NEW HIGH-TECH METHODS OF RHEOLOGICAL PROPERTIES EVALUATION IN CHEESEMAKING: STUDY OF MILK COAGULATION AND FORMATION OF CHEESE CURD STRUCTURE
Rubrics: FOOD PRODUCTION TECHNOLOGY
Authors:
1.
Siberian Research Institute of Cheese Making
2.
Siberian Research Institute of Cheese Making
3.
Siberian Research Institute of Cheese Making
Type:
Article
Pages:
from 55
to 61
Status:
Published
Received:
23.07.2017
Accepted:
23.07.2017
Published:
23.07.2017
Subject area:
UDK 637.3
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Cheesemaking, rheological characteristics, cheese curd, dynamics of milk coagulation, strength, elasticity
Abstract (English):
The coagulation of milk mixture is an important technological stage of cheese-making. Peculiar features of curd formation affect the choice of cheese-making conditions and determine the quality of cheese. At the Siberian Research Institute of Cheese- making two instruments and two methods allowing monitoring of milk coagulation process and rheological properties of curd formation have been developed. The methods allow us to investigate the dynamics of milk coagulation and to measure the rheological characteristics of the curd (strength and elasticity). The first method and the instrument are designed to study the effect of conditions of milk mixture coagulation and curd treatment. The advantage of this method is the possibility of obtaining undistorted curd in the vessel which is then transferred to the device for measuring strength tensile. The device allows making comparative experiments on the same milk sample changing the factors (dose of enzyme, pH, and mass fraction of solids). The second instrument is a modernized version of a reconciler and has been designed to measure the ultimate strength. The ultimate strength of cheese curd reflects its technological properties and correlates with the loss of the cheese mass in the development of cheese curd. Analyzing the dynamics of formation of curd rheological characteristics it has been established that ultimate strength is not always a function of time: in many cases local extremes are observed. This phenomenon depends on the kind of milk coagulating enzyme, the protein composition of milk, the concentration and the state of calcium ions, the presence of inhibitory substances in milk. The developed methods make enable us to adjust processing at early stages of cheese-making, to specify binding properties of the cheese mass and the losses of milk components. The instruments and methods can be used more effectively when making cheese from mixtures which include dry and condensed components.
The coagulation of milk mixture is an important technological stage of cheese-making. Peculiar features of curd formation affect the choice of cheese-making conditions and determine the quality of cheese. At the Siberian Research Institute of Cheese- making two instruments and two methods allowing monitoring of milk coagulation process and rheological properties of curd formation have been developed. The methods allow us to investigate the dynamics of milk coagulation and to measure the rheological characteristics of the curd (strength and elasticity). The first method and the instrument are designed to study the effect of conditions of milk mixture coagulation and curd treatment. The advantage of this method is the possibility of obtaining undistorted curd in the vessel which is then transferred to the device for measuring strength tensile. The device allows making comparative experiments on the same milk sample changing the factors (dose of enzyme, pH, and mass fraction of solids). The second instrument is a modernized version of a reconciler and has been designed to measure the ultimate strength. The ultimate strength of cheese curd reflects its technological properties and correlates with the loss of the cheese mass in the development of cheese curd. Analyzing the dynamics of formation of curd rheological characteristics it has been established that ultimate strength is not always a function of time: in many cases local extremes are observed. This phenomenon depends on the kind of milk coagulating enzyme, the protein composition of milk, the concentration and the state of calcium ions, the presence of inhibitory substances in milk. The developed methods make enable us to adjust processing at early stages of cheese-making, to specify binding properties of the cheese mass and the losses of milk components. The instruments and methods can be used more effectively when making cheese from mixtures which include dry and condensed components.
