Введение к работе
Актуальность работы. Спад производства сыров, наблюдающийся в последнее время в промышленности, требует своевременного решения возникающих проблем. Быстрый рост объемов производства сыров возможен на основе использования всех современных достижений в области технологии и техники сыроделия.
В исследовательской практике при создании новых технологий сыров, проведение воспроизводимых экспериментов затруднено из-за вариаций качества сырья, используемых компонентов, спектра технологических приемов и многих других факторов.
Практическая проверка теоретических предпосылок в области разработок новых технологических решений в полном объеме невозможна из-за сложности аналитического сопровождения.
Установленные к настоящему времени взаимосвязи между параметрами производства и физико-химическими, биохимическими и микробиологическими процессами при созревании сыра не позволяют в полной мере прогнозировать результаты экспериментов.
Многие исследователи уделяли серьезное внимание вопросам моделирования воздействия отдельных факторов на выходные и промежуточные характеристики сыров. Практически в той или иной степени каждый из авторов использовал математические модели различной степени сложности. Липатов Н.Н., Дилаиян З.Х., Крашенинин П.Ф., Гудков А.В., Рогов И.А., Захарова Н.П., Липатов Н.Н.(мл,), Раманаускас Р.И., Харитонов В.Д., Табачников В.П., Шилер Г.Г., Остроумов Л.А., Храм-иов А.Г., Свириденко Ю.Я., Климовский И.И., Шалыгина A.M., Алексеев В.Н.. Сурков В.Д. широко использовали математическое описание динамики формирования реологических, органолептических и физико-химических свойств сыра на различных стадиях его производства. Большое внимание моделированию развития микроорганизмов в различных субстратах и в сыре уделяли Гудков А.В., Свириденко Ю.Я., Перфильев Г.Д., Гаврилова Н.Б., Ризниченко Г.Ю., Варфоломеев С.Д., Калюжный СВ., Рубин А.Б., Гриневич А.Г., Босенко A.M.. Воробьева Л.И.
Несмотря на огромный фактический материал и многократные попытки его анализа в виде математических зависимостей, до сих пор не удалось создать модель, адекватно описывающую формирование физико-химических и органолептических характеристик сыра. В большинстве случаев исследователи используют либо стандартные функции, аппроксимирующие целевую функцию на основе многочленов, либо подбор коэффициентов в уравнениях с известным механизмом взаимосвязи между входными и выходными параметрами. Более сложные модели баш-руются на более сложном математическом аппарате.
Вариабельность поставленных целей влечет за собой и изменение подхода к построению модели. Наиболее распространенным является ме-
тод, основанный на использования результатов обработки полнофа торного или дробного факторного эксперимента. Он дает возможное быстрого и достаточно точного анализа влияния возмущающих факі ров на жецесс, особенно в случае безразмерного выражения факторов, сожалению, довольно часто этот метод не позволяет вскрыть механи воздействия влияющего фактора на выход процесса. Зачастую иепол зуемые модели либо статичны, либо маломерны. Практически все они имеют в своем составе элементов обратной связи, обязательных для лі бых реальных процессов.
Сложная задача моделирования созревания сыра должна быть р; бита на элемеш арные (по возможности) фрагменты, объединенные с шей структурой взаимосвязей. Основополагающими элементами должі быть вопросы моделирования жизнедеятельности микроорганизмов сырной массе, изменяющейся под воздействием внутренних и внешн факторов.
Наличие такой модели позволит провести системный анализ техн логин производства сыров, установить пределы устойчивой реализац различных процессов, выявить перспективные направления в развит практического сыроделия.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы являлись і следования бпосистемы сыра путем изучения основных закономерност физико-химических и биотехнологических процессов и их влияния жизнедеятельность микрофлоры, а также создание математических \ делен для управления процессами производства и разработки нозі технологий сыров.
