Факторы, от которых зависит синерезис, изучали многие авторы. Капитальные исследования по синерезису в последние десятилетия проведены в Нидерландах в лаборатории проф. Walstra. Глубокий анализ результатов этих исследований сделан в их обзоре (Walstra et al., 1987). Большое количество работ в этом направлении провели во ВНИИМС Табачников с учениками, Раманаускас в Литовском филиале ВНИИМС.
Геометрические факторы
Скорость синерезиса пропорциональна площади поверхности, через которую выделяется сыворотка. Если сгусток прочно прикрепляется к вертикальным поверхностям сосуда (стенки сосуда должны быть чистыми), в котором он находится, то выделение сыворотки через контактирующие поверхности не происходит. Спонтанный синерезис в сычужном сгустке наблюдается в коническом сосуде, по-видимому, в связи с тем, что гель под действием собственного веса теряет связь со стеклянными стенками еще до окончательного образования. Синерезис также наблюдается в сосуде с вертикальными стенками, если его наклонять во время образования сгустка.
Со временем гель становится более прочным и синерезис не происходит даже при незначительных механических воздействиях.
Покоящийся сгусток не показывает синерезиса на поверхности раздела с воздухом при температуре не выше 30° С и при небольшой площади поверхности. Возможно, в этом случае поры или капилляры для выхода сыворотки перекрываются поверхностным натяжением. В пользу этого предположения говорит то, что если на поверхность покоящегося сгустка поместить каплю воды или сыворотки, то начинается спонтанный синерезис. Для интенсификации синерезиса сгусток подвергают обработке, которую начинают с его разрезки. Чем ниже должна быть влажность сыра, тем на более мелкие кусочки разрезают сгусток. Влажность зерна размером от 3 до 4 мм была на 17% ниже влажности зерна размером более 7 мм при прочих одинаковых условиях. Однако в другом опыте были получены иные результаты (табл. 2.11).
Если принять содержание влаги в варианте со средними размерами зерна за 100%, то содержание влаги в зерне после обработки в варианте с более мелким зерном в этом опыте равнялось 97, а с более крупным зерном - 103,6%; в сырах после прессования - соответственно 98 и 102%, в 75-суточных сырах - 98,8 и 101%. Разница во влажности сыров с различными размерами зерна при постановке была небольшой, и она уменьшалась по мере их созревания. В соответствии с этим изменялась и активная кислотность сыра. Тем не менее разница в размерах зерна оказала существенное влияние на консистенцию и рисунок сыра. В сырах с мелким зерном консистенция была слегка мучнистой, рисунок, как правило, мелким и частым. Продукт с крупным зерном имел более плотную консистенцию и менее развитый, неравномерно расположенный рисунок, в нем часто встречались глазки вытянутой овальной формы. В Костромском сыре рисунок образуется в результате газообразования микрофлорой. То, что в сырах всех вариантов рисунок был правильным, свидетельствует об участии в его образовании только газообразующей микрофлоры заквасок. Мелкий и частый рисунок в сырах с мелким зерном скорее всего является следствием наличия большого количества центров для образования глазков (глазки образуются в местах стыковки зерен), в сырах с крупным зерном таких центров было недостаточно.
Количество сырной пыли увеличивается, а следовательно, выход уменьшается при постановке более мелкого зерна.
Более плотная консистенция в сырах с крупным рисунком, возможно, обусловлена более высокой их влажностью на первых этапах после выработки, что должно привести к увеличению в них содержания лактозы, затем титруемой и активной кислотности и, как следствие, к некоторому снижению скорости протеолиза. В зрелом же виде, когда оценивали консистенцию, содержание влаги во всех сырах выравнялось и ее собственная роль как пластификатора консистенции не проявилась. Причины появления мучнистой консистенции в сырах с мелким рисунком установить трудно. Возможно, недостаток влаги в них на первых этапах привел к кристаллизации части лактатов.
