Технология получения порошкового экстракта зеленого чая Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Технология получения

порошкового экстракта зеленого чая

А.Д. Поверин

НПО «Биоиндустрия»

Сухой экстракт зеленого чая или так называемый быстрорастворимый порошок зеленого чая представляет собой продукт, обладающий высокой биологической ценностью благодаря уникальному биохимическому составу, прекрасным органолептическим показателям и благотворному физиологическому воздействию на организм человека [1-5].

В состав сухого экстракта зеленого чая входят разнообразные биологически активные вещества, синтезируемые чайным растением, среди которых наибольшее значение имеют феноль-ные соединения или танино-катехино-вая смесь (ТКС), кофеин, теобромин, теофиллин, эфирные масла, витамины (Р, С, Б,, В2, К, и, РР и др.).

Сухие чайные концентраты целесообразно получать из свежего листа, сортового или некондиционного чая любого сорта, а также из вторичных сырьевых ресурсов чайной промышленности (черешки, волоски, пластин-

Таблица 1

Выход сухих веществ на стадии экстракции при различных режимах процесса

Образец Температура, °С Гидромодуль, мл/г Концентрация сухих веществ, % Концентрация ТКС, аЭТ8 Выход СВ, %

1 90 8 5,27 0,76 28,7

1 90 10 4,69 0,61 29,5

1 1 132 20 2,55 0,47 31,6 37,0

2 90 20 1,88 0,24 24,9 24,9 30,0

2 132 20 2,33 0,28 29,4 29,4 32,0

Таблица 2

Зависимость качества экстракта от способа разделения экстракта и «разварки»

№№ проб Способ отделения осадка Фильтрующий материал Концентрация сухих веществ, % Концентрация ТКС, аЭТ8

1 Исходный экстракт 2,72 0,28

2 3 Фильтрация Четырех- слойная марля 2,72 2 67 0,28 0 26

4 Бельтинг 2,69 0,27

5 Центрифугирование 2,12 0,27

ки черного и зеленого чая). Большинство существующих промышленных технологий экстракции зеленого чая не позволяют сохранить в конечном продукте многие вещества и соединения, содержащиеся в исходном сырьевом продукте. Вкус и аромат зеленого чая обеспечивается содержанием в нем ароматических веществ, которые представлены эфирными маслами. Последние представляют собой сложную смесь веществ, относящихся к разнообразным группам: альдегидам, кето-нам, спиртам, кислотам, углеводородам, фенолам. Общее содержание эфирных масел определяется сотыми долями процента. В только что собранных чайных листьях содержится до 0,014 % эфирных масел, а в высушенном чайном сырье - до 0,007 %. В составе эфирных масел зеленого чайного листа было обнаружено около 50 % гексенола с сильным запахом зелени, гераниола - около 14% с запахом розы, линалоола - около 13 % с запахом ландыша и их производных. Температура кипения этих соединений составляет от 156 °С для гексенола до 230 °С для гераниола. Выделение данных веществ требует проведения процесса экстракции при температурах не ниже температур кипения, что предъявляет повышенные требования к производственному оборудованию.

Учитывая потребность рынка в быстрорастворимых порошковых чайных напитках на научно-производственной базе НПО «Биоиндустрия» были проведены комплексные исследования и опытно-промышленные испытания по разработке новой технологии получения вышеуказанного пищевого продукта.

Основные задачи исследований: оптимизация процесса и технологии экстрагирования водорастворимых, ароматических веществ и соединений зеленого чая; обоснование способов отделения осадка от экстракта, концентрирования и сушки конечного продукта; оптимизация нового технологического процесса получения сухого экстракта чая к промышленным условиям; разработка технологической и аппаратной схем производства.

