Влияние режимов замораживания, хранения и дефростации сырья (сычужных сыров) на качество плавленого сыра

Проблема питания является одной из важнейших социальных проблем. Жизнь человека, его здоровье и труд невозможны без полноценной пищи.

В организации правильного питания важная роль отводится молочным продуктам. Это в полной мере относится и к плавленому сыру, который представляет собой пищевой продукт, вырабатываемый из различных видов сычужных сыров, масла, творога, консервов и других молочных продуктов с вкусовыми наполнителями и специями или без них путем тепловой обработки смеси с добавлением различных ферментов и специальных солей-плавителей [1]. Питательная ценность плавленых сыров обусловлена высоким содержанием растворимых форм белка и хорошо эмульгированного молочного жира, что способствует их легкой усвояемости. В гигиеническом отношении плавленые сыры превосходят сычужные, так как они подвергаются термической обработке, резко снижающей объем микрофлоры сыра, в том числе и споро-образующей [2].

У нас в стране плавленый сыр является одним из наиболее употребляемых продуктов, которого в настоящее время вырабатывается около 60 тыс. т. в год и производство его растет.

Заводы плавленых сыров работают с одинаковой нагрузкой в течение всего года, а предприятия, вырабатывающие сырье для них, — сезонные, поэтому кроме факторов, обеспечивающих качество готового продукта важным, для постоянного снабжения населения плавлеными сырами является создание запасов сырья в месяцы его максимальной выработки и хранение в специальных складах.

Целью настоящей работы является разработка технологии замораживания, хранения и дефростации сычужных сыров, используемых в качестве сырья для производства плавленых сыров.

Работа выполнялась в период 1999;2002 г. во ВНИИМСе. Тема и программа диссертационной работы утверждена Ученым советом ВНИИМС.

На защиту выносятся следующие положения диссертации:

— провести обоснование выбора режимов замораживания, хранения и дефростации сычужных сыров с учетом особенностей предприятий, вырабатывающих плавленые сыры;

— изучить изменение физико-химического состава, микробиологических, реологических, органолептических показателей, а также субмикроструктуры в процессе замораживания, хранения и дефростации сычужных сыров;

— установить влияние низкотемпературного охлаждения и дефростации сырья на формирование структуры и качественные характеристики плавленых сыров;

— разработать технологическую инструкцию по замораживанию, хранению и дефростации сычужных жирных и нежирных сыров, предназначенных для изготовления плавленых сыров.

Научная новизна работы заключается в изучении закономерностей изменения субмикроструктуры, физико-химических, микробиологических, реологических и органолептических характеристик сычужных сыров (сырья для производства плавленых сыров) в процессе замораживания, хранения и дефростацииустановлении влияния низкотемпературного охлаждения и дефростации сырья на качественные показатели плавленых сыровразработке научно-обоснованных режимов низкотемпературного хранения и дефростации сычужных сыров.

Практическая значимость.

Установлены научно обоснованные режимы замораживания, хранения и дефростации сычужных сыров, используемых в качестве сырья для производства плавленых сыров. 6.

Разработана технологическая инструкция по замораживанию, хранению и дефросгации сычужных жирных и нежирных сыров, предназначенных для изготовления плавленых сыров.

Результаты исследований представлены на НПК «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке». (Санкт-Петербург, 2001 г), НПК «Эффективные технологии в молочном животноводстве и переработке молока» (Вологда, 2002 г.), НПК «Технологические аспекты комплексной переработки сельскохозяйственного сырья при производстве экологически безопасных пищевых продуктов общего и специального назначения» (г. Углич 2002 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах.

Диссертация оформлена в виде монографии на русском языке в одном томе на 131 странице машинописного текста, включает 19 таблиц, 61 рисунок, библиографию 118 наименований и 4 приложения.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

Для изготовления плавленого сыра в течение всего года важное значение приобретают вопросы длительного хранения натурального сыра (основного сырья) без существенного изменения его качества. Долгое время существовало мнение, что оптимальная температура, способствующая длительному сохранению органолептических характеристик сыра, находится около температуры замерзания продукта. Однако и при этой температуре в сыре происходят ферментативные процессы. Поэтому практический интерес представляют исследования по хранению сыров в замороженном виде. При этом определяющими факторами являются удельная поверхность и масса сыра, его состав, температурный режим процесса, а также скорость замораживания и дефростации продукта.

1.1. Состояние влаги при замораживании пищевых продуктов.

