10	2,90
Казеина	2,60	2,50
Кальция	0,12	0,11
Отношения жир : белок	1,10…1,25 : 1	1,21:1
Отношения жир : СОМО	0,40…0,45 : 1	0,43:1
Отношения белок : СОМО	0,35…0,45 : 1	0,35:1
Меди, мкг в 100 г, не менее	50	42
Кобальта, мкг в 100 г, не менее	18	16
Йода, мкг в 100 г, не менее	20	18
Цинка, мкг в 100 г, не менее	200	175

Для коррекции состава нормализованной смеси разработан матричный метод, сущность которого состоит в составление и решение системы балансовых материальных уравнений, с учетом соотношений и требований, предъявляемых к сыропригодности молока. Для реализации метода формируются матрицы химического состава (табл. 2), содержания макро- и микроэлементов (табл. 3).

Таблица 2 - Матрица коррекции состава смеси молока

Сырье	Химический состав, %	ХI	Цена, руб./кг
	жир	белок	СОМО	вода
Молоко	3,4	2,9	12	88	Х1	11,0
СОМ	1,0	37,9	96	4	Х2	105
СЦМ	25	25,6	96	4	Х3	128
Вода	-	-	0	100	Х6	0,05
Смесь	3,45	2,95	8,5	91,5

На основании матрицы формируется система линейных уравнений материального баланса по жиру, белку, СОМО, воде.

Жир:	0,034Х1 + 0,010 Х2 + 0,25 Х3 = 3,45
Белок:	0,029Х1 +0,379 Х2 + 0,256Х3 = 2,95
СОМО:	0,120Х1 + 0,960 Х2 + 0,960Х3 = 8,5
Вода:	0,88 Х1 + 0,04 Х2 + 0,04 Х3 + Х6 = 91,5
Функция цели - минимальная себестоимость нормализованной смеси: F = 11 Х1 +105 Х2 +128 Х3 + 0,05 Х6 - > min

Корректирующий анализ молока при выработке сыра «Сибаковский» с учетом экономической составляющей - себестоимости нормализованной смеси показал, что для получения нормализованной смеси заданного состава необходимо: молока Х₁ = 99,51 кг; СЦМ Х₃ = 0,25; питьевой воды Х₆ = 0,24 кг. Себестоимость 100 кг нормализованной смеси составит F=1126,71 руб. При полученных данных соотношения между жиром : белком составит 1,17:1; жиром : СОМО - 0,41:1; белком : СОМО - 0,35:1, что отвечает требованиям, предъявляемым к молоку в сыроделие.

Таблица 3 - Матрица коррекции содержания макро- и микроэлементов в нормализованной смеси

Сырье	Содержание макро и микроэлементов, %, не менее	ХI
	Ca	K	Co	I	Cu	Zn
Молоко	0,100	0,146	0,8•10-3	4•10-3	12•10-3	0,40	Х1
СОМ	1,107	1,224	0,83•10-2	4•10-2	12,5•10-2	4,21	Х2
СЦМ	0,919	1,000	0,74•10-2	3,8•10-2	11•10-2	3,92	Х3
CaCl2	0,05	-	-	-	-	-	Х4
«Цыгапан»	1,75	0,68	1•10-2	3•10-2	15•10-2	0,12	Х5
Cмесь	0,12	0,05	0,018	0,02	0,05	0,20

Расчеты показали, что для коррекции содержания макро- и микроэлементов необходимо добавить в молоко: СОМ - 16г; хлористого кальция - 24 г и «Цыгапана» - 19 г на 100 кг молока.

Решение системы линейных уравнений баланса осуществляется посредством специально разработанной компьютерной программы.

Натуральные твердые сычужные сыры и сырные продукты - открытые термодинамические, в которых протекают с разной скоростью биохимические, микробиологические, тепловые и диффузионные процессы.

Основа функционирования биосистемы, в частности сыра - это поддержание стационарного состояния при условии протекания диффузионных процессов, биохимических реакций, осмотических явлений и т. п.

