Физико-химические процессы обезвоживания сычужного сгустка

В сычужном сгустке самопроизвольный синерезис не происходит. Для того, чтобы начала выделяться сыворотка, необходимо нарушить целостность структуры – разрезание (дробление) сгустка на зерно с последующей его обработкой. Это приводит к увеличению поверхности, через которую может удаляться сыворотка, и ускорению её отделения. Чем мельче “поставлено”^[1] зерно, тем, при прочих равных условиях, короче путь прохождения сыворотки наружу, быстрее и больше выделится сыворотки. Поэтому для твёрдых сыров зерно ставят примерно вполовину мельче, чем для мягких и рассольных. Зерно необходимо поставить равновеликим, стараясь образовывать возможно меньше сырной пыли. Выделение сыворотки ускоряется при перемешивании сырного зерна с сывороткой. При этом происходит постоянное соударение сырных зерен между собой и с рабочими органами сыроизготовителя. Сырные зерна постепенно округляются, за счет обламывания и сглаживания углов и граней их кубическая форма превращается в шарообразную или близкую к ней. 

Упрощенно этапы формоизменения сырного зерна в процессе его обработки представлены на рис. 1.13. 

Рис 1.13 Схема формоизменения сырного зерна при его обработке
  1 – после разрезки сгустка, 2 – в начале разрезки, 3 – перед вторым нагреванием, 4 – после второго нагревания, 5 – в конце обработки.

Если внимательно рассмотреть строение сырного зерна, то его грубую физическую модель в первом приближении можно представить в виде шара из шерсти или ваты с разнообразными включениями пластичных, упругих и упруго-пластичных компонентов, заполненного сывороткой и окруженного гибкой полупроницаемой оболочкой (рис. 1.14). 

Рис. 1.6. Упрощенная модель сырного зерна (а) и схема соударений (б) сырных зерен при их обработке
1 – поры, через которые выделяется сыворотка; 2 – жировые шарики; 3 – волокна из мицелл белка; 4 – оболочка сырного зерна; 5 – выделяющаяся из зерна сыворотка.

На влагоудаление из сырного зерна оказывает влияние гидродинамическое воздействие при движении и завихрениях потока. Сырные зерна двигаются не только в горизонтальной плоскости, но также быстро перемещаются вверхвниз по высоте сыроизготовителя. Это расстояние у разных типов сыроизготовителей от 1 до 2,5 м, а иногда и больше. При таких перемещениях внутри сырного зерна резко меняется и гидростатическое давление, которое иногда складывается с гидродинамическим воздействием, а иногда противоположно ему.

Повышение гидростатического давления происходит потому, что сырные зерна на поверхности имеют упругую и эластичную оболочку, играющую роль гибкой мембраны, стягиваемой постепенно сокращающимися мицеллами белка. Она быстро реагирует на изменение давления. Как только наступает перепад давлений, то при более высоком давлении внутри зёрен сыворотка, через поры растянутой оболочки, выходит наружу. При повышении наружного давления оболочка сжимается, поры закрываются или уменьшаются в размерах и наружная сыворотка не может проникнуть внутрь сырных зерен (эффект клапана).

При столкновении зёрен (рис. 1.6) происходит повышение внутри них гидростатического давления. Сыворотка, находящаяся под некоторым, хотя и небольшим, давлением внутри сырных зерен получает импульс быстрого и значительного увеличения давления, вынужденного воздействовать своим импульсом на гибкую оболочку. Оболочка растягивается, поры увеличиваются в размерах и пропускают долю сыворотки. Как только давление внутри сырного зерна и снаружи выровнялось, оболочка опять сжалась, поры уменьшились в размерах и наружная сыворотка проникнуть внутрь сырного зерна уже не может. При многократных соударениях или ударениях сырных зерен со стенками или рабочим инструментом, описанное явление многократно повторяется, что приводит к интенсивному обезвоживанию сырных зерен. Одновременно действуют силы сжатия мицелл белка под действием возрастающей кислотности внутри сырных зерен (сбраживание лактозы).

Упругость и прочность сырного зерна зависят от многих факторов. Важнейшими из них являются связанные с составом и свойствами сырья. Особое влияние оказывают режимы подготовки и, в частности, пастеризации молока, образование прочного сгустка, его синеретические свойства. 

Так происходит, главным образом, обсушка сырного зерна при его обработке в сыроизготовителе. При механическом и гидромеханическом удалении сыворотки минерализации ее не происходит или она имеет место в незначительной мере. В обезвоженных сырных зернах остаётся достаточно много минеральных веществ и, в частности, кальция и фосфора. Наличие в сырной массе кальция отражается на его поведении двояко. Так, если сырная масса теряет лактаты кальция, то она становится пластичной, но рыхлой. Если же сырная масса подверглась механическому обезвоживанию, а, следовательно, сохранила свой кальций, то образуется сыр с плотным и твёрдым тестом. Из такого теста можно фабриковать сыры любых, в том числе и крупных, размеров (швейцарский, советский, алтайский).