При проведении исследовательских работ были использованы два сорта китайского зеленого чая: образец 1 -

байховый зеленый чай урожая 2007 г. (КНР, провинция Хубэй), образец 2 -байховый зеленый чай урожая 2006 г. (КНР, провинция Гуандун). В процессе исследований на каждой стадии разрабатываемого технологического процесса контролировали основные показатели: общая концентрация сухих веществ - гравиметрическим методом по ГОСТ 28551-90 и концентрация танни-но-катехиновой смеси (ТКС) двумя методами - спектрофотометрическим и методом Левенталя по ГОСТ 19885-74. Первый метод - это экспресс-метод, позволяющий оценить суммарное количество биологически активных веществ чая, в том числе катехинов, тан-нинов, кофеина. Содержание ТКС в пробе оценивали по величине экстинк-ции пробы А278 при длине волны проходящего света 278 нм в кювете с длиной оптического пути 10 мм. Экспресс-метод использовали при проведении исследовательских работ, метод Ле-венталя - при анализе готового продукта.

Процесс получения сухого экстракта зеленого чая было предложено вести в периодическом режиме, включающем последовательно следующие стадии: экстракция водорастворимых веществ зеленого чая, отделение экстракта от осадка методами фильтрации и/или центрифугирования (сепарирования), концентрирование методом выпаривания и распылительная сушка концентрата.

Для обеспечения процесса экстракции водорастворимых веществ зеленого чая наиболее значимы следующие параметры: продолжительность и температура процесса, гидромодуль суспензии, количество экстракций из одной порции исходного сырья,

Для исследования продолжительности проведения процесса экстракции была определена динамика накопления сухих веществ и ТСК в экстракте. Исследование проводили с использованием зеленого чая образца 2. Гидромодуль суспензии составил 20 мл/г (1:20), температура экстракции - 90 °С. Результаты эксперимента показали: с увеличением продолжительности процесса экстракции повышается концентрация сухих веществ, в то время как концентрация ТКС со временем практически не изменяется. Увеличение продолжительности экстракции ведет к увеличению содержания балластных веществ. Таким образом, процесс экстракции можно вести не более 1 ч, что согласуется с литературными данными [1].

При исследовании влияния температуры экстракции и гидромодуля суспензии на выход сухих веществ на стадии экстракции были использованы оба образца зеленого чая. Продолжи-

PROCESSING OF VEGETATIVE RAW-MATERIALS

тельность процесса - 1 ч, температура экстракции 90...132 °С. Процесс экстракции проводили при температуре 132 °С в автоклаве при давлении 2 ати. Гидромодуль суспензий варьировали от 8 до 20 мл/г. Производственный выход сухих веществ (СВ) на первой стадии экстракции показан в табл. 1.

Из данных табл. 1 следует, что при однократной экстракции чая выход сухих веществ увеличивается с повышением гидромодуля суспензии и температуры процесса. В исследованном диапазоне температур и гидромодуле максимальный выход по сухим веществам наблюдается при температуре экстракции 132 °С и гидромодуле 20,0 мл/г и составляет 37 % для образца 1 и 32 % для образца 2. Концентрация ТКС зависит от качества исходного сырья: более свежий чай урожая 2007 г. (образец 1) превосходит по содержанию ТКС образец 2.

Однако использование высокотемпературной экстракции требует повышенного давления и в связи с этим предъявляет повышенные требования к обслуживанию сосудов, работающих под давлением, что приводит к значительному увеличению затрат на изготовление оборудования. Кроме того, как известно из литературных данных [1], применение повышенных температур при длительном воздействии отрицательно влияет на качество чайного экстракта, ускоряя окислительные процессы ТКС, и тем самым снижает качественные показатели конечного продукта. Увеличения выхода готового продукта на стадии экстракции можно добиться, повышая кратность экстракции, проводя повторную экстракцию осадка чайного листа при температуре 90 °С.