Поверхностная энергия биосистемы стремится самопроизвольно уменьшиться и обладать минимальным энергетическим потенциалом (максимумом энтропии).

Линейная зависимость поверхностной энергии от температуры позволяет определить теплоту образования поверхности - TS и полную поверхностную энергию - U_S, расчет которой производится по формуле Гиббса-Гельмгольца:

(1)

Например, для восстановленного молока с массовой долей жира 3,2% температурный коэффициент поверхностной энергии равен 0,3014 мДж/(м²•К). Поверхностная энергия при температуре Т =273+20=293 К равна 53,1 мДж/м², теплота образования поверхностного слоя - TS=293Ч0,3014=88,31 мДж/м², а полная поверхностная энергия U_S =141,41 мДж/м².

Рисунок 1 - Структурная схема проведения исследований

Энергия активации вязкости течения восстановленного молока рассчитывалась по формуле Френкеля-Эйринга:

, (2)

где з - динамическая вязкость, Па·с; А - предэкспоненциальный множитель, Пас; Е_а - энергия активации, Дж/моль; R - универсальная газовая постоянная, R=8,32 Дж/(мольК); Т - термодинамическая температура, К.

Для расчета энергии активации продукта экспериментальные данные наносятся в сетку (рисунок 2) с аррениусовыми координатами.

Рисунок 2 - Изменение динамической вязкости восстановленного молока

Энергия активации восстановленного молока в температурном интервале от 5 до 50 °С равна 20,57 кДж/моль, Предэкспоненциальный множитель восстановленного молока А = 0,4·10^-3.

Глава 5. Исследования молочно-белкового сгустка

Свертывание белков молока сычужным ферментом является одним из наиболее важных процессов при выработке сыров. От кинетики получения, структурно-механических и синеретических свойств сычужного сгустка зависят структура, консистенция, рисунок и выход сыра. Для исследования упруго-пластических свойств сычужного сгустка разработан капиллярный метод, сущность которого заключается в периодическом продавливании воздушного пузырька через капилляр в сгусток. По изменяющейся величине воздушного давления в капилляре исследуют кинетику структурирования молочно-белкового сгустка, а также судят о степени готовности сгустка к следующей технологической операции - разрезке.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 - Схема установки по определению упруго-пластических свойств молочно-белкового сгустка: 1 - сифон; 2 - негерметичный сосуд; 3 - герметический сосуд; 4 - регулирующий клапан; 5 - воздуховоды; 6 - капилляр; 7 - сосуд с исследуемым продуктом; 8 - электромагнит; 9 - терморегулятор; 10 - многопредельный микроманометр; 11 - миллиамперметр

Давление столба жидкости в микроманометре (Па) определяет предельное напряжение сдвига, которое рассчитывается по формуле:

(3)

где H - высота подъема жидкости в микроманометре, кгс/м²; g - ускорение свободного падения, м/с²; k - постоянная микроманометра.

Кривая сычужного свертывания белков молока контрольного образца приведена на рисунке 4. Из реограммы видно, что после внесения сычужного фермента (точка О) наступает стадия индукционного периода, в течение которого давление упругости нормализованной смеси молока почти не изменяется, лишь после точки А (точка бифуркации) на II стадии наблюдается его резкое повышение, так как происходит массовая агрегация частиц. В гель-точке (точка В) все агрегаты и цепочки частиц объединяются в пространственную структуру сгустка, и в течении III стадии давление упругости незначительно повышается -- завершается образование и упрочнение структуры геля, после чего начинается ее разрушение (точка С) с падением упругости на IV стадии - стадии синерезиса.. Третья стадия свертывания - самопроизвольный процесс, который протекает без затраты извне энергии и характеризуется сжатием пространственно-структурной сетки геля и началом выделения сыворотки.

