Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 8
1.1. Способы сушки и виды сушильных установок 8
1.2. Сыры как объекты сушки 23
1.3. Сублимационная сушка пищевых продуктов 30
1.4. Влияние замораживания и сублимационной сушки на свойства пищевых продуктов 35
1.5. Выводы по обзору литературы, цель и задачи исследований 42
Глава 2. Постановка эксперимента и методы исследования 45
2.1 Организация проведения экспериментов 45
2.2 Объекты и методы исследований 47
2.3 Постановка экспериментов и оборудование для их реализации 49
Глава 3. Исследование процессов сублимационной сушки сыров 55
3.1 Исследование криоскопической температуры сыров 55
3.1.1 Криоскопическая температура сыров в зависимости от их химического состава 55
3.1.2 Криоскопическая температура сыров в зависимости от их степени зрелости 60
3.2 Выбор температуры замораживания при сублимационной сушке сыра 63
3.3 Определение массовой доли вымороженной влаги 69
3.4 Исследование влияния предварительного замораживания и самозамораживания на микроструктуру сыра 76
3.5 Исследование влияния температур прогрева на продолжительность сушки и свойства сухого сыра 81
3.6 Исследование кинетических закономерностей сублимационной сушки сыров 89
3.7 Исследование влияния заморозки и сублимационной сушки на микроструктуру сыров 96
3.8 Разработка технологии сублимационного высушивания сыров 109
Глава 4. Экономическое обоснование процесса сублимационной сушки сыров 113
Основные результаты работы и выводы 117
Список литературы 119
Приложения 135
- Сыры как объекты сушки
- Выбор температуры замораживания при сублимационной сушке сыра
- Исследование влияния температур прогрева на продолжительность сушки и свойства сухого сыра
- Исследование влияния заморозки и сублимационной сушки на микроструктуру сыров
Введение к работе
Актуальность работы. Актуальность производства сухих сыров подтверждается их востребованностью в ряде сегментов потребительского рынка пищевых продуктов. Весьма остро ощущается нехватка молока и молочных продуктов в Закавказье, на Крайнем Севере и Дальнем Востоке. Высушенные продукты нужны для организации питания личного состава армии и флота, геологов, работников лесной, газовой, строительной, нефтеперерабатывающей промышленности и т.д., а также для улучшения структуры питания всех возрастных групп населения. Сухие продукты долго хранятся, не требуя особых условий, занимают минимум места, быстро готовятся, к тому же эти продукты очень питательны и имеют высокую биологическую ценность.
Сублимация является перспективным способом сушки поскольку обеспечивает наилучшие качественные показатели сухих продуктов. Сублимация протекает при остаточном давлении ниже давления тройной точки воды. Удаление влаги осуществляется фазовым переходом лед - пар. Опыт промышленного применения сублимационного консервирования многих пищевых продуктов показал техническую и экономическую целесообразность его внедрения.
Одной из важных задач молочной промышленности является освоение и широкое внедрение производства сухих молочных продуктов различной жирности. Сыр являются концентрированным белковым молочным продуктом. Удаление влаги позволяет еще более повысить концентрацию белка в этом продукте и, тем самым, еще более повысить его биологическую ценность. Сублимация позволяет максимально сохранить структуру и свойства продукта. Кроме того, сублимированный сыр является совершенно новым продуктом который несомненно займет определенную долю продовольственного рынка и будет иметь своего потребителя. Производство сублимированных сыров будет стимулировать развитие молочной промышленности и высоких технологий в отечественном секторе реального производства.
Степень проработки темы исследований. Исследования по сублимационной сушке пищевых продуктов обобщены в трудах А.В. Лыкова, А.С. Гинзбурга, Э.И. Гуйго, Н.К. Журавской, Э.И. Каухчешвили и др. Во многих странах работают специализированные предприятия, выпускающие некоторые сублимированные продукты питания.
Проблемой сублимационной сушки сыров занимались Н.П. Захарова, Н.В. Краевая, Л.А. Остроумов, Л.М. Архипова, Н.А. Жеребцова. Опубликованные результаты исследований свидетельствуют о том, что изучалось влияние режимов сублимации на химический состав сыра и на его органолептические показатели.