Вода является основным компонентом сырья и готовых пищевых продуктов. Содержание воды составляет от 30−75% (сыр, мясные продукты) до 80−95% (овощи, фрукты). В связи с большой теплоемкостью и теплотой фазового перехода при кристаллизации воды, а также вследствие особенностей ее распределения в продукте, наличие большого количества влаги оказывает значительное влияние на теплофизические процессы при холодильной обработке и хранении пищевых продуктов [3, 4].

Превращение воды в лед при замораживании сопровождается миграцией влаги и изменениями теплофюических и механических свойств продуктов. Изменение фазового состояния воды — главный фактор, обуславливающий торможение нежелательных диффузионных, химических, биохимических и микробиологических процессов в пищевых продуктах при их замораживании.

Воду в пищевых продуктах можно представить в виде среды, в которой растворены другие составляющие. Содержащиеся в воде сахара, соли и кислоты образуют в основном истинные растворыбелки и другие высокомолекулярные соединения образуют в воде коллоидные растворы. Жиры и другие малорастворимые соединения образуют эмульсии при диспергировании с водой [6,7].

Вещества, образующие истинные растворы, обуславливают понижение температуры замерзания, повышение температуры кипения и снижение давления водяного пара над раствором [5, 8].

Кристаллизация воды в пищевых продуктах происходит при понижении криоскопической температуры, в отличие от изотермической кристаллизации чистой воды. Чем меньше воды в продукте и больше веществ, образующих с водой истинные растворы, тем ниже его начальная криоскопиче-ская температура [4].

При температуре замерзания в водном растворе начинается кристаллизация воды. По мере вымерзания воды, остаточная концентрация раствора повышается, а температура понижается. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока система не достигнет эвтектической точки. В эвтектической точке раствор замерзает при неизменном составе и температуре, пока не вымерзнет вся жидкость. Эвтектическая температура и концентрация раствора сахарозы -8,5 °С и 51,5%, а эвтектическая температура хлорида натрия -21,2 °С, концентрация 23,15%. Раствор, содержащий несколько растворенных веществ, может содержать несколько эвтектических точек [8, 9,10].

Белки и полисахариды с большой молекулярной массой образуют водные растворы, в которых происходит их гидратация молекулами воды, а часть воды постоянно связана в структуре белков и полисахаридов, поэтому на свойства раствора также влияет характер связи растворенных веществ с водой.

Было предложено несколько классификаций форм связи влаги в пищевых продуктах [5]. Наиболее совершенной считается классификация, предложенная П. А. Ребиндером [11]. Эта классификация построена на приближенной оценке энергии связи влаги с материалом. Каждая форма связи характеризуется по ее природе, условиям образования, энергии, условиям нарушения и вызываемым при этом изменениям материала.

1. Химически связанная влага наиболее прочно связана с материалом и может быть удалена из него только при химическом взаимодействии или при особо интенсивной тепловой обработке. Понижение температуры, даже очень значительное, не нарушает химической связи влаги в пищевых продуктах.

2. Физико-химическая связь влаги. Этой форме соответствуют различные виды. а) Адсорбционно-связанная влага.

Поверхностные слои тел обладают свободной потенциальной энергией. Жидкость удерживается силовым полем на внешней и внутренней поверхности мицелл. Мицеллы так же могут адсорбировать водяной пар.

При поглощении воды коллоидным телом выделяется теплота набухания (гидратации) и происходит сжатие системы коллоидное тело — вода [12]. Удаление прочно связанной с телом адсорбционной влаги связано с соответствующей затратой энергии [6,7]. б) Осмотически удержанная влага. К этому виду относится влага, находящаяся в замкнутых ячейках, как поглощенная осмотически сложно построенной мицеллой (теория С. М. Липатова [12]), так и иммобилизованная — структурная влага (теория П. А. Ребиндера [11, 13]). Эта влага является свободной в том смысле, что ей соответствует весьма малая энергия связи. Причиной того, что она не растворяет легко растворимые вещества (например, сахар) является невозможность диффузии вещества внутрь замкнутой клетки, в которой находится вода [6, 7].