Keywords:
Cheesemaking, rheological characteristics, cheese curd, dynamics of milk coagulation, strength, elasticity
Cheesemaking, rheological characteristics, cheese curd, dynamics of milk coagulation, strength, elasticity
Основным направлением научно технического прогресса в пищевой промышленности является развитие технологий, повышающих эффективность производственных процессов, что в свою очередь ведет к повышению производительности труда и экономии материальных ресурсов. Для разработки прогрессивных технологических решений необхо- димо изучение реологических свойств обрабатыва- емых продуктов, что особенно важно для продук- тов с неньютоновскими свойствами [1, 2]. Реология рассматривает процессы, связанные с необратимы- ми остаточными деформациями и течением разно- образных вязких и пластических материалов, а также явления релаксации напряжений, упругого последействия и т.д. Экспериментальная реология (реометрия) изучает различные структурно- механические свойства тел с помощью специаль- ных приборов и устройств [3, 4]. Дебон и соавторы изучали реологические свойства сквашиваемого молока с помощью ротационного вискозиметра, при этом продукт продемонстрировал ярко выра- женные неньютоновские свойства, переходящие в ньютоновские при высоких скоростях сдвига. Схо- жие зависимости можно наблюдать в работах Н.Г. Острецовой и А.В. Чекалева, проводивших исследования реологических свойств белковых сгустков [5]. К важнейшим физическим свойствам сыра относятся реологические свойства: текучесть, вязкость, прочность, упругость. Консистенцию сы- ра можно описывать совокупностью реологических параметров, имеющих точный физический смысл: модуля упругости, вязкости, времени релаксации и т.д. С точки зрения реологии, сыр представляет собой вязкопластично-упругое тело [1-5]. Основными элементами, участвующими в про- цессе образования структуры сыров, являются бел- ки. Именно их взаимодействию обязано изменение структурно-механических свойств смесей. Схема- тично процесс коагуляции протекает по схеме, при которой вначале белки подвергаются воздействию ферментов или ионов солей. При этом белки меня- ют свое конформационное состояние, соединяясь друг с другом и образуя конгломераты. Эта стадия практически не меняет внешнего вида смеси, под- вергающейся коагуляции, и ее называют скрытой стадией. На второй стадии, когда размеры образо- вавшихся конгломератов превышают критические значения, наступает этап структурообразования, при котором образуется золь, постепенно перехо- дящий в гель. В большинстве случаев эти системы не обладают свойством тиксотропии, т.е. не вос- станавливают структуры при ее разрушении. Одна- ко первичная тиксотропия (образование внутрен- ней структуры) обязательно наличествует, и об этом говорит резкое изменение структурно- механических свойств после коагуляции. Система приобретает целый ряд свойств, характерных для твердых и структурированых систем. При коагуля- ции белков животного происхождения под влияни- ем свертывающих ферментов в сгусток переходит большая часть казеина и часть сывороточных бел- ков. При этом большая часть жировых шариков захватывается белковой структурой. В сыворотке остается незначительная часть сывороточных бел- ков и углеводы, которые в основном представлены молочным сахаром (лактозой). При кислотной коа- гуляции общий механизм остается прежним, одна- ко коэффициенты перехода уже будут другие. Для описания стадий процесса коагуляции можно ис- пользовать математический аппарат, применяемый при анализе цепей Маркова. При этом технологи- ческий процесс коагуляции рассматривается как цепь перехода компонентов из одного состояния в другое. Переход из одного состояния в другое ха- рактеризуется физико-химическими свойствами как среды, так и самого компонента. Общая схема коагуляции молочной смеси может быть представ- лена схематично (рис. 1). Исходная смесь, подвер- гаемая свертыванию, на первой стадии испытывает воздействие первого комплекса факторов КФ1. В результате этого воздействия происходит осажде- ние коагулянта КГ1, а исходная смесь переходит в состояние СС1 из СС0 (состояние смеси). На вто- рой стадии смесь СС1 под воздействием факторов КФ2 происходит образование коагулянта