Влияние основных параметров на процесс экстрагирования водорастворимых веществ из кофе Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ПРОДОВОЛЬСТВЕННОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 664.66-9

Доцент В.Н. Лысова, аспирант O.A. Штефанова (Астраханский гос. технич. ун-т) кафедра технологических машин и оборудования, тел. (8512)614-469 E-mail: shtefanova_olga@mail.ru

Associate Professor V.N. Lysova, Graduate Student O.A. Shtefanova

(Astrakhan State Technical University) chair technological machines and equipment, tel. (8512)614-469 E-mail: shtefanova_olga@mail.ru

Влияние основных параметров на процесс экстрагирования водорастворимых веществ из кофе

Influence of key parameters on process of extraction of water-soluble substances of coffee

Реферат. Кофе - вкусовой товар, вырабатываемый из определенных видов растительного сырья. Ассортимент кофе очень широк, а объемы производства постоянно растут. Производители растворимого кофе пытаются совершенствовать технологический цикл производства, основным процессом которого является экстрагирование водорастворимых веществ из кофе. Исследование процесса в целом влечет за собой вопрос об основных параметрах экстрагирования, их влиянии и оптимальных значениях, которые позволят осуществить процесс экстрагирования с максимальной эффективностью. Цель исследования - нахождение основных параметров, влияющих на процесс экстрагирования водорастворимых веществ из кофе. Основными задачами при этом являются: определение оптимальной температуры для проведения эксперимента, оптимальной степени помола кофе; выявление ботанического сорта кофе; отслеживание уровня концентрации вещества во время эксперимента. В результате опытов можно сделать следующие выводы. Выход водорастворимых веществ возрастает с уменьшением среднего размера частиц при любом режиме экстрагирования. Опыты по кинетике процесса экстрагирования водорастворимых веществ из кофе проводились в диапазоне изменения температур 20 - 95 °С, в режиме перемешивания. Использование пониженных температур 90 - 95 °С для процесса экстрагирования водорастворимых веществ из кофе позволяет добиться высокой степени отработки зерна. Наиболее рациональным

© Лысова В.Н., Штефанова O.A., 2015

с точки зрения увеличения выхода водорастворимых веществ и улучшения качества готового продукта является диапазон температур 85 -95 °С. Соотношение фаз - один из основных параметров, определяющих процесс извлечения водорастворимых веществ из кофе. Процесс периодического извлечения из кофе при больших соотношениях фаз, например, 1:20 и 1:30, приведет к сравнительно низким концентрациям водорастворимых веществ в растворе. Осуществление процесса низкотемпературного экстрагирования на «тонкой» фракции может обеспечить максимальный выход водорастворимых веществ в раствор.

Summary. Coffee - the flavoring goods developed from certain types of vegetable raw materials. The range of coffee is very wide, and outputs constantly grow. Producers of instant coffee try to improve a production cycle of production which main process is extraction of water-soluble substances from coffee. Process research in general involves a question of key parameters of extraction, their influence and optimum values which will allow to carry out process of extraction with maximum efficiency. Research objective - identification of the key parameters influencing process of extraction of water-soluble substances of coffee. The main objectives thus are: determination of optimum temperature for carrying out experiment; definition of optimum degree of a grinding of coffee; identification of a botanical grade of coffee; tracking of level of concentration of substance during experiment. As a result of experiences it is possible to draw the following conclusions. The exit of water-soluble substances increases with reduction of the average size of particles at any mode of extraction. Experiments on kinetics of process of extraction of water-soluble substances of coffee were made in the range of change of temperatures of 20 - 95 °C, in the hashing mode. Use of the lowered temperatures of 90 - 95 °C for process of extraction of water-soluble substances of coffee allows to achieve high extent of working off of grain. The most rational from the point of view of increase in an exit of water-soluble substances and improvement of quality of a ready-made product is the range of temperatures of 85 - 95 °C. A ratio of phases - one of the key parameters defining process of extraction of water-soluble substances of coffee. Process of periodic extraction of coffee at big ratios of phases, for example, 1:20 and 1:30, will result in rather low concentration of water-soluble substances in solution. Implementation of process of low-temperature extraction on «thin» fraction can provide the maximum exit of water-soluble substances in solution.

Ключевые слова: кофе, процесс экстрагирования, водорастворимые вещества, низкотемпературное экстрагирование, гранулирование обжаренных зерен, Арабика, Робуста, Сантос, Плантейшен.

Keywords: coffee, extraction process, water-soluble substances, low-temperature extraction, a granulation of the fried grains, Arabica coffee, Robusta, Santos, Planteyshen.

