Исследование и разработка технологии сублимационной сушки сыров

На правах рукописи

Чесноков Никита Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ

СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ СЫРОВ

Специальность 05.18.04 - технология мясных, молочных

и рыбных продуктов и холодильных производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Кемерово - 2012

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

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Короткий Игорь Алексеевич

Официальные оппоненты: Мотовилов Константин Яковлевич,

доктор биологических наук, профессор,

член-корреспондент Россельхозакадемии,

Государственное научное учреждение

«Сибирский научно-исследовательский

институт переработки сельскохозяйственной

продукции» Российской академии

сельскохозяйственных наук, директор

Гаврилов Гавриил Борисович,

доктор технических наук,

заслуженный работник пищевой индустрии,

Государственное учреждение

Ярославской области «Ярославский

государственный институт качества сырья и

пищевых продуктов», директор

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Кемеровский государственный сельскохозяйственный

институт»

Защита диссертации состоится «26 » декабря 2012 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 «23 » ноября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Кригер Ольга Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

Основное содержание работы изложено на 118 страницах, включая 13 таблиц и 45 рисунков. Список литературы включает 165 наименований.

ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Диссертационная работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». Весь цикл экспериментальных исследований состоял из пяти взаимосвязанных этапов. Общая схема экспериментальных исследований представлена на рис. 1.

Первый этап работы связан с изучением сыров как объектов сушки. В продукте определяли массовую долю влаги и жира, активную и титруемую кислотность, органолептические показатели.

На втором этапе производили выбор температуры замораживания при сублимационной сушке сыров. Изучали температуру замораживания и массовую долю вымороженной влаги. Выбор температуры замораживания производили по химическому составу и микроструктуре сыров.

На третьем этапе производили исследования предварительного замораживания и самозамораживания при сублимационной сушке сыров. Исследовали физико-химические и органолептические показатели сухих сыров, а также микроструктуру сыра.

Этапы исследований Изучаемые факторы Контролируемые

параметры

Рис. 1. Схема проведения экспериментов

На четвертом этапе исследовали влияние температур сушки на продолжительность сушки и свойства сухого сыра. Рассматривали кинетику процесса в зависимости от различных режимов сублимационной сушки сыров. Изучали влияние параметров сублимационной сушки на продолжительность процесса, скорость сушки, качественные показатели сухих сыров. Сушку осуществляли при различных режимных параметрах.

Исследования по сублимационной сушке сыров производили на установке представленной на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема вакуумной сублимационной установки: 1 - холодильная машина; 1.1 - конденсатор; 1.2 - соленоидный вентиль; 1.3 - фильтр-осушитель; 1.4 - терморегулирующий вентиль; 1.5 - вентиль запорный; 1.6 - ресивер; 1.7 - компрессор; 2 - вакуумная установка; 2.1 - вакуумный насос; 2.2 - десублиматор; 2.3 - испаритель десублиматор

Включенная в состав установки холодильная машина предназначена для удаления влаги, испаряющейся из продукта в процессе сушки, способом намораживания ее на поверхности испарителя, так как температура его поверхности значительно ниже значения температуры точки росы (минус 35-45°С) и давление над поверхностью испарителя ниже давления в камере, создаваемого вакуумным насосом (10-100 Па).

На заключительном этапе основываясь на результатах экспериментов разработана технология сублимационной сушки сыров. При проведении исследований использовали стандартные и оригинальные методы исследований, в том числе физико-химические, микробиологические и другие.

Микроструктурные исследования проводили на растровом сканирующем электронном микроскопе JEOL JSM-6390 LA. Хроматографическое разделение смесей аминокислот осуществляли с помощью ионообменной хроматографии на аминокислотном анализаторе ARACUS. Анализ общего белка проводили по методу Дюма, основанному на измерении теплопроводности молекулярного азота, образующегося после сжигания анализируемого образца при температуре около 1000 С в атмосфере кислорода и последующего восстановления всех образующихся оксидов азота при помощи восстанавливающего агента (меди), с использованием анализатора белкового азота RAPID N Cube. Определение дестабилизированного жира в сыре до и после сушки проводили по методу Н.А. Бойко и В.В. Фастовой, применительно к сухим молочным продуктам. Метод основан на извлечении «свободного» жира органическими растворителями (серный эфир, петролейный эфир, хлороформ). Равновесную влажность сыров определяли тензометрическим методом. При этом методе сухой сыр определенной влажности помещают в бюксы. Бюксы ставят в эксикаторы. В каждый эксикатор предварительно наливают серную кислоту заданной концентрации, которой соответствует определенная относительная влажность воздуха.