КГ2 и смесь переходит в состояние СС1. На последую- щих стадиях на смесь воздействуют комплексы факторов КФi. Эффективность процесса коагуля- ции в целом можно оценить по отношению массо- вых долей сухих веществ в исходной смеси и полу- ченных коагулянтах [6, 7]. Рис. 1. Общая схема коагуляции исходной смеси Большой научный и практический интерес представляет исследование реологических свойств сгустка неразрушающими методами и получение данных о динамике свертывания молока (молочной смеси) в ходе технологического процесса выработ- ки сыра, поскольку в сыроделии важнейшим тех- нологическим этапом получения сыра является этап свертывание молока или молочной смеси [8- 10]. Динамика формирования сгустка влияет на выбор режимов при выработке сырного зерна и определяет качество сыра. Оценка влияния приме- няемых ингредиентов и коррекция режимов свер- тывания имеет первостепенное значение в техноло- гическом процессе производства сыра. На форми- рование реологических свойств сгустка оказывает влияние целый ряд факторов, среди которых наибольшее значение имеют: качество молока, доза и тип молокосвертывающего фермента и закваски, количество ионов кальция, температура свертыва- ния, исходная кислотность молока (смеси) и дру- гие. Кроме продолжительности свертывания моло- ка влияние на качество сыра оказывает и характер формирования сгустка, из которого в дальнейшем вырабатывают сырное зерно. Непрерывный контроль реологических свойств молочной смеси по ходу технологического процес- са выработки сыра намного точнее и объективнее отражает ход этого процесса, чем дискретный ла- бораторный контроль структурно-механических свойств смеси и сгустка на входе, выходе и проме- жуточных фазах [11]. Изменение реологических свойств молочной смеси дает возможность судить о начале, окончании, скорости и направленности технологического процесса [12, 13]. Для оценки преимуществ или недостатков того или иного тех- нологического процесса в сыроделии необходимо его корректное исследование. Преимущества одно- го технологического процесса в сравнении с дру- гим можно оценивать по различным показателям: выходу из единицы сырья, потерям сырья при про- изводстве, органолептическим показателям, трудо- емкости и энергоемкости, сроку годности и т.д. На этапе свертывания молока важным показателем эффективности является расход молокосвертыва- ющего фермента, поскольку цена его весьма высо- ка. Решение о целесообразности применения тех или иных компонентов (ингредиентов), режимов, операций на практике зачастую приходится прини- мать в условиях информационной неопределенно- сти. При этом необходимо учесть комплекс пока- зателей, включающих продолжительность процесса выработки сырной массы, потери белка и жира, массовую долю влаги в продукте и др. Для приня- тия обоснованного решения необходимо проведе- ние многочисленных экспериментов (пробных ва- рок), позволяющих получить достоверные резуль- таты. Такой подход требует значительных ресурсов времени и расходных материалов. Существующие приборы для оценки формиро- вания реологических показателей сгустка не дают возможности оценить динамику процессов. Тром- боэластографы и коагулографы не позволяют полу- чить достаточное количество информации, по- скольку сгусток, формирующийся в измерительных ячейках, частично или полностью разрушается ин- денторами. Поэтому исследователь не получает достоверной картины формирования структуры сгустка [14]. Целью работы является разработка приборов и методик, позволяющих оценивать реологические показатели сырного сгустка в динамике. Объекты и методы исследования Для проведения исследований процессов свер- тывания молока и формирования реологических характеристик сгустков в «Сибирском научно- исследовательском институте сыроделия» (Сиб- НИИС) разработаны два прибора и две методики, позволяющие реализовать наблюдение за этими процессами. Методики предусматривают исследо- вание динамики свертывания молока, измерение реологических характеристик полученного сгустка (прочности и упругости). При реализации методик последовательно проводят свертывание молока (смеси), регистрируя динамику изменения процесса свертывания неразрушающим методом, и измеряют предел прочности полученного