Теоретическое обоснование и практическая реализация технологии сухого сырного продукта

На правах рукописи

ЕРМОЛАЕВ Владимир Александрович

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

ТЕХНОЛОГИИ СУХОГО СЫРНОГО ПРОДУКТА

Специальность 05.18.04 – технология мясных, молочных

и рыбных продуктов и холодильных производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Кемерово 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (ФГБОУ ВПО КемТИПП).

Научный консультант: заслуженный деятель науки и техники Российской

Федерации, доктор технических наук, профессор

Остроумов Лев Александрович

Официальные оппоненты: Майоров Александр Альбертович,

доктор технических наук, профессор,

Государственное научное учреждение

«Сибирский научно-исследовательский институт

сыроделия» Российской академии

сельскохозяйственных наук, директор

Помозова Валентина Александровна,

доктор технических наук, профессор,

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение «Кемеровский

технологический институт пищевой

промышленности», зав. кафедрой «Технология

бродильных производств и консервирования»

Мотовилов Олег Константинович,

доктор технических наук,

Государственное научное учреждение

«Сибирский научно-исследовательский

институт переработки сельскохозяйственной

продукции» Российской академии

сельскохозяйственных наук, директор

Ведущая организация: Государственное учреждение Ярославской области

«Ярославский государственный институт

качества сырья и пищевых продуктов»

Защита диссертации состоится «19» декабря 2013 г. в 10-00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.809.01 при ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47, 4-я лекц. ауд., тел/факс: (8-384-2) 39-68-88.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». С авторефератом можно ознакомиться на официальных сайтах ВАК Минобрнауки РФ ( http://vak.ed.gov.ru ) и КемТИПП (www.kemtipp.ru).

Автореферат разослан «______» __________________ 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Кригер Ольга Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Молочным продуктам отводится важная роль в организации питания населения. Среди них сыр занимает особое место. Он является концентрированным, легкоусвояемым белковым продуктом, обладающим хорошими органолептическими свойствами. Пищевая ценность сыра обусловлена высокой концентрацией в нем белков, жиров, незаменимых аминокислот, солей кальция и фосфора, необходимых для нормального развития организма человека. Сыр рекомендуется людям разных возрастов и занятых различными видами труда. Сыр включают в рацион питания больных диабетом, хроническим гепатитом, при заболевании печени, малокровии.

Повышение качества, расширение ассортимента и улучшение пищевой ценности продуктов питания – одни из важнейших задач. Проведенный анализ современных способов консервирования пищевых продуктов в нашей стране и за рубежом позволяет сделать вывод о том, что вакуумная сушка – один из наиболее перспективных методов консервирования пищевых продуктов. Он позволяет получить сухие продукты, по качественным показателям не уступающие продуктам сублимационной сушки, при значительно меньших удельных затратах на их производство, так как при вакуумной сушке не требуется замораживания продукта за счет чего происходит сокращение процесса сушки. Консервирование методом вакуумной сушки не требует добавления каких-либо химических и других ароматизаторов, консервантов, стабилизаторов.

В настоящее время проблема сушки влажных материалов решается по следующим основным направлениям: аналитические методы исследования и расчета процесса сушки; исследование и уточнение механизма внешнего и внутреннего переноса энергии и массы при различных способах сушки; развитие технологии и техники сушки. Перед техникой сушки стоят задачи изыскания новых, более эффективных методов обезвоживания, создания высокопроизводительных установок, входящих в состав поточных линий, а также автоматизации контроля и регулирования процессов сушки.

Степень проработки темы исследований. Актуальной задачей является увязка инженерных расчетов с кинетикой сушки, поэтому особо важны работы, в которых предлагаются аналитические зависимости для расчета продолжительности процесса (А.В. Лыков, П.Д. Лебедев, В.В. Красников, А.С. Гинзбург и др.). Над проблемами производства сухих молочных продуктов работает ВНИМИ и другие научные организации. Производством сухого сыра различными способами сушки в нашей стране занимались П.О. Крашенинин, В.П. Табачников, Л.П. Юдин, Т.Е. Кокшарова, А.А. Макарьин, В.Е. Куцаева, В.Д. Харитонов, Е.С. Хутиева, В.Ф. Роздова, И.К. Соколова, Т.М. Коновалова, Н.П. Захарова, Н.В. Краевая и др.

