Μελέτη της διεργασίας της ξήρανσης τυριών τυρογάλακτος

Abstract

Οι αλλαγές στο σύγχρονο τρόπο ζωής συνδέονται με τις διατροφικές συνήθειες των καταναλωτών και καθορίζουν τη ζήτηση για νέα τρόφιμα, βασισμένα σε παραδοσιακά υγιεινά προϊόντα, τα οποία να εξασφαλίζουν περισσότερα οφέλη για την υγεία. Τα τελευταία χρόνια, η βιομηχανία τροφίµων βρίσκεται σε µια συνεχή αναζήτηση για το σχεδιασμό και την ανάπτυξη νέων, λειτουργικών και καινοτόμων προϊόντων, προκειμένου να ανταποκριθεί στις σύγχρονες και ολοένα αυξανόμενες καταναλωτικές ανάγκες και απαιτήσεις, για προϊόντα με ανώτερα ποιοτικά χαρακτηριστικά και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Η ερευνητική κοινότητα έρχεται να συνεισφέρει σε αυτήν την προσπάθεια διερευνώντας την ανάπτυξη νέων διεργασιών ή τη βελτιστοποίηση διεργασιών και προϊόντων. Για την παραγωγή του «Ξηρού Ανθότυρου» και τη διάθεση του στο καταναλωτικό κοινό, μία βασική διεργασία είναι αυτή της ξήρανσης ή αλλιώς μερικής αφυδάτωσής του, η οποία προκύπτει με αλάτισμα των τυροκεφαλών και παραμονή τους σε αιώρηση σε καλά αεριζόμενα δωμάτια, μέχρις ότου η τελική τους υγρασία σε υγρή βάση φτάσει περίπου στο 40%. Μια πρόκληση είναι η ανάπτυξη προϊόντων Ξηρού Ανθότυρου με βελτιωμένα ποιοτικά χαρακτηριστικά, ενώ ταυτόχρονα θα πρέπει να εξασφαλίζεται η σταθερότητα του προϊόντος και η μακρά διάρκεια ζωής του. Στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής διατριβής ήταν η βελτιστοποίηση της διεργασίας της ξήρανσης σε ρεύμα αέρα σε δείγματα Ανθότυρου, για την παραγωγή τυριών με ανώτερα ποιοτικά χαρακτηριστικά. Επίσης, πραγματοποιήθηκε η μελέτη και η ανάλυση παραμέτρων (θερμοκρασία ξήρανσης, χρόνος ξήρανσης, μέγεθος τυριών) που επηρεάζουν τη διεργασία της ξήρανσης και η διερεύνηση της κινητικής της ξήρανσης του Ανθότυρου. Στην παρούσα διατριβή χρησιμοποιήθηκε το Ανθότυρο «Ανθοτυράκι Αμφιλοχίας» της εταιρείας ΤΥΡΟΚ. ΑΜ. (ΜΠΟΥΤΣΩΛΗΣ) Α.Β.Ε.Ε. για τη μελέτη της κινητικής της ξήρανσης. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε στο θερμοκρασιακό εύρος 25-65ºC, σε δείγματα σφαιρικού σχήματος, ακτίνας 0.02 m. Στα δείγματα αυτά πραγματοποιήθηκε προσδιορισμός της μεταβολής της εναπομένουσας υγρασίας τους, σε ξηρή και υγρή βάση, της μεταβολής της ενεργότητας νερού (aw) και της ολικής μεταβολής του χρώματος. Παράλληλα, μελετήθηκε η επίδραση της ξήρανσης σε ρεύμα αέρα, στους 25ºC, στα φυσικοχημικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά ολόκληρων κεφαλιών Ανθότυρου. Στα κεφάλια αυτά προσδιορίστηκε η απώλεια υγρασίας και η εναπομένουσα υγρασία τους, σε ξηρή και υγρή βάση, μετά την ολοκλήρωση της ξήρανσης. