ПОЛУЧЕНИЕ РАСТВОРИМОГО КОФЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФЕРМЕНТОВ
INSTANT COFFEE PRODUCTION WITH ENZYMES USAGE

Настоящее изобретение относится к способу получения экстрактов растворимого кофе с помощью гидролазы и кофепродуктам, полученным таким способом.
Промышленный растворимый кофе, как правило, получают с использованием постадийной термообработки, комбинации стадий увлажнения, экстракции, гидролиза, что позволяет растворить высокий процент сухих веществ обжаренного и размолотого кофе. Очень высокие температуры, необходимые для термогидролиза, ведут к появлению неприятного аромата и являются очень затратными и капиталоемкими процессами.
Сообщалось о различных попытках применения ферментативной обработки карбогидразами для получения растворимого кофе с целью улучшения качества продукта и снижения затрат.
В JP-74012710 описывается получение растворимого кофе посредством обработки бобов кофе растворами, содержащими целлюлазу. Смеси гемицеллюлаз получают ферментацией бульона грибками, такими как Rhizopus niveus, очищают с использованием ионообменных смол для отделения нежелательных примесей, таких как протеаза и амилаза. Очищенные гемицеллюлазные смеси затем используют для растворения обжаренного кофе сухого помола.
В патенте США 4983408 описана обработка паром обжаренного и размолотого кофе при температуре от около 220°С до 250°С в течение от 1 до 10 минут с последующим быстрым сбросом давления для активирования кофе перед обработкой, по меньшей мере, одним ферментом из классов протеаз, целлюлаз, пектиназ, лигниназ, целлобиаз и липаз при температуре от 30°С до 60°С в течение от 1 до 6 часов. Такое активирование посредством «взрывания паром» является хорошо известной предварительной обработкой лигноцеллюлозной биомассы перед ферментативной обработкой и описывается, например, в патенте США 4133207 и патенте США 4461648. При данном способе происходит тепловое повреждение промежуточных продуктов производства, выход продукта недостаточный и не превышает выход продукта при использовании традиционного термогидролиза.
В SU 1597151 описывается способ получения экстракта кофе, причем первичный экстракт получают экстрагированием кофе горячей водой при температуре от 90°С до 100°С в течение от 3 до 5 минут при рН от 4,7 до 5,0. Экстракт отделяют и фракцию сухих веществ подвергают гидролизу добавлением комплекса ферментов Я-глюканазы и пектиназы в количестве от 0,1 до 1% на 100 г сухого вещества при температуре от 43°С до 63°С в течение от 0,5 до 1 часа при рН от 4,7 до 5,0 при непрерывном перемешивании. Вторичный экстракт получают аналогичным способом, затем комбинируют его с первичным экстрактом кофе. Указывается, что способ повышает качество растворимого кофе и снижаются энергозатраты.
В японской патентной заявке JP 2005-065558 А описывается способ повышения эффективности процесса сверхтонкого помола обжаренного кофе (способ применяют для уменьшения размера частиц сухих веществ) с получением частиц обжаренного и размолотого кофе, легко диспергируемых и/или суспендируемых в горячей воде, с получением напитка с гладким вкусовым ощущением во рту при употреблении. Размолотый кофе имеет груборазмолотые частицы с размером от 500 до 1000 мкм и контактирует в водной суспензии с ферментом, как правило, манназой для снижения вязкости обжаренного и размолотого кофе в воде с получением более эффективного сверхтонкого помола или уменьшения размера частиц. Затем фермент деактивируют нагреванием суспензии кофе вплоть до температуры 130°С перед процессом сверхтонкого помола. В конечном итоге уменьшают размер частиц до от 1 до 10 мкм. Не описывается проведение стадии мембранного отделения и снижения неприятного аромата, такого как 5-гидроксиметил фурфурал.
Несмотря на то что вышеописанные способы имеют преимущества, они имеют определенные недостатки: 1. неэффективная предварительная обработка кофейного материала, такого как сухой помол, является причиной недостаточного выхода продукта; 2. взрывание паром является причиной дополнительного и ненужного теплового разложения и связано с появлением неприятного аромата; 3. не предусматривается отделение фермента от конечного продукта и его повторное применение; 4. по мере того как происходит реакция, сахариды с более маленькими молекулами накапливаются и могут оказывать на ферменты «ингибирование по принципу обратной связи», замедляя скорость реакции и полное превращение.
Объектом настоящего изобретения является способ получения экстракта растворимого кофе ферментативным способом, не имеющим описанных выше недостатков.
Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение относится к способу получения растворимого экстракта кофе, который одновременно обеспечивает оптимальный выход продукта и снижает тепловое разложение, включающему стадии:
(i) объединения обжаренного и размолотого кофе с водой,
(ii) добавления гидролазных ферментов,
(iii) мокрого помола до среднего размера частиц от около 10 до около 250 мкм, причем предпочтительно 90% частиц имеют размер менее 150 мкм,
(iv) обработки реакционной смеси воздействием температуры в пределах от около 20°С до около 90°С, предпочтительно от около 50°С до около 60°С, и
(v) циркуляции реакционной смеси через перекрестно-поточную фильтрационную установку с полупроницаемыми мембранами, где экстракт растворимого кофе получают в виде пермеата.
Настоящее изобретение также относится к кофепродуктам, получаемым этим способом, с пониженным содержанием 5-гидроксиметил фурфурала (5-HMF) менее около 1000 м.д. (миллионных долей) и с общим содержанием маннозы, превышающим 15% от общего веса сухих растворимых веществ кофе.
Настоящее изобретение относится к способу, в котором экстракт кофе получают тонким мокрым помолом кофейных бобов, или помолом кофе, или предварительной экстракцией кофейного измельченного материала гидролазами, предпочтительно карбоксигидразами или протеазами, например глюканазами и манназами или смесями из них; смеси предпочтительно включают манназы, целлюлазы и протеазы, причем ферменты удерживаются в реакционной зоне, предпочтительно посредством использования мембранного устройства, таким образом, что конечный экстракт по существу отделен от фермента, масла или частиц, и где фермент(ы) при соответствующих условиях могут быть повторно использованы. Этот способ может быть осуществлен периодически, непрерывно или полунепрерывно и так, что ферментная реакция и мембранное разделение проходят одновременно и вместе, или так, что реакция и разделение проводятся неодновременно.
Потенциальные преимущества такого ферментативного способа заключаются в улучшенном аромате, благодаря отсутствию неприятного аромата, получаемого в процессе высокотемпературной обработки, потенциально высоком выходе продукта и облегчении технологического процесса и низкой капиталоемкости. Кроме того, способ по изобретению обеспечивает несколько преимуществ по сравнению с предшествующим уровнем техники.