Для разработки промышленной технологии производства сублимированных сыров необходимо детальное изучение теплофизических характеристик, влияния технологических факторов на комплекс физико-химических свойств и микроструктуру получаемого продукта. Эти вопросы недостаточно освещены в технической литературе, поэтому требуют детального изучения и проработки.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является исследование и разработка технологии сублимационной сушки сыров. Для реализации поставленной цели были определены следующие задачи исследований:
- обоснование параметров сублимационной сушки сыров, на основе исследований влияния технологических параметров на продолжительность сублимационной сушки и качество сухих сыров;
- изучение влияния предварительного замораживания на процесс сушки и качественные показатели сухих сыров;
- изучение влияния температур прогрева на продолжительность сушки и свойства сухого сыра;
- исследование кинетических закономерностей сублимационной сушки сыров;
- исследование влияния заморозки и сушки на микроструктуру сыров;
- экономическое обоснование процесса сублимационной сушки сыров.
Научная новизна работы:
- отработаны параметры сублимационной сушки сыров, а именно: температура замораживания, температура нагрева при удалении остаточной влаги, плотность теплового потока, степень измельчения сыров и толщина слоя сушки;
- установлено, что повышение концентрации соли в сырной массе на 1% ведет к понижению криоскопической температуры на 0,6-0,8 С; в процессе созревания криоскопическая температура сыров снижается на 0,7-2,1 С;
- получена зависимость вымороженной влаги в сырах от температуры замораживания;
- установлено, что для замораживания сыра перед сублимационной сушкой наиболее целесообразно использовать самозамораживание;
- исследованы кинетические закономерности сублимационной сушки сыров. Получены температурные кривые и кривые скорости сублимационной сушки «Голландского», «Костромского» и «Пошехонского» сыров;
- изучена микроструктура сыров на различных этапах сублимационной сушки;
- разработана технология сублимационного высушивания сыров;
- произведено экономическое обоснование процесса сублимационной сушки сыров.
Теоретическая и практическая значимость работы. Исследованы закономерности процессов сублимационной сушки сыров, микроструктура сублимированных сыров. На основании результатов исследования разработана технология сублимационной сушки сыров.
Методология и методы исследования. Отбор и подготовку проб к анализу проводили по ГОСТ 26809, ГОСТ. Физико-химические показатели определяли по ГОСТ 3626-73, ГОСТ 5867-90, ГОСТ 3624, ГОСТ. Микробиологические показатели определяли в соответствии с СанПиН 2.3.4.551, СанПиН 2.3.2.1078, ГОСТ 10444.12-88, ГОСТ 10444.11-89. Микроструктурные исследования сыров осуществляли с помощью растрового сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-6390 LA. Хроматографические исследования проводили на аминокислотном анализаторе ARACUS. Анализ общего белка проводили по методу Дюма с использованием анализатора белкового азота RAPID N Cube. Определение дестабилизированного жира в сыре проводили по методу Н.А. Бойко и В.В. Фастовой. Равновесную влажность сыров определяли тензометрическим методом.
Положения выносимые на защиту.
-кинетические закономерности процессов сублимационной сушки сыров;
-влияние режимов сублимационной сушки на микроструктуру сухого сыра;
-влияние режимов сублимационной сушки на физико-химические свойства сухого сыра.
Степень достоверности и апробация работы. Основные положения диссертации получили одобрение на VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Качество продукции, технологий и образования» (Магнитогорск, 2011); IV Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2011); IV международной научно-практической конференции посвященной восьмидесятилетию факультета технологии молочных продуктов ОмГАУ «Перспективы производства продуктов питания нового поколения» (Омск, 2011); VI Международном фестивале: Праздник сыра (Барнаул, 2011); Инновационном конвенте: «Кузбасс: образование, наука, инновации» (Кемерово, 2011); были опубликованы. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе две статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, выводов, списка литературы и приложений, подтверждающих практическую значимость результатов.
Сыры как объекты сушки
Среди всех молочных продуктов сыры занимают исключительное место. Обладая высокой пищевой ценностью, они сочетают в себе молочные белки, молочный жир, минеральные соли, витамины и органические кислоты. Сыр -легко перевариваемый продукт. Он возбуждает аппетит и вместе с тем является незаменимым десертом. Используют сыр также в лечебном и профилактическом питании (при истощении после инфекционных заболеваний и хирургических операций, при туберкулезе, малокровии, в детском питании) [22, 36, 51].
Мировое производство всех видов сыров с 1999 по 2010 г. продолжало расти. Согласно данным FAO, в 2010 г. выработка всех видов сыров в мире составила 19778 тыс.т. Последние шесть лет ежегодный прирост объемов производства сыра в среднем составлял 2,3 %. Доля сыров из коровьего молока составляет 95-96 % в общем объеме произведенных сыров всех видов (сыры из молока коровьего, козьего, буйволиц и т.д.) [1].
