После получения и упрочения до определенной степени сгусток подвергают обработке с целью повышения концентрации сухих веществ в нем за счет удаления части сыворотки. Выделение сыворотки из сгустка называется синерезисом. Движущими силами синерезиса являются внутреннее напряжение сгустка и его вес, под действием которых сгусток теряет до двух третей своего объема, а также внешние нагрузки (прессование), применяемые в производстве большинства сыров. Удаление сыворотки под действием собственного веса и внутреннего напряжения сгустка в отечественной литературе называют самопрессованием, в зарубежной - спонтанным синерезисом. Масса зрелых твердых сыров составляет около 10% от массы молока, затраченного на его производство. От умения управлять синерезисом сгустка зависят химический состав и качество сыра.
Внутренние напряжения, стремящиеся сделать гель более компактным и уменьшить запас свободной энергии, возникают во всех биологических гелях. Казеиновый каркас молочного сгустка также начинает сжиматься и давить на содержимое ячеек, в результате чего часть заключенной в ячейках сыворотки выдавливается из сгустка через поры.
Прохождение жидкости через пористые материалы, обусловленное градиентом давления, подчиняется закону Darcy :
где V - линейная скорость потока жидкости в направлении / (м/с), измеряемая объемом жидкости, проходящим в единицу времени через поперечное сечение, перпендикулярное направлению /, деленным на площадь поперечного сечения. Если эффективный объем фракции материала, формирующего каркас сгустка, обозначить через φ (пористость будет равна 1 — φ) и каркас сгустка будет изотопным (имеющим одинаковые свойства во всех направлениях), то действительная средняя скорость жидкости будет равна V/(l - φ).
В - коэффициент проницаемости матрицы сгустка (м2), зависящий от геометрии сгустка. Чем больше В, тем меньше сопротивление сгустка выходу сыворотки. Он резко снижается при увеличении φ в процессе синерезиса. Проницаемость может изменяться в зависимости от скорости движения сыворотки: непостоянство скорости может влиять на вязкостное течение, а скорость потока сама по себе может влиять на матрицу сгустка, если матрица недостаточно жесткая. При низкой скорости потока (Re меньше 1, модуль сдвига меньше 0,1 Па) это влияние несущественно. Однако при деформации сгустка из-за повышенных нагрузок изменяется его проницаемость.
Средняя величина В для сычужного сгустка молока после его образования равна 2·10-13 м2 (табл. 2.7). Она увеличивается при увеличении времени с момента добавления в молоко молокосвертывающего энзима и температуры, снижается при повышении pH, не зависит от количества добавляемого хлористого кальция и резко уменьшается с повышением степени концентрации молока ультрафильтрацией (рис. 2.14).
η - вязкость (Па-с) жидкости, проходящей через пористую структуру: в молочном сгустке она равна вязкости сыворотки, которая зависит от температуры и кислотности.
ΔР - давление, оказываемое на сыворотку (Па), - давление синерезиса. Природа внутренних сил, вызывающих сжатие сгустка, недостаточно выяснена. Некоторые авторы (Cheeseman, 1962; Dimov & Mineva, 1962) считают, что выделение сыворотки из сычужного сгустка обусловлено снижением водосвязывающей активности параказеиновых мицелл по сравнению с нативными мицеллами, т. е. потерей мицеллой гидратного слоя. Другие считают, что параказеиновые мицеллы связывают только на 3% меньше воды, чем нативные.
Давление синерезиса зависит от величины внешних сил, прикладываемых к сгустку, реологических свойств сгустка (модуля упругости, спектра релаксации напряжения). Часть давления, оказываемого на сгусток, уравновешивается сопротивлением его каркаса. В уравнении фигурирует давление нетто, т. е. общее давление на каркас сгустка минус часть общего давления, уравновешиваемая каркасом сгустка.
Из рис. 2.14 видно, что вначале давление синерезиса быстро растет, затем начинает снижаться и становится небольшим через сутки после внесения молокосвертывающих энзимов в молоко (van Dijk, 1982). В первый период давление синерезиса растет, несмотря на увеличение прочности сгустка. Более того, максимальная скорость синерезиса характерна для сгустков с достаточно высокой прочностью. Скорость синерезиса при увеличении прочности сгустка проходит через максимум. Объяснить это можно тем, что те же силы, которые обеспечивают прочность сгустка, вызывают и внутренние напряжения в нем. «Слабые» сгустки плохо отдают сыворотку из-за небольшой величины этих сил, излишне прочные сгустки тоже плохо отдают сыворотку, несмотря на достаточную величину этих сил, потому что они в большей степени уравновешиваются сопротивлением казеинового каркаса.
I - расстояние (м), которое нужно пройти сыворотке. Разрезка сгустка увеличивает синерезис за счет снижения l и увеличения поверхности потока сыворотки.
Уравнение (2.6) практически нельзя использовать для количественного определения скорости синерезиса из-за неоднородности сгустка. Кроме этого, величины В и l зависят от направления, в котором идет синерезис, и в реальных условиях вектор скорости необходимо разлагать на три составляющие. Условия на поверхности и прилегающих к ней участках сырного зерна будут очень сильно отличаться от условий во внутренних слоях.
Общей тенденцией будет снижение скорости синерезиса с течением времени. Предложено несколько простых уравнений для определения изменения объема сычужного сгустка в результате синерезиса, однако маловероятно, что точность их достаточно высока. Lawrence и Hill (1974) считают, что количество выделившейся из сгустка сыворотки пропорционально времени, прошедшему после внесения в молоко молокосвертывающих энзимов, в степени 1/2.
Weber (1984) предложил следующее уравнение для определения объема сгустка (массы) (V) в зависимости от начального объема (Vо) и времени (t), прошедшего после начала синерезиса при прочих постоянных условиях :
Во всех предлагаемых для определения скорости синерезиса уравнениях она пропорциональна t1/2. При Кt намного меньшем 1, она пропорциональна t.