1. За счет применения сухих веществ кофе тонкого мокрого помола и высокоактивных гидролаз может быть достигнута растворимость, сравнимая или превосходящая растворимость, получаемую при термообработке и ферментативной обработке из предшествующего уровня техники, описанного здесь выше.
2. Фермент эффективно иммобилизован в реакционной зоне, кроме того, фермент не переходит в продукт, и оставшиеся ферменты могут быть повторно использованы, и в способе масло и частицы не содержат экстракта кофе.
3. Поскольку фермент не переходит в продукт, отсутствует стадия деактивации фермента.
Настоящий способ может быть применен к свежему обжаренному и размолотому кофе или обжаренному кофейному измельченному материалу, который уже был экстрагирован водой. Ссылки на проведение способа экстракции могут быть найдены в «Coffee Technology» by Sivetz, Desrosier (1979, The AVI publishing Co. Inc.).
Настоящий способ также можно применить к измельченному материалу, полученному при традиционном способе получения растворимого кофе. Вышеуказанный обжаренный кофе, как правило, размолот и (термически) экстрагирован водой с применением многостадийного процесса. Ссылки на проведение способа экстракции могут быть найдены в «Coffee Technology» by Sivetz, Desrosier (1979, The AVI publishing Co. Inc.) или в ЕР 0489401. Для предшествующего уровня техники традиционным является двухстадийный процесс производства, где первая стадия включает увлажнение кофейного измельченного материала, извлечение аромата и экстракцию растворимых компонентов (таких как кофеин, минеральные вещества, простые сахара). Вторая стадия представляет собой как правило, стадию гидролиза, на которой крупные молекулы биополимеров кофе и связанные компоненты разделяются на более мелкие водорастворимые компоненты. На первой стадии обжаренный кофе экстрагируют водой при температуре 100°С или ниже. Измельченный материал со стадии экстракции, называемый «атмосферно экстрагированным измельченным материалом», затем экстрагируют перегретым паром при температуре в интервале от 140°С до 180°С или, как в способе, описанном в ЕР 0363529, температура пара, составляющая около 220°С, используется для эффективного гидролиза маннана, одного из природных биополимеров кофе. Частично экстрагированные измельченные материалы со стадии экстракции перегретым паром обычно называют «перегретыми измельченными материалами».
Если в способе по изобретению применяют частично экстрагированный измельченный материал, экстракция может быть проведена введением обжаренного и размолотого кофе со средним размером частиц около 900 микрон в смесительный танк с водяной рубашкой, причем соотношение сухих веществ к воде составляет около 1:5. Суспензию перемешивают, нагревают прямым обогревом до температуры менее около 140°С, предпочтительно в пределах от около 85°С до около 90°С, и выдерживают около 30 минут при этой температуре. Затем суспензию выгружают из емкости и полученные в результате измельченный материал и экстракт разделяют с использованием фильтра. Экстракт получают объединением с экстрактом, полученным способом по изобретению из частично экстрагированного измельченного материала.
Способ по изобретению может быть применен, главным образом, к обжаренному и размолотому кофе, включающему обжаренные бобы, размолотые до среднего размера частиц в интервале от около 500 до около 5000 мкм, предпочтительно в интервале от около 500 до около 900 мкм.
Кроме того, в способ по изобретению может быть введен процесс управления ароматом на стадии предварительной обработки для того, чтобы восстановить ароматические соединения кофе или ароматические составляющие кофе перед стадиями экстракции и/или гидролиза. Применяемые процессы включают, но не ограничиваются процессами, описанными в ЕР 0489401. Практическое осуществление включает увлажнение обжаренного и размолотого кофе водой в емкости в соотношении около 1:0,5 по массе. Емкость находится под вакуумом (например, около 150 мбар), и затем применяют пар низкого давления (около 2,5 бар избыточного давления) на слой увлажненного измельченного материала в течение от около 4 до 8 минут для выпаривания ароматических соединений из обжаренного и размолотого кофе. Извлеченные летучие соединения конденсируют, например, при температуре около 5°С и удерживают (сохраняют) для последующего добавления в экстракты или экстрагированные вещества.
Настоящий способ может быть осуществлен на обжаренном кофе, который был очищен паром при низком давлении для экстракции летучих компонентов аромата, как описано выше.
В объем настоящего изобретения входит применение способа с любым типом кофейного измельченного материала, который может быть гидролизован способом, известным специалисту в данной области техники, таким как обезжиренный кофейный измельченный материал, декофеинированный кофейный измельченный материал и т.п.
На одной стадии настоящего способа свежие или прошедшие предварительную обработку обжаренные кофейные бобы или экстрагированный кофейный измельченный материал, полученный атмосферной экстракцией и/или термической экстракцией перегретым паром, подвергают мокрому помолу с получением частиц со средним размером от около 10 до около 250 мкм, предпочтительно от около 15 до около 75 мкм. Также может быть применен постадийный мокрый помол кофе, например первичный помол мокрый или сухой до среднего размера частиц 200-500 мкм, с последующим тонким мокрым помолом до требуемых размеров от около 10 до около 200 мкм, но также возможно проведение влажного помола до предпочтительного размера в одну стадию, как описано выше. Независимо от количества стадий, влажный помол ведут до получения суммарного распределения размеров частиц, при котором размер 90% частиц составляет менее 150 мкм, предпочтительно менее 100 мкм, более предпочтительно менее 50 мкм. Таким образом, по изобретению мультимодальное распределение представляет собой постадийный помол или непрерывный помол до получения требуемого распределения размеров частиц.
Важно отметить, что сухой помол не обладает необходимыми преимуществами выхода продукта. Неожиданно для настоящего изобретения оказалось очень важно, чтобы обжаренный и размолотый кофе размалывали мокрым помолом. Преимущества мокрого помола ясны из количественных показателей в примере 8.
Для проведения мокрого помола и последующей ферментативной экстракции измельченный материал разводят водой до содержания от около 5 до 40% сухих веществ. Для первой стадии помола может быть использована роторно/статорная мельница, например Ross Model ME-430XS-6 (Charles Ross & Sons, Hauppage NY, USA), хотя подходят также другие мельницы, например коллоидные мельницы, такие как Charlotte SD-2 9BRADMAN-Lake, Charlotte NC, USA или Dispаx DRS-2000-5 (IKAUSA). Как правило, приемлемо любое устройство, на котором можно проводить мокрый помол с получением частиц требуемого размера, и оно может быть включено в группу роторно/статорных устройств; средства для проведения помола содержат средства для грубого помола, конусные мельницы или другие устройства сдвигового усилия, такие как ультразвуковые и кавитационные устройства. Кроме того, для данного типа устройств размер частиц при обработке или конечный размер частиц кофе может варьировать в зависимости от рабочих параметров, таких как частота вращения, производительность по кофе, размера и формы средства (например, для микромельницы), номера роторно/статорного сита или подобного сдвигового устройства.