Параллельно со снижением содержания влаги в зерне в процессе обработки увеличивается его прочность. В тонком слое сычужного сгустка количество выделившейся сыворотки за 2 ч при 35° С было пропорционально толщине слоя, если она не превышала 15 мм; увеличение толщины слоя не приводило к увеличению количества выделившейся за это время сыворотки (Waarden, 1947). Следовательно, размер сырного зерна после постановки должен быть менее 15 мм. Постановка слишком мелкого зерна также не имеет смысла, потому что скорость выделения сыворотки быстро снижается из-за удаления из него основного количества влаги, а продолжительность обработки зерна определяется не только количеством остающейся в сгустке влаги. Во время обработки зерна в сырной ванне идет основное накопление биомассы микрофлоры, осуществляющей биотрансформацию компонентов молока в компоненты сыра, и уровень биомассы коррелирует с продолжительностью обработки зерна. Поэтому продолжительность обработки планируют с таким расчетом, чтобы получить сыр с определенной влажностью и накопить за это время достаточно большое количество необходимой микрофлоры, так как на последующих этапах производства темпы размножения микроорганизмов резко снижаются. Казалось бы, накопление биомассы необходимой микрофлоры во время выработки сыра можно увеличить, повысив дозу закваски, но в этом случае pH молока во время свертывания снизится ниже оптимального уровня (разд. 2.5.4).
Слишком высокая степень обсушки зерна во время обработки оказывает отрицательное влияние на качество и выход сыра. В связи с этим размеры зерна должны быть такими, которые обеспечивают нужную степень его обсушки в течение оптимальной продолжительности обработки зерна.
Получение и обработка сгустка
Большинство исследователей отрицает влияние концентрации молокосвертывающих энзимов на синерезис. Лишь немногие авторы указывают на изменение скорости синерезиса при изменении дозы молокосвертывающих энзимов. Это может быть связано с тем, что изменение дозы влияет на скорость свертывания молока, а следовательно, на оптимальное время разрезки сгустка, от которого зависит скорость синерезиса, что может быть не учтено при проведении опытов.
Во ВНИИМС установлено, что при обычных дозах закваски (до 2%) количество сычужного порошка не оказывает влияния на синерезис; при 6% закваски то же количество сычужного порошка увеличивает количество выделившейся сыворотки на 4%. В данном случае усиление синерезиса скорее всего связано со снижением pH при высоких дозах закваски, регулирование которого по ходу опыта не проводили.
Соколова изучала сычужное свертывание молока при 30, 33, 36 и 39° С. Повышение температуры уменьшило продолжительность свертывания в 2,7 раза и продолжительность обработки зерна (за счет ускорения синерезиса) - в 7,2 раза; прочность сгустка при повышении температуры свертывания с 30 до 36° С увеличилась в 1,9 раза, дальнейшее повышение температуры до 39° С уменьшило прочность сгустка в 1,3 раза.
В опытах Раманаускаса повышение температуры свертывания с 24 до 35° С привело к повышению модуля упругости (Е0 в 2,13 раза, понизило значение модуля эластичности (Е2) в 1,56 раза, увеличило вязкость в 4,2 раза и время релаксации - в 3,45 раза. Согласно результатам опытов голландских ученых модуль эластичности почти линейно снижается, а синеретическая способность сгустка, наоборот, возрастает при увеличении температуры свертывания в интервале от 20 до 40° С (рис. 2.14). Таким образом, повышение температуры свертывания оказывает неодинаковое влияние на различные реологические характеристики сгустка, но однозначно повышает скорость синерезиса.
Табачников и Дудник показали, что сгусток следует разрезать, когда после достижения гель-точки пройдет столько времени, сколько потребовалось для ее достижения с момента внесения сычужного порошка, т. е. через промежуток, равный двойному времени свертывания молока. Доза сычужного порошка влияет на время сычужного свертывания, а значит, и на оптимальный момент для разрезки сгустка. Выдержка сгустка без разрезки более продолжительное время по сравнению с оптимальным (даже на 5 мин) увеличивает его прочность, что повышает сопротивляемость сжатию и снижает давление и скорость синерезиса. Более ранняя разрезка сгустка увеличивает потери белка и жира с сывороткой. Между прочностью сгустка и степенью использования белка и жира молока в производстве сыра Чеддер существует корреляция (г = 0,29).
Бобрышев и Остроумов считают оптимальной прочность сгустка при разрезке 72-75 Па-10'2 для Голландского брускового и 67,5 Па-10'2 для Советского сыров. Разрезка сгустка при прочности 55 Па-10'2 в их опытах увеличивала долю зерна размером менее 1 мм (сырной пыли) с 1,87 до 4,74%.