Потребление сыров колеблется от 2 кг на человека в Японии и Южной Африке до 15-20 кг и более в год в таких странах, как Франция, Германия и Италия [123]. В России потребление сыра на сегодняшний день составляет около 2,6 кг в год на душу населения, то есть всего около 260-280 тыс.т. Например в Германии, которая занимает по разным данным первое или второе место по количеству импортируемого сыра в Россию, потребление составляет 24 кг на душу населения [18].
Пищевая ценность сыра определяется высоким содержанием в нем необходимых человеку составных частей пищи: белка, молочного жира, а также минеральных солей и витаминов в хорошо сбалансированных соотношениях и легкоперевариваемой форме. В сыре содержится большое количество свободных аминокислот, в том числе все незаменимые.
По энергетической ценности сыры занимают среди продуктов питания одно из первых мест. Так, энергетическая ценность 100 г. советского сыра составляет 1674 кДж, голландского брускового - 1510 кДж. С пищевыми продуктами животного происхождения человек получает в среднем не менее 30 % суточной потребности в белке и жире, 60 - в кальции, 50 % - в фосфоре и железе. Этому количеству пищевых веществ эквивалентны 140-150 г. полножирного зрелого сыра. При замене сыра другой пищей потребовалось бы соответственно 250-300 г. мяса или 300-350 г. рыбы [22, 85, 136].
Наиболее ценную составную часть сыра представляют белки. Молочные белки включают в себя комплекс всех аминокислот, необходимых человеку, и покрывают полностью потребность в этих кислотах. Молочные белки хорошо усваиваются организмом человека благодаря тому, что в сыре они в большей части находятся в состоянии расщепления (гидролиза) [39, 136].
На степень использования казеина существенно влияет соотношение фракций а -, (3 - и у -казеина. Если в молоке много / -казеина, который не свертывается сычужным ферментом, то степень использования казеина будет меньше и, наоборот, при незначительном содержании у -казеина степень использования казеина будет больше [81, 85].
При одинаковом содержании фракций казеина степень использования их выше при производстве мягких сыров, несколько ниже - твердых сыров с низкой температурой второго нагревания и еще ниже - твердых сыров с высокой температурой второго нагревания. Это объясняется тем, что самые крупные сырные зерна получают при выработке мягких сыров, а самые маленькие -твердых сыров с высокой температурой второго нагревания. Следовательно, при измельчении сгустка потери казеина с сывороткой неодинаковые: чем меньше зерна, тем потери больше [85, 86, 121].
Известно, что сыры, изготовленные из цельного молока, содержат большинство незаменимых жирных кислот; тем не менее предпринимались попытки увеличить количество полезных ненасыщенных кислот (в частности, линоле-вой) в кормах для коров, чтобы повысить их содержание в молоке. Большинство жирных кислот находится в составе триглицеридов, но до 5 г/кг сыра могут составлять свободные жирные кислоты, которые являются производными гидролиза молочного жира под влиянием микробных липаз, участвующих в процессе созревания многих сыров. Присутствие данных кислот необходимо для формирования вкуса при выработке некоторых видов сыра, и они быстро усваиваются в процессе пищеварения [60, 103].
Переход жира из молока в сыр зависит от многих факторов. Больше всего в сыр переходит (при всех остальных равных условиях) шарики жира средних размеров, затем мелких и крупных. Это объясняется тем, что при свертывании белков молока, особенно продолжительном, крупные шарики жира легко отстаиваются, не «захватываются» сгустком и переходят в сыворотку, а мелкие шарики не удерживаются сгустком, а «захватываются» выделяющейся сывороткой. При использовании гомогенизированного молока, в котором все шарики жира имеют одинаковый размер, потери жира с сывороткой уменьшаются [85].
Несмотря на то, что молоко содержит молочный сахар (лактозу), в зрелых сырах (и некоторых видах мягкого сыра) содержится крайне незначительное количество лактозы, поскольку она частично теряется с сывороткой в процессе производства сыра, а частично трансформируется в молочную кислоту или лак-таты [86].