Динамика отечественного кофейного рынка в последние годы вывела его в число безусловных лидеров пищевой промышленности РФ. Быстрые темпы роста единодушно отмечаются самыми разными группами экспертов как доминанта развития. По данным Департамента правительственной информации, потребление кофе в РФ растет на 10-15 % ежегодно, а доля в мировом объеме потребления составляет только 1 %. В среднем на жителя России приходится, по разным источникам, от 300 до 700 г кофе, что в сравнении с 5-10 «среднеевропейскими» килограммами на душу населения - показатель одновременно ничтожный и многообещающий.

Прогресс рынка выражается, в первую очередь, в увеличении объемов производства. По оценке экспертов, объем кофейного рынка России достиг 86 тыс. т в

год и составляет 800 млн дол. в розничных ценах. Растворимый кофе в Россию в основном импортируется в количестве 76 % от общего объема ввоза кофе.

Структурируя российский рынок кофе, можно выделить пять основных сегментов: растворимый - 75%, зерновой -8%, молотый кофе -5%, кофейные смеси - 10 % и напитки - 2 %.

При этом становится очевидной необходимость увеличения объемов производства растворимого кофе отечественными производителями за счет совершенствования самого процесса производства, технологический цикл которого включает в себя экстрагирование - один из основных процессов, в значительной степени определяющих эффективность получения растворимого кофе.

Известно, что высокоинтенсивная температурная обработка (120 - 170 °С) частиц кофе является причиной формирования несвойственных кофе органолептиче-ских характеристик, что объясняется протеканием ряда необратимых биохимических реакций.

В настоящее время совершенствование процесса экстрагирования водорастворимых веществ из кофе при пониженных температурах становится все более перспективным направлением, так как обеспечивает сохранность вкусоароматиче-ских свойств кофе, что является важной характеристикой для потребителя, позволяет увеличить выход готового продукта путем использования кофейного шлама, который имеет полноценный химический состав. В свою очередь, влияние основных параметров на процесс экстрагирования водорастворимых веществ из кофе -актуальный вопрос при рассмотрении темы, касающейся технологии экстрагирования кофе и ее совершенствования.

Процесс низкотемпературного экстрагирования кофе недостаточно изучен, не определены рациональные параметры его проведения, не исследован механизм извлечения, не изучена кинетика дополнительного извлечения водорастворимых веществ из кофейного шлама.

Настоящее исследование направлено на изучение влияния основных параметров на процесс экстрагирования водорастворимых веществ из кофе, что позволит в дальнейшем сделать вывод о том, в каких интервалах находятся рациональные параметры процесса экстрагирования, обеспечивающие высокую степень отработки исходного сырья.

Цель исследования - выявление основных параметров, влияющих на процесс экстрагирования водорастворимых веществ из кофе. Основными задачами при этом являются: определение оптимальной температуры для проведения эксперимента; определение оптимальной степени помола кофе; выявление ботанического сорта кофе; отслеживание уровня концентрации вещества во время эксперимента.

Процесс извлечения водорастворимых веществ из кофе и кофейного шлама рассматривается при их пониженных концентрациях в растворе. Из обзора литературных данных следует, что рациональные параметры процесса экстрагирования, обеспечивающие высокую степень отработки исходного сырья, находятся в следующих интервалах: соотношение фаз твердое тело - жидкость 1:10 - 1:30; температура 20 - 100 °С, средний диаметр частиц 0,4 - 1,5 мм. Отсюда опыты по отработке кофейных частиц оптимально проводить при периодическом настаивании и перемешивании четырех различных фракций кофе (средний диаметр частиц составлял 0,16; 0,4; 0,75; и 1,5 мм), при пониженных температурах 20 - 95 °С, соотношении фаз от 1: 10 до 1:30. Исследования по кинетике извлечения водорастворимых веществ из кофейного зерна должны проводиться в лабораторных условиях. Значения концентраций необходимо измерять по рефрактометру, при этом следует учесть

поправочный коэффициент. Он получается в результате тарировки шкалы сухих веществ рефрактометра.

Сырьем при производстве кофейного экстракта может служить любой вид и сорт кофе. Но в последнее время непрерывно возрастает использование первых и более низких сортов кофе, особенно дешевых, типа индийского, индонезийского, африканского Робуста, Сантоса, Арабика, содержащих значительное количество водорастворимых веществ. В зависимости от способа последующей сушки экстракта предпочтение отдается тому или иному виду кофе. Так, сырьем при производстве растворимого кофе сублимационной сушкой является Арабика, распылительной - Робуста, Сантос.