Рисунок 4 - Кривая сычужного свертывания белков молока контрольного образца (А, В - точки бифуркации): I - индукционная стадия (ОА); II - стадия массовой коагуляции (АВ); III - стадия структурообразования и упрочнения сгустка (ВС); IV - стадия синерезиса (СД). Точки: О - внесение сычужного фермента; А - начало явной коагуляции; В - гель-точка; С - начало разрушения структуры; D - продолжение разрушения структуры

В табл. 4 приведены результаты экспериментальных исследований, которые доказывают, что с увеличением содержания в молоке сухих веществ напряжение сдвига в молочно-белковом сгустке возрастает на всех стадиях процесса сычужного свертывания. Она максимальна на участке метастабильного сгустка.

Таблице 4 - Влияние добавки СОМ на стадии структурирования молочно-белкового сгустка

Доза добавок СОМО, кг/кг	Напряжение сдвига (Па) на участках	Время свертывания (мин) на участках	Номер опыта
	О-А	А-В	В-С	С-D	О-А	А-В	В-С	С-D
0	146	149-175	176-175	173-170	8,24	10,45	8,02	2,06	Контроль
15•10-3	146	150-185	185-186	184-180	8,31	10,35	7,89	2,06	Опыт 1
25•10-3	147	151-210	211-216	216-210	9,31	11,45	7,55	2,19	Опыт 2
35•10-3	147	152-215	215-218	218-216	9,43	11,88	7,45	2,27	Опыт 3
45•10-3	148	153-220	220-227	227-223	9,86	12,50	7,45	2,28	Опыт 4

Рисунок 5 - Термодинамические параметры опытного образца молочно-белкового сгустка с добавлением (опыт 2)

Полная энергия молочно-белкового сгустка при добавлении СОМ в количестве 25•10^-3 кг/кг молока составляет 1130 мДж/м², 45•10^-3 кг/кг - 1170 мДж/м².

По формуле Вант-Гоффа определялось изменение энтальпии молочно-белкового сгустка в зависимости от температуры:

(4)

где ?Н - изменение энтальпии, кДж/моль; И - предельное напряжение сдвига, Па, Т - термодинамическая температура, К.

Преобразуя уравнение (4) можно получить расчетное выражение изменения энтальпии молочно-белкового сгустка:

(5)

Рисунок 6 - Изменение энтальпии в образцах молочно-белковых сгустков

Добавление к молоку СОМ в количестве 25•10^-3 кг/кг повышает интенсивность синерезиса сычужного сгустка в среднем на 15%.

Внесение СОМ в нормализованную смесь способствует улучшению свертываемости белков молока, увеличению прочности геля, что положительно влияет на реологические и синеретические свойства молочно-белкового сгустка, при этом наблюдается уменьшение потерь жира и белка с сывороткой и увеличивается выход сыра.

Глава 6. Исследование анизотропности сырной массы

От уровня анизотропности в сыре зависит динамика процессов, которые в совокупности формируют качественные показатели продукта. Анизотропность проявляется уже на стадии образования сырного зерна в сыродельной ванне - анизотропность сырного зерна. После прессования структурно-механические свойства в объеме сырной головки также неодинаковы, так как поверхностный слой более плотный, чем центральные слои сыра - структурно-механическая анизотропность - и, наконец, посолка сыра формирует термодиффузионную анизотропность.

Нестационарная теплопроводность в сырной массе. Температура - один из определяющих факторов, влияющих на формирование видовых особенностей сыров, влияет на влагоудерживающие свойства сырной массы, ее консистенцию, активность развития микроорганизмов.

Дифференциальное уравнение нестационарной теплопроводности описывает процесс распространения теплоты в сырной массе и записывается в следующем виде:

(6)

где б = л/сс - коэффициент температуропроводности, м²/с; с - удельная теплоемкость продукта, кДж/(м·К); с - плотность продукта, кг/м³; - дифференциальный оператор Лапласа или лапласиана.

Функция, описывающая поле температур в сырной массе при охлаждении (нагревании) после решения уравнения (6), имеет следующий вид:

, (7)

где t_a - температура сыра; д _i - корни трансцендентного уравнения; s - длина сыра; Fo - критерий Фурье.

