СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ГРАНУЛИРОВАННОГО ЧАЯ ИЗ ИСХОДНОГО СУХОГО ЧАЙНОГО СЫРЬЯ
METHOD FOR PRODUCTION OF GRANULATED TEA FROM INITIAL DRY TEA RAW MATERIAL

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к способам производства гранулированного чая из исходного сухого чайного сырья и может быть использовано в чайной промышленности.
Уровень техники
Известен способ производства гранулированного черного чая с увеличенным выходом частиц заданного размера, основанный на экструдировании измельченного ферментированного чайного листа, не подвергшегося сушке. В качестве дополнительного компонента к резаному невысушенному чайному листу при производстве гранул могут быть использованы: чайная высевка, ферменты, ароматизаторы, травы, цветы, крахмалы, углеводы и др. (US 2003/0113406 А1, МКИ A23F 3/08, A23F 3/14 опубл. 19.06.2003). Техническое решение по данному способу основывается на «холодной экструзии», то есть на механическом проталкивании измельченной влажной массы рабочим органом экструдера через перфорированную пластину или сетку под низким давлением не превышающем 1,5 Мпа. Стадия экструдирования согласно известному из заявки №2003/0113406 способу происходит непосредственно после ферментации. Формирование гранул происходит в специальном аппарате после экструдирования. Описанное в US 2003/0113406 А1 изобретение направлено на производство исключительно ферментированного черного чая и также может быть использовано на чайных фабриках первичной переработки, при этом изобретатели не ставили перед собой ни задачи повышения скорости экстракции гранулированного чая, ни задачи снижения отходов производства. Соответственно, во многом совпадая с заявленным способом по назначению, содержанию и последовательности технологических операций, известный аналог не содержит путей решения ни одной из указанных задач.
Известен способ обработки чайного сырья (US 2008/0138489 А1 МКИ A23F 3/06, опубл. 12.06.2008, US patent 8,524,308 опубл. 03.09.2013), направленный на повышение экстракции водонерастворимых компонентов и вкусо-ароматических компонентов чая, в том числе «умами», для производства алкогольных напитков на основе чая. В качестве исходного сырья предлагается листовой чай. Способ основан на экструдировании свежего чайного листа с использованием воды или водных растворов сахара в качестве связующего вещества, что позволяет повысить растворимость водонерастворимых компонентов.
Чайные листья в известном способе обрабатывают экструдером при температуре от 80 до 150°С и под давлением от 0,2 до 30 МПа в течение от 5 до 600 с при подаче от 1 до 100 массовых частей на 100 массовых частей чайных листьев воды или водного раствора сахара. Таким образом, продукт обработанного чайного листа стабильно производится, избегая выброса из выпускного отверстия. Чай, полученный из обработанного таким образом чайного листа, обладает значительно улучшенным вкусом. Гранулированный чай должен обладать механической прочностью в сухом состоянии, интенсивно отдавать экстрактивные вещества и не диспергироваться при заваривании.
Но, также как и в предыдущем аналоге, авторы изобретения не ставили задачу использовать малоценное сырье для выработки гранул. Горячая экструзия используется для того, чтобы разрушить длинные цепочки белков, переведя их таким способом из категории нерастворимых в воде веществ в водорастворимые. Задача получения продукта с однородным гранулометрическим составом и определенными механическими свойствами не ставилась, и соответственно и не решалась. Назначением изобретения является получение чайных гранул для использования их в производстве алкоголя.
Известен способ производства гранулированного черного чая, предназначенный для использования на предприятиях первичной переработки чайного сырья, который включает измельчение и увлажнение исходного чайного сырья (сухих видов чайной продукции), формование в экструдере гранулируемой массы, ее окатывание в барабанном грануляторе и последующую двухстадийную сушку полученных гранул. Кроме того, известное решение включает дополнительную грануляцию мелких фракций путем диспергирования связующих жидкостей в псевдоожиженный слой для достижения требуемых механических характристик гранул. (Авторское свидетельство СССР №1595428, МКИ А23F 3/14, опубл. 30.09.1990 г.). Этот способ выбирается в качестве ближайшего аналога.
Известный способ, как указано в описании к авторскому свидетельству №1595428, позволяет повысить качество готового продукта с одновременным снижением энергозатрат. Заданные механические свойства гранул, полученных экструзией из увлажненного сухого чайного сырья, обеспечиваются за счет двухстадийной сушки, на второй стадии которой температура и скорость теплоносителя по сравнению со скоростью и температурой теплоносителя на первой стадии уменьшаются, а время воздействия, наоборот, увеличивается. Кратковременное воздействие высокой температуры на первой стадии исключает перегрев гранул, высокая температура вызывает коробление частиц и за счет этого их более прочное механическое сцепление, а более длительное воздействие теплоносителем меньшей температуры и скорости на второй стадии закрепляет форму гранул, часть из которых, не достигших кондиционных размеров, направляется в аппарат псевдоожиженного слоя, в котором диспергируется связующая жидкость, в качестве которой может выступать экстракт чая.
