Разработка технологии вакуумной сушки полутвердых сыров с различными способами подвода теплоты

Диссертационная работа выполнена в ФГБОУ ВО Кузбасская государ- ственная сельскохозяйственная академия на кафедре «Биотехнологий и произ- водства продуктов питания». Весь цикл экспериментальных исследований со- стоял из нескольких последовательных взаимосвязанных этапов, общая схема которых изображена на рис. 1.
На первом этапе проводили анализ форм связи влаги в полутвердых сы- рах. С помощью термогравиметрии получали графики, по которым исследовали кинетику дегидратации образцов сыра. Определяли периоды дегидратации во- ды и деструкции сухих веществ при термической обработке полутвердых сы- ров, а также температурные интервалы, на которых происходит высвобождение влаги с различной формой связи.
На втором этапе подбирали эффективные режимы вакуумной сушки по- лутвердых сыров, такие как температура процесса, остаточное давление, плот- ность теплового потока и толщина слоя сушки. Исследовали влияние вышеука-
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных ра-
бот, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК
при Миноборнауки России, получено 2 патента.
занных параметров на продолжительность обезвоживания, удельные энергоза- траты и качественные показатели сухих сыров.
Экспериментальные исследования анализа способа подвода теплоты на процесс вакуумной сушки полутвердых сыров
Анализ форм связи влаги
– кинетика дегидратации;
– массовая доля влаги с различ- ной формой связи.
– температура нагрева;
– остаточное давление;
– плотность теплового потока; – толщина слоя сушки.
Определение технологиче- ских режимов вакуумной сушки полутвердых сыров
– длина волны ИК-излучения; – нестационарное поле излуче- ния;
– пространственное расположение излучателей.
Исследование способа подвода теплоты
– величина усадки;
– состав органических и жирных кислот;
– витаминный состав;
– электрофоретическое исследование белков;
– аминокислотный состав;
– микроструктура;
– коэффициенты сорбции
– органолептическая оценка
Анализ качественных характеристик
Разработка технологии вакуумной сушки полутвердых сыров
Расчет экономической эффективности
Рисунок 1 – Схема проведения экспериментальных исследований 6

На третьем этапе проводили анализ влияния способа подвода теплоты на процесс вакуумной сушки продукта. Проводили подбор длины волны инфра- красного излучения, пространственного расположения ИК-ламп, а также осу- ществляли сушку в нестационарном поле излучения.
На четвертом этапе исследовали качественные характеристики сухих по- лутвердых сыров. Определяли величину усадки в процессе вакуумной сушки, исследовали содержание витаминов, органических и жирных кислот, фракци- онный состав белков, аминокислотный состав. С помощью электронного мик- роскопа исследовали микроструктуру сыров до и после сушки. Устанавливали величину сорбции влаги сухими сырами.
На пятом этапе разрабатывали технологическую схему вакуумной сушки полутвердых сыров в нестационарном поле излучения с использованием подо- бранных технологических режимов.
На заключительном этапе проводили расчет экономической эффективно- сти применения разработанного ступенчатого способа вакуумной сушки по сравнению с традиционным методом.
Формы связи влаги в продукте определяли методом неизотермического анализа на дериватографе. Содержание влаги в сырах определяли с помощью ускоренного метода на приборе Чижовой. Содержание жира в сырах определя- ли кислотным методом Гербера по ГОСТ 5867-90. Содержание органических кислот в сырах после сушки определяли по ГОСТ Р 51471-99 «Жир молочный. Метод обнаружения растительных жиров газожидкостной хроматографией». Содержание жирных кислот в сухих сырах определяли по ГОСТ Р 51486-99 «Масла растительные и жира животные. Получение метиловых эфиров жирных кислот» и ГОСТ Р 52253-2004 «Масло и паста масляная из коровьего молока. Общие технические условия». Исследование витаминного состава осуществля- ли методом капиллярного зонного электрофореза с использованием системы капиллярного электрофореза «Капель 105». Молекулярно-массовое распределение белков в сухих сырах анализировали с помощью белкового электрофореза методом Лэмли. Микроструктурные исследования осуществляли на растровом сканирующем электронном микроскопе JEOL JSM-6390 LA. Ана- лиз аминокислотного состава осуществляли с помощью ионообменной хрома- тографии на аминокислотном анализаторе ARACUS.