Температура в центре головки сыра рассчитывается по формуле:

(8)

Температура на наружной поверхности сырной головки

(9)

Голландский брусковый сыр, температура которого 12 °С, помещается в камеру хранения (температура минус 4 °С). Геометрическая форма - брусок: длина 30 см, ширина 15 см, высота 14 см. Распределение температур при охлаждении для отдельных моментов времени представлено в табл. 5.

Таблица 5 - Распределение температур в головке голландского сыра

Время процесса ф, час	Критерий Фурье, Fo	Температура в центре головки сыра t Н, °C	Температура на поверхности головки сыра t F, °C
1	0,1003	11,91	8,24
6	0,6016	8,06	4,43
12	1,2033	4,24	1,77
24	2,4065	-0,15	-1,31
36	3,6098	-2,20	-2,74
72	7,2196	-3,82	-3,87

Уравнение распределение температур в сырной массе цилиндрической формы имеет вид:

(10)

где t_a - начальная температура сыра; m_i - корни уравнения;

Bi =б•r/л - критерий Био; Fo = a•ф/(d/2)² - критерий Фурье; б - температуропроводность сырной массы, м²/с; ф - время процесса, с; d - диаметр цилиндра, м; r - радиус цилиндра; J₀(x) - функция Бесселя (Bessel) первого рода нулевого порядка; J₁(x) - функция Бесселя первого рода первого порядка.

Температура на оси головки сыра при r = 0 имеет вид:

(11)

Температура на поверхности цилиндра

(12)

Геометрическая форма пошехонского сыра - низкий цилиндр со слегка выпуклой боковой поверхностью и округленными гранями: высота головки 8…11 см, диаметр головки 24…28 см. Для интенсификации микробиологических и биохимических процессов сыр, температура которого 10 °С, помещается в камеру созревания (температура 22 °С). Температурное поле неравномерно распределяется по слоям сырной массы, при заданных режимах в пошехонском сыре только через 36 часов наблюдается выравнивание температуры в объеме головки сыра (рисунок 7).

Предлагаемая математическая модель нестационарной теплопроводности в сырной массе позволяет прогнозировать и регулировать динамику исследуемых процессов на этапе созревания сыра при разных температурных режимах.

Рисунок 7 - Послойное распределение температур в пошехонском сыре в зависимости от продолжительности созревания

Регулярный режим - нестационарный процесс теплопроводности, при котором поле температур в сырной массе автомодельно по времени. Основной характеристикой режима является темп охлаждения (нагрева), который представляет собой относительную скорость изменения температуры в сырной массе и рассчитывается по формуле:

(13)

где t₁, t₂ - температуры в сырной массе в зависимости от времени теплового процесса ф₂ и ф₁ соответственно.

На рисунке 8 приведены расчетные данные температур в объеме сыра «Сибаковский».



Рисунок 8. Иррегулярный и регулярный режим теплообмена в сыре «Сибаковский»

От начала теплового процесса сырной массы до 24 часов наблюдается иррегулярный режим теплообмена, затем температура изменяется по экспоненциальному закону, то есть регулярный режим теплообмена. В табл. 6 приведены расчетные значения темпа нагрева в сечениях головки сыра «Сибаковский».

Таблица 6 - Темп нагрева сыра «Сибаковский» от 10 до 22 ^оС

Темп нагрева (охлаждения) в сечениях головки сыра, оС/час
На оси головки сыра	На расстоянии 1/3 от оси сыра	На расстоянии 2/3 от оси головки сыра	На поверхности головки сыра
0,002	0,0045	0,0043	0,0040

Темп нагрева (охлаждения) продукта есть конечная положительная величина, постоянная для тела данных размеров и формы при данной величине коэффициента его температуропроводности.

Диффузионные процессы в сырной массе. Поваренная соль регулирует микробиологические, биохимические и физико-химические процессы при созревании сыра, способствует формированию его вкуса, консистенции, рисунка, корки. Способ и продолжительность посолки оказывает влияние на развитие молочнокислых и пропионовокислых бактерий.