В соответствии с поставленной целью пр« выполнении^ работы і шались следующие задачи:
исследование влияния основных факторов на качеств< ные показатели твердых.сычужных сыров;
анализ обобщающих технологических параметров прої водства сыров данной группы и отличительных параметров частных т< нологий, выбор приоритетных факторов влияния для построения ма матической модели;
изучение структурно-механических характеристик сьгрн массы при варьировании воздействующих факторов;
исследование процессов газообмена в отдельных вн;, твердых сычужных сыров и их влияние на формирование рисунка;
изучение закономерностей диффузии соли в процессе г солки и созревания сыров, посоленных различными способами;
разработка математических моделей формирования стр; турно- механических и органолептических характеристик сырной мае и математической модели развития микроорганизмов в среде обитали обоснованием структуры взаимодействия объектов моделирования общем поле;
исследование адекватности поведения моделей на воздействие различных факторов;
разработка и создание баз данных применительно к технологиям основных видов твердых сычужных сыров, содержащих параметры производства сыра, нормы расхода сырья, химический состав продукта в динамике и коэффициенты, используемые в уравнениях для построения модели созревания сыра;
разработка и создание баз данных, включающих основные физиолого-биохнмнческие свойства микроорганизмов, участвующих в процессе созревания твердых сычужных сыров;
разработка и создание баз данных, предусматривающих расчет эффективности использования различных технологий производства твердых сычужных сыров;
практическая реализация математической модели на примере разработки перспективной технологии производства сыра.
Научная новизна. Исследовано влияние технологических параметров выработки твердых сычужных сыров на формирование их физико-химических свойств, изучен состав и динамика изменений газовой фазы; влияние реологических характеристик и закономерностей газообмена в сыре па формирование рисунка, установлены аналитические зависимости, связывающие их. Проведены стерсологические исследования сыров различных видов, изучено влияние режимов посолки, геометрических размеров и параметров рассола на особенности диффузии соли в сырную массу.
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 математического моделирования применительно к теории и практике сыроделия.
Разработана структура модели технологического процесса производства сыра, состоящая из двух подсистем: формирования физико-химических свойств сырной массы.как среды обитания микроорганизмов, и развития микрофлоры сыра на разных этапах производственного цикла. Модель позволяег прогнозировать технологические преобразования как в геометрическом пространстве (в объеме головки сыра), так и во времени (в течение процесса созревания). Обоснована структура взаимодействия объектов моделирования на общем поле, учитывающая влияние как внешних, так и внутренних факторов.
Дано теоретическое обоснование интегрального показателя воздействия окружающей среды на развитие микроорганизмов, объединяющего все воздействующие факторы. С его использованием разработаны модели развития микроорганизмов в среде обитания. В качестве основного элемента моделирования принято вычисление вероятности деления единичной клетки и вероятности гибели клетки под воздействием внешних условий. Особенностью модели является возможность прогнозировать
развитие нескольких видов микроорганизмов в едином замкнутом объеме при услонии конкурентной борьбы за источники энергии и питания.
Исследованы и теоретически обоснованы режимы безыгольной инъекционной иосолки сыров, позволяющей заменить частичную посол-ку в зерне па струйное инъецирование рассола в сформованную и отпрессованную сырную массу.
Разработаны и практически реализованы системы формализации и хранения данных, о физнолого-бнохимических свойствах заквасочных и сопутствующих микроорганизмов, параметрах производства основных видов твердых сычужных сыров, нормах расхода сырья, химическом составе сырной массы в динамике и коэффициентах, используемых в уравнениях для построения модели созревания сыра. Описание свойств представлено в виде пополняемых баз данных и использовано для динамического моделирования.
Разработана комплексная модель созревания сыра, позволяющая прогнозировать изменение физико-химических свойств сырной массы, развитие н пси микрофлоры, а также формирования рисунка на любом интересующем исследователя конкретном этапе.
Теоремі чески обоснована и практически подтверждена высокая информативность рисунка как индикатора правильного хода биохимических и микробиологических процессов в сырной массе.
Проведен анализ современных технологий производства твердых сычужных сыров как экологических систем, включающий аспекты формирования среды обитания н развития в ней микрофлоры.
I !ра.Ю нческая значимость. Результаты работ, включенных в диссертацию, нашли практическое применение при разработке новых технологий производства сыров ("Сибиряк", "Бийский", блочного сыра "Богатырь" и другие), а также совершенствовании традиционных технологий (советский, эмментальский блочный, российский и другие сыры).
На основе системного анализа результатов научно-исследовательских работ, проводимых в НПО "Углич", Алтайском и Литовском филиалах ВНИИМС, Ереванском зоотехническо-ветеринарном институте, Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности и н других научно-исследовательских организациях и вузах России и стран СНГ в течение 70-90 гг., отечественных и зарубежных публикаций, а также собственных исследований автора разработаны структуры построения на ПЭВМ и созданы базы данных:
-технологического направления, содержащие параметры производства основных видов твердых сычужных сыров, нормы расхода сырья, химический состав продукта в динамике и коэффициенты, используемые в уравнениях для построения модели созревания сыра;
микробиологического направления, включающие показатели основных физиолого-биохимических свойств микроорганизмов, участвующих в процессе созревания твердых сычужных сыров;
-жаіюнпчсскосо направления, позволяющие осушесівлягь расчет >ффекіивносіи различных технологий производства тверды ч сычужных сыро».