Опыты по исследованию форм связи влаги в полутвердых сырах прово- дились с использованием неизотермического анализа на дериватографе.
На рис. 2 приведены графики, полученные методом термогравиметрии, для сыра «Голландский».
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВАКУМНОЙ СУШКИ ПОЛУТВЕРДЫХ СЫРОВ С РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ
ПОДВОДА ТЕПЛОТЫ
Формы связи влаги в сырах
аб
Рисунок 2 – Графики изменения массы (а) и скорости изменения массы (б) об- разца сыра «Голландский» от температуры нагрева
При нагреве образцов полутвердых сыров наблюдалось постоянное сни- жение массы, которое начиналось при температуре порядка 50o С и заверша- лось при температуре 700-800o С. На графиках скорости изменения массы наблюдаются два характерных пика: для сыра «Голландский» – на температур- ном интервале 63-172o С и на температурном интервале 178-246o С. Данные пи- ки соответствуют двум процессам, сопровождающихся потерей массы: первый пик характеризует ступень дегидратаци, второй – ступень деструкции веществ.
Далее участок на графике изменения массы образца, соответствующий ступени дегидратации в интервальном температуре первого пика преобразовы- вался в зависимость степени превращения вещества от температуры нагрева.
Степень превращения вещества определялась по следующей формуле: ami , (1)
где Δmi – изменение массы образца к данному моменту; Δmmax – измене- ние массы образца за весь период.
Далее строили зависимость величины (-lga) от значений 1000/Т, пред- ставленная на рис. 3 для сыра «Голландский». На данном графике выделяются три участка, на которых происходит удаление влаги с различной формой связи.
mmax
В процессе нагревания сыра «Голландский» со скоростью подъема тем- пературы 10 К/мин до температуры 365 К (92° С) наблюдается удаление влаги с физико-химической связью и осмотически-связанной влаги. В процессе даль- нейшего нагревания сыра «Голландский» до температуры 394 К (121° С) про- исходит удаление адсорбционно-связанной влаги. Свыше указанной темпера- туры в сыре «Голландский» происходит завершение сильно связанной адсорб- ционной влаги, участвующей в гидратации активных групп сухих веществ. При температуре 121° С в исследуемом продукте наблюдается наибольшая скорость удаления влаги.
В табл. 1 приведены результаты анализа кинетики дегидратации всех ис- следуемых полутвердых сыров.
Рисунок 3 – Зависимость величины (-lga) от значений 1000/Т при нагре- вании сыра «Голландский»
Представленные данные свиде- тельствуют о том, что наибольшая часть влаги в исследуемых сырах: от 60,3 % («Пошехонский») до 69,7 % («Костром- ской») приходится на свободную влагу. Для сыра «Голландский» извлечение основной массы влаги наблюдается на температурной участке 73-172° С. Для сыров «Костромской» и «Пошехон- ский» температурные диапазоны лежат в пределах 78-196° С и 94-242° С соот- ветственно. Температура, при которой начинается процесс деструкции ве- ществ составляет 178, 192 и 211° С со- ответственно для сыров «Голландский», «Костромской» и «Пошехонский».
Номер ступени дегидратации
ΔТ, °С
Степень превращения вещества (а)
Массовая доля удаляемой влаги, %
1 2 3
1 2 3
1 2 3
Таблица 1 – Кинетика дегидратации полутвердых сыров
Сыр Голландский
63-108 0-0,626 62,6
108-142 0,626-0,821 19,5 142-172 0,821-1,0 17,9
Сыр Костромской
65-112 0-0,697 69,7
112-156 0,697-0,870 17,3 156-186 0,870-1,0 13,0
Сыр Пошехонский
68-115 0-0,603 60,3
115-152 0,603-0,852 24,9 152-187 0,852-1,0 14,8
Определение технологических режимов вакуумной сушки полутвердых сы- ров
Вначале исследовали процесс вакуумной сушки полутвёрдых сыров при различной температуре нагрева. На рис. 4 изображены графики, полученные в ходе обезвоживания сыра «Костромской», такие как изменение относительной массы, скорость изменения относительной массы и температура в продукте.
Наибольшая скорость обезвоживания наблюдалась через 40-55 мин после начала процесса сушки и составляла порядка 12-16 %/час (в зависимости от ви- да сыра и температуры нагрева). При установленной температуре нагрева в 40° С температура в продукте достигала необходимого значения через 30-40 мин. после начала процесса сушки. Увеличение температуры нагрева до 60, 60 и 70° С влечет за собой повышение продолжительности сушки соответственно до 40- 50, 55-65 и 70-90 мин.