На первой стадии посолки поваренная соль, диффундируя внутрь сыра, обезвоживает его корковый слой и затем по межзерновым капиллярным каналам проникает в глубинные слои.

Интенсивность проникновения соли вглубь сырной массы ограничивается наличием растворителя - воды. Проникновение соли в глубинные слои в первые часы посолки происходит за счет растворения в межзерновой влаге, которая является наименее связанной. За счет этого процесса в сырной массе довольно быстро достигается уровень посолки (0,1-0,3) %. На скорость посолки оказывает существенное влияние массовая доля влаги в сыре.

Вторая стадия посолки сыра заключается в насыщении коркового слоя сыра солью и осмотического перехода влаги, во-первых, из коркового слоя в рассол, а во-вторых, из зерен сырной массы в межзерновое пространство.

В результате массообменных процессов между рассолом и сырной массой происходит смещение концентраций компонентов в объеме сырной массы. Периферийная часть бруска сыра, подвергаемого посолке, обезвоживается и насыщается солью. В корковом слое толщиной 1,5 см массовая доля соли может достигать 6…9 %. Среднее содержание влаги в этот момент обычно не превышает 35 %. На этом этапе влаги, доступной для микрофлоры, в корковом слое нет.

При стационарном диффузионном процессе, коэффициент диффузии рассчитывается по формуле:

(14)

где D - коэффициент диффузии, м²/с; m - масса соли, продиффундировавшая в сыр, кг; l - глубина проникновения соли в сыр, м; С - концентрация рассола, кг/м³; S - поверхность сырной головки, м²; ф - продолжительность посолки, час.

В табл. 7 приведены значения коэффициента диффузии соли при различной температуре и концентрации рассола в сыре «Сибаковский».

Таблица 7 - Изменение коэффициента диффузии соли

Температура рассола, °С	Массовая доля соли в рассоле, %
	18	20	22	24
10	0,652	0,462	0,342	0,263
12	0,655	0,475	0,353	0,266
14	0,665	0,484	0,356	0,277
16	0,666	0,492	0,362	0,284

Математическая модель изменения коэффициента диффузии соли в сыре от температуры и концентрации рассола, имеет вид:

(15)

где D - коэффициент диффузии, 10^-8 м²/с; t - температура рассола, °С; С - концентрация рассола, %. Так например, при температуре 16 ^оС и концентрации рассола 22% коэффициент диффузии равен 0,362•10^-8 м²/с.

На рис. 9 изображена графическая иллюстрация данной модели.

a = 264.5153; b = 0.005775; f = -1236.9031 ; d = 3055.3218 > plot3d ((a + b*t^(3/2)) + f / ln(C) + d/C). Интервал варьирования температур t = 10...16 ^оС, интервал варьирования концентрации рассола C = 18...24 %, color = t*C). Коэффициент детерминации R² = 0.9999

Рисунок 9 - Модель изменения коэффициента диффузии соли в сыре

Анализ модели показал, что наиболее предпочтительными являются режимы посолки твердых сычужных сыров при температуре 12…14 ^оС и концентрации рассола 20…22 %. Расчетная величина темпа диффузии соли в наружный слой сыра «Сибаковский» составляет 0,0067 %/час, в центральном слое - 0,0148 и характеризует относительную скорость проникновения соли в сырной массе. Динамика накопления соли в поверхностный слой сыра «Сибаковский» при посолке без перемешивания и с перемешиванием рассола изображена на рисунке 10.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 10 - Динамика проникновения соли в поверхностный слой сыра «Сибаковский

Отмечается закономерный факт положительного влияния режимов движения рассола на насыщение коркового слоя солью. Перемешивание интенсифицирует диффузионный процесс посолки сыра, и приводит к сокращению регламентированного времени нахождения сыра в рассоле.

Глава 7. Биотрансформация компонентов в сыре

Динамика развития микроорганизмов в сырной массе является важнейшей задачей технологии сыроделия. Эффективный результат может быть получен в том случае, когда процессы развития микроорганизмов будут происходить в определенной последовательности и с необходимой динамикой. Такое положение может быть реализовано при обеспечении микроорганизмов необходимыми продуктами питания и создании комфортных условий для их развития.