Недостатками известного способа является сложность технологического процесса получения гранул: две стадии сушки с разной температурой и скоростью теплоносителя, отсев некондиционных гранул, повторное их гранулирование специально для этого изготовленным экстрактом чая с регулируемым размером капель в аппарате псевдоожиженного слоя.
При этом, получаемые известным способом гранулы не обладают высокой скоростью экстракции, экстрактивность полученных гранул не превосходит по экстрактивности исходное сырье и не решается задача получения однородных по размеру гранул, т.к. на повторное гранулирование направляются гранулы размером меньше заданного, однородность размера остальных гранул не контролируется - размер получаемых на выходе гранул от 1 до 3 мм, т.е. кондиционные гранулы могут различаться по размеру в три раза.
Сущность изобретения
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является упрощение технологии получения гранулированного чая, повышение быстродействия, обеспечение возможности получения из малоценного исходного чайного сырья гранулированного чая, гранулы которого однородны по размеру и обладают высокой степенью экстракции, высокой скоростью экстрагирования и механической прочностью, обеспечивающей получение прозрачного настоя, а также безотходность технологии.
В предлагаемом способе получения гранулированного чая в качестве исходного сухого чайного сырья используется малоценное чайное сырье, а именно высокодисперсные пылевидные фракции чая, образующиеся в производственном цикле на различных операциях получения готового продукта - расфасованного и упакованного чая. Данные фракции имеют увеличенную степень разрушения клеточной структуры чайного листа, что значительно интенсифицирует экстракцию веществ и наилучшим образом позволяет использовать потенциальные возможности сырья для получения качественного чайного продукта и, кроме того, отпадает необходимость измельчения исходного сухого сырья, соответственно упрощается и сокращается по времени процесс изготовления чайных гранул, сокращаются энергозатраты из-за отказа от двухстадийной сушки и повторного гранулирования в аппарате псевдоожиженного слоя..
Чайные гранулы формируются при помощи экструдера из сухого чайного сырья, смешанного с пластификатором, в режиме термопластической варки, в отличие от ближайшего аналога, где увлажненное сырье подвергается холодной экструзии. Использование термопластической варки позволяет получать гранулы с меньшей плотностью, чем получаемые в режиме холодной экструзии, что, в свою очередь, приводит к получению гранул, скорость экстракции которых выше.
Использование в качестве пластификатора для высоко-дисперсных пылевидных фракций сухого чайного сырья гигроскопичного полисахарида (в частности, это могут быть декстрин, мальтодекстрин DE10-14 и другие полисахариды) в количестве от 5 до 30 частей на 100 частей чайного сырья либо водного раствора полисахарида концентрацией 50% в количестве от 20 до 50 частей на 100 частей массы исходного чайного сырья, либо воды в количестве от 40 до 70 частей. Такое количественное соотношение компонент в совокупности с различными экспериментально подобранными режимами температуры и давления термопластической варки экструдируемой массы, позволяет получать гранулы с заданными механическими характеристиками: одинакового размера, обладающие прочностью той степени, при которой они не ломаются, не крошатся при изготовлении, упаковке и транспортировке, что позволяет получать прозрачный настой, и кроме того обладающие высокими экстрактивностью и скоростью экстракции.
Размер гранул определяется диаметром отверстий матрицы фильеры экструдера, благодаря чему отпадает необходимость в процессе производства гранул контролировать их размер и отсеивать мелкие фракции, направляя их
на повторную грануляцию. При этом наряду с упрощением технологии снижается ее энергопотребление и повышается быстродействие.
Осуществление изобретения
Непрерывный процесс экструзии осуществляют в экструдере в присутствии пластифицирующего вещества. В качестве последнего может использоваться полисахарид в количестве от 5 до 30 частей на 100 частей массы исходного чайного сырья в виде сухого порошка, либо водный раствор полисахарида различных концентраций, обеспечивающих получение гранул с заданными свойствам, либо вода в количестве от 40 до 70 частей.
С целью сохранения вкусовых характеристик чая предпочтительно использовать не придающие сладости гигроскопичные полисахариды в порошкообразном или растворенном в воде виде, например, мальтодекстрин с декстрозным эквивалентом DE10-14.
