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

Реологические характеристики образцов сыра исследовали на специальном реоконсистометре. Прибор позволял проводить измерения прочностных и пластических характеристик в режимах одноосного сжатия или растяжения. Запись результатов измерения осуществлялась двухкоординатным потенциометром типа ПДС-021М. Измерения проводились при двух фиксированных температурах 10 ⁰С и 20 ⁰С.

Методика измерения пределов прочности на растяжение и сжатие применялась общепринятая.     

Период релаксации измеряли на реоконсистометре с записью в координатах «время-напряжение». В режиме одноосного сжатия создавали начальное напряжение (2,0 н/м²) в образце сыра стандартного размера (диаметр 10 мм и высота 10 мм). При фиксированной величине деформации проводили регистрацию падения напряжения в образце. На полученной реограмме измерением соответствующих отрезков определяли период времени, соответствующий падению напряжения в е раз (рис.3.).

Рис.3.–  Измерение периода релаксации сырной массы

 

 

Средние значения твердости  и других реологических характеристик  сырной массы говорят об интегральном уровне ее консистенции. Реальная картина  несколько сложнее. Твердость сырной массы в корковой области значительно  выше средних ее значений по всему  объему. В процессе созревания сыра перепад между величинами твердости  периферийной и центральных зон  бруска сыра возрастает при традиционном созревании (без применения специальных  мер защиты от потерь влаги). Увеличение твердости происходит вследствие потери влаги корковым и прилегающими к нему слоями.

В это же время центральные  и средние слои сыра, подвергаясь  действию протеолитических процессов, снижают свою твердость.

Различие в твердости, между периферийными и центральными слоями для сыров, созревающих в  пленке меньше, максимальный перепад  твердости для советского сыра, созревающего в пленке, на 23-26 кПа меньше, чем  у традиционно созревающего сыра с использованием парафинирования.

Еще меньше различия в твердости  у сыров, созревающих в герметически закрытых контейнерах (эмментальский блочный и др.) В зрелом возрасте различия в твердости по всему объему блока сыра не превышают 18-16 кПа при среднем значении 87 кПа.

На рис. 4. изображены графики изменения твердости по центральному сечению брусков советского сыра в зрелом возрасте, на рис.5. – эмментальского блочного сыра, на рис.6.– голландского брускового сыра. 

На рисунках видно, что  максимальной твердостью обладают угловые  зоны брусков сыра и его периферийные области. Они образуют как бы каркас, обеспечивающий сохранение формы сыра. На практике стараются создать такой  каркас, который обеспечивал бы защитные функции от механических повреждений, от излишней усушки сыра, создавал условия  для хорошей адгезии полимерно-парафиновых  сплавов.

                

Рис. 4, 5, 6. – Динамика изменения твердости сыров

 

Применение современных  технологий ухода за сыром с использованием полимерных пакетов герметичных  и полугерметичных контейнеров при созревании сыра, позволило получать, так называемые, бескорковые сыры. Эти сыры имеют равномерную структуру, хорошую, пластичную консистенцию, по весьма требовательным условиям хранения и транспортировки.

Проведенные исследования А.А. Майоровым показали высокую корреляцию твердости сырной массы с органолептической  оценкой ее консистенции. Коэффициент  корреляции 0,80-0,89. Это позволило  разработать систему инструментальной оценки консистенции сыров различных  групп.

Измерение реологических  характеристик сырной массы производится либо с помощью консистометра  – пробоотборника ВНИИМС, либо с  помощью пенетрометра АР4/1.

Полученные результаты приводят к значениям при температуре 20 ⁰С и соотносят с показателями, характерными для сыров различных групп.

Сырная масса, расположенная  в корковой области сыров, имеет  значения твердости, превышающие максимальные из приведенных в контрольной таблице. На практике это означает, что эта часть сырной массы не используется потребителем, идет в отход: для разных сыров этот показатель соответствия консистенции различен и зависит от распределения твердости сырной массы и геометрических размеров брусков сыра.

Анализируя приведенные  материалы можно сделать предварительный  вывод, что с точки зрения оценки зрелости и качества представляют интерес  процессы выравнивания структурно-механических характеристик по монолиту сыра, а  также процесс снижения твердости  сырной массы во второй половине созревания.

Однако все исследователи  выражают надежду, что с развитием  новых инструментальных методов  и специальных систем обработки  получаемой при этом информации, данная задача будет решена, поскольку уже  сейчас имеются реальные предпосылки  для ее осуществления

 

 

 

 

 

Сдвиговые свойства сыров.

При исследовании сдвиговых  характеристик сыров используют реологические методы, которые более  быстродейственные и поэтому применимы для массовых измерений и контроля производства. Из таких экспресс-методов наибольшее применение получили методы пенетрации и реологического зондирования.

Пенетрацию осуществляют с помощью полуавтоматических пенетрометров «Лабор» (производства Венгрии) или АР4/1 (Германия). Измеряют в показателях пенетрации (1 ед. пенетрации равна 1·10^-4 м) глубину погружения в продукт конусного (угол конуса 30 ⁰С) или шарового (диаметр 0,0127 м) инденторов под действием полезной массы подвижной части прибора, равной соответственно 0,15 и 0,4 кг за 5 с. По величине показателя пенетрации конусом вычисляют пенетрационную твердость θ_т (в Па), пользуясь формулой Ребиндера 3.43 для определения предельного напряжения сдвига.