Как правило, в созревающих сырах не должно содержаться молочного сахара, он полностью должен быть сброжен, в противном случае сыр не созре 26 ет. Если бы весь молочный сахар, имеющийся в молоке, перешел в сыр, то молочнокислые бактерии не смогли бы полностью использовать его. Это объясняется тем, что молочнокислые стрептококки начинают отмирать при накоплении в сырной массе около 2 % свободной молочной кислоты (примерно 220 Т). При эмульгировании в коровьем молоке они погибают при содержании молочной кислоты 1 % (примерно 120 Т). В сыре благодаря буферной способности белков они выдерживают кислотность равную 200-220 Т. Несколько большую концентрацию кислоты (2,6-3,5) % выдерживают молочнокислые палочки. В производстве твердых сыров использование молочного сахара должно быть не максимальным, а оптимальным, то есть в пределах до 10 % содержания его в молоке в зависимости от вида сыра. В большинстве случаев используется 5-7 % молочного сахара [85, 86].
Витамины в сыр переходят из молока. Так, витамин А почти полностью сохраняется в сыре, витамины Вх и В2 - примерно на 20 % от содержания их в молоке. Все это вместе с высокой усвояемостью составных частей сыра делает его очень ценным продуктом питания, особенно при комбинировании с пищей, богатой углеводами - хлебом, картофелем, макаронами и др. [294, 300].
Минеральные соли в сыре также имеют большое значение. Мясо и рыба по сравнению с сыром бедны кальцием (соотношение кальция к фосфору составляет в рыбе 1:11, в мясе 1:18), поэтому потребление наряду с мясными блюдами сыра увеличивает содержание кальция в пище и может снизить соотношение кальция к фосфору до 1:8, что значительно повышает минеральную полноценность пищи [22].
Вызывает опасение чрезмерно высокое содержание в сырах соли (NaCl) , однако необходимо заметить, что даже в странах с высоким уровнем потреблением сыра с ним в организм поступает не более 5 % от общего суточного потребления натрия на человека. Иными словами, большинство людей может, есть сыр без какого - либо ущерба для здоровья, и производители могут продолжать использовать соль в производственном процессе, заботясь, прежде всего об органолептических свойствах сыра [203].
В молоке присутствуют также микроэлементы, как цинк, железо, йод, селен и медь, и, хотя их поступление в организм с сыром невелико, при регулярном потреблении сыр может служить дополнительным источником этих микроэлементов [103].
В каталоге Международной молочной федерации описано около 500, в литературе упоминается до 5000 видов сыров [80]. Классификация сыров остается нерешенным до конца вопросом, что создает определенные трудности в торговле, подготовке кадров, планировании производства и научных исследованиях.
Попытки классифицировать сыры делали А.Н. Королев, И.Б. Гисин, А.И. Чеботарев, З.Х. Диланян, П.Ф. Крашенинин и др. [80, 81, 85, 119, 135]. Одни из первых в нашей стране были классификации А.Н. Королева: товароведная и технологическая. В товароведную классификацию А.Н. Королева кроме натуральных сыров вошли переработанные (рис. 1.9) [35, 59].
Выбор температуры замораживания при сублимационной сушке сыра
Замораживание сыров производили при температурах от минус 20 С, минус 30 С, минус 40 С, а также в среде жидкого азота при температуре минус 196 С.
В качестве показателей, по которым производили подбор температуры замораживания сыров, являлись: содержание азотистых соединений, состояние жировой фазы, скорость заморозки, микроструктура сыров.
Известно, что степень дестабилизации жира оказывает непосредственное влияние на процесс обезвоживания и качественные характеристики про 64 дуктов. Исследование влияния замораживания на дестабилизацию жира производили на примере «Голландского» сыра (табл. 3.3).
Исследование сыра до и после замораживания при различных температурах показало, что порядка 90 % жира, содержащегося в сыре, находится в дестабилизированном состоянии. Температура замораживания не влияет на изменение жировой фазы жира. При различных температурах замораживания дестабилизации жира не происходит вследствие плотной структуры, прочно удерживающей влагу, и высокой начальной концентрации электролитов в сыре. Из-за чего в процессе замораживания не может происходить миграция влаги в толще сыра и образование крупных кристаллов льда, способных вызывать разрушение оболочки жировых шариков.
Известно, что качественные показатели сублимированного продукта зависят от степени изменения белковых веществ при замораживании и сушке. Установлена зависимость содержания азотистых соединений в сыре от температуры замораживания. При температурах замораживания минус 20, 30 и 40 С содержание растворимого азота остается на прежнем уровне как и сыра до замораживания. При температуре замораживания минус 196 С происходит снижение содержания растворимого азота. Снижение содержания растворимых азотистых соединений в сыре при температуре замораживания минус 196 С происходит за счет уменьшения содержания растворимых белковых соединений. Данный факт можно объяснить тем, что при замораживании сыра до температуры минус 196 С происходит денатурация белка. Денатурация вызвана вымерзанием практически всей влаги содержащейся в сыре.