При этом перед формирующей матрицей экструдера создаются максимальные термомеханические воздействия при температуре 95-105°С и избыточном давлении 1,5-4,0 МПа.
Благодаря процессам, происходящим в экструдере (интенсивное перемешивание, воздействие высокой температуры и механической энергии, передаваемой продукту винтовыми шнеками экструдера) и наличию пластификатора, чайная масса приобретает вязко-пластичные свойства, необходимые для прохождения массы через фильеры матрицы и формирования гранул, обладающими заданными прочностью и площадью удельной поверхности, влияющими на степень прозрачности настоя и скорость экстракции чайных гранул соответственно.
Помимо этого существенное влияние на структурно-механические свойства и скорость экстракции получаемой гранулы, и как следствие на давление и температуру формуемой массы, время варочного термомеханического воздействия перед формирующей матрицей экструдера, оказывает площадь «живого» сечения матрицы (суммарная площадь отверстий фильер). Чем меньше площадь «живого» сечения, тем выше давление и температура, тем больше время воздействия, и тем более плотная на выходе из экструдера гранула, и тем меньше скорость ее экстракции.
Далее происходит формирование гранул путем выпрессовывания шнеками экструдера через отверстия формирующей матрицы экструдера жгута из чайной массы и резки выходящего жгута с последующей сушкой чайных гранул.
Осуществление заявленного способа может быть показано на следующих примерах.
Эксперименты, часть из которых описана в приведенных ниже примерах, проводились с использованием двухшнекового экструдера Werner & Pfleiderer model cont-37 Coperion twin screw extruder производительностью 10 кг/час со скоростью вращения шнеков 50 об/мин.
Количество пластификатора изменялось с шагом в 5 частей (например, для порошка полисахарида бралось на 100 частей сухого чайного сырья 5, 10…30, 35 частей пластификатора, аналогично для двух остальных пластификаторов). При этом давление изменялось в диапазоне от 1 до 6 Мпа и температура в диапазоне от 80 до 150 град Цельсия.
В качестве нижних значений границ интервалов, задающих количественные соотношения сухого чайного сырья и пластификатора, выбраны значения, при которых результат может достигаться, но не гарантированно. Так при количестве пластификатора (соответственно порошка полисахарида, водного раствора и воды) 5, 20 и 40 частей на 100 частей сухого чайного сырья примерно в половине экспериментов не удавалось достичь режима непрерывной варочной термопластической экструзии чайного сырья. Гранулы чая не формовались и рассыпались при выходе из экструдера, настой, полученный при заваривании гранул, получался мутный, интенсивный. При этом скорость экстракции полученных гранул была высокой.
Аналогично и для верхних значений границ интервалов, задающих количественные соотношения сухого чайного сырья и пластификатора, выбраны значения, при которых результат может достигаться, но не во всех случаях. Так при количестве пластификатора (соответственно порошка полисахарида, водного раствора и воды) 30, 50 и 70 частей на 100 частей сухого чайного сырья также примерно в половине экспериментов получались гранулы с высокой плотностью, не обеспечивающей требуемую скорость экстракции.
В примерах указаны те значения температуры и давления в предматричной зоне экструдера, при которых в результате экспериментов, проводившихся с приведенным в примере количественным соотношением частей пластифицирующего вещества и частей сухого чайного сырья, были получены гранулы с требуемыми значениями прочности и скорости экстракции.
Для случаев, когда эксперимент проводился в отношении смеси с количеством пластификатора входившего в интервал допустимых значений, приведены условия проведения экспериментов, при которых были получены гранулы с оптимальными значениями прочности, экстрактивности и скорости экстракции.
Приходится признать, что положительные результаты экспериментов для граничных значений соотношений количества пластификатора и сухого чайного сырья, зависели от свойств исходного чайного сырья, иных параметров (влажность, температура в помещении и др.), не поддающихся точной идентификации.
Стоит отметить, что выбор пластификатора влияет на последующий процесс сушки: чем меньше воды мы используем в качестве пластификатора, тем менее энергозатратная и продолжительная требуется последующая сушка. В случае использования в качестве пластификатора порошка мальтодекстрина, необходимость в сушке отпадает.
Скорость экстракции в приведенных примерах измерялась следующим методом:
Навеска чая весом 3 г заливалась 150 мл кипящей воды, заваривалась в течение 5 минут. По истечении этого времени настой чая сливался, и в полученном настое измерялся уровень содержания экстрактивных веществ рефрактометрическим методом.
Интенсивность и мутность настоя оценивалась органолептически панелью тренированных экспертов-титестреров. Настой чая при этом готовился аналогично описанному выше методу.