Была определена зависимость выхода сухих веществ от кратности экстракции. Экстракцию сухих веществ вели при температуре 90 °С, гидромодуле 10 мг/г, продолжительность каждой экстракции 1 ч. Отделение осадка от экстракта осуществляли декантацией. В каждом из полученных растворов определяли концентрацию сухих веществ и рассчитывали выход процесса по сухим веществам. Установлено, что пятикратной экстракцией сухих веществ из одной порции сырья можно значительно увеличить выход продукта. Так, из чая образца 1 можно получить сухие вещества с выходом более 45 %, а из образца 2 - с общим выходом около 38 %. При двукратной экстракции был получен выход 74-76 % от максимально возможного для каждого из исследованных образцов. Поэтому в дальнейших исследованиях нам представлялось экономически целесообразным ограничить количество экстракций до двух из одной порции сырья.

Таблица 3

Основные показатели продуктов по стадиям технологического процесса

Стадия Полупродукт Объем, л (кг) Концентрация сухих веществ, % Выход по сухим веществам, %

Фильтрация через четырехслойную марлю

Экстракция 1 1Г:—1 ма / 31 32 32,4 41 5 4,37 1 26 28,2 10 4

экыракция 2 Смешивание Э1 + Э2 4 1,5 73,9 1,20 2,61 10,4 38,5

Концентрирование Концентрат 14,0 12,00 35,4

Сушка Сухой экстракт ГПмпитпя! |ма 1,53 -1- ЛГРОТПОИМО 94,21 28,8

Экстракция 1 ф илы рация Э1 + исьешение экс 38,0 тра кта 3,84 1 ^П 29,1 1П F,

Экстракция 2 Смешивание Э1 + Э2 35,5 73,5 2,70 10,6 39,6

Осветление смеси экстрактов Осветленная смесь Э1 + Э2 68,4 2,52 34,5

Концентрирование Концентрат 13,0 12,85 33,4

Сушка Сухой экстракт 1,38 95,02 26,5

При проведении экспериментов был приготовлен экстракт из образца зеленого чая 2 с концентрацией сухих веществ 2,72 %. Экстракт от осадка «раз-варки» чая отделяли методами фильтрации с использованием фильтрующих материалов: четырехслойной марли, бязи, бельтинга. Фильтрацию через бязевый фильтр проводили на нутч-фильтре с градиентом давления 0,7 ати с применением вакуумного во-докольцевого насоса, фильтрацию через бельтинг - под давлением 2 ати в автоклаве. Для дополнительного осветления экстракта использовали процесс центрифугирования. Осветляли экстракт на стаканчиковой центрифуге при числе оборотов ротора 1,2 тыс. мин-1 в течение 30 мин. Все процессы фильтрации и центрифугирования проводили при температуре не менее 0.90 °С для предотвращения осаждения веществ танино-катехинового комплекса. Качества фильтрации или центрифугирования оценивали на основании изменения концентрации сухих веществ до и после отделения осадка (табл. 2).

Приведенные в табл. 2 данные подтверждают неэффективность применения процесса фильтрации для отделения раствора от осадка. Центрифугирование позволяет получить экстракт с меньшим содержанием балластных веществ без потери ТКС.

В производственном процессе для разделения суспензии предполагается использовать процессы центрифугирования для отделения экстракта от «раз-варки» чайного листа и сепарирования - для отделения мелкой взвеси балластных веществ. Все процессы необходимо проводить при температуре не ниже 80 °С во избежание потерь веществ ТКС, слаборастворимых в воде (например, катехин, кофеин).

Концентрирование экстракта осуществляли в вакуум-выпарном аппарате

УВВ-50 при температуре 80.90 °С. Кратность концентрирования - 5 раз. Для сушки концентрата применяли прямоточную распылительную сушилку РС-20 с дисковым распыливающим механизмом Niro Atomizer (Дания) при температуре теплоносителя на входе в сушильную камеру 170.180 °С и на выходе из нее 85.90 °С.

Для отработки процесса производства сухого экстракта зеленого чая было проведено две варки, отличающиеся способом разделения суспензии: 1-й вариант - фильтрация суспензии через четырехслойный марлевый фильтр, 2-й вариант - фильтрация через марлевый фильтр + центрифугирование фильтрата.