Общая продолжительность вакуумного обезвоживания сыров «Голланд- ский», «Костромской» и «Пошехонский» при температуре нагрева 40° С со- ставляет 335±15, 310±15 и 285±15 мин. соответственно. Повышение температу- ры сушки до 50° С дает возможность сократить продолжительность процесса в среднем на 25-35 мин. Наименьшее время сушки наблюдалось при температуре нагрева 70° С и составило 235±15, 225±15 и 195±15 мин. соответственно для сыров «Голландский», «Костромской» и «Пошехонский».
Рисунок 4 – Графики зависимости относительной массы (а), скорости измене- ния относительной массы (б) и температуры в продукте (в) от продолжительно- сти вакуумной сушки сыра «Костромской» при температуре нагрева:
1 – 40° С; 2 – 50° С; 3 – 60° С; 4 – 70° С
аб
в
Проводился анализ содержания влаги и жира в сухом веществе при ваку- умной сушке полутвердых сыров с различными температурными режимами. На рис. 5 представлены соответствующие графики.
Установлено, что с повышением температуры сушки от 40 до 70o С вла- госодержание конечного продукта снижается от 5,4-5,7% до 4,7-4,9%, что обу- словлено интенсификацией процесса удаления влаги. Увеличение температуры нагрева влечет за собой более интенсивное вытапливание жиров, вследствие чего в обезвоженном продукте содержание жира в сухом веществе снижается. При исходном содержании жира в сухом веществе у сыров «Голландский», «Костромской» и «Пошехонский» соответственно 45,1; 46,2 и 46,7% потери данного компонента составляют порядка 1-4,5, 0,5-2 и 0,5-3% соответственно в зависимости от температуры сушки.
Рисунок 5 – Содержание жира в сухом веществе и влаги в полутвердых сырах после вакуумной сушки при подборе температуры
Результаты анализа органолептических показателей сухих сыров пред- ставлены в табл. 2.
Таблица 2 – Органолептическая оценка сухих полутвердых сыров при
подборе температуры Наименование
сыра
Голландский Костромской Пошехонский
Таким образом,
40) характеризовались сыры, обезвоженные при температуре 40 oС. Повышение температуры нагрева негативно сказывается на качественных показателях гото- вого продукта. Среднеарифметическая органолептическая оценка сухих по-
вакуумной сушки, баллы Температура сушки, oС
40 50 60 363432 373632 373633
70 29 28 27
наибольшей органолептической оценкой (36-37 баллов из
лутвердых сыров, высушенных при температуре 50, 60 и 70o С, составила соот- ветственно 35,3; 32,3 и 28 баллов из 40. На основании вышеизложенных ре- зультатов исследований рекомендована температура вакуумной сушки по- лутвердых сыров в 50° С.
Аналогичным образом проводились исследования по подбору остальных параметров сушки полутвердых сыров: остаточного давления, плотности теп- лового потока и толщины слоя сушки. По результатам анализа были подобраны наиболее эффективные режимы обезвоживания, обеспечивающие высокое ка- чество продукта при относительно небольшой продолжительности процесса: остаточное давление – 3-4 кПа, плотности теплового потока – 6 кВт/м2, толщина слоя сушки – 10 мм.
Способ подвода теплоты
Вначале исследовали влияние длины волны излучения на процесс ваку- умной сушки полутвердых сыров. Полутвердые сыры обезвоживали при подо- бранных ранее технологических режимах: температура сушки – 50o С, остаточ- ное давление – 3-4 кПа, плотность теплового потока – 6 кВт/м2, толщина слоя – 10 мм. При этом длину волны меняли в пределах от 0,8 до 3 мкм путем подбора различных излучателей и величины накала.
Установлено, что при повышении длины волны излучения увеличивается разность температур между внутренней частью и наружными слоями продукта, поскольку с увеличением длины волны меняются пропускательная и поглоща- тельная способности вещества. При обезвоживании с большим значением дли- ны волны сыр прогревается по большей части на поверхности. Благодаря этому поверхность быстро высыхает и образуется обезвоженная корочка, которая препятствует перемещению влаги из центра на поверхность продукта. Таким образом, скорость сушки снижается и значение глубины, которая соответствует наибольшей температуре продукта, меняется.