3. Механическая связь влаги. а) Влага макрокапилляров. Эта часть воды находится в капиллярах, средний диаметр которых более 10″ 5 см. Давление пара воды над мениском макрокапилляра почти не отличается от давления насыщенного пара над свободной поверхностью воды [14]. Вода заполняет сквозные макрокапилляры только при непосредственном контакте с ними. Влага макрокапилляров свободно испаряется, не причиняя при этом сколько-нибудь глубоких повреждений материалу. б) Влага микрокапилляров. Эта влага заполняет узкие поры, средний радиус которых менее 10″ 5 см. Для таких капилляров характерно такое явление, как капиллярная конденсация. Она начинается с адсорбции молекул пара поверхностью конденсации и образованием менисков жидкости. Так как имеет место смачивание и форма менисков вогнутая, давление насыщенного пара над ними, согласно уравнению Кельвина [15], ниже, чем давление насыщенного пара над плоской поверхностью. Таким образом, происходит сорбция водяного пар из влажного воздуха [3,16].

При отводе теплоты от содержащего влагу продукта температура его понижается, при этом уменьшается энергия и интенсивность движения частиц и увеличивается их взаимная ориентация. Кристаллизация воды возможна в том случае, когда образуется некоторое количество правильно ориентированных частиц, которые затем служат центрами кристаллизации [5,17].

Скорость роста кристалла после образования кристаллического зародыша зависит от скорости диффузии молекул воды к его поверхности и от скорости отвода тепла кристаллизации. Если температура близка к 0 °C, скорость роста кристаллов регулируется главным образом диффузией молекул воды, поэтому она не велика. При дальнейшем понижении температуры начинает доминировать влияние скорости теплоотдачи, скорость роста кристалла увеличивается, достигает максимума, затем снова падает из-за того, что скорость замораживания становится выше скорости диффузии [8,18].

С точки зрения замораживания главную роль играет поведение клеточных белковых соединений. Благодаря своим физико-химическим свойствам белки относятся к коллоидам. Растворяясь в воде, они образуют гидрогели и гидрозоли. Ту часть воды, активность которой в коллоидных растворах ниже нормальной, называют связанной, остальную — свободной. Связанная вода по термодинамическим свойствам отличается от свободной и характеризуется упорядоченным расположением молекул. Плотность ее достигает 1,74−10 кг/м3. Если не считать небольшого количества воды, удерживаемой механически, то вся вода в пищевых продуктах является связанной. Прочносвязан-ная вода характеризуется высокой теплотой испарения и не замерзает даже при очень низких температурах (вплоть до -195,6 °С), так как имеет очень высокую энергию связи с материалом от 80 до 155 кДж/кг [5,1,19].

При замораживании коллоидного раствора сначала он ведет себя как истинный раствор — процесс замораживания обратим. При дальнейшем понижении температуры начинает замерзать связанная вода. Отделенные друг от друга оболочками гидратов коллоидные частицы могут сближаться на столько, что силы притяжения склеивают мицеллы и коллоид может денатурировать. Уменьшение обратимости белков растет с понижением температуры. Однако с понижением температуры замедляется реакция денатурации. Благодаря наличию этих противоположных факторов необратимые реакции будут проходить при тех температурах, когда раствор, содержащий коллоидные гидраты станет достаточно концентрированным, а скорость денатурации будет еще достаточно высокой. Такое положение сохраняется в температурном диапазоне от -1 °С до -5 °С. Поэтому важно, чтобы во время замораживания температура как можно быстрее стала ниже -5 °С [6, 8, 20].

Замерзшие пшцевые продукты содержат кристаллики льда различных размеров и не замерзшую воду в виде жидких растворов. Наличие кристаллов различной величины связано с разницей скоростей замерзания находящихся на различной глубине от поверхностных слоев продукта. Эта гетерогеннная система кристаллов разной величины слабо устойчива. Она постоянно изменяется в сторону увеличения размеров кристаллов льда и уменьшения их количества. Это, так называемое, явление рекристаллизации возникает по двум причинам [21, 22, 23].

1. Парциальное давление водяных паров над мелкими кристаллами льда выше, чем над крупными. Вследствие разницы давлений водяных паров молекулы воды постоянно сублимируют с мелких кристаллов и осаждаются на крупных.

2. Непрерывное колебание температуры хранения продукта. При небольшом увеличении температуры продукта мелкие кристаллики плавятся в первую очередь. Образовавшаяся при плавлении вода при понижении температуры намерзает на других кристаллах.

Рекристаллизация замедляется при понижении температуры хранения. Колебанию температуры продуктов около 0,05 °С, которое возникает при колебании температуры хранилища -10 °С рекристаллизации подвержено 0,04% воды [8].