Средний размер частиц измельченного материала снижен до размера от около 100 до около 200 мкм на первой стадии мокрого помола.
Суспензию размолотого кофе затем направляют на вторую стадию мокрого помола, например, в горизонтальное устройство для помола, оснащенное циркониевыми шариками размером 1-2мм, например KDL-Pilot Dynomill (Premier Mills, NY). К другим подходящим мельницам относятся, например, Atomill (Peterson Machine, Ontario) или the Enzo Zinger SV-4 (Morehouse Cowles). Выбор приведенных здесь мельниц не ограничивает объем настоящего изобретения.
Средний размер частиц кофейного измельченного материала дополнительно снижается на второй стадии мокрого помола до размеров в пределах от около 10 до 150 мкм, предпочтительно от 15 до 75 мкм.
Распределение размеров частиц кофе мокрого помола включает предпочтительно около 90% или 95% частиц <150 мкм, более предпочтительно <100 мкм и наиболее предпочтительно <50 мкм, таким образом, клетки кофе разрушены, и выход ферментативной реакции максимизирован. Это распределение размеров частиц способствует эффективному ферментативному гидролизу, независимо от того, как много стадий мокрого помола было проведено, или от специфики проведенного мокрого помола. Кроме того, в способе достигнуто суммарное распределение размеров частиц.
Полученную суспензию кофе размалывают до получения предпочтительного размера частиц и затем обрабатывают гидролазами при температуре, при которой фермент активен, как правило, в пределах от около 25°С до около 90°С, предпочтительно от около 50°С до около 60°С, в течение от около 1 до 24 часов, предпочтительно от около 4 до 24 часов, для проведения ферментативной реакции. Ферменты могут быть введены перед мокрым помолом или во время мокрого помола измельченного материала для обеспечения однородности смеси суспензии кофе и ферментов и для получения повышенного выхода продукта. Конечно, также можно вводить ферменты после мокрого помола или между двумя стадиями мокрого помола, как описано выше.
Ферменты, которые могут быть применены в настоящем изобретении, представляют собой гидролазы, предпочтительно карбогидразы. Предпочтительными являются микробные ферменты, ферменты растительного происхождения и, в частности, происходящие из кофе. Предпочтительные ферменты представляют собой манназы, галактаназы, целлюлазы, в частности глюканазы и любую комбинацию из них, которые могут быть получены из различных источников, таких как Novozymes, Franklinton KY, USA или Iogen, Ottawa, Canada. Другими применяемыми ферментами являются протеазы. Кроме того, могут быть использованы экстремофильные ферменты, которые активны при температуре выше 90°С (доступные от Tgermotoga sp.). Предпочтительными являются манназы или комбинации манназ и целлюлаз, которые могут действовать синергетически. Также предпочтительными являются комбинации манназ, целлюлаз и протеаз. Кроме того, предпочтительно, чтобы ферменты были отделены от дисахаридаз, т. е. маннобиаз и целлобиаз.
В одном возможном периодическом способе получения после по существу полного завершения ферментной реакции смесь подвергают грубому разделению, например центрифугированию или ленточной фильтрации, которое удаляет большинство нерастворимых веществ. Отделенный экстракт, все еще содержащий мелкие частицы, масло и ферментный белок, рециркулирует через перекрестно-поточную фильтрационную мембранную установку, в которой удаляются все нерастворимые частицы и также могут быть удалены ферменты, как описано ниже. Большинство или все ферменты остаются в мембранном ретентате и могут быть повторно использованы в реакции.
В предпочтительном варианте изобретения пермеат полупроницаемой мембраны постоянно отделяют во время ферментной реакции, то есть часть реакционной смеси непрерывно циркулирует через секцию перекрестно-поточной фильтрационной установки с полупроницаемой мембраной. Способ может быть полунепрерывным, в котором пермеат удаляют до тех пор, пока объем в реакционной емкости уменьшится до точки, при которой вязкость или потеря напора становятся высокими. При достижении этой точки удаляют определенную часть ретентата и подают свежую суспензию кофе, вводя определенное количество свежего фермента. Удаленный ретентат может быть удален в отходы или может быть промыт для восстановления фермента, который затем используют повторно. Фермент в оставшемся ретентате (неудаленный ретентат) оставляют и используют повторно.
В качестве альтернативы свежая подаваемая суспензия может непрерывно вводиться в питающий танк совместно с определенным количеством фермента, который был удален из рециркулирующего потока, в эквивалентном объеме.
В любом случае проведение процесса полунепрерывно или непрерывно позволяет проникнуть растворенным компонентам перед тем, как они могут быть разрушены.
В качестве ячейки перекрестно-поточной фильтрационной установки с полупроницаемой мембраной может быть использовано любое подходящее мембранное устройство, такое как микрофильтрационные или ультрафильтрационные мембраны с размером пор предпочтительно менее 0,8 мкм. Устройство может быть в форме полого волокна, спиральновитых блоков или картриджей, плоских пластин или им подобных. Неожиданно такие широкопористые мембраны в присутствии мелких частиц сухих веществ кофе задерживали большинство или все ферменты. В одном варианте изобретения, если необходимо полное удаление ферментов, может быть применена периодическая перекрестно-поточная мембранная микрофильтрация и ультрафильтрация с использованием на второй стадии ультрафильтрационных мембран с порогом отсечения по молекулярной массе от около 20000 до около 100000, предпочтительно от около 30000 до около 50000. Например, в способе по изобретению могут быть использованы мембранные установки с половолоконными микрофильтрационными мембранными картриджами AGT (Pall Corp., East Hills, NY).
Если способ применяют для обработки измельченного материала обжаренного и размолотого кофе, который был предварительно экстрагирован водой и/или термически гидролизован, то экстракт, полученный способом по изобретению, может быть скомбинирован с ранее полученными экстрактами.
В предпочтительном варианте изобретения измельченный материал подвергают постобработке после первой ферментативной экстракции. Постобработка включает вторую ферментативную реакцию с применением галактаназы, причем галактаназу предпочтительно вводят после того, как гидролизовано около 75% маннана и/или проведен мягкий термический гидролиз с использованием экстракционной жидкости при температуре в интервале от 100°С до 180°С. После отделения измельченные материалы на стадии отделения согласно традиционному способу и/или на стадии мембранного отделения по изобретению полученные экстракты могут быть смешаны с другими экстрактами.