Величина пенетрационной твердости тесно коррелирует (корэффициент 0,8-0,9) с предельным напряжением сдвига сыра θ₀, определенным методом конического пластометра Ребиндера.

Данные, характеризующие  пенетрационную твердость сыра при  разной температуре, приведены в  табл.7. 

Таблица 7.

Пенетрационная  твердость θ_т ·10^-4 (в Па) костромского сыра при разной  температуре (данные ВНИИМСа)

Температура сыра, 0С	Обезжиреннй сыр	Сыр с жирностью 0,45 кг жира на 1 кг сухого вещества (45%)
15                        20                        25                        30                       35	6,8                6,4                4,4                3,1                1,8	2,8                     2,2                     1,5                     0,9                    0,6

 

 

При реологическом зондировании по методике ВНИИМСа в продукт с постоянной скоростью на глубину более высоты индентора внедряют металлический конус (диаметр основания 0,015-0,025, угол 45-90⁰) или шарик (диаметр 0,012-0,016 м), измеряя при этом силу сопротивления продукта.

На рис. 2.32 показаны типичные реограммы зондирования для сыров с разным характером консистенции. По результатам реологического зондирования конусным индентором можно определить предел прочности θ_r (в Па), предельное напряжение сдвига (динамическое) θ_с, эффективную вязкость η_эф (в Па·с) и модуль сдвига G (в Па):

θ_r = К_аР_max / l²,                                              (5)

θ_s = К_аР_s / l²,                                                  (6)

η_эф = К_аР_s 0,                                                   (7)

 

G = К_{а ,}                                                     (8)

где  Р_max, Р_S, Р₀, Р_К – силы сопротивления внедрению индентора соответственно максимальная; на участке стационарного течения; в начале и конце гуковского деформирования, Н; h_К – глубина погружения индентора, соответствующая величине Р_К, м; l – высота конуса, м; r – радиус основания конуса, м; w – скорость движения индентора, м/с; К_а – поправка, зависящая от угла конуса при его вершине.

При шаровом инденторе эффективную вязкость условно рекомендуется определять по формуле Стокса:

η_эф = Р_S / 6 r w,                                  (9)

где  r – радиус шарика, м.

Рис. 7  – Реограммы реологического зондирования сыра :

1 – сыр с упругой  консистенцией; 2 – сыр с более  эластичной (пластичной) консистенцией

 

Сдвиговые характеристики сыра, определенные методом реологического зондирования, представлены в табл.7. Следует отметить, что модуль упругости и эффективная вязкость сыра, измеренные этим методом, практически совпадают с аналогичными показателями, полученными при тех же скоростях деформирования с другими реологическими методами, например методом одноосного сжатия.

 

                                                                                                                         Таблица 8.

Значения  структурно-механических показателей  Литовского

отпрессованного и зрелого сыра, полученные методом  реологического  зондирования разными инденторами (данные ВНИИМСа)

Инденторы	Возраст сыра	Предельное напряжение сдвига   θS·10-3, Па	Предел прочности θr ·10-3, Па	Модуль  упругости G·10-3, Па	Эффективная вязкость, ηэф·10-3, Па·с
Конус 300   Конус 450   Конус 600   Конус 900   Шарик диаметром 0,016 м	После пресса Зрелый После пресса Зрелый После пресса Зрелый После пресса Зрелый После пресса Зрелый	25,0        32,3        24,6        29,6        25,1        28,0        28,1        30,0           -           -	25,1         34,8         24,7         32,2         25,2         28,6         28,2         33,7            -            -	12,5      15,2      13,6      25,2      14,2      31,1      14,4      33,6        -        -	301,9       389,7       218,2       260,3       183,8       209,0       147,5       167,5       158,9       167,6

Примечание.  Высота конуса 0,016 м

Таблица 9.

Зависимость величины показателя пенетрации различных слоев сыра от их расстояния от поверхности головки

Расстояние слоя сыра от ближайшей  параллельной поверхности головки, м	Отношение величины среднего  показателя пенетрации слоя к показателю пенетрации параллельного коркового слоя сыра
	советский	лори	армянский	чанах
Горизонтальные слои 0,02                              1,5                           1,1                       1,0               0,9 0,05                              2,2                           1,3                       0,9                0,7 0,07                              2,6                           1,8                       0,8                0,6 Вертикальные  слои 0,02                              1,3                           1,4                       1,0                 0,9 0,05                              1,5                           1,9                       0,8                 0,7 0,07                              2,0                           2,3                      0,8                  0,5

 

 

С показателями качества сыра, в частности с органолептической  оценкой консистенции, наиболее тесно  коррелируют (коэффициент корреляции 0,80-0,92) показатели пенетрации и вращательного среза.

Реологические характеристики сыра сильно зависят от его возраста и химического состава. Например, сыры голландской группы при одинаковой влажности имеют в 75-дневном возрасте величину пенетрационной твердости  на 20-25 % ниже, чем в 10-дневном.

Особенно тесная корреляционная связь (0,7-0,9) наблюдается между влажностью и твердостью сыра. Для различных  технологических групп сыра кондиционной зрелости эту зависимость можно выразить через показатель пенетрации Y, измеренный при температуре около 20 ⁰С, и величину влажности W следующими уравнениями регрессии:

- литовская группа сыров:

                                               Y = 523 W – 115,1                                       (10)

крупные сыры из сырого молока (швейцарский и т.п.)