При повышении длины волны излучения от 0,8 до 1,0 мкм происходит некоторое уменьшение продолжительности обезвоживания. Это может быть вызвано более быстрым прогревом продукта. Однако с дальнейшим повышени- ем длины волны продолжительность сушки увеличивается.
Таблица 3 – Продолжительность обезвоживания полутвердых сыров при подборе длине волны излучения, мин.
Марка сыра
Голландский Костромской Пошехонский
0,8 1,0 265 255 255 245 230 225
Длина волны, мкм
1,5 2,0 3,0
270 290 315 260 275 310 245 260 290
Исследование влияния длины волны инфракрасного излучения на качество полутвердых сыров и эффективность сушки
Далее проводили анализ вакуумной сушки в нестационарном поле излу- чения. Для этого использовали три группы ламп, установленные в камере. На
первом этапе включается первая группа ламп с длиной волны 3 мкм, на втором этапе – соответственно задействуется вторая группа ламп с длиной волны 1,5 мкм (первые лампы при этом выключаются), на третьем этапе длина волны со- ставляет 0,8 мкм.
В табл. 4 приведены параметры режимов, используемых в серии экспери- ментов. Были выбраны 3 режима с различной продолжительностью этапов.
Таблица 4 – Параметры режимов трехстадийной вакуумной сушки по- лутвердых сыров
Номер режима
1 2 3
1 этап 40 50 60
Длительность этапов, мин. 2 этап
20 15 10
3 этап
до завершения до завершения до завершения
На рис. 6 приведены графики вакуумной сушки сыра «Костромской» при использовании данных режимов.
аб
Рисунок 6 – Графики зависимости относительной массы (а) и скорости измене- ния относительной массы (б) в процессе ступенчатой вакуумной сушки сыра «Костромской»
Установлено, что при переходе на последующую ступень сушки скорость обезвоживания несколько снижается, что вызвано снижением поглощательной способности периферийных слоев сыра.
Из всех исследованных режимов первый обеспечивал наибольшую эф- фективность сушки. При нем вначале сушки происходило интенсивное испаре- ние влаги с поверхности продукта, которая нагревалась больше всего благодаря использованию ИК-ламп с большой длиной волны.
Когда большая часть влаги с периферийных слоев была удалена, но при этом еще не образовалась сухая корочка, происходил переход на следующую ступень сушки, когда включались сушильные лампы со средней длиной волны
13

и происходил прогрев срединных слоев сыра. Установлено, что через 150 мин. после начала процесса сушки скорость обезвоживания при первом, втором и третьем режимах составляла соответственно 9,7; 7,9 и 7,1 %/час.
Последний этап сушки характеризовался использованием сушильных ламп с короткой волной излучения. Это обеспечивало прогрев всего объема продукта. Таким образом, рассмотренный способ многоступенчатой сушки обеспечивает последовательный прогрев продукта от периферии к центру и удаление влаги из всего объема.
Продолжительность вакуумного обезвоживания сыра «Костромской» при использовании первого, второго и третьего режимов составила 230, 270 и 300 мин. соответственно.
Наблюдается незначительное ухудшение органолептических характери- стик при использовании второго и третьего режимов по сравнению с первым режимом. При этом суммарный балл органолептической оценки при использо- вании первого режима не ниже, чем при стационарной сушке. Таким образом, исходя из результатов исследований рекомендуется обезвоживать сыры мето- дом указанной трехступенчатой вакуумной сушки с продолжительностью пер- вого этапа 40 мин., второго этапа – 20 мин.
Следующим этапом исследований было изучение влияния расстояния от источника излучения до поддона с продуктом на эффективность процесса суш- ки. Для анализа влияния данного фактора были проведены опыты по вакуумной сушке с подобранными ранее режимами и расстоянием между излучателем и продуктом от 10 до 30 см. Поскольку в ранее проведенных опытах был выбран трехступенчатый режим сушки, предусматривающий использование трех групп ламп, то с целью обеспечения равномерного распределения излучения лампы располагались по схеме, представленной на рис. 7.
Рисунок 7 – Схема расположения ИК-излучателей
Расстояние между ИК-лампой и лотком с продуктом в различных опытах составляло 10, 15, 20, 25 и 30 см.