Оноприйко считает, что разрезку сгустка следует проводить в тот момент, когда усилие резания его неразрушенной структуры струнным индентором составит (55-60)-103 кг сгусткомера «Элгеп». По его мнению, ранее начатая разрезка сгустка увеличивает продолжительность обработки зерна, более поздняя - затрудняет постановку зерна заданного размера и увеличивает потери с сырной пылью. Последнее противоречит мнению других авторов. Разработан метод определения готовности сычужного сгустка к разрезке с помощью ультразвука.
Лювен показал, что скорость синерезиса сгустка ретентата ультрафильтрованного молока обратно пропорциональна плотности. В его опытах нормальная для разрезки плотность сгустка при внесении 0,1% сычужного порошка достигалась через 10 мин. Если разрезку задерживали до 16 мин, содержание влаги в сыре Чеддер увеличивалось с 40 до 43%. Снижение концентрации энзима до 0,04%, постановка более мелкого зерна (0,5 см3 вместо 1 см3) уменьшали влияние времени разрезки зерна на влажность сыра.
Разработан способ определения готовности сырного сгустка к разрезке, основанный на подаче в него воздуха через капилляр, подключенный к прибору для измерения давления. О состоянии сгустка судят по давлению в капилляре: момент его скачкообразного увеличения свидетельствует о готовности сгустка к разрезке. В начале свертывания на поверхность молока помещают поплавок с вставленным капилляром, в который нагнетают воздух под давлением 50-55 мм в. ст., обеспечивающим выход из капилляра 8-10 пузырьков воздуха/мин. В течение первых 30-35 мин давление в капилляре снижается и достигает 25-30 мм в. ст., затем оно резко увеличивается до 80-85 мм в. ст., что и свидетельствует о готовности сгустка к разрезке.
Влияние реологических показателей сгустка на скорость синерезиса во время обработки зерна неоднозначно. При высокой клейкости зерна, способствующей образованию его конгломератов, низкая прочность сгустка соответствует низкой скорости синерезиса. При отсутствии тенденции к образованию конгломератов низкая прочность сгустка способствует деформации зерен, что ускоряет синерезис. Однако следует учитывать, что внутренние напряжения в сгустке обусловлены геми же силами, которые обеспечивают прочность, поэтому при слишком низкой прочности сгустка давление и скорость синерезиса могут быть низкими.
Скорость синерезиса возрастает при перемешивании, причем увеличение может составлять 20-30% от скорости синерезиса в статичных условиях (Cheesman & Chapman, 1966). Влияние перемешивания на скорость синерезиса показано на рис. 2.19 (Lawrence, 1959). Это влияние может быть двояким. Прежде всего, оно предотвращает осаждение сырного зерна. В случае осаждения, особенно на ранних стадиях синерезиса, сырные зерна начинают склеиваться друг с другом, что уменьшает поверхность синерезиса и ограничивает возможности для выхода сыворотки из сгустка. Во-вторых, при перемешивании возникает дополнительное давление на сырное зерно (до 10 Па) благодаря градиенту скоростей в перемешиваемой жидкости и соударению зерен друг с другом.
Повышение скорости перемешивания выше уровня, который предотвращает осаждение зерна, увеличивает скорость синерезиса. При слишком интенсивном вымешивании часть зерна может быть раздроблена, что увеличит поверхность синерезиса, но также и количество сырной пыли, а, следовательно, уменьшит выход сыра.
На рис. 2.20 показано изменение содержания воды в сгустке в зависимости от времени, прошедшего после добавления в молоко молокосвертывающих энзимов, выдержки сгустка на воздухе и присутствия закваски. Из него видно, что обезвоживание сгустка наиболее быстро идет в начальный период после его образования. Этого следовало ожидать хотя бы потому, что сжатие сгустка по мере выхода части сыворотки должно уменьшать размеры пор, и, следовательно, проницаемость сгустка. Кроме этого, по мере увеличения продолжительности синерезиса в сгустке снижается общее содержание влаги и, в первую очередь, несвязанной или непрочно связанной с другими компонентами сгустка, наиболее легко удаляемой из него.