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε προσδιορισμός της μεταβολής της ενεργότητας του νερού (aw), του χρώματος και της σκληρότητας των τυροκεφαλών. Επίσης, προσδιορίστηκαν η γενική σύσταση των κεφαλιών Ανθότυρου και ο βαθμός συρρίκνωσής τους. Για τη μελέτη αυτή χρησιμοποιήθηκαν κεφάλια Ανθότυρου σχήματος κόλουρου κώνου και κυλινδρικά κεφάλια της εταιρείας Λουκάς & Υιός Ο.Ε. Σε ό,τι αφορά στη μελέτη της κινητικής της ξήρανσης, από τον προσδιορισμό της υγρασίας, σε ξηρή και υγρή βάση, παρατηρήθηκε ότι η θερμοκρασία είχε σημαντική επίδραση στο ρυθμό της ξήρανσης των δειγμάτων και μάλιστα, αύξηση της θερμοκρασίας ξήρανσης είχε σαν αποτέλεσμα την αύξηση του ρυθμού ξήρανσης. Παρόμοια συμπεριφορά παρουσίασε και η ενεργότητα του νερού (aw) των δειγμάτων Ανθότυρου, καθώς υψηλότερες θερμοκρασίες ξήρανσης οδήγησαν σε μεγαλύτερο ρυθμό ελάττωσής της. Η ολική μεταβολή του χρώματος αυξήθηκε σημαντικά με την πάροδο του χρόνου ξήρανσης και με την αύξηση της θερμοκρασίας ξήρανσης, με αποτέλεσμα τον κιτρινισμό του Ανθότυρου. Από τον προσδιορισμό των συντελεστών διάχυσης της υγρασίας διαπιστώθηκε ότι η αύξηση της θερμοκρασίας ξήρανσης είχε σαν αποτέλεσμα την αύξηση του συντελεστή διάχυσης στο θερμοκρασιακό εύρος 25-65°C. Επιπλέον, ο προσδιορισμός των παραμέτρων της σχέσης του Arrhenius, Ea (kJ/mol) και Dref (m2/s), κατέστησε εφικτό τον προσδιορισμό του συντελεστή διάχυσης της υγρασίας του συγκεκριμένου τροφίμου σε κάθε θερμοκρασία ξήρανσης. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκε υπολογιστική προσέγγιση της υγρασίας ισορροπίας για κάθε θερμοκρασία ξήρανσης. Για τις τιμές της υγρασίας ισορροπίας που προσεγγίστηκαν υπολογιστικά, προσδιορίστηκαν οι αντίστοιχοι συντελεστές διάχυσης και στη συνέχεια οι παράμετροι της σχέσης του Arrhenius, Ea (kJ/mol) και Dref (m2/s). Η προσέγγιση αυτή ήταν ικανοποιητική, καθώς οι τιμές που προέκυψαν για την υγρασία ισορροπίας και τον συντελεστή διάχυσης, σε κάθε θερμοκρασία ξήρανσης, και οι τιμές των παραμέτρων της σχέσης του Arrhenius ήταν παραπλήσιες με αυτές που προέκυψαν για τις τιμές της υγρασίας ισορροπίας οι οποίες προσδιορίστηκαν με τη μέθοδο προσδιορισμού των περιεχόμενων στο Ανθότυρο ολικών στερεών. Όσον αφορά τη μελέτη της επίδρασης της ξήρανσης σε ρεύμα αέρα, στους 25ºC, στα φυσικοχημικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά ολόκληρων κεφαλιών Ανθότυρου, από τον προσδιορισμό της απώλειας υγρασίας διαπιστώθηκε ότι η ξήρανση των κεφαλιών