Ра (рабо г an способ безыголыюй инъекционной посилки сыров применительно к крупноблочным сырам н сырам с высоким уровнем молочнокислого брожения. Интенсифицированная технолошя посолки российского сыра позволила в 2-3 раза сократить продолжи і ельность досаливания в рассоле за счет ускорения массообменных процессов.
Разработан и внедрен в практику исследований ряд оригинальных методов исследования физико-химических и структурно-механических . свойств сырной массы, качественного и количественного состава газовой фазы сыра. С их использованием усовершенствована технология производства советского сыра в части предотвращения развития порока "самокал", уточнены режимы посадки эмментальского сыра, способствующие формированию типичного рисунка.
Разработаны методы неразрушающего контроля рисунка в сыре и практические рекомендации по их использованию. При выполнении работы созданы оригинальные методы (А.с.499530, 515050, 5S6I28, 661987), позволяющие контролировать, и прогнозировать динамику формирования рисунка в сырной массе.
Отдельные разработки явились основанием для создания новых ви- . дов технологического оборудования (А.с.884635, 1585908, 1717026, 1722379). На все разработки утверждена соответствующая нормативно-техническая документация.
Апробация работы. Основные результаты исследований опублико- . ваны и доложены в материалах XX и XXI Международных конгрессов по, молочному делу (Париж, 1978: Москва, 1982), на Всесоюзных и республиканских научно-технических конференциях (Ереван, 1977; Омск, 1989;.. Москва, 1979, 1980,1981,1999; Каунас, 1977; Ставрополь, 1977; Углич, 1978,1979,1982 1988,1989; Ярославль, 1979,1991; Ленинград, 1998; Барнаул, 1974, 1979,1981, 1983,1989,1999; Кемерово, 1999; Юрга, 1999), на заседаниях Ученых советов НПО "Углич", {СемГИППа и Алтайского филиала ВНИИМС.
Ряд разработок демонстрировался в павильоне "Молочная промышленность" ВДНХ СССР, за одну из них автор награжден серебряной медалью и грамотой. Отдельные положения диссертации автор докладывал на заседаниях кафедры "Машины и аппараты пищевых производств" Алтайского политехнического университета.
Публикации. . Основные положения диссертации изложены в монографии "Математическое моделирование биотехнологических процессов производства сыров"- 14,3 п.л. (1999) и в 82 работах, опубликованных в журналах "Молочная промышленность" и "Сыроделие", научных трудах RHMHMC. КемТИПП, МТИММП, трудах Международного молочного конгресса, материалах Всесоюзных и отраслевых на-
упіо-іехппчсскпх конференции п совещании. По результатам пес донлпнй ію.тучеио 12 лнюрских свндеіеді.сів. 'іначигелі.пля часи, ма риалов изложена и 22 отчеіах о ііаучіїо-псслслоііаісльскпх работах, і: полненных пол руководством или iij)ji непосредственном участии лвтог
Основные ноложени», выносимые на защип:
результаты исследовании по изучению влияния технологическ параметров производства на формирование физико-химических, стр; турпо-мехічінческіїх и микробиологических характеристик сыра и взаимосвязь и процессе его созревания:
концепция образования и развития рисунка в сыре, основные кономериостп газообмена в сырной массе, их выммосвязь с количеств! нымн критериями готовою продукта:
исследование процессов изменения физико-химических СВОІІС сыра и развития в кем микрофлоры, как формирования замкнутой эь логической системы:
концепция разработки структуры математической модели форм рованпя характерник сыра, как развития экологической системы:
новые зехно.чогки. технологические и технические решения в с ласти создания новых видов сыров.
Объем работы Диссертация состоит из введения, обзора литератур результатов исследований, изложенных в семи главах, выводов, спис литературы (471 источник) и приложений.
Основной текст работы изложен на 326 страницах, включает 49 та лиц, 80 рисунков.
* Экспериментальные и теоретические исследования выполнены рамках тематического плана Алтайского филиала ВИИИМС (СибННС ТПМ) по государственной тематике, отраслевым планам и поисковь исследованиям, а также на сыродельных заводах Алтайского края.
Общая схема исследований приведена на рис. I.
В первом цикле исследований проводился анализ общих закономе ностей изменения свойств сырной массы в процессе созревания, влиян параметров технологических процессов на формирование физик химических .характеристик. На основании проведенных экспериментов анализа литературных данных были ранжированы факторы, влияют на состояние сырной массы на различных этапах производства.
