Методология, классификация методов и приборов для измерения структурно-механических свойств пищевых масс

Для измерения твердости  используются серийно выпускаемые  пенетрометры АР 4/1 и Labor ОВ-204. Измерения с помощью конусного индикатора следует проводить на образцах сыров, имеющих так называемую «закрытую» структуру, т.е. сплошной монолит сырной массы, соизмеримый с размером индикатора. К этой группе сыров относятся: швейцарский, костромской, голландский и др. сыры, формуемые из пласта под слоем сыворотки.

Для измерения твердости  сыров, имеющих «открытую» структуру, т.е. формуемых насыпью или наливом, следует использовать индентор шаровой формы диаметром 12,7 мм и весом 400 г.

Для получения среднего значения показателя проводят 6-7 замеров и  по среднеарифметическому значению оценивают консистенцию сыра.

Хорошо зарекомендовавшим  себя показателем считается предельное напряжение среза сыра. Для его  измерения необходимо использовать специальные консистометры-пробоотборники. Приборы компактны и могут  быть использованы непосредственно  в сырохранилищах. Отсчет показаний прибора проводится по шкале, на которой фиксируется максимальное (предельное) напряжение среза. Показания прибора так же, как и в случае измерения твердости, следует приводить к нормальным условиям (температура 20 ⁰С). Для этого используется формула

τ₂₀ = τ - ,                                           (4.)

где   τ – предельное напряжение среза при температуре  измерений, кПа;                                                 τ₂₀ – предельное напряжение среза, приведенное к показателю 20 ⁰С, кПа;     k_C – температурный коэффициент (от 5 % до 16 %) для разных видов сыров;       t – температура измерения, ⁰С.

Метод измерения предельного  напряжения среза, как и метод  измерения твердости, не нормирован техническими условиями и применяется  в исследовательской практике сыроделия  при изучении режимов формования и прессования, добавления сывороточных белков, изменения массовых долей жира, влаги и соли. Установлено, что наиболее высокая информативность реологического метода наблюдается при сравнении данных внутри выборки, принадлежащей одной выработке сыра. Это широко используется исследователями при изучении влияния различных факторов на формирование консистенции сырной массы.

Исследования реологических  характеристик показали, что они  претерпевают серьезные изменения  в процессе созревания сыров, причем эти изменения неоднозначны. Так, в свежеприготовленном костромском сыре средние значения показателя пенетрации составляют (100±5) ед. После посолки, в возрасте 10 дней, максимальное значение показателя пенетрации снижается до 90 ед., а диапозон варьирования возрастает до 18,5 ед. Этот эффект вызван возникновением анизотропии свойств сыра в связи с сильным обезвоживанием его периферийной части и насыщением ее солью. В целом анизотропия реологических характеристик сырной массы сохраняется до окончательного созревания. Ее проявление выражается в повышенной твердости периферийных областей головки сыра (корковый и прилежащий к нему промежуточный слой). Что касается центральный областей головки сыра, то отмечено снижение показателя пенетрации в процессе созревания сыра со 100-110 ед до 60-68 ед. к 45-суточному возрасту. Затем происходит увеличение пенетрационного показателя до 70-71 ед. к возрасту 60 суток и незначительное его нарастание вплоть до 70 суток. Такие изменения объясняются тем, что на первой стадии увеличение твердости происходит в результате физических явлений, перераспределения влаги и соли и старения гелевой структуры сыра. На второй стадии, после 45-60 суток, превалирующим процессом в формировании структурно-механических свойств сырной массы являются процессы протеолиза белков.

При созревании сыра из реологических  показателей более всего меняется показатель вязкостных свойств, причем эта тенденция выражается сильнее  у сыров с высокой температурой второго нагревания, менее – у  мелких сыров, а у полутвердых  либо вообще отсутствует, либо имеет  обратную направленность.

Основным фактором  является химический состав сырной массы, т.е. содержание в сырной массе влаги и жира. Установлено, что при содержании влаги в сырной массе менее 40 % ее дальнейшее снижение увеличивает  твердость. Это однозначно относится  ко всем видам сыров и отчетливо  прослеживается в возрастании твердости  корковых слоев. Влияние липидной фракции  на реологические свойства заключается  в снижении твердости сырной массы  при увеличении массовой доли жира. Влияние массовой доли белков отдельно не рассматривается, поскольку она является остаточным компонентом трехкомпонентной системы «жир-белок-вода», которая и образует сыр.

Влияние массовой доли жира на консистенцию свежеотпрессованного сыра нелинейно и особенно сильно сказывается в диапазоне массовых долей жира от 0 до 20 %. При одинаковой массовой доле влаги увеличение доли жира снижает твердость сырной массы примерно на 8-10 % на каждые 10 % повышения массовой доли жира в сухом веществе. Поэтому для получения сыра с хорошей консистенцией его не вырабатывают с массовой долей жира ниже 20 % в сухом веществе. С целью обеспечения необходимых структурно-механических показателей сыры с низким содержанием жира вырабатывают с повышенной влагой.

Диапазон варьирования твердости  свежеотпрессованной сырной массы лежит в пределах от 10 до 6 кПа. Нижнему значению соответствует состояние минимального содержания влаги и максимального содержания жира. После окончания прессования сыр имеет самое минимальное значение твердости за весь период созревания.