сгустка. Парал- лельно можно проводить пять опытов. Результаты и их обсуждение Первая методика и прибор предназначены для исследований режимов свертывания молочных смесей и режимов обработки сырного зерна. При- бор фиксирует отклонение лазерного луча, отра- женного от поверхности исследуемой молочной смеси. Схема прибора для исследования процесса свертывания молочных смесей приведена на рис. 2, общий вид установки - на рис. 3. Рис. 2. Схема прибора для исследования процесса свертывания молочных смесей: 1 - лазер, 2 - луч лазера, 3 - стойка, 4 - подвижный штатив для стакана, 5 - стакан со смесью, 6 - видеокамера, 7 - жидкостный термостат, 8 - экран Прибор состоит из термостатируемой емкости, в которой располагается цилиндр, заполненный до заданного уровня исследуемой смесью. Можно из- менять наклон цилиндра относительно уровня жид- кости в термостате на строго заданный угол с по- мощью привода от электродвигателя. На поверх- ность исследуемого образца направляется луч лазе- ра. Луч, отраженный от поверхности продукта, по- падает на градуированный экран. При изменении угла наклона цилиндра с образцом продукта в ис- ходном состоянии положение луча на экране не меняется. При формировании структуры или изме- нении вязкости поверхность продукта при наклоне цилиндра меняет положение относительно гори- зонта. При этом положение на шкале луча, отра- женного от поверхности образца, изменяется. При изменении положения цилиндра в крайних позици- ях фиксируется положение отраженного луча на экране с помощью видеокамеры. Это дает возмож- ность анализировать изменение положения поверх- ности продукта во времени и получать данные о структуре сгустка на различных этапах его форми- рования. По величине отклонений положений луча на шкале получают график, характеризующий ди- намику реологических свойств продукта. Рис. 3. Общий вид установки для исследования процесса свертывания молочных смесей Работа с прибором осуществляется следующим образом. Вначале опыта проводят измерение пока- зателей исходной смеси (массовой доли жира, бел- ка, активной и титруемой кислотности, плотности) и разливают образцы смеси в цилиндрические мер- ные стаканчики вместимостью 100 мл по 100 мл в каждый. Перед заполнением стаканов смесью в них вносят растворы необходимых компонентов, предусмотренные программой проводимого опыта (молокосвертывающий фермент, хлористый каль- ций и т.п.). Затем наполняют стаканы до метки мо- лочной смесью, перемешивают стеклянной палоч- кой и устанавливают в подвижную рамку установ- ки для исследования процесса свертывания моло- ка. Установка помещена в термостат и периодиче- ски наклоняется на фиксированный угол. Отклоне- ние луча от исходного положения пропорциональ- но уровню образования структуры в смеси под вли- янием молокосвертывающего фермента или друго- го коагулянта. В подвижную (качающуюся) рамку можно одновременно установить до пяти стаканчи- ков, т.е. параллельно можно проводить 5 опытов. Это могут быть 5 повторностей одного опыта или 5 различных вариантов опытов, проводимых при одной температуре. Опыты проводятся в автомати- ческом режиме. Результаты фиксируются на CD- карточке или непосредственно передаются на ком- пьютер. Периодичность замеров можно программ- но изменять. Температуру свертывания можно ре- гулировать в пределах от 25 до 45 оС. Периодич- ность фиксирования показаний прибора регулиру- ется программно в пределах от 5 до 99 сек. По полученным данным строят графики, харак- теризующие динамику процесса свертывания. Пример таких графиков дан на рис. 4: в координа- тах «время - вязкость» приведены результаты свер- тывания молочной смеси с пятью различными до- зировками молокосвертывающего фермента. Вязкость молока, ед. Время, мин Рис. 4. График динамики свертывания пяти образцов молочных смесей Достоинством метода является возможность по- лучения неразрушенного сгустка в емкости. Сгус- ток, образующийся в цилиндре, не разрушается, получается монолитным, в дальнейшем можно определить для него предел прочности, т.