Представленные данные свидетельствуют о том, что наилучшее качество сыра наблюдается при наибольшем расстоянии от ИК-ламп до поддона с про-
дуктом – в данном случае 30 см. Как и ожидалось, при уменьшении расстояния между ИК-лампами и поддоном с продуктом повышается неравномерность ка- чества продукта по всей площади лотка. Это вызвано неравномерностью рас- пределения плотности излучения по площади поддона из-за чего одна часть лотка с продуктом перегревается, а другая недостаточно нагревается, что под- тверждается данными по содержанию влаги.
Обнаружено, что наихудшее качество продукта наблюдается у тех кусоч- ков, которые были расположены непосредственно возле третьей группы ламп, осуществляющих сушку большую часть времени – на расстоянии 120÷140 мм от центра поддона. Это особенно проявляется при расстоянии между ИК- лампами и поддоном с продуктом в 100 мм: кусочки продукта на расстоянии 120 мм от центра поддона обладали наименьшими органолептическими показа- телями – общий балл составил 33,2 из 40.
Установлено, что при увеличении расстояния между поддоном с продук- том и сушильной лампой от 100 до 200 мм удельные энергозатраты повышают- ся на 23-28%, что связано с большей степенью рассеивания ИК-излучения на внутреннюю поверхность сушильной камеры. При дальнейшем увеличении указанного расстояния от 200 до 300 мм энергозатраты возрастают еще на 8- 10%. Таким образом, из соображений по оптимальному сочетанию це- ны/качества продукта было рекомендовано обезвоживание при расстоянии между ИК-лампой и продуктом в 20 см.
Качественные характеристики сыров вакуумной сушки
Усадочные явления
В большинстве случаев при удалении влаги из продукта наблюдается его усадка. На рис. 8 приведена зависимость длины образцов полутвердых сыров от содержания влаги.
Были получены следующие линейные уравнения, позволяющие опреде- лить линейную усадку сыров от содержания влаги:
– для сыра «Голландский»:   0,504U  21,9 ; (2) – для сыра «Костромской»:   0,533U  23,43 ; (3) – для сыра «Пошехонский»:   0,47U 19,55, (4) где δ – коэффициент усадки, %; U – содержание влаги, %.
Как и ожидалось, у сыров с большим первоначальным влагосодержанием коэффициент усадки выше: для сыров «Голландский», «Пошехонский» и «Ко- стромской» при влагосодержании 5% величина усадки составила соответствен- но 19,5; 17,1 и 20,7%.
10,5 10 9,5 9 8,5 8 7,5
0 10 20 30 40 50
Содержание влаги, %
Голландский Костромской Пошехонский
Рисунок 8 – Графики зависимости длины образцов полутвердых сыров в про- цессе вакуумной сушки
Исследование сорбционных свойств
Для получения изотерм сорбции полутвердые сыры выдерживали в экси- каторах с серной кислотой различной концентрации для обеспечения относи- тельной влажности воздуха от 10 до 100%. Образцы сыров взвешивали через каждые сутки до стабилизации веса. Изотермы сорбции сыра «Голландский» приведены на рис. 9.
Рисунок 9 – Изотермы сорбции сухого сыра «Голландский» при различной от- носительной влажности воздуха
Обнаружено, что при относительной влажности воздуха 40-70% состоя- ние равновесной влажности наступает спустя 2-6 суток хранения. В случае, ко- гда сыры выдерживали при относительной влажности воздуха 40-70%, при до- стижении равновесной влажности содержание влаги в сырах составляло от 4 до 7%. Повышение относительной влажности воздуха до 80% влечет за собой зна- чительную интенсификацию сорбции влаги. При указанных условиях равно- весная влажность наступает через 10-14 суток хранения, а содержание влаги
Линейный размер, мм

сыров «Пошехонский», «Костромской» и «Голландский» через данное время хранения составляет 14,8%, 13,2% и 16,9% соответственно. При дальнейшем повышении относительной влажности воздуха до 90% равновесное влагосо- держание полутвердых сыров увеличивается еще на 5-7%. При относительной влажности воздуха 100% происходила наиболее интенсивная сорбция влаги сырами. При указанных условиях равновесная влажность наступает спустя 16- 18 суток хранения, а содержание влаги через данный промежуток времени со- ставляло 39,0; 38,9 и 43,1% соответственно для сыров «Пошехонский», «Ко- стромской» и «Голландский».