Математическая модель кислотообразования

Основным результатом жизнедеятельности молочнокислых культур является сбраживания лактозы молока в молочную кислоту, отсюда можно предположить, что скорость гибели молочнокислых бактерий пропорциональна нарастанию кислотности. При изменении внешних условий экспоненциальный закон роста, вследствие сдерживающих факторов, не может сохраниться. Рост уровня ограничивается некоторым его значением, и динамика роста представится дифференциальным уравнением:

(k > 0, 0 < Y < a), (16)

где а - максимально возможное стационарное значение величины Y; k - константа, характеризующая процесс продуцирования микроорганизмами молочной кислоты.

Относительная скорость кислотообразования в данном случае становится линейной функцией от Y и записывается в виде:

. (17)

Уравнение (17) есть дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными, решение которого имеет вид:

(18)

Путем математических преобразований уравнения (18) получим уравнение:

(19)

Кривая, определяемая уравнением (19), называется логистической кривой. Точка Т₁(ln(b)/a; а/2) является точкой перегиба.

На рисунке 11 изображены изменения скорости и ускорения кислотообразования материнской закваски.

Рисунок 11 - Динамика кислотообразования материнской закваски

Изменение реологических свойств сыра при созревании. Среди большого количества реологических характеристик, описывающих состояние сырной массы, важное место отводится твердости. Данный показатель, легко измеряемый методом пенетрации, имеет высокую степень корреляции с органолептической оценкой консистенции сыров.

Сущность метода пенетрации состоит в определении глубины погружения в пробу сыра за 5 с металлического конуса с усилием 1,47 Н (150 г). Твердость зрелых сыров, измеренная пенетрационным методом, для голландского брускового сыра составляет 85-110 кПа, голландского круглого - 76-92, российского - 25-31, советского - 75-92 кПа.

Изучены структурно-механические свойства твердого сычужного сыра «Тюкалинский Лилипут». Сыр относится к голландской группе сыров с массовой долей жира в сухом веществе 45% и вырабатывается по интенсивной технологии, срок созревания 30 суток. Диаметр исследуемого сыра равен 10 см, высота 14 см. Образцы сыра исследовались при температуре 20 єС на автоматическом пенетрометре марки АР-4/1. Твердость сыра рассчитывалась по формуле П.А. Ребиндера с поправкой Н.Н. Агранта и М.Ф. Широкова:

, (20)

где Т - твердость сыра, Па: k - константа конуса, зависящая от угла при его вершине, при 30^о, k = 0,958; F - величина вертикально внедряющей силы, Н; h - глубина погружения конуса, м.

В табл. 8 приведены средние данные глубины погружения конического индентора в центральных точках поперечного сечения головки сыра. Контрольные точки отмерялись от кромки сыра.

Таблица 8 - Глубина погружения конического индентора в контрольных точках центрального сечения сыра «Тюкалинский Лилипут»

Вариант	Послойная глубина погружения конического индентора, мм, в сырной массе на разном расстоянии от поверхности головки сыра, см
	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Свежий сыр (3 суток)	5,25	5,64	5,59	5,54	5,65	5,46	5,45	5,47	5,16
Зрелый сыр (30 суток)	4,22	4,42	4,49	4,51	4,57	4,52	4,48	4,43	4,21

Периферийные точки замера как в свежем, так и зрелом сыре имеют наименьшую глубину погружения индентора и наибольшее значение твердости сыра. Изменение реологических свойств сырной массы в период созревания происходит за счет диффузии соли из периферийных слоев в центральные и противоположного процесса - обезвоживания продукта, а также благодаря динамическому процессу структурообразования. Совокупность действия этих процессов приводит к увеличению твердости сырной массы до максимальных значений, которые достигают 100-120 кПа для отдельных видов сыров. Реологические характеристики в твердом сычужном сыре зависят от того, из какого места взяты пробы для определения показателей. Разное значение...