Если же проводится сычужно-кислотное или кислотное свёртывание или повышается кислотность сырной массы при чеддаризации, то часть кальция в виде солей молочной и других кислот (лактатов) удаляется из сырной массы вместе с сывороткой. В результате деминерализации меняются реологические свойства сырной массы, она становится более пластичной, податливой, липкой, уменьшается её твёрдость и упругость. Такую массу можно спрессовать в головки (чеддар, российский). Технология сыров с повышенным уровнем молочнокислого брожения имеет важную особенность - накопление биомассы для увеличения объема образуемых заквасочными культурами протеолитических ферментов, витаминов и других биологически активных веществ. Это в дальнейшем ускоряет, в некоторой мере, процесс созревания сырной массы.

Таким образом, накопление биомассы заквасочных культур - один из резервов интенсификации технологических процессов производства сыра. 

Роль температурного фактора в обезвоживании сгустка. После разрезки сырное зерно и сыворотка обычно имеют температуру сгустка (32–34°С) и её поддерживают в первое время обработки сырного зерна. Однако через 15–25 мин наступает момент, когда выделение сыворотки замедляется или прекращается. Увеличение механического воздействия невозможно из-за опасности “набить” много сырной пыли, а сырное зерно ещё недостаточно обсушено. Тогда проводят второе нагревание. При повышении температуры (в некоторых пределах) повышается реакционная способность сычужного фермента (оптимум действия 41–42°С), интенсифицируются процессы образования межмицеллярных связей, уменьшается вязкость сыворотки, интенсифицируются другие факторы.

В результате нагрева (38–43°С) процесс обезвоживания сырного зерна интенсифицируется, что позволяет довести влажность сырной массы до заданной.  При этом повышается клейкость сырных зерен, что в последующем благоприятно сказывается на самоуплотнении массы при формовании. Однако, период повышенной клейкости небольшой, и его нельзя упустить, чтобы не “пересушить” сырное зерно. В противном случае оно потеряет клейкость, а из такого сырного зерна трудно сформовать сыры надлежащей механической прочности. Роль второго нагревания исключительно важна для доведения влажности сырной массы до заданных НТД пределов. С повышением температуры усиливается влагоудаление и клейкость сырного зерна, приходится интенсифицировать работу мешалок, чтобы не произошло его комкование. Обычно вначале нагревают со скоростью 1°С в 2 мин, а к концу постепенно ускоряют и доводят до 1°С в мин. 

На крупных предприятиях второе нагревание проводят подачей пара в межстенное пространство сыроизготовителя. На небольших предприятиях его можно проводить добавлением в сыроизготовитель горячей (95-97°С) воды или сыворотки. При этом производится раскисление сырной массы. Внесенная вода понижает вязкость сыворотки, окружающей сырное зерно. Поэтому из самих сырных зерен сыворотка выделяется легче и быстрее под действием градиента концентрации. 

Приемлем и комбинированный способ, когда в сырную массу с сывороткой добавляют часть или половину необходимой горячей воды, повышая температуру на 3-4°С, затем доводят до необходимой температуры паром, подаваемым в межстенное пространство сыроизготовителя. Возможно и наоборот: сначала нагреть паром на 3-4°С, а затем завершить добавлением горячей воды или сыворотки. Этот прием предпочтительнее. При интенсификации нагревания может происходить «заваривание» сырных зерен, т.е. на них образуется более толстая и плотная оболочка, которая, огрубляясь, теряет гибкость и уже не может работать, как мембрана, резко ухудшаются условия и интенсивность удаления влаги из сырного зерна наружу. В результате, несмотря на длительную обработку, обсушка сырного зерна замедляется или прекращается. Зёрна остаются грубыми снаружи, с мягким, гелеобразным содержимым. Такие сырные зерна не способны выдерживать механические нагрузки при формовании и прессовании. Они раздавливаются и значительная часть их содержимого в виде сырной пыли уходит в сыворотку. Сыры из “заваренного” сырного зерна получаются мягкие, с высокой влажностью, кислые и не формоустойчивые. Продолжительность обработки сырного зерна от момента разрезки до окончательной его готовности к формованию занимает от 60 до 75 мин. Интенсифицировать изготовление сыра на этих операциях возможно несколькими путями: уменьшением размеров сырных зерен; повышением температуры и ускорением нагревания; повышением кислотности. Однако каждый из этих путей может привести к ухудшению качества и типичности готового продукта. Так, температура второго нагревания является ещё и регулирующим фактором микробиологического состава, динамики накопления микроорганизмов и их ферментов. С повышением температуры меняются условия жизнедеятельности заквасочных культур сыра, что отрицательно сказывается на видовых особенностях и вкусовых показателях сыра. Поэтому изменение температуры второго нагревания возможно только в определенных пределах или необходим подбор микроорганизмов с более высоким температурным пределом оптимума развития. Интенсификация нагревания может также приводить к завариванию сырного зерна. 