Таким образом, было обнаружено, что на сорбцию влаги влияет не только относительная влажность воздуха, но и индивидуальные свойства самих про- дуктов. Исследуемые сыры характеризуются достаточно высокой гигроскопич- ностью, которая может быть численно выражена через коэффициент сорбции Кс (г/гс.в.):
К WС , (5)
СС
где WС – массовая доля влаги в продукте после сорбции, %;
СС – содержание сухих веществ в продукте после сорбции, %.
Результаты расчета коэффициентов сорбции сухих сыров при температу- ре хранения 20 °С приведены в табл. 5.
Таблица 5 – Коэффициенты сорбции сухих сыров
С
Вид сыра
Голландский Костромской Пошехонский
Относительная влажность воздуха, %
40 50 60 70 80 90 100
0,04 0,05 0,06 0,05 0,06 0,07 0,05 0,05 0,06
0,06 0,20 0,07 0,16 0,06 0,17
0,29 0,76 0,25 0,64 0,27 0,64
При относительной влажности воздуха от 40 до 70% коэффициенты сорбции сыров лежат в пределах 0,04÷0,07. При увеличении относительной влажности воздуха до 100% наблюдается повышение коэффициентов сорбции сыров до 0,64÷0,76. При этом наибольшие значения коэффициентов сорбции наблюдались в сыре «Голландский».
Состав органических кислот
Количественное содержание органических кислот в полутвердых сырах до и после обезвоживания приведено в табл. 6.
В сырах до сушки наибольшим содержанием характеризовалась молочная кислота – ее массовая доля составила 18905,59÷23702,41 мг/кг. Наименьшей концентрацией характеризовалась муравьиная кислота. После сушки у сыров «Пошехонский» и «Костромской» концентрация молочной кислоты несколько повысилась, что может быть обусловлено процессами созревания. При этом со- держание уксусной кислоты уменьшилось на 30, 41 и 23% для сыров «Поше-
хонский», «Костромской» и «Голландский» соответственно. В сухих сырах не было обнаружено муравьиной кислоты.
Таблица 6 – Массовая доля органических кислот в полутвердых сырах, мг/кг
Наименование кислоты
Голландский Костромской До сушки
Пошехонский
18905,59 755,92 65,43
23005,08 527,39 –
Молочная 19045,24 Уксусная 670,41
Муравьиная 99,12
23702,41 554,18 112,42
Молочная Уксусная Муравьиная
19736,01 512,84 –
26830,20 325,65 –
После сушки
Витаминный состав
Концентрация витаминов в полутвердых сырах до и после обезвоживания приведена в табл. 7.
Таблица 7 – Концентрация витаминов в полутвердых сырах, мг/100 г продукта
Наименование витамина
В1 (тиаминхлорид)
В2 (рибофлавин)
В6 (пиридоксин)
С (аскорбиновая кислота) Вс (фолиевая кислота)
В1 (тиаминхлорид)
В2 (рибофлавин)
В6 (пиридоксин)
С (аскорбиновая кислота) Вс (фолиевая кислота)
Голландский До сушки
0,04
0,32 0,004 1,291 0,202
После сушки 0,07
0,53 0,006 2,041 0,29
Костромской
0,03
0,21 0,005 2,009 0,256
0,06 0,30 0,01 3,332 0,408
Пошехонский
0,06
0,20 0,002 1,748 0,309
0,08
0,34 0,003 2,959 0,497
Сушка способствует увеличению концентрации витаминов в сырах. Вви- ду относительно невысокой температуры сушки отмечается достаточно высо- кая степень сохранности водорастворимых витаминов. После сушки содержа- ние рибофлавина и фолиевой кислоты повышается в среднем в 1,5 раза, а со- держание пиридоксина и аскорбиновой кислоты – в 1,5-1,6 раз. Из всех иссле- дованных витаминов наибольшим содержанием характеризовалась аскорбино- вая кислота – 1,291-2,009 мг/100 г до сушки и 2,041-3,332 мг/100 г после сушки.
Состав жирных кислот
В исследованных сырах по содержанию выделялись такие кислоты как пальмитиновая (25,3-29,1%) и олеиновая (30,6-32,5%). Также относительно вы- соким содержанием характеризовались стеариновая (13,7-15,5%) и миристино- вая (10,0-11,7%) кислоты. Из незаменимых кислот стоит также отметить лино- леновую и линолевую. Линоленовая кислота способна образовывать другие по- линенасыщенные жирные кислоты. После удаления влаги состав жирных кис- лот по процентному соотношению практически не поменялся, что свидетель- ствует об отсутствии изменений нативных вкусо-ароматических свойств.