В реактор объемом 75 л, оснащенный перемешивающим устройством и рубашкой для подогрева реакционной смеси, заливали 50 л очищенной водопроводной воды. Воду нагревали до температуры 90 °С и вносили 5 кг зеленого чая. Через 1,5 ч, когда масса чая осела, экстракт 1 (Э1) сливали и фильтровали через четырехслойный марлевый фильтр (1-й вариант), а затем осветляли на стаканчиковой центрифуге периодического действия (2-й вариант). Условия разделения смеси: число оборотов ротора центрифуги 1000 мин-1, продолжительность операции 30 мин, температура фильтрации и центрифугирования 80 °С.

В реактор вновь заливали воду до первоначального объема и загружали сырье, оставшееся после первой экстракции, смесь нагревали до 90 °С, выдерживали в течение 1 ч. Разделение суспензии вторичного экстракта (Э2) в каждом из вариантов вели по схеме, аналогичной описанной выше. Первичный и вторичный экстракты объединяли и упаривали в 5 раз. Концентрирование растворов проводили при температуре 80 °С в вакуум-выпарном аппарате УВВ-50.

Сухой зеленый чай Вода

Осадок

Экстракция 1

Температура - 90 °C

Время - 1ч Гидромодуль - 1:10

Фильтрат 1

Вода Фильтрат 2

Фильтрация 1

(центрифугирование) Температура 80.90 °С

Ж

Экстракция 2

Температура - 90 °C,

Время - 1 ч Гидромодуль - 1:10

Фильтрация 2

(центрифугирование) Температура 80.90 °С

Осадок

Смешивание

(фильтрат 1 + фильтрат 2) Температура 80.90 °С

Осветленная смесь экстрактов

Осветление смеси

(сепарирование) Температура 80.90 °С

Концентрирование

Температура 80.90 °С Кратность - 5 раз

Концентрат

Сушка

Темп. вх. возд. 170.180 °С Темп. вых. возд. 85.90 °С

Осадок

Конденсат

Испаренная влага

Фасовка готового продукта

Процессуальная схема производства сухого экстракта зеленого чая

Концентрат сушили на прямоточной распылительной сушилке РС-20 с дисковым распылителем фирмы Niro Atomizer (Дания) при температуре теплоносителя на входе в сушильную камеру 170.180 °С и на выходе из нее 85.90 °С.

В табл. 3 приведены основные показатели полупродуктов и готового продукта по сухим веществам и выход сухих веществ на каждой стадии технологического процесса в двух вариантах разделения смеси «разварки» чайного листа и готового экстракта: фильтрации и фильтрации + центрифугирования.

При качественном анализе готового сухого продукта на содержание ТКС методом Левенталя по ГОСТ 19885-74 было установлено, что продукт, полученный из образца 1, содержит 25,3 % ТКС. Продукты, полученные из образца 2, при применении технологии без осветления экстракта содержат 21,6 % ТКС и 23,8 % - при использовании стадии осветления.

В ходе экспериментов была предпринята попытка собрать низкокипя-щие ароматические вещества чая образца 2 на стадии экстракции, при сборе конденсата пара с температурой около 100 °С. Схема установки пред-

ставлена на рисунке. Реактор был дополнительно укомплектован каплеуло-вителем, конденсатором и сборником конденсата. Три первых фракции отгона имели неприятный запах (не свойственный аромату чая), что свидетельствовало о низком качестве исходного сырья. При этом сухой продукт, полученный после распылительной сушки, имеет приятный растительный аромат, что говорит о присутствии в нем высо-кокипящих эфирных масел. Сухой экстракт чая (образец 2) имел значительно более сильный аромат, свойственный чаю.

ЛИТЕРАТУРА

1. Поверин А.Д. Результаты сравнительной оценки физико-химических и технологических параметров экстракта стевиозида//Хранение и переработка сельхозсырья. 2006. № 11.

2. Поверин А.Д. Ультразвуковая экстракция в промышленном производстве инстантных форм растительных субстратов//Пиво и напитки. 2006. № 1.

3. Поверин А.Д. Способ получения растительного экстракта. Патент Российской Федерации № 2279283, 10.07.06.

»