Мембранное отделение предпочтительно проводят при содержании в подаваемом на мембранную ячейку экстракте, по меньшей мере, 1-10% тонкопомолотых нерастворимых веществ кофе.
В любом случае экстракты, полученные способом по изобретению, содержат меньше сахаридов с низкой молекулярной массой, которые могут придавать нежелательную сладость и липкость продукту. Кроме того, поскольку гидролизные реакции проходят при низкой температуре, и продукты реакции не подвергаются дополнительным химическим реакциям, таким как реакции карамелизации или реакции Майяра, экстракты не имеют неприятного аромата, который появляется при высокотемпературной обработке, такого как, но не ограничиваясь им, 5-HMF. Специалисту в данной области техники известно, что высокие уровни 5-HMF могут придавать нежелательный винный привкус или привкус сена (page 229 of Coffee Flavour Chemistry, Ivon Fament, Wiley, 2002). Содержание 5-HMF в экстракте составляет предпочтительно менее 1000 м.д., более предпочтительно менее 500 м.д., еще более предпочтительно менее 250 м.д., наиболее предпочтительно менее 150 м.д. от общего веса сухих растворимых веществ кофе. Дегустационная комиссия оценила, что экстракты, полученные способом по изобретению, не имеют нежелательного винного и/или карамельного послевкусия, типичного для традиционных растворимых экстрактов кофе.
5-HMF является предпочтительным маркером улучшения качества способа по изобретению, поскольку представляет собой относительно нелетучий компонент, который, кроме того, сохраняется на стадиях выпаривания и сушки. Однако такое же улучшение отмечается в отношении других более летучих компонентов с неприятным ароматом, возникающих в результате реакций химического распада олигомеров, получаемых в результате гидролиза во время стадии высокотемпературной или термической обработки, таких как альдегиды. Например, общее содержание альдегидов в экстрактах по изобретению составляет менее 30 мкг/г сухих веществ, в то время как содержание альдегидов в термически гидролизованных экстрактах, как правило, выше чем 1400 мкг/г.
Кроме того, полученные экстракты отделены от остатков ферментов. Неожиданно было обнаружено, что ферменты взаимодействуют с частицами кофе мокрого помола до такого размера, что они не могут проникнуть через мембраны, хотя размер пор позволяет проникнуть, или до более маленького размера, чем ожидалось.
Кроме того, в экстрактах общее содержание маннозы предпочтительно составляет, по меньшей мере, 15% от общего веса сухих растворимых веществ кофе, при этом содержание свободной маннозы составляет менее 50% от общей маннозы по массе, предпочтительно менее 30%, более предпочтительно менее 20%. Наконец, экстракты могут содержать целлоолигосахариды вплоть до 10% от общего веса сухих растворимых веществ кофе (СВ - сухие вещества).
Настоящее изобретение имеет следующие преимущества.
1. Более высокая степень растворимости, чем для термического или ферментативного способа из предшествующего уровня техники, вплоть до 65% растворимости обжаренного и размолотого кофе на основе бобов Арабика. Общее содержание маннозы составляет по меньшей мере 15% от общего веса сухих растворимых веществ кофе.
2. Низкотемпературное «активирование» кофе (нет паровой вспышки или другой высокотемпературной обработки, которая создает неприятный аромат). Низкий уровень 5-HMF и сниженный обработкой характер аромата.
3. Превосходная композиция сухих веществ: низкое содержание моносахаридов.
4. Продукт отделен от примесей (нерастворимых веществ и остатков ферментов).
5. Возможность повторного использование фермента, что значительно снижает затраты.
6. При применении полунепрерывного или непрерывного способа фермент остается в реакционной зоне с одновременным отделением растворимых веществ кофе.
Экстракты, полученные способом по изобретению, применяют для получения кофейных напитков. Прежде всего, в композициях кофейного напитка отсутствует значительное количество масла и нерастворимых частиц. Под термином «отсутствие значительного количества масла» подразумевается, что уровень кофейного масла составляет менее около 2% от общего веса сухих растворимых веществ кофе, более предпочтительно менее около 1%, что включает сниженный уровень 5-HMF, как упоминалось выше, и предпочтительно, по меньшей мере, 15% от общего содержания маннозы от общего веса сухих веществ кофе, основная часть которой состоит не из маннозы, как упоминалось выше, а из манноолигосахаридов со степенью полимеризации в интервале от 2 до 8. Композиция кофейного напитка предпочтительно также включает целлоолигосахариды.
Когда сырьем способа по изобретению служит атмосферно экстрагированный измельченный материал, полученный экстракт может быть смешан с экстрактом, полученным на стадии атмосферной экстракции. Экстракты могут быть смешаны с учетом нормы выхода экстрагированного и обжаренного продукта на каждой стадии. Смешанный экстракт затем концентрируют, ароматизируют и сушат традиционным образом.
Композиция кофейного напитка может быть дегидратированной, такой как композиция растворимого кофе или композиция в виде сухой смеси, или может быть готовым к употреблению кофепродуктом, композицией в виде жидкой смеси, замороженной композицией или композицией жидкого концентрата. Композиция по изобретению может иметь иное применение, чем получение напитков, такое как растворимые десерты или кондитерские изделия и т. п.
Специалисту в данной области техники известны способы получения таких композиций кофе из растворимых экстрактов кофе.
Изобретение проиллюстрировано определенными примерами, которые описывают предпочтительные варианты изобретения. Они не ограничивают объем настоящего изобретения.
Примеры
Пример 1
Технологический процесс по изобретению
Смесь бобов кофе Арабика (Колумбиан:Централ:Бразил) обжаривали до цвета 6,5 по Ланге в обжарочном барабане Probat. Обжаренные бобы размалывали до среднего размера частиц 900 микрон с использованием жерновой мельницы Vahlkoening. Если не указано иное, эти обжаренные бобы являются исходным сырьем для всех следующих примеров.
Обжаренный и размолотый кофе помещали в танк с рубашкой и мешалкой (рабочий объем 200 л), содержащий воду. Соотношение сухих веществ к воде составило 1:5 (20 кг кофе:100 кг воды). Суспензию перемешивали, нагревали непрямым обогревом до температуры от 85°С до 90°С и выдерживали при этой температуре в течение 30 минут. Затем суспензию охлаждали до 25°С, используя холодную воду в рубашке с температурой 10°С. Суспензию выгружали из емкости с последующим разделением измельченного материала и экстракта с использованием фильтра с крупноячеистой фильтрующей сеткой.
При применении этого способа около 25 вес.% бобов кофе экстрагируются как растворимые сухие вещества.