При изучении механизма образования оболочек сырных зерен выяснилось, что причиной появления грубой, переуплотнённой оболочки является воздействие не одной только температуры, но и многие другие факторы, в том числе разность концентрации сычужного фермента внутри сырного зерна и снаружи (в сыворотке), температурный градиент в сыворотке и внутри зерна, неодинаковая концентрация солей, в частности хлористого кальция, на поверхности и внутри зерна, разная кислотность сыворотки, окружающей зерно, и внутри него и др. Влиянием комплекса перечисленных факторов обусловливается процесс уплотнения как сырных зерен в целом, так и их поверхностных слоёв. Концентрация сычужного фермента в сыворотке значительно выше, чем внутри сырного зерна, так как белком адсорбируется только небольшая часть (7-25% по данным разных авторов) сычужного фермента, остальное его количество уходит в сыворотку.

После разрезки сгустка и постановки сырного зерна, когда внутри зёрен содержится большое количество сыворотки, а, следовательно, и концентрация сычужного фермента примерно одинакова внутри и снаружи, уплотнение внутренних и поверхностных слоёв зёрен проходит равномерно. В это время повышение температуры существенно не отражается на степени уплотнения наружных и внутренних слоёв сырного зерна.

К моменту значительного обезвоживания последних температурный фактор на поверхностных слоях сырных зерен сказывается сильнее, чем на внутренних. Исходя из сущности и условий образования оболочек сырного зерна ускорение обсушки сырной массы было при возможно более раннем начале второго нагревания и проведения его в замедленном темпе. Начинать нагрев сырной массы следует тогда, когда сгусток внутри и снаружи сырных зёрен имеет одинаковую плотность, влажность и проницаемость или когда эти различия по крайней мере ещё невелики. Раннее начало второго нагревания позволяет почти в два с половиной раза быстрее обсушить сырную массу, чем обычным способом. Вследствие того, что сырные зерна поверхностных слоёв соприкасаются с сывороткой, имеющей более высокую концентрацию сычужного фермента, для действия последнего на белок поверхностного слоя сырных зерен имеются более оптимальные условия, чем внутреннего. Поэтому поверхностный слой зёрен в несколько раз быстрее уплотняется и обезвоживается, чем вся остальная их масса. Это со временем приводит к появлению плотной, грубой оболочки, которая в сильной степени препятствует выделению сыворотки. 

Немаловажное значение имеет, так называемое, автоматическое угнетение фермента, заключающееся в том, что если продукты ферментативной реакции не удаляются из сферы действия фермента, его активность автоматически прекращается. Это явление наблюдается внутри сырного зерна, поскольку продукт ферментативной реакции – белок из зоны реакции не удаляется.

Теплопроводность сыворотки, находящейся в сыроизготовителе в турбулентном движении, а, следовательно, и температура поверхностного слоя сырного зерна в каждый момент времени, также значительно выше, чем внутри, поскольку теплопроводность белка весьма низкая. Контакт сырного зерна с более тёплой сывороткой в процессе второго нагревания происходит в первую очередь их поверхностным слоем, который приобретает более высокий темп коагуляции и уплотнения, так как активность фермента с повышением температуры увеличивается. Температурный оптимум действия сычужного фермента примерно 41–42°С, т.е. близок температуре второго нагревания твёрдых сыров голландской группы. С повышением температуры усиливается поверхностная энергия сырных зерен, что увеличивает адсорбцию растворённых в сыворотке веществ, в том числе солей, повышение которых (в частности, фосфора и кальция) в поверхностном слое зёрен ещё в большей степени усиливает его уплотнение.

Разная кислотность сыворотки внутри сырного зерна и снаружи его также оказывает заметное влияние на скорость коагуляционного уплотнения сырного сгустка. Кислотность сырного зерна почти в 2 раза выше, чем межзерновой сыворотки. Однако повышенная кислотность внутри сырного зерна может не только усиливать уплотнение, но и ослаблять, поскольку её уровень может находиться за оптимумом действия сычужного фермента.

Из регулируемых факторов в распоряжении мастера-сыродела: температура и её градиент, кислотность сыворотки, размеры сырного зерна, продолжительность обработки, степень механического воздействия и другие, которыми в некоторых пределах можно регулировать процесс изготовления сырной массы и скорость обезвоживания сырного зерна. В зависимости от степени уплотнения сырных зерен в сыре остаётся некоторое количество влаги, которую последующими технологическими операциями (формованием, прессованием) удалить затруднительно. Кроме того, ранняя стадия уплотнения оболочек сырных зерен отрицательно сказывается на качестве отпрессовки сыра и замыкании его поверхностного слоя, а выделяющийся из-под оболочек необработанный сгусток покрывает поверхность сыра пылевидными частичками, препятствуя слиянию сырных зерен и замыканию поверхностного слоя. Поэтому, с точки зрения облегчения проведения процесса прессования и улучшения качества готового продукта, предпочтительно иметь хорошо обработанное обезвоженное упругое сырное зерно, противостоящее деформирующим нагрузкам.

Исходя из вышеизложенного вполне возможна интенсификация процесса производства сыра с помощью раньше начатого второго нагревания и более быстрого его осуществления. При этом скорость обработки сырного зерна увеличивается вдвое, что достаточно эффективно.

[1] Постановка зерна – профессиональный термин, обозначающий доведение размеров сырного зерна до заданных пределов.