σχήματος κόλουρου κώνου, αρχικού βάρους 1300-1400 g, για 120 h οδήγησε σε ίσο ποσοστό απώλειας υγρασίας με την ξήρανση των κυλινδρικών κεφαλιών, αρχικού βάρους 450-550 g, για 72 h. Για τους συγκεκριμένους χρόνους ξήρανσης, η υγρασία των τυροκεφαλών, σε ξηρή και υγρή βάση, μειώθηκε σημαντικά. Η ενεργότητα του νερού (aw) των δειγμάτων Ανθότυρου παρουσίασε μεγαλύτερη μείωση στα κεφάλια σχήματος κόλουρου κώνου συγκριτικά με τα κυλινδρικά, καθώς ήταν μεγαλύτερος ο χρόνος ξήρανσης και ο όγκος του νερού που απομακρύνθηκε. Από τον προσδιορισμό της ολικής μεταβολής του χρώματος διαπιστώθηκε ότι ο μεγαλύτερος χρόνος επεξεργασίας οδήγησε σε μεγαλύτερη μεταβολή του χρώματος του Ανθότυρου, καθώς αυτό υπέστη κιτρινισμό. Οι αναλύσεις υφής οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι η σκληρότητα όλων των δειγμάτων αυξήθηκε μετά την ολοκλήρωση της ξήρανσης. Από τον προσδιορισμό της γενικής σύστασης του Ανθότυρου διαπιστώθηκε ότι η ξήρανσή του σε ρεύμα αέρα οδήγησε σε μείωση της περιεχόμενης υγρασίας του σε υγρή βάση, ενώ αυξήθηκε η περιεκτικότητα του σε λίπος, πρωτεΐνη και αλάτι. Τέλος, ο μεγαλύτερος χρόνος ξήρανσης και ο μεγαλύτερος όγκος του νερού που απομακρύνθηκε από τα κεφάλια Ανθότυρου σχήματος κόλουρου κώνου συνέβαλαν στο μεγαλύτερο ποσοστό συρρίκνωσής τους, συγκριτικά με τα κυλινδρικά κεφάλια. Συμπερασματικά, η μελέτη αυτή έδειξε ότι ο συνδυασμός των επιλεγμένων παραμέτρων (θερμοκρασία ξήρανσης, χρόνος ξήρανσης, μέγεθος τυριών) μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή Ξηρού Ανθότυρου με βελτιωμένα φυσικοχημικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά. Πιο συγκεκριμένα, η ξήρανση σε ρεύμα αέρα στους 25°C των τυροκεφαλών σχήματος κόλουρου κώνου, αρχικού βάρους 1300-1400 g, για 120 h (5 d) και των κυλινδρικών κεφαλιών, αρχικού βάρους 450-550 g, για 72 h (3 d) οδήγησε στην παραγωγή προϊόντων Ξηρού Ανθότυρου με χαμηλή περιεκτικότητα σε υγρασία και αποδεκτά ποιοτικά χαρακτηριστικά. Η υγρασία σε υγρή βάση των τυροκεφαλών σχήματος κόλουρου κώνου, ύστερα από την ξήρανσή τους, ήταν ίση με 50.66% και των κυλινδρικών κεφαλιών ήταν ίση με 43.94%. Για την κάθε θερμοκρασία ξήρανσης των σφαιρικών δειγμάτων Ανθότυρου (25, 45 και 65°C) προσδιορίστηκε ο συντελεστής διάχυσης της υγρασίας, ίσος με 6.079∙〖10〗^(-10) m^2⁄s, 1.388∙〖10〗^(-9) m^2⁄s και 1.621∙〖10〗^(-9) m^2⁄s αντίστοιχα. Σύμφωνα με αυτά τα αποτελέσματα επιβεβαιώνεται ότι η αύξηση της θερμοκρασίας έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση του συντελεστή διάχυσης στο θερμοκρασιακό εύρος 25-65°C.