Выемка сгустка из сыворотки сильно стимулировала синерезис. Thome et al. (1958) показали, что при 4-кратной выемке сгустка из сыворотки с выдержкой на воздухе каждый раз в течение 30 с вес его в конце выдержки был на 13% ниже, чем вес сгустка, который вынимали из сыворотки только один раз на 30 с. Периодическая кратковременная выдержка сгустка в воздушной среде не только резко увеличивает скорость синерезиса, но и повышает максимальную степень обезвоживания сгустка, достигаемую за счет внутренних напряжений и собственного веса.
В сыроделии свертывание молока происходит на фоне интенсивного развития микрофлоры закваски, что стимулирует синерезис. Практика сыроделия и отдельные исследования в этом направлении указывают, что на синеретические свойства сычужного сгустка достаточно сильно влияет видовой и штаммовый состав микрофлоры применяемых заквасок. Это влияние обусловлено не только их различной кислотообразующей активностью. Синерезис при выработке мелких сыров обычно идет более интенсивно с использованием заквасок, в которых доминируют штаммы Lc.. lactis subsp. lactis, а не Lc. lactis subsp. cremo- ris. Загрязнение мезофильных заквасок ацидофильной палочкой очень сильно замедляет синерезис, несмотря на более интенсивное кислотооб- разование во время выработки сыров.
Давление
Влияние давления на синерезис сгустка, погруженного в сыворотку, показано на рис. 2.21. Нулевая точка на оси давления соответствует давлению, обусловленному внутренними напряжениями (равными примерно 1 Па), собственным весом и перемешиванием сгустка. За 2 ч под действием этих сил из сгустка выделилось около 30% сыворотки от первоначального объема молока. Внешнее давление в опыте создавали плитами, накладываемыми на зерно, находившееся под слоем сыворотки. Увеличение внешнего давления на сгусток до 20 Па увеличило количество выделившейся за два часа сыворотки примерно с 5 до 65%. Дальнейшее повышение давления незначительно увеличивало количество выделяющейся сыворотки.
Резкое ускорение синерезиса при выемке сгустка из сыворотки (рис. 2.20), по-видимому, также обусловлено повышением давления синерезиса, часть которого в погруженном в сыворотку сгустке уравновешивается внешней средой. Если сгусток сразу после образования удалить из сыворотки, то синерезис пойдет очень быстро (в три раза быстрее, чем при вымешивании сгустка под слоем сыворотки) (Berridge & Scurlock, 1970).
Разбавление сыворотки водой во время обработки сырного зерна уменьшает скорость его обсушки, по-видимому, из-за снижения частоты столкновений зерен друг с другом, в результате которых возникает градиент давления, и за счет снижения ее кислотности. При одинаковой продолжительности обработки содержание влаги после прессования в Костромском сыре, выработанном без добавления и с добавлением 5 и 10% воды в сыворотку, равнялось соответственно 45,3; 45,9 и 47,1%. В сырах 30-суточного возраста содержание влаги во всех вариантах сравнялось. Этот опыт свидетельствует о необходимости увеличения продолжительности обработки зерна при разбавлении сыворотки водой.
Удаление значительного количества сыворотки оказывает противоположное действие.
Температура
Температура сильно влияет на скорость синерезиса (рис. 2.22). Количественно результаты опытов по влиянию температуры на синерезис, приводимые разными авторами, существенно отличаются, что обусловлено неодинаковыми условиями их проведения, но общие тенденции проявляются достаточно четко. Наиболее быстро скорость синерезиса изменяется в интервале температур от 25 до 42—43° С. Если при 25° С температурный коэффициент Q10, по данным различных авторов, варьирует в пределах от 2,5 до 15, то при 45° С - только от 1,1 до 1,5. Скорость изменения температуры (dT/dt), по-видимому, не влияет на синерезис. Наиболее сильное влияние на скорость синерезиса и конечное содержание влаги в сыре оказывает температура второго нагревания. Повышение температуры II нагревания при выработке сыров типа Голландского с 38 до 42° С уменьшило влажность сыра после прессования на 1,9%, а зрелого сыра - на 1,3%.