Установлено, что температура замораживание вызывает изменение орга-нолептических показателей сыров. Сыры замороженные при температуре минус 196 С имели белый цвет. При температуре замораживания минус 20, 30 и 40 С сыры имели желтоватый цвет практически идентичный тому который сыры имели до заморозки. Изменение цвета сыра связано с кристаллообразованием и изменением структуру сыра в зависимости от условий его замораживания.
На рис. 3.4 представлены фотографии микроструктуры «Голландского» сыра до замораживания и замороженного при температуре минус 40 С и минус 196 С.
Анализ фотографий микроструктуры сыра до замораживания и после замораживания при различных температурах позволило установить некоторые закономерности. При температуре замораживания минус 196 С образуется многочисленное количество мелких кристаллов льда, имеющих большую относительную и отражательную поверхность. При «шоковой» заморозке при температуре минус 196 С происходит механическое разрушение структуры сыра с образованием микротрещин размером от 10 до 50 мкм (рис. 3.4 в).
При температуре замораживания минус 40 С изменений в микроструктуре сыра не наблюдается. Фотография микроструктуры сыра замороженного при температуре минус 40 С имеет более светлый вид чем микрофотография сыра не подвергнутого заморозке вследствие того, что кристаллы льда частично отражают электроны при электронном микроскопировании.
На основании проведенных экспериментальных исследований по замораживанию сыров при температуре минус 20, 30, 40 и минус 196 С и скорости движения воздуха от 0 до 2,0 м/с были построены зависимости скорости замораживания (рис. 3.5).
Скорость замораживания является одним из основных факторов, определяющих обратимость биологических объектов. Согласно рекомендациям Международного института холода, средняя скорость замораживания определяется как отношение расстояния между поверхностью и геометрическим центром ко времени между моментами достижения на поверхности температуры 0 С и в термическом центре на 10 С ниже криорскопической температуры.
Анализ графиков представленных на рис. 3.5 позволил установить то, что кривые замораживания сыров имеют аналогичный характер изменения. Данный факт объясняется тем, что «Голландский»; «Костромской» и «Пошехонский» сыры имеют одинаковую массовую долю влаги (40-44 %) и соли (1,5-2,5 %).
Особо интенсивно процесс замораживания протекает при замораживании в парах жидкого азота (при температуре минус 196 С). Скорость замораживания без принудительного движения воздуха равна 15-16 см/час. При принудительном замораживании скорость заморозки может быть увеличена до 23-24 см/час.
При температурах замораживания минус 20, 30 и 40 С при увеличении скорости движения воздуха на 0,5 м/с скорость замораживания увеличивается на 0,3-0,5% см/час. Понижение температура от минус 20 до минус 40 вызывает увеличение скорости замораживания на 0,7-0,9 см/час.
Исследование влияния температур прогрева на продолжительность сушки и свойства сухого сыра
При сушке максимальному тепловому воздействию подвержены поверхностные слои, из которых влага удаляется в первую очередь. Поэтому процесс сублимационной сушки сыра требуется контролировать по температуре поверхностного слоя. Для подбора температуры прогрева «Голландского», «Костромского», «Пошехонского» сыра были исследованы процессы сушки при температуре прогрева 50, 60, 70 и 80 С. Поддержание требуемой температуры осуществляли с помощью подвода теплоты от нагревателей.
Органолептическую оценку сухих сыров оценивали по специальной методике. В качестве критериев оценки были выбраны вкус и запах - 15 баллов, консистенция - 10 баллов, цвет - 5 баллов. Результаты оценки сухих сыров, выработанных при различных температурах, представлены в табл. 3.4.
Органолептическая оценка сыров снижается при температуре сушки более 60 С. При температурах 70 и 80 С сыр имел изменения в цвете, а также его поверхность подгорала. Происходили в изменения во вкусе, связанные с частичным вытапливанием жира и его прогорканием.
На рис. 3.12 представлены графики изменения температуры «Голландского» сыра и остаточного давления в камере. По графикам изменения температуры сыра и давления в камере процесс сублимационной сушки можно разделить на три периода.
Первый период (50-60 минут) - самозамораживание образцов в результате снижения давления в камере до значения (15-50) Па. Откачка воздуха сопровождается расширением остающегося в камере воздуха, в результате температура в камере снижается от 17,8 до 13,9 С. В этот период происходит интенсивное испарение влаги с поверхности материала и постепенное его замораживание от поверхности к центру.