. Параллельно проводился анализ состава и свойств микроорганс мов, принимающих участие в процессе созревания сыра. Анализу подве тлись как закилсочиые (культурные) микроорганизмы, так и "дикие представители остаточной микрофлоры. \
Общая схема проведения исследований
Аналю общих закономерностей изменения свойств сырной массы
Аиалт юмеиешы физико- химических
СВОЙСТВ СЫрОВ И
определение ігриоритетов
Изучение динамики изменения
характеристик сыро во времени
и в объеме сырной массы
Анализ состава
и свойств микроорганизмов,
принимающих участие в процессе
созревания сыра
Изучение и анализ
основных
физиолога- биохимических
свойств микроорганизмов
Анализ влияния технологических
операций производства сыра
Формирование базы данных
Технология
Разработка системы формализации описания свойств сырной массы
Разработка системы формализации описания свойств микроорганизмов
Создание базы данных СВОЙСТВА МИКРООРГАНИЗМОІ
Разработка структуры модели формирования
физико-химических свойств сырной массы
Создание
базы данных
СЫРНОЙ
МАССЫ
Разработка модели
развития микроорганизмов
в среде обитания
оздаиие модели формирования
структурно- механических
свойств сырной массы
Разработка модели развития рисунка в сырной массе
Создание модели развития микрофлоры в сырной паса
Исследование динамики изменения количества
и состава микрофлоры.физико- химических и
структурно- механическихсвойств сыров
Проведение экспериментальных выработок сыров
Проверка адекватности моделей
Уточнение параметров моделей
Практическое применение моделей при разработке и модернизации технологий производства сыров
Рис.1
И качестве объектов исследования выбраны твердые сычужные сыры: совсіский, швейцарский традиционный и швейцарский блочный, голландский брусковый, эмментальский блочный, российский, новосибирским, бийский, "Сибиряк", "Богатырь". На основании анализа динамики изменения характеристик сыров в процессе созревания устанавливались общие закономерности изменения физико-химических и структурно-механических свойств сырной массы.
В сырах различных видов исследовали в динамике следующие физико-химические показатели: массовые доли влаги и соли, содержание соли в водной фазе сыра, активность воды, титруемая и активная кислотность, формы связи влаги. Измерения исследуемых показателей проводили в различных і очках монолита сыров.
В сооїнегствии со схемой проведения исследований на разных этапах определяли следующие реологические характеристики (твердость, вязкость, период релаксации, модуль упругости). В процессе созревания сыров кош рокировали развитие и формирование рисунка. Для этой цели использовали специальное рентгеновское оборудование и метдики
11а основании резулыаюв лого цикла исследований разработаны и созданы: баїа данных "СВОЙСТВА СЫРНОЙ МАССЫ" и модели формирования физико-химических и структурно-механических свойств сырной массы.
В рамках пего же цикла работ сформирована база данных "ТЕХНОЛОГИИ", в которой в формализованном виде аккумулировалась информация о параметрах основных и вспомогательных технологических операций, применяемых и сыроделии.
Во втором цикле работ на основании литературных данных и специальных исследований проводился анализ основных физиолого-бнохимических свойств микроорганизмов, участвующих в процессе созревания твердых сычужных сыров.
На основании изучения воздействия параметров окружающей среды на развитие микроорганизмов разработана формализованная система описания их свойств и разработана модель развития популяции микроорганизмов п сырной массе.
С использование системы формализации данных разработана структура и создана база данных "'СВОЙСТВА МИКРООРГАНИЗМОВ".
Второй этап работы предполагал создание модели, обобщающей данные по формированию физико-химических свойств сырной массы и развитию микроорганизмов. При этом учитывалось как влияние среды обитания на микрофлору, ее населяющую, так и обратное воздействие микрофлоры на среду обитания. На этом же этапе разрабатывалась модель формирования рисунка в сыре, как процесса, протекающего с участием газов, образующихся в результате различных типов брожения.
Третий тгап включал проверку адекватности модели развития микрофлоры и формирования физико-химических свойств сыра.
В экспериментальных условиях проведены выработки сыров по различным технологиям. Параметры моделей уточнялись посредством проведения контрольных анализов. Модели в той или иной мере применялись при разработке новых технологий и новых процессов производств сыра. В полкой мере модель использовалась при проектировании и отработке технологии блочного сыра "Богатырь".
При выполнении исследований использовали общепринятые и оригинальные методики.