Пример 1
Высокодисперсная порошкообразная фракция чая подавалась дозатором в камеру экструдера с одновременной подачей порошка мальтодекстрина (DE10-14) в количестве 5 частей на 100 частей чая, где сырье перемещалось вращающимися шнеками с одновременным перемешиванием. После чего получаемая масса шнеками выпрессовывалась через формующую матрицу, с последующей резкой жгутов на гранулы длиной 1,0 мм. При этом в предматричной зоне достигалась температура 105°С и давление 4,0 МПа.
Ввиду недостаточного количества пластификатора не удалось достичь режима непрерывной варочной термопластической экструзии чайного сырья. Гранулы чая не формовались и рассыпались при выходе из экструдера. Настой, полученный при заваривании гранул мутный, интенсивный. Скорость экстракции полученных гранул высокая.
Пример 2
Высокодисперсная порошкообразная фракция чая подавалась дозатором в камеру экструдера с одновременной подачей порошка мальтодекстрина (DE10-14) в количестве 30 частей на 100 частей чая, где сырье перемещалось вращающимися шнеками с одновременным перемешиванием. После чего получаемая масса шнеками выпрессовывалась через формующую матрицу, с последующей резкой жгутов на гранулы длиной 1,0 мм. При этом в предматричной зоне достигалась температура 95°С и давление 1,5 МПа.
Был достигнут режим непрерывной варочной термопластической экструзии чайного сырья. Однако, ввиду высокого содержания пластификатора, полученная гранула имела чрезмерно высокую плотность и твердость и, соответственно, значительно меньшая скорость экстракции.
Настой, полученный при заваривании гранул, прозрачный, неинтенсивный. Скорость экстракции полученных гранул низкая.
Пример 3
Высокодисперсная порошкообразная фракция чая подавалась дозатором в камеру экструдера с одновременной подачей порошка мальтодекстрина (DE10-14) в количестве 10 частей на 100 частей чая, где сырье перемещалось вращающимися шнеками с одновременным перемешиванием. После чего получаемая масса шнеками выпрессовывалась через формующую матрицу, с последующей резкой жгутов на гранулы длиной 1,0 мм. При этом в предматричной зоне достигалась температура 102°С и давление 1,8 МПа, и была получена гомогенная вязкотекучая масса.
Подобранное количество пластификатора позволяет достичь режима непрерывной варочной термопластической экструзии, сопровождающийся глубокими деструктивными изменениями чайного сырья. Получены гранулы с достаточной прочностью и плотностью и высокой скоростью экстракции.
Настой, полученный при заваривании гранул достаточно прозрачный, интенсивный.
Пример 4
Высокодисперсная порошкообразная фракция чая подавалась дозатором в камеру экструдера с одновременной подачей воды в количестве 40 частей на 100 частей чая, где сырье перемещалось вращающимися шнеками с одновременным перемешиванием. После чего получаемая масса шнеками выпрессовывалась через формующую матрицу, с последующей резкой жгутов на гранулы длиной 1,0 мм. При этом в предматричной зоне достигалась температура 104°С и давление 3,6 МПа.
При повышении количества пластификатора на единицу чайного сырья устойчиво возрастал процент успешного хода самого эксперимента и наличие у полученных на его выходе гранул требуемых механических характеристик в сочетании с более высокой скоростью экстракции.
Пример 5
Высокодисперсная порошкообразная фракция чая подавалась дозатором в камеру экструдера с одновременной подачей воды в количестве 70 частей на 100 частей чая, где сырье перемещалось вращающимися шнеками с одновременным перемешиванием. После чего получаемая масса шнеками выпрессовывалась через формующую матрицу, с последующей резкой жгутов на гранулы длиной 1,0 мм. При этом в предматричной зоне достигалась температура 97°С и давление 1,6 МПа.
Был достигнут режим непрерывной варочной термопластической экструзии чайного сырья. Однако, ввиду высокого содержания пластификатора, полученная гранула имела высокую плотность и твердость, превосходящие заданные, и, соответственно, значительно меньшая скорость экстракции.
Пастой, полученный при заваривании гранул, прозрачный, неинтенсивный.
Пример 6
Высокодисперсная порошкообразная фракция чая подавалась дозатором в камеру экструдера с одновременной подачей воды в количестве 55 частей на 100 частей чая, где сырье перемещалось вращающимися шнеками с одновременным перемешиванием. После чего получаемая масса шнеками выпрессовывалась через формующую матрицу, с последующей резкой жгутов на гранулы длиной 1,0 мм. При этом в предматричной зоне достигалась температура 101°С и давление 2 МПа.