Второй период - сублимация влаги из сыра. Этому периоду соответствует постоянная скорость сушки. Давление в камере устанавливается на уровне 30-40 Па, температура постепенно снижается до величины 10-12 С. Этому периоду соответствует фазовое превращение влаги на линии сублимации из льда в пар. Общая продолжительность периода (240-300) минут.
Третий период (90-120 минут) - период удаления остаточной влаги, имеющей наиболее прочную связь с сухим веществом. Отличительной особенностью периода является небольшое увеличение давления от 30 до 60 Па в течение 30 минут. Это связано с тем, что вследствие подвода тепла происходит плавление льда, невымороженного в первом периоде и дальнейшее испарение жидкой влаги. Затем давление снова снижается и в конце процесса сушки составляет 25 Па, температура в продукта повышается до (35-40) С. Общая продолжительность периода 120 минут.
Известно, что чем больше влаги удалится в период сублимации, тем выше качественные показатели сухого продукта. Количество влаги удаленной из продукта в период сублимации зависит от структуры и физико-химических свойств продукта. Результаты определения удаленной влаги из сыров в процессе сублимационной сушки представлены в табл. 3.5.
С повышением температуры прогрева более 50 С в период сублимации удаляется наибольшее количество влаги (60,0-63,5 %) и уменьшается удаление остаточной влаги на завершающем этапе сушки (до 24,0-28,0 %). Следовательно, наиболее экономично применять при сублимационной сушке температуру прогрева белее 50 С, так как при температурах прогрева от 60 до 80 С интенсифицируется удаление влаги.
В табл. 3.6 приведена продолжительность сублимационной сушки сыров и массовая доля влаги сухих сыров в зависимости от температуры сушки.
При температуре сушки 50 С массовая доля влаги сухих сыров составляет 7,8-8,2 %, продолжительность сушки при данной температуре 480-490 минут. С повышением температуры сушки до 60-80 С массовая доля влаги сухих сыров становится равной 3,9-4,2 %. При повышении температуры сушки на 10 С в интервале температур от 60 до 80 С продолжительность сушки сокращается на 30-40 минут.
В табл. 3.7 приведена массовая доля азотистых соединений в «Голландском» сыре до и после сублимационной сушки в зависимости от температуры Сушки.
При сублимационной сушке происходит снижение растворимых азотистых соединений, как белковых так и небелковых. Установлено, что чем выше температура сушки, тем больше потери белкового и небелкового азота. При температуре сушки: до 50-60 С происходит потеря от 6,1 до 12,2 % растворимого азота; до 70-80 С происходит потеря от 12,1 до 16,8 %.
В ходе проведения исследований по выбору температуры сублимационной сушки сыра возникла необходимость определения потери аромата сыра в зависимости от температуры сушки. Аромат сыру придают летучие жирные кислоты. Произвели определение содержания летучих жирных кислот сыра до и после сублимационной сушки (табл. 3.8).
Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что в процессе сушки происходит потеря летучих жирных кислот, причем тем больше чем выше температура сушки. При температурах 50-60 С потеря летучих жирных кислот составляет от 28,8 до 33,1 %; при 70-80 С потеря летучих жирных кислот составляет 38,8 до 43,5 %.
Качественные показатели сухих сыров зависят не только от температуры сушки, но и от величины тепловой нагрузки. Так как именно величина тепловой нагрузки влияет на прогрев и как следствие на скорость удаление влаги. При больших значениях тепловой нагрузки происходит быстрый прогрев продукта, поверхность продукта обезвоживается, при этом образуется сухой поверхностный слой, который мешает удалению влаги из внутренних слоев продукта. При низких значениях тепловой нагрузки прогрев продукта происходит медленно, что приводит к увеличению продолжительности процесса сушки.
Поэтому рациональная величина тепловой нагрузки должна обеспечивать достаточно быстрый прогрев продукта без образование сухого слоя на его поверхности. Плотность теплового потока рассчитывали как количество подведенной теплоты от нагревателей (кВт), отнесенное к площади осушаемого продукта (м2). Для определения рациональной величины плотности теплового потока «Голландского», «Костромского» и «Пошехонского» сыра проведены исследования при различных его значениях: 1,53; 3,37; 4,3; 5,22; 9,2 кВт/м2.
Сухие сыры, полученные при различных значениях плотности теплового потока, оценивали по органолептическим показателям (табл. 3.9).