Most changes in the modern lifestyle are commonly associated with consumers eating habits and thus determine the demand for new food products, based on traditional healthy products, which can result in physiological benefits. In recent years, food industry is in a constant search for the design and development of new, functional and innovative products to meet the current (and growing) consumer need for products with superior quality features and longer shelf life. The research community contributes to this effort either by developing new products and processes, or by optimizing old ones. For the production of "Dry Anthotyros", which is a Greek whey cheese, and for its availability to consumers, a basic process is that of drying or partially dehydrating it, which results by salting the cheese heads and letting them remain hung to well ventilated rooms until the final moisture on wet basis decreases to less than 40%. One challenge is the development of Dry Anthrotyros products with improved quality characteristics, while ensuring product stability and long-time preservation. The aim of this thesis was to optimize the process of air-drying of Anthotyros, for the production of cheeses with superior qualitative characteristics. The study and the analysis of parameters (drying temperature, drying time, cheese size) affecting the drying process and the study of the kinetics of Anthotyros drying were also carried out. In this work, Anthotyros "Anthotyraki Amfilochias" of the company TYROK. AM. (BOUTSOLIS) S.A. was used for the study of the kinetics of drying. The study was carried out in the temperature range 25-65°C, in samples of spherical shape, with a radius of 0.02 m. The determination of the residual moisture, on dry and wet basis, and the change of water activity (aw) and color were also carried out. At the same time, the effect of air-drying, at 25°C, on the physicochemical and qualitative characteristics of truncated cone shaped Anthotyros and cylindrical shaped Anthotyros were studied. The moisture loss and the residual moisture, on dry and wet basis, were determined after the drying process was completed. Subsequently, the determination of the change of water activity (aw), color and hardness of these cheeses were carried out. The general composition of Anthotyros cheeses and their shrinkage percentage were also determined. For this study, truncated cone shaped Anthotyros and cylindrical shaped Anthotyros of Lucas & Son Co. were used. Regarding the study of the kinetics of Anthotyros drying, in samples of spherical shape, the determination of moisture, on dry and wet basis, showed that temperature had a significant effect on the drying rate of the samples, and more specifically, the increase of the drying temperature resulted in the increase of the drying rate. The water activity (aw) of the Anthotyros samples showed similar behavior, as higher drying temperatures led to higher rate of decrease of the samples’ water activity. The total color change increased significantly over the drying time and the increase of the drying temperature, resulting in the Anthotyros being yellowish. The determination of the coefficients of diffusion showed that the increase of the drying temperature resulted in the increase of the coefficient of diffusion in the temperature range of 25-65°C. In addition, the determination of the Arrhenius parameters, Ea (kJ/mol) and Dref (m2/s), made it possible to determine the coefficient of diffusion of moisture of this specific food, D (m2/s), at any drying temperature. In addition, a calculation approach of the equilibrium moisture was carried out for each drying temperature. For these equilibrium moisture values, the coefficients of diffusion and the Arrhenius parameters were also calculated. This approach was satisfactory as the values obtained for the equilibrium moisture, the coefficient of diffusion, at any drying temperature, and the values of the Arrhenius parameters were similar to those obtained for the equilibrium moisture values determined by the method of determination of the total solids content in Anthotyros. Concerning the study of the effect of air drying at 25°C on the physicochemical and qualitative characteristics of truncated cone shaped Anthotyros and cylindrical shaped Anthotyros it was found that the drying of the truncated cone shaped Anthotyros initially weighted 1300-1400 g, for 120 h led to the same percentage of moisture loss as the drying of the cylindrical shaped Anthotyros, initially weighted 450-550 g, for 72 h. For these specific drying times, the moisture content of Anthotyros, on dry and wet basis, decreased significantly. The water activity (aw) of the Antothyros showed a larger reduction in the truncated cone shaped heads as compared to the cylindrical ones, because of the longest drying time and the largest volume of the removed water. From the determination of the total color change, it was found that the longer processing time led to a greater change in the color of the Anthotyros, as it suffered yellowing. The texture analysis revealed that the hardness of all samples increased after the air-drying was complete. The determination of the general composition of Anthotyros showed that the process of air-drying led to a decrease in the moisture content of the samples on wet basis, while their content in fat, protein and salt were increased. Finally, the longer drying time and the larger volume of the water removed from the truncated cone shaped Anthotyros contributed to higher shrinkage percentage as compared to the cylindrical heads. In conclusion, this study showed that the combination of the selected parameters (drying temperature, drying time, cheese size and shape) could lead to the production of Dry Anthotyros with superior quality characteristics. More specifically, air drying at 25°C of the truncated cone shaped Anthotyros, of an initial weight of 1300-1400 g for 120 hours (5 d), and of the cylindrical shaped Anthotyros, of an initial weight of 450-550 g, for 72 hours (3 d), led to the production of Dry Anthotyros products with low moisture content and acceptable quality characteristics. After drying, the moisture content of the truncated cone shaped Anthotyros was 50.66% and the moisture content of cylindrical shaped Anthotyros was 43.94%. The coefficient of diffusion was determined for each drying temperature of the spherical samples of Anthotyros (25, 45 and 65°C), equal to 6.08∙〖10〗^(-10) m^2⁄s, 1.39∙〖10〗^(-9) m^2⁄s and 1.62∙〖10〗^(-9) m^2⁄s respectively. According to these results, it is confirmed that the increase in temperature resulted in an increase of the coefficient of diffusion in the temperature range of 25-65°C.