Математическую обработку результатов экспериментов осуществляли методом статистического и регрессионного анализа, а также с помощью пакета программ «Статистика», Excel. Адекватность уравнений регрессии экспериментальным данным проверяли по критерию Фишера. Доверительную ошибку коэффициентов уравнения регрессии рассчитывали по критерию Стьюдента.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследование криоскопической температуры сыров

Рассмотрено изменение криоскопической температуры сыров в зависимости от их химического состава и степени зрелости. Для установления влияния содержания влаги в сыре на его криоскопическую температуру исследовали образцы «Голландского», «Костромского» и «Пошехонского» сыров с pH 5,7 и содержанием массовой доли влаги от 38 до 45 %.

На рис. 3 представлена зависимость криоскопической температуры сыров от массовой доли влаги.

	Установлено, что изменение содержания влаги на 1% приводит к изменению криоскопической температуры исследуемых сыров на 0,25°С. Выведены уравнения, выражающие зависимость криоскопической температурой tкр сыров от массовой доли влаги Bс в сыре:
Рис. 3. Зависимость криоскопической температуры сыров от массовой доли влаги: 1- Голландский; 2- Костромской; 3- Пошехонский

для «Голландского» сыра: ; (1)

для «Костромского» сыра: ; (2)

для «Пошехонского» сыра: ; (3)

В табл. 1 представлены значения криоскопических температур сыров в зависимости от массовой доли хлорида натрия.

На рис. 4 представлены кривые, выражающие значения криоскопических температур «Голландского», «Костромского» и «Пошехонского» сыра в зависимости от активной кислотности.

Таблица 1 - Криоскопическая температура сыров в зависимости от массовой
доли хлорида натрия

Наименование сыра		Массовая доля, %			Криоскопическая температура, °С
		влаги	NaCl
«Голландский»		44,0±0,2	1,2±0,1		минус 1,5±0,1
		43,5±0,3	2,1±0,1		минус 2,2±0,2
		44,2±0,3	3,0±0,1		минус 2,8±0,2
«Костромской»		42,0±0,3	1,1±0,1		минус 1,9±0,2
		42,3±0,3	2,0±0,1		минус 3,0±0,2
		42,1±0,3	3,1±0,1		минус 3,7±0,1
«Пошехонский»		43,2±0,2	1,0±0,1		минус 1,7±0,2
		42,4±0,2	2,1±0,1		минус 2,8±0,2
		43,1±0,3	3,2±0,2		минус 3,3±0,1
				Анализ кривых, представленных на рис. 4, позволяет сделать вывод, что с повышением активной кислотности от 4,5 до 6,5 криоскопическая температура понижается на 1,5-1,8 °С. Минимальную криоскопическую температуру имеют сыры при активной кислотности 4,5-5,0. По мере повышения активной кислотности до 6,0-6,5 криоскопическая температура понижается. Для определения криоскопической температуры сыров с низкой температурой второго нагревания построена номограмма (рис. 5). Так как «Голландский», «Костромской» и «Пошехонский» сыр относятся к сырам одной группы, они близки по составу и вид сыра мало влияет на его криоскопическую температуру, поэтому на номограмме не выделяли каждый вид сыра. Выбор температуры замораживания при сублимационной сушке сыра. В качестве объектов исследований использовали сыры в возрасте шесть месяцев. Замораживание сыров производили при температурах минус 20 °С, минус 30 °С, минус 40 °С, а также в парах азота при температуре минус 196 °С.
	Рис. 4. Зависимость криоскопической температуры сыров от активной кислотности: 1 - «Голландский»; 2 - «Костромской»; 3 - «Пошехонский»
	Рис. 5. Номограмма для определения криоскопической температуры твердых сыров в зависимости от массовой доли соли и влаги, массовая доля влаги: 1-45%; 2-44%; 3-43%; 4-42%; 5-41%; 6-40 %; 7-39%; 8-38%