При подборе плотности теплового потока, который необходимо применять на стадии прогрева сублимационной сушки сыров температуру сушки поддерживали равной 60±1 С.
На основании данных приведенных в табл. 3.9 наблюдается снижение ор-ганолептической оценки сухих сыров при тепловой нагрузке более 4,3 кВт/м2. Органолептическая оценка снижается из-за наличия пригорелых поверхностей сыра и отклонений в цвете. Массовая доля влаги в сухом сыре при тепловой нагрузке 4,3 кВт/м2 не превышает 4,0 %. Следует отметить, что массовая доля влаги в сухих сырах увеличивается при уменьшении тепловой нагрузки.
На рис. 3.13 приведены графики изменения тепловой нагрузки в процессе сушки «Голландского» сыра.
Учитывая особенности процесса сушки и качественные показатели сухого «Голандского», «Костромского» и «Пошехонского» сыра рациональной плотностью теплового потока является 4,3±0,3 кВт/м2.
Таким образом, установлено, что при сублимационной сушке сыров необходимо использовать температуру сушки равную 60±1 С. При данной температуре сушки сухой сыр имеет высокие органолептические показатели, процесс сушки характеризуется минимальной продолжительностью и высокой экономичностью. При температуре сушки 60±1 С в период сублимации удаляется 60,0-63,5 % влаги от общего количества; продолжительность процесса Сублимационной сушки «Голландского», «Костромского» и «Пошехонского» сыра до массовой доли влаги 4,0-4,3 % составляет 420-430 минут; снижение растворимых азотистых соединений происходит не более чем на 12,2 %; концентрация летучих жирных кислот снижается не более чем на 33,1 %.
Установлено, что качественные показатели сухих сыров зависят не только от температуры сушки, но и от величины тепловой нагрузки. Доказано, что сублимационную сушку сыров требуется проводить при тепловой нагрузке 4,3±0,3 кВт/м2. При данной тепловой нагрузке сыр имеет высокие качественные показатели, массовую долю влаги не более 4,0 %, минимальную продолжительность процесса сублимационной сушки, равную 360-420 минут.
Исследование влияния заморозки и сублимационной сушки на микроструктуру сыров
Каждый вид сыра имеет свою, характерную для него микроструктуру, но в целом у всех сычужных сыров она состоит из одних и тех, же структурных элементов. В макрозернах содержатся различные включения - микрозерна. К ним относятся жировые частицы, кристаллические отложения солей кальция и колонии микроорганизмов [131].
Характер консистенции сыра определяется в первую очередь его структурой - размерами и распределением макро- и микрозерен. Другими факторами, влияющими на консистенцию сыра, является скорость и степень распада белков, состав не распавшегося параказеинового комплекса (содержания в нем кальция), количество и состояние в сырной массе влаги, жира и т.д. Состав параказеинового комплекса обуславливает способность сырной массы связывать й удерживать влагу. Она тем выше, чем больше в комплексе кальция и наоборот. Содержание кальция в комплексе зависит от количества накопившейся в сырной массе молочной кислоты. При значительном количестве кислоты процесс отщепления кальция от комплекса идет активно, масса плохо набухает и сыр приобретает колющуюся и крошливую консистенцию.
Рассмотрим влияние сублимационной сушки с самозамораживанием на структуру исследуемых сыров.
На рис. 3.17 приведены микрофотографии структуры сыров «Голландский», «Костромской» и «Пошехонский» до и после сублимационной сушки.
Для удобства сравнения капиллярного строения сырной массы сыров кратность увеличения микрофотографий 200 раз. Сыры сублимационной сушки имеют развитую поверхность, с четко выделенной капиллярной структурой. При чем из рис. 3.17 г, д видно, что фотография капилляра сделана в продольном разрезе, а на рис. 3.17 е - в поперечном. Средний размер капилляров сыров сублимационной сушки равен от 5 до 30 мкм.
На микрофотографиях сыра до сушки капиллярное строение просматривается хуже из-за наличия в капиллярах влаги. Однако по микрофотографиям представленным на (рис. 3.17 а, б, в) в продольных изломах видны капилляры, размеры которых равны от 5 до 40 мкм. Установлено, что в процессе сублимационной сушки сыров «Голландской группы» практически не происходит усадки. На рис. 3.18 представлены микрофотографии сублимированных сыров при кратности увеличения 2000 раз. При увеличении в 2000 раз отчетливо видны капилляры сыра.