Дефростирование — заключительная операция в непрерывной холодильной цепи. Цель этой операции — привести продукт в состояние, удобное для дальнейшего использования и возможно более близкое состоянию натурального продукта.

При дефростировании проявляется технологическая обратимость всей совокупности процессов, составляющих непрерывную холодильную цепь, а сама эта заключительная операция, будучи важной ее составляющей все же не считается решающей для достижения наилучшего конечного эффекта [5].

До середины XX столетия считалось, что медленное размораживание технологически более совершенно, нежели быстрое, так как приводит к более полному восстановлению свойств продукта. Это суждение соответствовало принятой в то время практике медленного замораживания. Позже было установлено, что скорость дефростирования не оказывает заметного влияния на качественное состояние продукта [7, 24]. Однако медленно дефростируемый продукт, не будучи стерильным, становился средой, благоприятной для развития микрофлоры, и в нем, по мере повышения температуры активизируются ферменты. Это не способствует доброкачественности медленно дефрости-руемого продукта [5,16].

Поскольку в настоящее время общепризнанными считаются технологии быстрого замораживания, где сокращается перемещение влаги при льдообразовании, ослабилось действие одного из веских доводов в пользу медленной дефростации, основанного на необходимости иметь достаточное время для восстановления натурального распределения влаги. В связи с этим современными тенденциями в части дефростации пищевых продуктов являются ускоренные методы: применение в качестве отепляющей среды быстродвижущегося теплого воздуха или жидкости.

101 выводы.

1. Впервые проведены комплексные исследования физико-химических процессов, структурных перестроек, динамики микробиологических показателей и органолептических характеристик при замораживании, низкотемпературном хранении и дефростации головок сычужных сыров (жирных и нежирных, незрелых и зрелых), используемых в качестве сырья для производства плавленых сыров.

2. На основании термограмм замораживания сыров, снятых для температуры -16 °С, определены криоекопические точки: незрелый жирный сыр (-4,3 °С), зрелый жирный сыр (-5,1 °С), незрелый нежирный сыр (-4,9 °С), зрелый нежирный сыр (-5,6 °С). Продолжительность замораживания составила: незрелый жирный сыр (45±1) ч, зрелый жирный сыр (48±1) ч, незрелый нежирный сыр (49±1) ч, зрелый нежирный сыр (49±1) ч.

3. Продолжительность дефростации сычужных сыров составила при температуре 20 °C для жирных сыров (22±2) ч, для нежирных сыров (24±2) чпри температуре 5 °C дня жирных сыров (45±2) ч, для нежирных сыров (48±2) ч.

4. Замораживание, низкотемпературное хранение и дефростация сычужных сыров сопровождаются уменьшением массовой доли влаги. Наибольшие потери влаги к концу 9-хранения имеют место в периферийном слое незрелых нежирных сыров при дефростации +20 °С и составляют 5,5%.

5. При низкотемпературной обработке и дефростации сычужных сыров не происходит изменения активной кислотности. Колебания величины рН находятся в пределах ошибки измерения.

6. Органолептическая оценка сычужных зрелых жирных и нежирных сыров показала, что замораживание, хранение при низких температурах в течение 9 месяцев и дефростация не оказывают существенного влияния на их вкус. Для незрелых сыров характерными являются пороки: невыраженный сырный вкус и неравномерное распределение соли по слоям. В процессе хранения осуществляется постепенное перераспределение соли, однако, полного выравнивания концентрации не происходитидет медленное формирование сырного вкуса. В жирных сырах слабовыраженный сырный вкус появляется после 3-х месяцев хранения, в нежирных — после 5-ти, степень его выраженности сохраняется в течение всего периода хранения.

7. При низкотемпературной обработке консистенция сычужных сыров претерпевает более глубокие изменения. Зрелые жирные и нежирные сыры менее подвержены трансформации структуры и консистенции, чем незрелые. Для всех сыров в разной степени выраженности и появляющийся в различные периоды хранения характерны пороки консистенции «слегка мучнистая», «слегка несвязная», которые прогрессируют и трансформируются в «несвязную», «крошливую». В зависимости от степени выраженности этого порока балловая оценка за консистенцию к концу хранения снижается на 1,5−3,0 балла.