Нет единого мнения о влиянии выдержки молока при низких температурах перед свертыванием на синеретические свойства получаемых из него сычужных сгустков. По данным Kammerlehner (1974), выдержка молока при 5° С в течение 20 ч снижает скорость синерезиса на 30%. Предварительный нагрев молока перед свертыванием до высоких температур (пастеризация или термизация) ликвидирует вредное влияние выдержки при низких температурах на синерезис.
Кислотность
Из рис. 2.20 видно, что синерезис идет быстрее, если сычужное свертывание происходит в молоке с закваской, что, очевидно, связано со снижением pH. На рис. 2.23 показана скорость синерезиса сычужных сгустков в зависимости от pH молока по данным нескольких авторов. По Илюшкину и Табачникову, зависимость влажности зерна (W,), выдержанного в течение 48 часов в буферных растворах из смеси буры и янтарной кислоты при 20° С, от величины pH выражается следующим уравнением регрессии:
Как и в исследованиях по изучению влияния температуры на синерезис, результаты опытов разных авторов по изучению действия кислотности на скорость выделения сыворотки из сычужного сгустка отличались количественно, но тенденция во всех опытах была одинакова: скорость синерезиса уменьшалась при увеличении pH. Влияние pH было более выражено при пониженных температурах и без перемешивания, когда скорость синерезиса была низкой. Вид кислоты, с помощью которой устанавливали pH, роли не играл.
Снижение pH во время синерезиса вызывало более сильное повышение скорости выделения сыворотки, чем доведение pH молока до того же уровня до свертывания, что может быть обусловлено сжатием казеинового каркаса сгустка во время изменения pH.
Кислотность смеси сыворотки с сырным зерном влияет не только на скорость синерезиса, но и на состав сыворотки и сырной массы, прежде всего - на содержание в них кальция.
Состав и свойства молока
Общая тенденция состоит в следующем: чем выше содержание воды в сгустке, тем выше скорость синерезиса, но содержание влаги в сгустке по отношению к СОМО после окончания синерезиса при этом существенно не меняется. Разбавление молока водой (например, на 20%) увеличивает содержание воды в сгустке и скорость синерезиса. Объяснить это можно так: чем больше воды в молоке, тем больше свободной или непрочно связанной влаги. Увеличение скорости синерезиса при этом не должно отражаться на конечной продолжительности синерезиса. Добавление 5% воды в молоко не оказало влияния на синерезис. Таким образом, разбавление молока водой оказывает обратное действие на синерезис сычужного сгустка по сравнению с разбавлением сыворотки водой. Добавление к молоку СОМО в количестве 10 г/л увеличивает интенсивность синерезиса сычужного сгустка молока на 20%.
Прочность сычужного сгустка, от которой зависит синерезис, во многом определяется содержанием казеина и генетическим типом лæ-казеинов в молоке. Увеличение в æ-казеине сборного молока доли æ-казеина В до 20% повышает прочность сычужного сгустка таким же образом, как увеличение содержания белка на 1 г/кг. Выпас коров на пастбище также повышает прочность сычужного сгустка, что, вероятно, связано с повышением содержания Са в молоке. Добавление в молоко α- и β-казеинов в количестве 54 мг на 30 мл увеличивает упругость геля, добавление только æ-казеина повышает прочность геля.
Скорость синерезиса снижается при повышении содержания жира из-за закупоривания жировыми шариками части пор, через которые выходит сыворотка. Если содержание жира в молоке повысить с 2 до 6%, то скорость синерезиза снижается примерно на 15% (Dimov & Mineva, 1962; Johnston & Murphy, 1984). Жирность молока в интервале от 0 до 4% не оказывает влияния на синерезис.
Интенсивное механическое воздействие на молоко, его вспенивание, продолжительное хранение могут отразиться на синерезисе. Размножение в молоке психротрофных бактерий, в частности псевдомонад, сверх определенного уровня существенно замедляет синерезис (Lelievre et al„ 1978).
Внесение в молоко до 10 мМ СаС12 оказывает сильное влияние на продолжительность сычужного свертывания, а на синерезис или не оказывает никакого действия, или немного его стимулирует. Более высокие его дозы отрицательно действуют на синерезис. Интересно, что начальная скорость синерезиса сычужных сгустков молока от отдельных коров может различаться в 3 раза; добавление к молоку СаСl2 сглаживает различия (Grandison et al., 1984). Стимулирующий эффект СаС12 на синерезис связывают со снижением pH; при постоянном pH он угнетает, a MgCl2 ускоряет синерезис (Stoll, 1966).