е. на од- ном образце изучить формирование структуры и прочностные характеристики сгустка. Для повышения производительности прибор снабжен пятью ячейками, в которые можно поме- стить пять цилиндров с образцами. Установка дает возможность проводить параллельные сравнитель- ные опыты на одном молоке, меняя другие факторы (дозы фермента, уровень кислотности, массовую долю сухих веществ и др.). Прибор может использоваться для исследования активности молокосвер- тывающих ферментов, сыропригодности молока, оптимальных режимов свертывания. На следующем этапе измеряют предел прочно- сти полученного сгустка. Предел прочности сырно- го сгустка отражает его технологические свойства и коррелирует с потерями сырной массы при выра- ботке сырного зерна. Дело в том, что слабый сгу- сток при выработке сырного зерна дает много так называемой «сырной пыли», мелких частиц сгуст- ка, которые теряются при формовании и снижают выход продукта [15]. Стаканчики (емкости) извлекаются из установки для исследования процесса свертывания молочных смесей и устанавливаются в прибор для измерения предела прочности (рис. 5). Прибор для измерения предела прочности представляет собой модернизи- рованный вариант реоконсистометра Гепплера [16, 17]. Прибор представляет собой штатив с установ- ленной подвижной кареткой, снабженной датчиком усилия с присоединенным к нему специальным индентором, блока управления и компьютера. Рис. 5. Прибор для измерения предела прочности сгустка Рис. 6. Кривые нагрузки при измерении предела прочности В ходе этой серии экспериментов получены графики изменения усилия на индентор при фор- мировании структуры молочного сгустка (рис. 6). Измерения производились при скорости движения индентора 4 мм/с. Вначале видно плавное нарастание нагрузки до определенного предела, затем резкое снижение нагрузки при превышении предела прочно- сти сгустка. Далее движение индентора происходит со значительно меньшей нагрузкой. Анализ динамики формирования реологических характеристик сгустков показал, что предел прочнос- ти не всегда является функцией времени. Так в целом ряде случаев наблюдаются локальные экстремумы. Это может зависеть от вида конкретно применяемого молокосвертывающего фермента, белкового состава молока, наличия ингибирующих веществ в исходном молоке, а также от концентрации и состояния ионов кальция, которые в целом ряде случаев имеют весьма важное значение [18]. В дальнейшем, после проведения исследований, полученный сгусток обрабатывают по заданному технологическому процессу с получением сырного зерна, формованием и прессованием. По получен- ным результатам делают вывод о необходимости внесении корректив в технологию разрабатываемо- го сыра, проводят расчет выхода сыра исходя из массовых долей сухих веществ в исходном сырье и полученном продукте. Таким образом, установлено путем анализа ди- намики формирования реологических характери- стик сгустков, что предел прочности не всегда яв- ляется функцией времени: в целом ряде случаев наблюдаются локальные экстремумы. Это явление зависит от вида применяемого молокосвертываю- щего фермента, белкового состава молока, от кон- центрации и состояния ионов кальция, наличия ингибирующих веществ в молоке. Оборудование, приборы и методики, разработанные в СибНИИС [19], дают возможность скорректировать техноло- гические приемы на ранних стадиях выработки сыра, уточнить водосвязывающие свойства сырной массы, степень потерь компонентов молока. При- боры и методики наиболее эффективно могут быть применены при разработке технологий выработки сыров из смесей с использованием сухих и сгущен- ных компонентов.
1. Krupoderov, A.Yu. Reologicheskie harakteristiki anomal'no vyazkih pischevyh produktov i drugih sred / A.Yu. Krupoderov, L.K. Nikolaev, A.V. Kuznecov // Nauchnyy zhurnal NIU ITMO. Seriya «Processy i apparaty pischevyh proizvodstv». - 2014. - № 4. - S. 96-106.
2. Karlsson, A.O. Rheological properties and microstructure during rennet induced coagulation of UF concentrated skim milk / A.O. Karlsson, R. Ipsen, Y. Ardö // International Dairy Journal. - 2007. - Vol. 17, Issue 6. - P. 674-682.
3. Impact of thermo-mechanical treatments on composition, solids loss, microstructure, and rheological properties of pasta filata-type cheese / Vincent Banville, Denise Chabot, Nelson Power, Yves Pouliot, Michel Britten // International Dairy Journal. - 2016. - Vol. 61. - P. 155-165.