С учетом принятой стратегии развития пищевой и перерабатывающей промышленности Российской Федерации на период до 2020 года, разработка научно-практического обеспечения для производства сухих сырных продуктов способом вакуумной сушки представляет собой актуальное и перспективное направление развитие науки и производства, имеющее важное народнохозяйственное значение.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является исследование и разработка технологии вакуумной сушки для получения сухого сырного продукта, установление основных закономерностей вакуумной сушки сыров.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

- разработать технические средства и математическое описание для исследования процессов вакуумной сушки сыров;

- установить закономерности кинетики процесса вакуумной сушки сыров;

- определить температуры, тепловые нагрузки, остаточные давления, температуры поверхности конденсатора, толщину слоя и степень измельчения сыра для осуществления процесса вакуумной сушки;

- установить методы и режимы для интенсификации процесса вакуумной сушки сыров;

- исследовать влияние влагоудерживающей способности составных компонентов сыра на испарение влаги;

- исследовать гигроскопические свойства сухих сырных продуктов;

- произвести оценку качества сухих сырных продуктов;

- исследовать влияние вакуумной сушки на микроструктуру сыра;

- разработать технологию производства сухих сырных продуктов способом вакуумной сушки;

- разработать нормативную документацию и использовать полученные в работе результаты для внедрения на предприятиях пищевой промышленности технологии производства сухих сырных продуктов.

Научная концепция диссертационной работы. В основу научной концепции, развиваемой в диссертационной работе, положена гипотеза о том, что применение вакуумного способа сушки на базе рациональных режимов, учитывая закономерности кинетики сушки, позволяет повышать энергоэффективность процесса сушки и вырабатывать сухие сырные продукты высокого качества с учетом физико-химического изменения состава, органолептических показателей, гигроскопических свойств, показателя активности воды и микроструктуры сырных продуктов до и после сушки.

Научная новизна работы. На основании проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований:

- разработаны методики для комплексного исследования процессов вакуумной сушки сыров;

- установлены закономерности кинетики процесса вакуумной сушки сыров;

- определены методы и режимы для интенсификации процесса вакуумной сушки сыров;

- дано теоретическое и экспериментальное обоснование влиянию физико-химических свойств сыра на испарение влаги в процессе вакуумной сушки;

- систематизированы экспериментальные данные физико-химических и гигроскопических характеристик сухих сырных продуктов;

- установлена значимость показателя «активность воды» как интегрального показателя для оценки качества сухих сырных продуктов;

- установлены особенности микроструктуры сыров до и после сушки. Получены карты распределения структурных элементов в сырах.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретически обоснованы и экспериментально установлены рациональные режимы вакуумной сушки сыров. Разработана технология производства сухого сырного продукта. Разработана и утверждена нормативная документация: ТУ 9225-107-02068315-2009 «Сухой сыр»; ТУ 9225-126-02068315-2010 «Сыр сухой, изготовленный из твердых сычужных сыров»; ТУ 9225-128-02068315-2010 «Сухой рассольный сыр». Получено санитарно-эпидемиологическое заключение №41.21.01.922.Т.000142.03.10 от 10.03.2010 г. на производство сухого сыра способом вакуумной сушки по ТУ 9225-107-02068315-2009 «Сухой сыр». Технологические разработки прошли апробацию на предприятиях Кемеровской, Новосибирской областей и Алтайского края.

Разработаны экспериментальные установки для исследования процессов вакуумной сушки сыров и исследования показателя «активность воды». Новизна предлагаемых решений подтверждена патентами (№ 2405352, 2421718, 2413418, 2411740, 2426462, 2429704, 2423052).