Аминокислотный состав
В нативных сырах по содержанию наиболее выделялись следующие ами- нокислоты: глутаминовая кислота, лизин и аргинин: их концентрация составила 12-14, 7-11 и 8-10% от общего содержания аминокислот. Стоит также отметить, что лизин и аргинин являются незаменимыми аминокислотами, поступающими с пищей.
После вакуумного обезвоживания содержание аминокислот несколько увеличилось из-за повышения концентрации сухих веществ. Содержание изо- лейцина увеличилось в среднем 1,7 раза, цистеина – в 1,4 раза, аспарагиновой кислоты – в 1,3 раза. Степень повышения содержания аминокислот меньше, чем степень увеличения концентрации сухих веществ из-за тепловой денатура- ции белков
Разработка технологии вакуумной сушки полутвердых сыров
На основании проведенных исследований была разработана технология вакуумной сушки полутвердых сыров.
Исходное сырье (сыр) хранится в холодильных ларях при температуре (4±2) °С.
Перед измельчением сыр освобождают от упаковки, штафа и парафино- вого слоя. Далее сыр измельчают до толщины слоя 10 мм. Форма может быть произвольной – пластины, кубики, прямоугольники. Измельчение сыра произ- водят непосредственно в сушильный поддон.
Далее поддоны с измельченным сыром загружают в сушильную камеру и следует этап вакуумной сушки при следующих технологических параметрах:
– температура нагрева – 50° С;
– остаточное давление – 3-4 кПа;
– плотность теплового потока – 6 кВт/м2.
Температуру поверхности конденсатора рекомендуется устанавливать в
диапазоне минус 20–30 °С. При такой температуре обеспечивается эффектив- ный отвод влаги из удаляемого воздуха.
Сушка производится в три этапа с последовательным изменением длины волны от 3 до 0,8 мкм. На первом этапе, длительностью 40 мин. сушка осу- ществляется группой ламп с длиной волны 3 мкм, на втором этапе, длительно- стью 20 мин. сушка производится второй группой ламп с длиной волны 1,5 мкм
(первые лампы при этом выключаются), на третьем этапе длина волны состав- ляет 0,8 мкм. Расстояние между ИК-лампами и продуктом составляет 20 см.
После сушки инфракрасные лампы выключают, вакуум сбрасывают и обезвоженный сыр охлаждается путем естественной конвекции до температуры (20±3) °С. Длительность охлаждения составляет около 40 мин.
Далее сыр направляется на расфасовку и упаковку, которая осуществля- ется вакуумным способом в комбинированные пакеты на основе полиэтилена и алюминиевой фольги, либо в специальные термоусадочные вакуумные пакеты из полиэтилена.
Упакованный сыр хранится при температуре (20±2) °С и относительной влажности воздуха не более 75 % в течение 12 месяцев.
Экономическая эффективность
Был произведен расчет энергозатрат на сушку полутвердых сыров с исполь- зованием разработанной многоступенчатой сушки и аналогичной сушки, но с ис- пользованием обычного способа подвода теплоты, который не менялся в ходе сушки, т.е. когда не меняется температура сушки, остаточное давление, длина вол- ны, тепловая нагрузка. При осуществлении экономических расчетов учитывались затраты на работу сушильных ламп, вакуумного насоса и холодильной машины. Результаты представлены в табл. 8.
Таблица 8 – Расчет энергозатрат на обеспечение процесса сушки 1 кг по- лутвердых сыров
Вид сыра
Голландский Костромской Пошехонский
Голландский Костромской Пошехонский
Энергозатраты по статьям, кДж Холодильная Вакуум-насос ИК-лампы
машина
Разработанный ступенчатый способ сушки
106,7 295,6 2483,0 102,2 283,0 2355,3 93,7 259,4 2159,6
Традиционный метод 117,6 325,8 2776,7 113,2 313,7 2673,8 102,8 284,5 2426,3
Всего
2885,3 2740,5 2512,7
3220,1 3100,7 2813,6
На работу сушильных ламп приходится около 86% всех энергозатрат. Сум- марные энергетические затраты непосредственно зависят от продолжительности процесса сушки, поэтому наибольше энергозатраты приходятся на сыр «Голланд- ский». Обнаружено, что использование ступенчатого способа сушки дает возмож- ность снизить энергозатраты в среднем на 10-12% по сравнению с традиционной вакуумной сушкой.