Кроме снижения pH, СаС12 увеличивает активность ионов Са, которая должна быть на определенном уровне для обеспечения синерезиса. Влияние концентрации Са2+ зависит от типа молокосвертывающего энзима: добавление в молоко 1 мМ Са2+ ускорило синерезис сгустка, полученного под действием сычужного порошка, оказало противоположное действие на синерезис сгустков, полученных с помощью ренни- лазы и супарена. Добавление 2 мМ ускорило синерезис во всех вариантах, но в разной степени: супарен > реннилаза > реннин.
Добавление к молоку фосфатов, цитратов, оксалатов, EDTA при постоянном pH понижает содержание свободных ионов Са2+ и скорость синерезиса. Небольшое увеличение ионной силы молока за счет добавления одновалентных ионов (например, NaCl) несколько снижает активность ионов Са, содержание ККФ и немного увеличивает скорость синерезиса (Cheesman, 1962); дальнейшее увеличение концентрации одновалентных ионов резко ухудшает сычужную свертываемость и синерезис сгустка молока.
Обработка молока
Нагревание молока до температуры, при которой происходит денатурация сывороточных белков, снижает скорость синерезиса (рис. 2.24). Снижение скорости синерезиса почти линейно коррелирует со степенью денатурации β-лактоглобулина (Pearse et al., 1985). Нагрев синтетического молока без сывороточных белков влияния на синерезис не оказывает. Причиной снижения скорости синерезиса является адсорбция денатурированного β-лактоглобулина параказеиновыми мицеллами. Добавление к молоку æ-казеина уменьшает вредное действие нагревания на синерезис, поскольку в этом случае денатурированный β-лактоглобулин реагирует с добавленным æ-казеином, находящимся вне параказеиновых мицелл.
Часто применяют двойную тепловую обработку молока: термиза- цию или пастеризацию до хранения или созревания, и вторую - перед переработкой на сыр. Первую обработку проводят с целью предотвращения размножения вредной, в частности, психротрофной микрофлоры в молоке во время хранения и созревания. Вторая тепловая обработка уничтожает клетки посторонней микрофлоры, получившие сублетальные повреждения во время первой обработки и репарировавшие эти повреждения во время созревания молока, или попавшие в молоко после первой тепловой обработки. Влияние двойной тепловой обработки на синерезис сычужного сгустка показано на рис. 2.25.
Кроме этого, при хранении молока при низких температурах после первой тепловой обработки вторая тепловая обработка устраняет нежелательные изменения его технологических свойств, происходящие при низких температурах.
Раманаускас считает, что нежелательные изменения свойств сычужного сгустка в результате повышения температуры пастеризации молока до 82° С можно устранить его созреванием с закваской, при условии, что исходная кислотность сырого молока не превышает 18° Т.
Гомогенизация молока существенно уменьшает скорость синерезиса (Вайткус с соавт., 1970; Emmons et al., 1980). Это объясняется тем, что в результате гомогенизации изменяется состав оболочки жировых шариков и они начинают связываться с мицеллярным казеином, снижая способность сгустка к сжатию. Аналогичный процесс происходит при добавлении сгущенного молока в молоко для выработки сыра (Cheesman & Mabbit, 1968; Mulder & Walstra, 1974).
Вакуумирование молока в течение 10-40 мин при остаточном давлении 2,7-5,3 кПа снижало титруемую кислотность молока на 0,5-1,5° Т и ускоряло синерезис (рис. 2.26). Увеличение количества сыворотки, выделяемой при центрифугировании разрушенного сгустка вакуумированного молока при 3000 мин'1, было выше при 10-минутном вакуумировании и более низкой исходной кислотности молока, что можно в этом случае объяснить меньшим количеством удаляемого из молока углекислого газа и, следовательно, меньшим снижением кислотности вакуумированного молока, которая ускоряет синерезис.
Обсушка зерна из ультрафильтрованного молока шла более интенсивно, чем из обычного молока, пока концентрация общего белка не превысила 4,8%; дальнейшее повышение концентрации белка замедляло синерезис.