4. Effect of carrageenan on the formation of rennet-induced casein micelle gels / Fang Wang, Xianting Liu, Yanan Hu, Jie Luo, Xin Lv, Huiyuan Guo, Fazheng Ren // Food Hydrocolloids. - 2014. - Vol. 36 - P. 212-219.
5. Lu, Y. Vollmer. Investigating rennet coagulation properties of recombined highly concentrated micellar casein concen- trate and cream for use in cheese making / Y. Lu, D.J. McMahon, A.H. // Journal of Dairy Science. - 2017. - Vol. 100, Issue 2. - P. 892-900.
6. Mayorov, A.A. Modelirovanie koagulyacii molochno-rastitel'nyh smesey / A.A. Mayorov, I.M. Mironenko, O.M. Bulgakova // Aktual'nye problemy tehniki i tehnologii pererabotki moloka. - 2007. - Vyp. 2. - S. 22 Y. Lu, 24
7. Musina, O.N. Sistemnoe modelirovanie mnogokomponentnyh produktov pitaniya / O.N. Musina, P.A. Lisin // Tehnika i tehnologiya pischevyh proizvodstv. - 2012. - T. 4. - № 27. - S. 32-37.
8. Lisin, P.A. Strukturno-mehanicheskaya i termodinamicheskaya harakteristika bioyogurta / P.A. Lisin, O.N. Musina, I.V. Kister // Tehnika i tehnologiya pischevyh proizvodstv. - 2014. - № 1. - S. 54-59.
9. Rastitel'nye pischevye kompozity polifunkcional'nogo naznacheniya / K.L. Konovalov, M.T. Shulbaeva, A.I. Loseva, O.N. Musina // Pischevaya promyshlennost'. - 2010. - № 7. - S. 8-11.
10. Musina, O.N. Formula molochno-zernovyh produktov / O.N. Musina // Molochnaya promyshlennost'. - 2011. - № 5. - S. 70-71.
11. Use of shear wave elastography for monitoring enzymatic milk coagulation / E. Budelli, M. Bernal, P. Lema, M. Fink, C. Negreira, M. Tanter, J.L. Gennisson // Journal of Food Engineering. - 2014. - Vol. 136. - P. 73-79.
12. Coagulation properties of ultrafiltered milk retentates measured using rheology and diffusing wave spectroscopy Sandra Sandra, Christina Cooper, Marcela Alexander, Milena Corredig // Food Research International. - 2011. - Vol. 44, Issue 4. - P. 951-956.
13. Feunteun, Steven Le. The rennet coagulation mechanisms of a concentrated casein suspension as observed by PFG-NMR diffusion measurements / Steven Le Feunteun, Minale Ouethrani, François Mariette // Food Hydrocolloids. - 2012. - Vol. 27, Issue 2. - P. 456-463.
14. Arhipov, A.N. Strukturoobrazovanie molochnyh produktov / A.N. Arhipov, A.A. Mayorov // Molochnaya promyshlennost'. - 2012. - № 2. - S. 74.
15. Mayorov, A.A. Formirovanie strukturno-mehanicheskih svoystv syra / A.A. Mayorov, E.A. Nikolaeva. - Barna- ul: Azbuka, 2007. - 223 s.
16. Ramanauskas, R.I. Izbrannye glavy fizicheskoy himii syrodeliya / R.I. Ramanauskas. - Kaunas: Tehnologiya, 2004. - 142 s.
17. Ramanauskas, R.I. Fiziko-himicheskie aspekty primeneniya molochno-belkovyh koncentratov v syrodelii / R.I. Ramanauskas. - Kaunas: Tehnologiya, 2005. - 106 s.
18. Rol' kal'ciya pri pererabotke moloka / I. M. Mironenko, E. V. Chorey, R. V. Zharkov, M. V. Suhorukov // Syrodelie i maslodelie. - 2008. - № 3. - S. 27-28.
19. Mayorov, A.A. Oborudovanie i organizaciya syrodeliya: istoriya i sovremennost' / A.A. Mayorov, O.N. Musina. - Barnaul: Azbuka, 2016. - 312 s.