8. При оценке состояния консистенции реологическими показателями (модуль упругости, динамическая вязкость) установлено, что в процессе хранения сыров величины этих показателей уменьшаются. В конце хранения величина модуля упругости уменьшается в зрелом жирном сыре на 14,4%, в зрелом нежирном сыре на 24,1%- динамическая вязкость на 11,9%, в нежирном на 10,7%. В незрелых жирных сырах модуль упругости снижается на 32,5%, в незрелом нежирном на 36,1%- динамическая вязкость в жирном сыре уменьшается на 27,3%, в нежирном на 28,6%.

9. Электронно-микроскопическими исследованиями установлено, что при низкотемпературной обработке и дефростации сычужных сыров изменяется структурный элемент белкового каркаса, частично разрушается сам белковый каркас, а также меняется состояние воды. Глубина данных изменений зависит от состава сыров, степени их зрелости, соотношения СОМО/вода. Наибольшим изменениям подвержены незрелые сыры.

10. Различные группы микроорганизмов (бактерии группы кишечной палочки, дрожжи, плесени), при низкотемпературной обработке и хранении сычужных сыров постепенно вымирают. Жизнеспособные клетки дрожжей и плесеней не обнаруживаются после 3-месячного хранения. Количество бактерий группы кишечной палочки не изменяется до 3-х месяцев хранения, через 6 месяцев оно уменьшается на порядок, к концу хранения снижается еще на 2 порядка. Количество мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов на протяжении всего периода хранения изменяется незначительно.

Режимы дефростации не оказывают влияния на состояние изученной микрофлоры.

11. При использовании сычужных зрелых сыров жирных и нежирных, подвергнутых низкотемпературному воздействию и хранению, отрицательного влияния на вкус плавленых сыров не отмечено.

Консистенция плавленых сыров, выработанных из сычужных зрелых жирных сыров, подвергнутых низкотемпературной обработке, соответствует норме только при хранении их до 7 месяцев. Более длительное хранение сырья, обуславливает в плавленом сыре «слегка несвязную» консистенцию, что подтверждается снижением модуля упругости на 25%, динамической вязкости на 12%, а также уменьшением размеров структурного элемента и частичным разрушением белкового каркаса.

При использовании сычужного зрелого нежирного сыра консистенция плавленого сыра соответствует норме только при хранении сырья в течение 5 месяцев. Дальнейшее хранение сырья обуславливает в плавленом сыре получение нехарактерной консистенции, которая оценивается как «излишне нежная», при этом модуль упругости снижается на 35%, динамическая вязкость на 15,5%.

12. Незрелые сычужные сыры, хранившиеся до 3 месяцев, обуславливают в плавленых сырах отсутствие выраженного сырного вкуса. Дальнейшее хранение сырья позволяет получить в плавленых сырах умеренно выраженный сырный вкус.

Консистенция плавленых сыров, выработанных из незрелых жирных сычужных сыров, остается практически без изменений на протяжении 9 месяцев холодильного хранения сырья.

Консистенция плавленых сыров, выработанных из незрелых нежирных сыров, соответствует норме только при хранении сырья в течение 7 месяцев. Дальнейшее хранение сырья обуславливает в плавленом сыре получение нехарактерной консистенции, которая оценивается как «нежная», при этом модуль упругости снижается на 18%, динамическая вязкость на 9,8%.

13. Элекронно-микроскопические исследования свидетельствуют о том, что при выработке плавленых сыров из сырья, хранившегося 9 месяцев при -16 °С, наблюдаются изменения как пространственной сетки, так и дтруктурного элемента, формирующего белковый каркас, обусловленные трансформацией субмикрострукгуры и свойств белка сычужных сыров в процессе их замораживания и низкотемпературного хранения. В данных образцах: плавленых сыров пространственная сетка искажается, становится менее выраженной, а структурный элемент уменьшается в размерах.

14. В процессе замораживания и низкотемпературного хранения сычужных сыров происходит значительное сокращение объема микрофлоры. Тепловая обработка при плавлении сыров обеспечивает дальнейшее уменьшение количества бактерий: КМАФАнМ в 150−280 тыс. раз (эффект термической гибели составил 99,996%), дрожжевая и плесневая микрофлора на 100%, численность БГКП в 2500 раз, что позволяет получить плавленые сыры, соответствующие по микробиологическим показателям СанПиН 2.3.2.1078−01.

15. На основании проведенных исследований разработана «Технологическая инструкция по замораживанию, низкотемпературному хранению и дефростации сычужных сыров, используемых для производства плавленых сыров», включающая научно-обоснованные режимы хранения сычужных сыров, а также рекомендации по их использованию при производстве плавленых сыров.