Подобранное количество пластификатора позволяет достичь режима непрерывной варочной термопластической экструзии, сопровождающийся глубокими деструктивными изменениями чайного сырья. Получены гранулы с достаточной прочностью и плотностью и высокую скорость экстракции.
Настой, полученный при заваривании гранул достаточно прозрачный, интенсивный.
Пример 7
Высокодисперсная порошкообразная фракция чая подавалась дозатором в камеру экструдера с одновременной подачей водного раствора мальтодекстрина концентрацией 50% в количестве 20 частей на 100 частей массы исходного чайного сырья, где сырье перемещалось вращающимися шнеками с одновременным перемешиванием. После чего получаемая масса шнеками выпрессовывалась через формующую матрицу, с последующей резкой жгутов на гранулы длиной 1,0 мм. При этом в предматричной зоне достигалась температура 105°С и давление 3,8 МПа.
При повышении количества пластификатора на единицу чайного сырья устойчиво возрастал процент успешного хода самого эксперимента и наличие у полученных на его выходе гранул требуемых механических характеристик в сочетании с более высокой скоростью экстракции.
Пример 8
Высокодисперсная порошкообразная фракция чая подавалась дозатором в камеру экструдера с одновременной подачей водного раствора мальтодекстрина концентрацией 50% в количестве 50 частей на 100 частей массы исходного чайного сырья, где сырье перемещалось вращающимися шнеками с одновременным перемешиванием. После чего получаемая масса шнеками выпрессовывалась через формующую матрицу, с последующей резкой жгутов на гранулы длиной 1,0 мм. При этом в предматричной зоне достигалась температура 96°С и давление 1,6 МПа.
Был достигнут режим непрерывной варочной термопластической экструзии чайного сырья. Однако, ввиду высокого содержания пластификатора, полученная гранула имела высокую плотность и твердость, превосходящие заданные, и, соответственно, значительно меньшая скорость экстракции.
Настой, полученный при заваривании гранул, прозрачный, неинтенсивный.
Пример 9
Высокодисперсная порошкообразная фракция чая подавалась дозатором в камеру экструдера с одновременной подачей водного раствора мальтодекстрина концентрацией 50% в количестве 35 частей на 100 частей чая, где сырье перемещалось вращающимися шнеками с одновременным перемешиванием. После чего получаемая масса шнеками выпрессовывалась через формующую матрицу, с последующей резкой жгутов на гранулы длиной 1,0 мм. При этом в предматричной зоне достигалась температура 102°С и давление 2,1 МПа.
Подобранное количество пластификатора позволяет достичь режима непрерывной варочной термопластической экструзии, сопровождающийся глубокими деструктивными изменениями чайного сырья. Получены гранулы с достаточной прочностью и плотностью и высокую скорость экстракции.
Настой, полученный при заваривании гранул достаточно прозрачный, интенсивный.
По результатам сравнительного исследования общей экстрактивности, мутности и интенсивности настоя традиционного пакетированного чая, чайной пыли и чайных гранул, произведенных по вышеописанным примерам, видно, что наилучшим качеством обладает гранула, произведенная с использованием пластификаторов в количестве, указанном в примерах 3, 6 и 9. Мутность настоя близка к мутности традиционного чая, при этом общая экстрактивность и интенсивность настоя выше.
На фиг. 1 представлена диаграмма Гиббса состава экструдируемой смеси сухого чайного сырья и пластификатора, где показаны границы состава смеси, обеспечивающей получение гранул с заданными свойствами. Точки на диаграмме соответствуют выше приведенным примерам. На диаграмме выделены области составов, обеспечивающих получение гранул удовлетворительного и оптимального качества.
Заявленный способ промышленно применим, так как для его реализации не требуется никаких новых средств технологии или недопустимых в пищевой промышленности компонентов и приемов.
Список использованной патентной и научно-технической литературы:
1. US 2003/0113406 А1, МКИ A23F 3/08, A23F 3/14, опубл. 19.06.2003
2. US 2008/0138489 А1 МКИ A23F 3/06, опубл. 12.06.2008, US patent 8,524,308 опубл. 03.09.2013
3. SU 1595428 МКИ А23F 3/14, опубл. 30.09.1990 г.
4. Майсурадзе Зураб Акакиевич. Основы технологии черного гранулированного чая. Озургети 2010
5. Жушман А.И., Карпов В.Г., Иващенко П.А. Изменение свойств и структуры кукурузных крахмалов и муки при экструзионной обработке - М.: Сахарная промышленность, 1985. - №3 - 39-42 с.