В таблице 5. приведены данные по твердости сырной массы различных сыров.

Твердость сырной массы у  свежеотпрессованного сыра, как и на протяжении всего созревания, зависит от температуры. Повышение температуры вызывает снижение твердости сырной массы.

Наибольшие изменения  реологических свойств сырной массы  происходят на следующем этапе при  посолке сыра. Температура рассола поддерживается в диапазоне от 6 % до 12 %, чаще всего 8-10 ⁰С.

Изменение реологических  свойств сырной массы во время  посолки происходит за счет ее охлаждения до температуры рассола, обезвоживания за счет осмотического давления, а также благодаря начавшему и развивающемуся процессу структурообразования. Совокупное действие этих процессов приводит к увеличению твердости сырной массы до максимальных значений, которые достигают 120-150 кПа. Таким образом за очень короткий промежуток времени твердость сырной массы возрастает в 5-10 раз. Затем, в течение некоторого времени происходит еще небольшое увеличение твердости, в основном, периферийной части брусков сыра, обусловленное влагопотерями сыра и продолжающимися процессами структурообразования. Это увеличение составляет 7-11 %.

Таблица 5.

Твердость сыров, измеренная пенетрационным методом

Говоря о свойствах  сырной массы необходимо конкретизировать место в ее объеме, к которому она относится. Если в начальный  момент формования массу можно считать  изотропной, то к концу прессования  уже наблюдается анизотропность свойств, связанных с неравномерностью распределения влаги и температуры. Последующая посолка в бассейне усугубляет анизотропию свойств сырной массы. Особенно сильно изменяются реологические свойства сыра в корковой части. В зависимости от отношения полной площади поверхности сыра к массе бруска сыра (величины удельной поверхности) изменяются скорости теплообмена и массообмена.

Для проведения измерений  твердости используют среднюю часть  головки сыра, исключая корковый слой толщиной 2 см. Измерения проводят при  температуре сыра 20 ⁰С. При невозможности проведения измерений при указанной температуре в результаты измерения вносят поправку с учетом коэффициентов, приведенных в таблице 6.

Общая тенденция изменения  твердости сырной массы для всех твердых натуральных сычужных сыров  сохраняется одинаковой, она изображена на рис.1. В точке (1) после прессования сырная масса имеет наименьшую величину твердости, на участке 2 (посолка сыра) происходит увеличение твердости.

Таблица 6

Температурные поправочные коэффициенты для различных  сыров

Общая тенденция изменения  твердости сырной массы для всех твердых натуральных сычужных сыров  сохраняется одинаковой, она изображена на рис. 2.22. В точке (1) после прессования  сырная масса имеет наименьшую величину твердости, на участке 2 (посолка сыра) происходит увеличение твердости. На участке 3 (обсушка сыра, начало созревания, процесс нарастания твердости продолжается за счет структурообразования казеиновой пространственной решетки). В дальнейшем на участке 4 величина твердости снижается за счет протеолиза белков, приводящего к частичному разрушению структуры белковых связей. Существенного влияния липолитических процессов на структурно-механические свойства сырной массы не отмечено.

Структурно-механические свойства сырной массы помимо того, что они  напрямую влияют на оценку консистенции зрелого сыра, влияют еще и на характер развития рисунка в сыре.

   Известно, что рисунок  в сырах, состоящий из глазков  круглой или овальной формы  есть результат взаимодействия  твердой и газообразной фазы  сыра. При этом немаловажную роль  играет способность сырной массы  деформироваться под влиянием  давления газов и впоследствии  сохранять следы взаимодействия  в виде полостей в сыре. Количественное  описание этого процесса требует  знания как минимум двух деформационных  характеристик. Первая из них  должна содержать информацию  о величине деформации под  действием приложенной силы, а  вторая – о величине остаточной  деформации после прекращения  действия силы.

   На рис. 2. изображен  график деформации упруго-пластического тела, к разряду которого относят сырную массу.

При одноосном сжатии образца, он мгновенно деформируется на величину А (мгновенно упругая деформация). После этого происходит пластическо-эластическая деформация, развивающаяся во времени. В зависимости от соотношения пластических и эластических свойств деформация может развиваться до большего или меньшего значения. После снятия нагрузки (прекращения давления) происходит мгновенно упругое восстановление (С), переходящее в эластическое восстановление. В результате эластического восстановления деформация образца сокращается. В результате цикла «нагрузка-восстановление» формируется остаточная деформация (Д). Благодаря наличию остаточной деформации и происходит образование и сохранение рисунка в сырной массе. Поэтому при анализе реологического состояния сырной массы будет отдаваться предпочтение этим характеристикам.

Динамику деформационных процессов образцов сыра А.А. Майоров  изучал с использованием пластометра ПЛ-1. Термостатированный образец сыра подвергался одноосному сжатию при постоянной нагрузке 2,0 н/м² до прекращения деформирования или перехода процесса деформации в режим стационарного течения. После этого нагрузку снимали и фиксировали процесс восстановления линейных размеров образца. Характеристики, полученные при этих исследованиях, являлись наиболее информативными в отношении описания динамики роста рисунка в сырной массе, поскольку позволяли в одном цикле измерений получать данные о соотношении упругих и пластических свойств сырной массы. Типичный вид получаемых кривых «деформация-восстановление» приведен на рис. 2.