Исследования логично проводить на четырех основных видах кофе: Робуста, Плантейшен - высший сорт, Арабика, Сантос. Из полученных данных следует, что выход водорастворимых веществ в значительной степени зависит от ботанического вида кофе. Особо различия касаются кофе Робуста - традиционного сырья при производстве растворимого кофе, и Плантейшен - высший сорт. Масса остаточных веществ при экстрагировании из кофе разных сортов будет отличаться. Остальные исследуемые виды кофе практически не отличаются от сорта Робуста.

Следует выделить периоды процесса. Первый из них характеризуется переносом водорастворимых веществ с поверхности зерна и из пор, наиболее доступных для раствора. Продолжительность первой стадии от 3 до 6 мин - при перемешивании и до 8 - 10 мин - при настаивании. Во второй стадии раствор проникает во все доступные для него поры и капилляры, растворяет извлекаемые водорастворимые вещества в них и переносит к поверхности частицы. Эта стадия наиболее продолжительна, и отсюда время отработки частиц кофе лимитируется ее продолжительностью. На перенос водорастворимых веществ в первой стадии значительное влияние оказывает перемешивание. Откуда следует, что массоотдача является лимитирующей стадией процесса экстрагирования в этот период. Причем перемешивание влияет на скорость переноса тем больше, чем меньше размер частиц, что вполне согласуется с теорией диффузионного извлечения из твердых тел.

За первый период посредством массоотдачи в частице кофе отрабатывается некоторый слой определенного размера. Взаимосвязь между размером слоя и диаметром отрабатываемых частиц также должна прослеживаться.

Экстрагирование водорастворимых веществ из гранулированного обжаренного кофе заключается в переходе в водный раствор растворимых его компонентов. Гранулирование обжаренных зерен кофе производится в кофемолке, дисковой мельнице. Фракционный состав частиц определяется на основе ситового анализа.

Получив путем рассева определенную фракцию кофе, отбирают необходимую навеску, помещая ее в термостатированный сосуд, и ведут отработку.

Выход водорастворимых веществ возрастает с уменьшением среднего размера частиц при любом режиме экстрагирования.

Опыты по кинетике процесса экстрагирования водорастворимых веществ из кофе проводятся в диапазоне изменения температур 20 - 95 °С, в режиме перемешивания. Полученные экспериментальные данные при различных значениях температур фиксируются и анализируются.

Использование пониженных температур 90 - 95 °С для процесса экстрагирования водорастворимых веществ из кофе позволяет добиться высокой степени отработки зерна. Наиболее рациональным с точки зрения увеличения выхода водорастворимых веществ и улучшения качества готового продукта является диапазон температур 85 - 95 °С.

Соотношение фаз - один из основных параметров, определяющих процесс извлечения водорастворимых веществ из кофе. Процесс периодического извлечения из кофе при больших соотношениях фаз, например, 1:20 и 1:30 приведет к сравнительно низким концентрациям водорастворимых веществ в растворе.

Осуществление процесса низкотемпературного экстрагирования на «тонкой» фракции может обеспечить максимальный выход водорастворимых веществ в раствор. Полученные результаты позволят установить рациональное параметры процесса экстрагирования кофе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Березин, И.С. Маркетинговые исследования: как это делают в России [Текст] / И.С. Березин.- М.: Вершина, 2005. - 432 с.

2. Березин, И.С. Крупнейшие потребительские рынки России: объем, динамика, перспективы. Доклад российскому бизнесу [Текст] / И.С. Березин.- М.: Беловодье, 2010 - 272 с.

3. Блинникова, О.М. Товароведение и экспертиза вкусовых товаров [Текст]: учебное пособие / О.М. Блинникова.- Мичуринск: Изд. МичГАУ, 2007.- 234 с.

4. Елисеева, Л.Г. Товароведение и экспертиза продовольственных товаров: учебник [Текст]/ Л.Г. Елисеева, Т.Г. Родина, М.А. Положишникова, М.С. Касторных [и др.]. - М.: МЦФЭР, 2006. - 254 с.

REFERENCES

1. Berezin, I.S. Market researches: as it is done in Russia [Text]/ I.S. Berezin.

- Moscow, 2005. - 432 p.

2. Berezin, I.S. The largest consumer markets of Russia: volume, dynamics, prospects. Report to the Russian business. [Text] / I.S. Berezin. - Moscow, 2010. - 272 p.

3. Blinnikova, O.M. Tovarovedeniye and examination of flavoring goods [Text]: The manual / O.M. Blinnikova. - Michurinsk, 2007. - 234 p.

4. Yeliseyeva, L.G. Tovarovedeniye and examination of foodstuff: textbook of [Text] / L.G. Yeliseyev, T.G. Rodina, M.A. Polozhishnikova, M.S. Kastornykh [and others].

- Moscow, 2006. - 254 p.