На микрофотографии «Голландского» сыра (рис. 3.18 в) обнаружены глобулы жира размером от 3 до 15 мкм расположенные на стенках капилляров. Во всех видах исследуемых сыров отложений солей кальция не было обнаружено. За счет того, что в процессе сублимационной сушки влага удаляется из замороженного продукта, усадки сыров не наблюдается.
Основными компонентами в микроструктуре сыров являются: жировые капли, липоидные и белково-липоидные микрозерна; кристаллические микрозерна; колонии микроорганизмов [149].
Глобулы жира имеют диаметральный размер до 300 мкм. При микроскопическом анализе структуры сыров жировые глобулы обнаружены как свободный жир. Глобулы жира равномерно распределены по всей толще сыра, по всем макрозернам. Именно жировые капли, их форма, способ расположения в основном и придают специфический рисунок сыру.
На рис. 3.19 приведено расположение глобул жира. Дисперсность жировой фазы в разных сырах мало чем отличаются. Размер жировых капель составляет от 50 до 300 мкм. Следует отметить, что в сухих сырах жировая фракция заключена в белковом матриксе, на поверхности жира практически не наблюдается.
Однако при отклонении режима сушки от рационального происходит дестабилизация жировой фазы. При повышении температуры или тепловой нагрузки жир вытапливается, образую пленку на поверхности сыра (рис. 3.20). Рациональной температурой удаления остаточной влаги при сублимационной сушке «Голландского» сыра является 60 С. Данная фотография микроструктуры сделана после сушки при температуре 90 С.
Для микроструктуры сыров характерны отложения солей кальция. Впервые они были обнаружены Г.Г. Тиняковым и Г.А. Михеевой, затем их наличие гистохимически было подтверждено В.Г. Тиняковым [100].
Г.Г. Тиняков, В.Г. Тиняков отмечают, что соли кальция четко выделяются с помощью реакции Косса [100]. Реакция Косса положительна только в присутствии углекислых и фосфорнокислых солей кальция. Углекислые соли не содержатся в сыре, поэтому можно предположить, что реакция выявляет фосфорнокислые соли кальция. Отложения солей кальция окрашиваются гематоксоли-ном в синий или фиолетовый цвет, поэтому хорошо выявляются. Однако следует применять только спиртовую фиксацию, так как фиксация в формалине приводит к частичной резорбции отложений солей кальция, сохраняются лишь их зернистые остатки.
Нами отложения фосфата кальция в сыре обнаружены с помощью электронного микроскопирования. При исследовании микроструктуры сыров до и после сушки было обнаружено свечение отдельных частиц, содержащиеся в сыре под действием пучка электронов при электронном микроскопировании (рис. 3.21). Это обусловлено возбуждением молекул под действием пучка электронов.
Для идентификации данных частиц был проведен анализ распределения отдельных элементов в сырной массе. Получены карты распределения элементов в сырах до и после сушки (рис. 3.22, 3.23). На картах распределения элементов четко определены места нахождения фосфора и кальция. Расположение фосфора и кальция геометрически совпадают между собой. Сыр после сушки имеет четкий рисунок на картах распределения фосфора и кальция. Соли кальция в сыре представлены фосфатом кальция. Причем расположение фосфора и кальция точно совпадают с местами святящихся частиц на фотографиях.
Сухой фосфат кальция не проводит электрический ток. Под действием пучка электронов молекулы фосфата кальция возбуждаются и светятся. При сушке частицы фосфата кальция агрегируются, за счет чего увеличиваются в размерах. До сушки частицы фосфата кальция в сыре имеют размер (10-12) мкм и равномерно расположены друг от друга (рис. 3.21 а, в, д). После сушки размер частиц фосфата кальция увеличивается до (20-30) мкм. В сухом сыре фосфат кальция концентрируется и объединяется между собой (рис. 3.21 б, г, е). Наибольшая концентрация частиц фосфата кальция происходит в порах и микропустотах сухого сыра (рис. 3.21 е).
Фосфат кальция представляет собой скопление кристаллических микрозерен (рис. 3.24). Кристаллическими микрозернами называются морфологические образования округлой формы, состоящие из клиновидных кристаллов диаметром (10-15) мкм.
В зрелом «Костромском» и «Пошехонском» сыре обнаружен лактат кальция (рис. 3.25). Образование лактата кальция связано с процессом созревания сыра, так как он обнаруживается только в зрелых сырах [155]. Размер лактата кальция в «Костромском» и «Пошехонском» сыре 200x150 мкм.