Экстрагированный измельченный материал первой атмосферной экстракции содержит от около 30 до около 35% СВ. Этот измельченный материал размалывают двухстадийным способом. Измельченный материал разводили водой до конечного содержания СВ около 10%. На первой стадии размола использовали роторно/статорную мельницу Ross Model ME-4000XS-6 (Charles Ross & Sons, Hauppage NY, USA). Разведение водой осуществляли в питающем танке в количестве 29,09 кг и рециркуляцию проводили в мельнице со скоростью 11,19 л/мин. Кофейный измельченный материал в количестве 15,86 кг постадийно вводили в рециркулирующую воду с использованием шнекового питателя в течение 5 минут и размалывание продолжали в течение около 2 минут после введения всего кофе. Холодная вода циркулировала через рубашку питающего танка для поддержания температуры суспензии ниже 40°С. Такое роторно/статорное размалывание снижает средний размер частиц (СРЧ) до 175 мкм (конечный от 100 до 250 мкм). Вся собранная суспензия составила 45,25 кг, немного больше, чем поданное из-за воды в системе труб.
TM
Размер частиц определяют с использованием следующего метода: кофейное сырье разводят в соотношении около 1:10 очищенной деионизированной (MillQ) водой и перемешивают при скорости 400 оборотов в минуту в течение, по меньшей мере, 15 минут. Затем эту дисперсию капельно вводят в емкость для образцов Horiba LA-900 дифракционного анализатора размера частиц лазерным излучением до достижения потемнения менее 92% светопроницаемости. Размер частиц измеряют после циркуляции в течение одной и трех минут и перемешивания на самой низкой скорости. В настоящем документе распределение размера частиц описано через средний размер частиц (СРЧ), определенный как D43, объем - средневзвешенный.
Суспензию из размолотого мельницей Ross кофе затем подают на вторую стадию в горизонтальное устройство для помола, оснащенное циркониевыми шариками размером 1-2 мм, например KDL-Pilot Dynomill (Premier Mills, NY). Суспензию кофе в питающем мельницу танке постоянно перемешивают для предотвращения осаждения измельченного материала и подают в мельницу на скорости 10% от общего объема помола/мин с использованием шлангового насоса (Watson-Marlow). Мельницу охлаждают циркуляцией холодной воды через рубашку для поддержания температуры на выходе менее 45°С. Микроразмолотая суспензия кофе имеет СРЧ около 57 мкм (конечные пределы от 15 до 75 мкм).
12,27 кг микроразмолотой суспензии поместили в закрытую емкость из нержавеющей стали, имеющую коническое дно с рубашкой, оборудованную шнековой мешалкой. Сырье из расчета 10% СВ в суспензии кофе нагревают до температуры 55°С и вводят ферменты, смесь Я-манназ и целлюлаз (Я-глюканаз), а именно 0,0275% однокомпонентной бактериальной бета-манназы Mannaway 25L (Novozymes, Franklinton, NC USA) и 0,0275% многокомпонентного грибкового препарата RS-103 (Trichoderma reesei), содержащего ферменты с активностью и бета-манназы и бета-глюканазы (Iogen, Ottawa, Canada). Суспензию кофе выдерживают, перемешивая на средней скорости при температуре 55°С, в течение 16 часов для прохождения ферментативной реакции. Во время прохождения реакции были взяты несколько образцов. По окончанию периода смесь нагревают до температуры 90°С и затем немедленно охлаждают до температуры 35°С. Чистый вес прореагировавшей извлеченной из танка суспензии составляет 10,59 кг. Эта суспензия содержит 9% общих сухих веществ и 4,81% растворимых веществ по последнему измерению фильтрованием аликвоты суспензии через 0,7 мкм GMF шприцевой фильтр. Сухие вещества суспензии и фильтрата измеряют СЕМ микроволновым анализатором при 100% установке мощности. Дополнительный выход экстрагированного обжаренного продукта составляет 38%.
Смесь центрифугируют периодически с использованием центрифуги Beckman JE в 1-литровой емкости в течение 10 минут при скорости 2000 оборотов в минуту. Центрифугирование удаляет большинство нерастворимых веществ, полученный осадок с фильтра или крупинки содержат около 32% начального веса суспензии и супернатант включает 68%. Общий вес центрифугированной суспензии составил 10453,1 г, выход первичного супернатанта составил 7064,3 г, последний содержал 5,9% общих сухих веществ (СВ) и 4,81% растворимых веществ (как измерено на 0,7 мкм мембранном фильтре). Крупинки репульпировали в объеме воды, равном удаленному супернатанту, и рецентрифугировали, промывая супернатант. Последний содержал 2,27% общих сухих веществ и 2,01% растворимых веществ. Первичный и промытый супернатанты смешивали.
2
3
Центрифугируемые супернатанты содержат мелкие нерастворимые частицы волокнистого материала и масло, которые не удаляются центрифугированием, в дополнение к оставшемуся белку фермента. Смешанный супернатант весом 13926,5 г очищали, используя установку для половолоконной микрофильтрации AGT, с общей площадью поверхности 2600 см с номинальным размером пор 0,6 мкм. Подаваемый материал рециркулировал в питающем танке через мембранный картридж с использованием насоса Waukesha 15PD с начальной скоростью 5,86 кг/мин, и очищенный пермеат удаляли при контролируемой скорости около 100 см/мин. Подаваемый материал циркулировал до полного эксгаустирования, то есть до точки, где материал становился недоступным для перекачивания. Микрофильтрационный пермеат был чистым, прозрачным и свободным от видимого масла и частиц сухого вещества.
Образец пермеата исследовали на остаточную активность манназы с использованием вискозиметрического анализа. Аликвоту пермеата 25 мкл смешивали с 30 мл 1% смолы плодов рожкового дерева и измеряли вязкость при температуре 21°С с использованием вискозиметра Brookfield RVT, шпиндель 6, 20 об/мин. Вязкость не изменилась в течение часа (около 2650 PI), что указывает на отсутствие ферментативной активности. Наоборот, аликвота реакционной смеси показала быстрое понижение вязкости с уклоном 0,055 PI/мин. Образец пермеата исследовали на остаточную активность целлюлазы таким же образом, используя 2% раствор карбоксиметилцеллюлозы (grade 7MF, Hercules, Wilmington De, USA). Активность также не была обнаружена.
Аликвоту мембранного пермеата сушили сублимационной сушкой и исследовали как на содержание свободных углеводов, так и на содержание общих углеводов.
Для анализа на свободные углеводы образец подвергали гидролизу, используя трифторуксусную кислоту, определение проводили с помощью амперометрического импульсного детектора Dionex ED40.
Для анализа на свободные углеводы вводили в образец внутренний стандарт из 2-дезокси-D-глюкозы и воды и исследовали с применением Dionex ED40.