Таким образом, был доказан экономический эффект от использования разра- ботанной многоступенчатой вакуумной сушки по сравнению с традиционной ваку- умной сушкой. При разработанном способе первоначальные затраты на приобре- тение дополнительных сушильных ламп будут выше, однако себестоимость произ-
водства сухих сыров будет ниже вследствие снижения энергетических затрат на обезвоживание в нестационарном поле инфракрасного излучения.
ВЫВОДЫ
На основании проведенного диссертационного исследования были получены следующие выводы:
1. Проведен анализ форм связи влаги в полутвердых сырах. Определены пе- риоды дегидратации воды и деструкции сухих веществ при термической обработке полутвердых сыров. Обнаружено, что наибольшая часть влаги в исследованных сырах: от 60,3 % («Пошехонский») до 69,7 % («Костромской») приходится на сво- бодную влагу. Для сыра «Голландский» извлечение основной массы влаги наблю- дается на температурном участке 73-172° С. Для сыров «Костромской» и «Поше- хонский» температурные диапазоны лежат в пределах 78-196° С и 94-242° С соот- ветственно. Температура, при которой начинается процесс деструкции веществ со- ставляет 178, 192 и 211° С соответственно для сыров «Голландский», «Костром- ской» и «Пошехонский».
2. Подобраны эффективные технологические режимы вакуумной сушки по- лутвердых сыров: температура нагрева – 50° С, остаточное давление – 3-4 кПа, плотность теплового потока – 6 кВт/м2, толщина слоя сушки – 10 мм. Указанные режимы позволяют получить сухие сыры высокого качества при относительно не- высокой продолжительности сушки.
3. Проанализировано влияние длины волны инфракрасного излучения на ка- чество сухих сыров и эффективность вакуумной сушки. При повышении длины волны излучения увеличивается температурный градиент по объему продукта. Наименьшая продолжительность сушки наблюдалась при длине волны излучения 1,0 мкм. Разработана трехступенчатая вакуумная сушка в нестационарном поле излучения. Установлена эффективность обезвоживания при расстоянии между су- шильной лампой и продуктом в 20 см, что обеспечивает относительно равномерное распределение излучения на поверхности лотка с продуктом и высокое качество последнего при невысоких удельных энергозатратах (2,1÷2,4 кВт/кг влаги).
4. Исследованы качественные характеристики сухих полутвердых сыров – состав органических и жирных кислот, аминокислотный, белковый и витаминный состав, что позволило установить высокую степень сохранности термолабильных компонентов сыров. Обнаружено, что после сушки величина усадки полутвердых сыров составляет от 17,2 до 19,4%.
5. Проанализировано влияние вакуумной сушки на микроструктуру по- лутвердых сыров. После сушки сыр «Голландский» характеризуется развитой по- верхностью с равномерно распределенными микропустотами со средним диамет- ром 10 мкм. Обезвоженный сыр «Костромской» обладает более гладкой поверхно- стью с жировыми включениями, размером 20-90 мкм. В сыре «Пошехонский» об- наружены трещины и микропоры, большинство из которых имеют диаметр менее 10 мкм.
6. Исследованы сорбционные свойства сухих полутвердых сыров в процессе хранения. Установлена высокая степень гигроскопичности сухих полутвердых сыров. Обнаружено, что интенсивность процесса сорбции снижается на протяже- нии всего срока хранения. При относительной влажности воздуха 40-70% равно- весная влажность наступает спустя 2-6 суток хранения. При повышении относи- тельной влажности воздуха наблюдается увеличение продолжительности установ- ления равновесной влажности. Определены коэффициенты сорбции сухих по- лутвердых сыров, проведен анализ изотерм сорбции и десорбции. Выведены урав- нения регрессии, позволяющие рассчитать равновесную влажность полутвердых сыров в зависимости от относительной влажности воздуха.
7. Разработана технология вакуумной сушки полутвердых сыров в нестацио- нарном поле излучения. Доказана экономическая эффективность использования разработанного многоступенчатого способа сушки сыров. При использовании раз- работанного способа вакуумной сушки энергозатраты снижаются на 10÷12% по сравнению с традиционным методом.