Результаты исследований использованы при реализации: Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009–2013 годы», тема: «Разработка экологически безопасной ресурсосберегающей технологии получения сухих молочно-белковых продуктов», гос. контракт № 2609 от 26.11.2009; исследований в рамках молодежного научно-инновационного конкурса «УМНИК», Москва 2009, тема: «Инновационная ресурсосберегающая технология получения сухих сыров и творога»; гранта губернатора Кемеровской области, Кемерово 2009, тема: «Разработка технологии получения сухих молочно-белковых продуктов для питания людей, работающих в тяжелых условиях».

Методология и методы исследования. При выполнении работы использовали стандартные, общепринятые и модифицированные физико-химические, реологические, микробиологические и биохимические методы исследований. Отбор проб и подготовку их к анализу проводили по ГОСТ 9225, ГОСТ 26809. Физико-химические показатели определяли по ГОСТ 3624, ГОСТ 26781, ГОСТ 3626, ГОСТ Р 51464, ГОСТ 3627, ГОСТ 26028, ГОСТ 51453, ГОСТ Р ИСО 3961, ГОСТ Р 51471, ГОСТ Р 51486, ГОСТ Р 52253, ГОСТ 5867, ГОСТ 3627. Микробиологические показатели определяли в соответствии с ГОСТ 9225, ГОСТ 10444.12, ГОСТ 30347, ГОСТ 10444.11, ГОСТ 30519, ГОСТ Р 50480. Массовую концентрацию неорганических анионов по ПНД A 14.1:2:4.157 с применением системы капиллярного электрофореза «Капель 105». Массовую концентрацию катионов по М 04-52-2008 с использованием систем капиллярного электрофореза «Капель 105». Исследование кинетики процесса вакуумной сушки сыров, подбор режимных и технологических параметров вакуумной сушки сыров осуществляли на специально сконструированной вакуумной сушильной установке и на вакуум-сублимационной установке «ИНЕЙ-6М». Микроструктурные исследования и отладку методики электронной микроскопии 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 массового содержания водорастворимых витаминов проводили методом капиллярного зонного электрофореза с использованием системы капиллярного электрофореза «Капель 105». Молекулярно-массовое распределение белков в объектах оценивали с помощью белкового электрофореза методом Лэмли. Определение дестабилизированного жира в сыре проводили по методу Н.А. Бойко и В.В. Фастовой. Равновесную влажность сыров определяли тензометрическим методом. Активность воды в сырах до и после сушки определяли гравиметрическим методом, модифицированным Н.М. Фетом. Оценку органолептических показателей сухих сырных продуктов проводили по специально разработанной методике. Математическую обработку результатов экспериментов осуществляли методом статистического и регрессионного анализа, а также с помощью пакета программ «Статистика», Excel. Все результаты обработаны методами математической статистики и являются достоверными.

Основные положения, выносимые на защиту:

- концепция применения методов вакуумного обезвоживания для производства сухих сырных продуктов;

- методика исследования процессов вакуумной сушки сыров;

- результаты исследований влияния технологических параметров на процесс сушки и качественные показатели сухих сырных продуктов;

- закономерности удаления влаги из сыров в процессе вакуумной сушки;

- результаты исследований влияния вакуумной сушки на микроструктуру сыра.

Степень достоверности апробация работы. Основные результаты работы были доложены и получили соответствующее одобрение на симпозиумах, конгрессах, конференциях, семинарах различного уровня, в том числе: «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания» (Челябинск, 2008, 2009, 2010); «Инструментальные методы для исследования живых систем в пищевых производствах» (Кемерово, 2009); «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2009, 2010, 2011); «Современные проблемы устойчивого развития агропромышленного комплекса России» (пос. Персиановский, 2009); «Инновационные технологии в пищевой промышленности» (Самара, 2009); «Чистая вода 2009» (Кемерово, 2009); V Всероссийская научно-инновационная конференция студентов, аспирантов и молодых ученных (Москва, 2009); «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки» (Воронеж, 2010); «Качество продукции, технологий и образования» (Магнитогорск, 2010, 2011); «Современные технологии продуктов питания: теория и практика производства» (Омск, 2010); «Инновационное образование глазами современной молодежи» (Ставрополь, 2010); «Инновационные тенденции развития российской науки» (Красноярск, 2010); VII Специализированный конгресс «Молочная промышленность Сибири» (Барнаул, 2010); «Актуальные проблемы науки и образования» (Чебоксары, 2010); «Научно-техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, 2011); «Инновационные процессы в развитии сферы общественного питания» (Красноярск, 2011); VI Международный фестиваль «Праздник сыра» (Барнаул, 2011); «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (Кемерово, 2011); «Перспективы производства продуктов питания нового поколения» (Омск, 2011); «Wschodnie partnerstwo – 2011» (Przemysl, 2011); «Новини на научный прогресс» (София, 2011).