Атмосферно экстрагированный экстракт и экстракт, полученный способом по изобретению, смешивали. Этот образец также исследовали как на содержание свободных углеводов, так и на содержание общих углеводов с использованием описанных выше способов.
Образцы анализировали на 5-HMF как показатель теплового разложения. Анализируемое вещество экстрагировали и растворяли с применением ультразвукового водяного термостата при температуре 30°С с последующей частичной очисткой твердой фазы, содержание 5-HMF исследовали с применением ВЭЖХ. Результаты приведены в таблице ниже.
Разность между содержанием общей маннозы и содержанием свободной маннозы дает содержание манноолигосахаридов. Дополнительные исследования, проведенные с применением технологии капиллярного электрофореза после получения производных из олигомеров маннана с ANDS (7-амино-нафталин-1,3-дисульфокислота (моно калиевая соль)) и цианоборогидридом натрия, указывают, что степень полимеризации составляет от 2 до 8.
Подобным образом, разность между содержанием общей глюкозы и свободной глюкозы дает содержание целлоолигосахаридов.
5-HMF (м.д.)
Содержаниесвободной глюкозы (г/100 г)
Содержаниесвободной маннозы(г/100 г)
Содержание общей глюкозы (г/100 г)
Содержание общей маннозы(г/100 г)
Экстракт, полученный способом по изобретению
62
2,9
3,4
10,1
42,7
Рекомбинированный продукт
62
1,7
2,0
6,4
30,3
Приведенная выше Таблица показывает, что в способе по настоящему изобретению количество образующегося 5-HMF, по существу, незначительно.
В экстрактах, полученных способом по изобретению, был измерен общий уровень альдегидов и сравнен с общим уровнем альдегидов в экстрактах, полученных термогидролизом. Для измерения содержания альдегидов экстракт помещали в пробирку, разводили деионизированной водой и нагревали, в пространстве над жидкостью проводили измерение уровней альдегидов, используя газовую хроматографию. Результаты выражены от содержания общих растворимых веществ кофе. Данные, приведенные в следующей Таблице, ясно показывают, что при осуществлении способа по изобретению получено меньше альдегидов.
Содержание общих альдегидов (мкг/г)
Экстракт, полученный термогидролизом
1555
Экстракт, полученный способом по изобретению
25
Пример 2
Одновременное проведение ферментативной реакции и мембранного разделения
7,18 кг микроразмолотой суспензии по Примеру 1 поместили в круглодонную емкость из нержавеющей стали с рубашкой, оборудованную шнековой мешалкой. Смесь нагревали до температуры 55°С при слабом перемешивании и вводили ферменты по Примеру1 каждого по 0,055%. Смесь выдерживали при перемешивании в течение 1 часа и затем рециркулировали через микрофильтрационный картридж Sepro (Oceanside, CA) PVDMFB-2514-46F, с номинальным средним размером пор 0,7 мкм, с использованием насоса Waukesha (SPX, Delavan, WI) 30PD с начальной скоростью около 5,4 кг/мин. Через 73 минуты вводили фермент, на мембранном картридже открывали клапан подачи пермеата и регулировали скорость потока пермеата до около 20 мл/мин. Поскольку пермеат собирали непрерывно, смесь в танке перемешивали и выдерживали при температуре 55°С. Пермеат собирали непрерывно в течение 75 минут, за это время собрали всего 1361,1 г пермеата с содержанием растворимых веществ 3,32%.
Образец пермеата исследовали на остаточную целлюлазную и манназную активность с использованием методов анализа, описанных в Примере 1. В пермеате не было обнаружено целлюлазной активности. Это удивительно, поскольку сообщалось, что целлюлазы Trichoderma reesei, продуцирующего ферменты RS103, имеют молекулярную массу в пределах от 44 до 48000 (J. Biotechnol. V57, 191 (1997)), поэтому должны легко проходить через микрофильтрационную мембрану. Манназная активность пермеата составляла около 39% активности нефильтрованной реакционной смеси: уклон (0,021 PI/мин против 0,054). Это оказалось неожиданным, что фермент был удален (устранен) мембранами с номинальным размером пор, предположительно большим, чем молекулярный вес фермента. Можно предположить, что это удаление происходит за счет связывания ферментов с нерастворимыми частицами кофе и/или образования агрегатов с ферментами.
Пример 3
Реакция только с манназой
Способ был осуществлен аналогично Примеру 1, за исключением того, что вводили только один фермент Я-манназу Mannaway в количестве 0,0275%. Процесс проведения реакции был аналогичен Примеру 1. Конечная суспензия через 16 часов реакции, охлаждения и нагревания, как в Примере 1, содержала 9,53% общих сухих веществ и 4,49% растворимых веществ. Это представляет 44,6% рассчитанной растворимости от общих сухих веществ суспензии кофе, и дополнительный выход экстрагированного обжаренного продукта составил 33,5%.
Пример 4
Удаление фермента ультрафильтрацией
Микрофильтрационный пермеат по Примеру 2, который частично сохранил манназную активность, рефильтровали через микрофильтрационные и ультрафильтрационные мембраны с варьирующей порогом отсечения по молекулярной массе (MWCO), необходимые для определения полного удаления манназной активности в материалах. Результаты приведены ниже в следующей Таблице:
Материал
Фильтрация MWCO<sup>(1)</sup>
Манназа PI/мин
Реакционная смесь
нет
0,054
MF пермеат
нет
0,021
MF пермеат
30000
0
MF пермеат
100000
0,0051
Реакционная смесь
100000
0,0038
<sup>(1)</sup>MWCO=молекулярной массе не пропускаемых частиц (номинально) через мембрану.
30000 MWCO ультрафильтрационная мембрана снижает манназную активность до ноля. 100000 MWCO мембрана частично снижает манназную активность и до некоторой степени более эффективна для удаления фермента из реакционной смеси, в которой присутствуют сухие вещества кофе, чем из MF пермеата.
Пример 5
а) Удержание фермента мембраной - Воздействие сухих веществ кофе
RS-103 (Iogen, Ottawa, CA) фермент был разведен 1:100 в следующей среде:
(1) Деионизированная вода
(2) Микроразмолотая суспензия атмосферно экстрагированного экстракта измельченные материалы, 8,365% ОСВ (общих сухих веществ), СРЧ 65 микрон

(3) Суспензия Yuban выработанного атмосферно экстрагированного экстракта измельченные материалы (Bunn-2000 brewer), грубый помол (около 850 микрон).
Три вышеприведенных образца фильтровали через мембрану сразу после получения с использованием Pall «Nanosep» фильтрующей центрифуги, номинальная MWCO 100000 (С) и MWCO 30000 (R). Образцы центрифугировали до тех пор, пока вся жидкость не была пропущена через мембрану. Все пермеаты с фильтра с С мембраной исследовали на ферментную активность, используя вискозиметрический анализ, как описано в Примере 1.
Целлюлазная активность
Как показано в Таблице ниже, фильтрация через мембрану MWCO 100000 в присутствии сухих веществ кофе (1С) дает определенное снижение целлюлазной активности, в то время как фильтрация в присутствии сухих веществ кофе (2С) снижает целлюлазную активность на около 2/3. Грубо размолотые сухие вещества кофе (3С) были относительно неэффективны в снижении ферментной активности. Фильтрация образца (1) через мембрану MWCO 30000 (1R) убирала всю целлюлазную активность.
Уклон PI/мин
Нефильтрованный
-0,03476
1С (без кофе)
-0,025
2С (микроразмолотый)
-0,0117
3С (грубо размолотый)
-0,0288
1R (УФ)
0
Манназная активность
Как приведено в Таблице ниже, микроразмолотые сухие вещества кофе (2С) также усиливают удаление манназной активности при использовании мембраны MWCO100000.
Уклон PI/мин
Нефильтрованный
-0,550
1С (без кофе)
-0,573
2С (микроразмолотый)
-0,347
3С (грубо размолотый)
-0,611
1R (УФ)
-0,0035
Пример 6
а) Добавление протеаз в микроразмолотый частично экстрагированный кофейный измельченный материал
В порции размолотой суспензии атмосферно экстрагированного измельченного материала по Примеру 1 вводили следующие комбинации ферментов:
(А) Нет
(В) Аналогично Примеру 1
(С) Аналогично Примеру 1 плюс 0,0275% кислой протеазы II (Amano).
Пробирки, содержащие эти смеси, раскачивали при 100 оборотах в минуту и температуре 55°С в течение 16 часов, затем обрабатывали аналогично Примеру 1. Растворимость составила:
(А) 20,2%
(В) 44,0%
(С) 48,5%
Добавление протеазы давало дополнительный выход продукта по сравнению с карбогидразами.
Пример 7
Применение различного исходного сырья на стадии ферментного гидролиза
a) Необработанный свежий обжаренный и размолотый кофе (R&G)
Исходное сырье для этого теста было получено объединением обжаренных бобов Арабика (Колумбиан/Централ/Бразил). Кофе размалывали сухим способом помола до СРЧ около 500 микрон, затем разводили водой до около 10% ОСВ и микроразмалывали с применением мокрого способа помола на KDL пилотной мельнице с 1 мм циркониевыми шариками. Суспензию кофе подавали в мельницу на скорости, составляющей 0,044 от общего объема помола/мин, с использованием шлангового насоса.
Аликвоты микроразмолотой суспензии разливали в пробирки и вводили фермент. Применяемые ферменты аналогичны типу и концентрациям по Примеру 1. Пробирки, содержащие эти смеси, раскачивали при 100 оборотах в минуту и температуре 55°С в течение 16 часов, нагревали до 95°С, немедленно охлаждали до 20°С, затем обрабатывали аналогично Примеру 1, за исключением того, что микрофильтрацию проводили на плоскостной мембране Sepro PVDF-MF (около 0,5 микрон MWCO) через перекрестно-поточную фильтрационную установку RO-Ultratech (Fallbrook, CA).
b) Пропаренный обжаренный размолотый кофе
Исходным сырьем для этого теста была смесь различных обжаренных бобов Арабика (Колумбийских/Центральных/Бразильских). Цельные бобы размалывали до получения частиц со средним размером 800 микрон на вальцовой мельнице MPE4555 Roller mill. Затем проводили первичное увлажнение измельченного материала водой (около 40% от общего веса бобов) и затем пропаривали паром низкого давления (1-2 бар избыточного давления) в течение 8-10 минут для выпаривания летучих ароматических соединений из размолотого и обжаренного кофе. Пар, содержащий летучие соединения, конденсировали и, как правило, вводили обратно в конечный экстракт перед сушкой. После проведения процесса выпаривания сухие вещества подвергали 2-стадийному мокрому помолу аналогично Примеру 1, за исключением того, что скорость подачи на второй стадии составила 0,024 от общего объема помола/мин.
Аликвоты микроразмолотой на Ross суспензии разливали в пробирки. Применяемые ферменты аналогичны по типу и концентрациям Примеру 7а.
c) Атмосферно экстрагированный измельченный материал
Исходное сырье для этого теста было размолото аналогично Примеру 1. Измельченный материал подвергали 2-стадийному мокрому помолу аналогично Примеру 1, за исключением того, первую стадию проводили в мельнице Dispax (IKA USA), используемой для тонкого/сверхтонкого помола. Измельченный материал, размолотый в Dispax, имел СРЧ 224 микрон, притом что измельченный материал, прошедший микроразмельчение, имел СРЧ 57,7 микрон.
Данные динамики гидролиза маннана
Примере 7c.
Для эксперимента, описанного ниже, исходным сырьем служил атмосферно экстрагированный измельченный материал, который подвергали 2-стадийному мокрому помолу, как описано выше в
Четыре аликвоты микроразмолотых суспензий разливали в пробирки и смешивали с ферментами, аналогичными по типу и композиции Примеру 1. Пробирки, содержащие эти смеси, раскачивали при 100 оборотах в минуту и температуре 55°С в течение 4, 8, 12 и 16 часов. После определенного времени реакции пробирки обрабатывали, как описано выше.
В Таблице, приведенной ниже, показано процентное содержание общего гидролизованного маннана** при различных временных интервалах.
Время (часы)
% общего гидролизованного маннана*
4
65,20
8
78,51
12
82,43
16
84,65
*объемный %, исходя из содержания маннана в конечном продукте по сравнению с содержанием в исходном сырье;**образцы исследовали на содержание общих углеводов, при этом образец подвергали гидролизу кислотой и затем проводили определение с использованием амперометрического импульсного детектора Dionex ED40.
Даже после 4 часов значительная часть маннана была гидролизована.
d) Измельченный материал, обработанный перегретым паром
Исходным сырьем для этого теста служил обработанный перегретым паром измельченный материал, оставшийся после экстракции перегретым паром (около 180°С «перегретый измельченный материал»).
Перегретый измельченный материал разводили водой до около 10% ОСВ и размалывали с применением мокрого способа помола в две стадии, как описано выше в Примере 7с. Эффлюент по выходе из микромельницы Dispax имел СРЧ от 73,5 до 27,9 микрон.