Очное участие в зарубежных форумах и конференциях: Member of the exhibition center Sealed Air Cryovac «Pekforum» (Paris, 2010); «Participated in the second edition of the Cluj-Napoca International Model United Nations (NAPOMUN) on the 15th-20th August 2011 in the Human Rights Council» (Romania, Cluj-Napoca, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 75 печатных работ, в том числе: 2 монографии, 30 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 36 в научных трудах институтов, материалах конференций, симпозиумов, форумов; получено 7 патентов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав основного текста, выводов, списка литературы и приложений. Основной текст работы изложен на 328 страницах, содержит 70 таблиц, 110 рисунков, 408 источников литературы отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ. Изложена актуальность проблемы на современном этапе развития молочно-консервной промышленности, обоснована научная новизна и практическая значимость работы.

ГЛАВА 1. Теоретические и технологические аспекты производства сухих продуктов (аналитический обзор). Представлен анализ отечественной и зарубежной информации по теме диссертационного исследования. Проведен анализ влажных материалов как объектов сушки. Рассмотрены формы связи влаги с сухим веществом. Описано взаимодействие сухих продуктов с влажным воздухом. Проанализирована кинетика процесса сушки. Проведен анализ различных способов сушки пищевых продуктов. Дана характеристика сыров как объектов сушки.

ГЛАВА 2. Обоснование основных направлений собственных исследований, их цель и задачи. Определены направления исследований в разработке технологии сухого сырного продукта, сформулирована цель и задачи собственных исследований. В качестве объектов исследований выбраны сыры следующих наименований: «Советский», «Швейцарский», «Алтайский», «Горный», «Московский», «Голландский», «Костромской», «Пошехонский», «Ярославский», «Озерный». Предметом исследования являлся способ вакуумной сушки при остаточном давлении выше тройной точки кипения воды.

ГЛАВА 3. Организация эксперимента и методы исследований. Теоретические и экспериментальные исследования выполнены в соответствии с поставленными задачами в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». Общая схема исследований представлена на рис. 1. Исследования состояли из нескольких взаимосвязанных этапов.

На первом этапе разработаны экспериментальные установки для исследования процессов вакуумной сушки сыров: вакуумная сушильная установка, вакуум-сублимационная установка, установка для исследования активности воды в пищевых продуктах. Составлена методика для расчета и подбора сушильных установок. Создан программный комплекс, позволяющий проводить численное моделирование на основе разработанных математических моделей.

На втором этапе провели исследование сыров как объектов сушки, изучили кинетику процесса и усадочные явления. Экспериментальные исследования позволили получить кривые вакуумной сушки различных сыров в координатах: тепловая нагрузка–время, температура–время, массовая доля влаги–время, температура–массовая доля влаги, а также кривые скорости сушки. Полученные кривые позволили более глубоко понять кинетические зависимости процесса вакуумной сушки.

Установлено, что вакуумная сушка сыров протекает в два периода. Определены значения максимальной скорости сушки сыров в зависимости от толщины слоя, формы и размеров измельчения. Исследованы усадочные явления и растрескивание материала в процессе сушки.

На третьем этапе определяли влияние технологических факторов на сушку сыра. На данном этапе исследований установлены требуемые режимные и технологические параметры вакуумной сушки различных видов сыров. Были определены требуемые режимные параметры: температура сушки, тепловая нагрузка, остаточное давление, температура поверхности конденсатора и требуемые технологические параметры: степень измельчения, толщина слоя. Все требуемые режимные и технологические параметры подобраны с учетом органолептических, физико-химических показателей высушенного продукта и энергозатрат на проведение процесса.