Аликвоты микроразмолотой суспензии и одной суспензии из Dispax разливали в пробирки и вводили ферменты, по типу и концентрации аналогичные Примеру 7a. Пробирки, содержащие эти смеси, раскачивали при 100 оборотах в минуту и температуре 55°С в течение 16 часов, нагревали до 95°С, немедленно охлаждали до 20°С, затем обрабатывали аналогично Примеру 7а. Протестированные смеси манназы и целлюлазы давали дополнительную растворимость 14,7% (от веса исходного перегретого измельченного материала) у микроразмолотой суспензии и 13,6% у суспензии Dispax. Применение только манназы (0,55%) дает дополнительную растворимость 4,1% у микроразмолотого измельченного материала, в то время как микроразмолотый контроль без ферментов дает 2,8%.
Результаты
Следующая Таблица показывает выходы продуктов при использовании различного исходного сырья с различным средним размером частиц.
Применение ферментного комплекса, содержащего смесь 50:50 фермента с Я-манназной активностью и фермента с Я-манназной плюс целлюлазной активностью, аналогично Примеру 1:
Пример
Исходное сырье
Выход %
7a
Необработанный обжаренный и размолотый кофе
60,5
7b
Пропаренный обжаренный и размолотый кофе
59,2
7c
Атмосферно экстрагированный измельченный материал
62,5
7d
Перегретый измельченный материал
55
Применение фермента только с Я-манназной активностью аналогично Примеру 3:
Пример
Исходное сырье
Выход %<sup>(1)</sup>
7c
Атмосферно экстрагированный измельченный материал
59,5
7d
Перегретый измельченный материал
50,1
Выход %<sup>(1)</sup> определяется как процент растворимого материала, экстрагированного из обжаренных кофейных бобов.
Следующая Таблица показывает доступность маннана для гидролиза и количество гидролизованного маннана при использовании различного исходного сырья:
Исходное сырье для ферментного гидролиза
Содержание арабино-галактана в исходном сырье (г)
Содержание маннана, доступного длягидролиза (г)
Содержание гидролизо-ванного маннана (г)
Содержание остаточного маннана (г)
Обжаренный и размолотый кофе
9,1
20,5
17,2
3,3
Пропаренный обжаренный и размолотый кофе
9,1
20,5
16,7
3,8
Атмосферно экстрагиро-ванный измельченный материал
6,8
19,8
16,4
3,4
Перегретый измельчен-ный материал
0,4
7
0
7
Как видно из Таблицы, приведенной выше, экстракция маннана оказалась наименее эффективной при использовании в качестве исходного сырья ферментного гидролиза измельченного материала с низким содержанием арабиногалактана.
Синергетическое воздействие ферментов
Когда при обработке обжаренного размолотого мокрым способом кофе применяют ферментную смесь, включающую целлюлазы и манназы, воздействие смеси на растворимость увеличивается, то есть полученный увеличенный выход при обработке целлюлазой плюс манназой может быть отнесен только за счет повышения концентрации целлоолигомеров в экстракте; это представляет собой незначительное изменение в концентрации манноолигомеров. Это можно предположить основываясь на знаниях из предшествующего уровня техники. Однако было обнаружено, что предпочтительные комбинации целлюлазы с манназой дают явное синергетическое уменьшение физического объема нерастворимого осадка, полученного после отделения экстракта, например, объемным отделением, таким как центрифугирование, как показано в Таблице, приведенной ниже. Например, добавление ферментных смесей, далее именуемых как ФМ (FМ) и ФС (FC) к БМ (ВМ), увеличивает растворимость только на 13,8%, но объем остатка снижается на 32%. Меньший физический объем остатка должен облегчать отделение и извлечение экстракта.
Смесь ферментов
Объем остатка, %
Относительная растворимость
Контроль (нет)
65
1
БМ
53
1,59
ФМ+ФС
40
1,27
ФС
57
1
БМ+ФМ+ФС
37
1,81
ФМ=манназный компонент RS-103;БМ=Mannaway 25L;ФС=целлюлазный компонент RS-103.
Все ферменты присутствовали в смеси микроразмолотой атмосферно экстрагированного измельченного материала в количестве 0,0275%, температура 55°С, время реакции 16 часов.
Остаточный объем составляет % от начального объема после центрифугирования, как описано выше.
Пример 8
8a. Атмосферно экстрагированный измельченный материал - Сравнение мокрого и сухого помола
В Примере 1 было показано, что, когда атмосферно экстрагированный измельченный материал получен с применением мокрого помола до предпочтительного размера частиц 15-75 микрон и выдержки с перемешиванием в течение 16 часов с предпочтительной комбинацией ферментов, количество каждого 0,0275% Mannaway плюс RS-103 увеличивает растворимость вплоть до 51,1%.
i. Образец необработанного грубо размолотого атмосферно экстрагированного измельченного материала по Примеру 1 подвергали сублимационной сушке и высушенный материал подвергали сухому помолу с использованием сверхтонкой дробилки МРЕ 660 с получением среднего размера частиц (СРЧ) 70 микрон. Этот материал был суспендирован в воде до получения 10% общих сухих веществ.
ii. Такой же образец влажного атмосферно экстрагированного измельченного материала подвергли мокрому помолу с использованием мельницы Dispax, с общим содержанием сухих веществ около 10%, как описано в Примере 7c.
iii. Измельченный материал со стадии ii, размолотый в мельнице Dispax, подвергали микроразмолу, как описано выше в Примере 7c, скорость подачи составила 0,011 от общего объема помола/мин, и помол проводили в одну стадию.
iv. Измельченный материал со стадии ii, размолотый в мельнице Dispax, подвергали микроразмолу, как описано выше в примере 7с, скорость подачи составила 0,011 от общего объема помола/мин, но при рециркуляции в мельнице в течение 40 минут.
Во все суспензии с общим содержанием сухих веществ около 10% вводили ферменты аналогично Примеру 1 и смеси выдерживали при температуре 55°С в течение 16 часов, затем обрабатывали аналогично Примеру 1.
Как показано в следующей Таблице, мокрый помол значительно более эффективен, чем сухой помол для ферментного растворения атмосферно экстрагированного измельченного материала, и поскольку СРЧ, полученных мокрым помолом, входит в предпочтительные пределы, процент растворимости увеличивается. Сухой помол атмосферно экстрагированного измельченного материала даже до предпочтительного размера частиц неэффективен для ферментного растворения.
Положение
Помол
Фермент
Раскачивание <sup>(а)</sup>
СРЧ микрон
Растворимость %
i
Сухой
0
+
70
12
i
Сухой
+
+
70
15,4
ii
Dispax
0
224
17,1
ii
Dispax
+
224
31,2
iii
1-стадийный микропомол
0
-
104,4
18,05
iii
1-стадийный микропомол
+
-
104,4
40,02
iv
Микропомол - рециркуляция
0
-
65,5
17,9
iv
Микропомол - рециркуляция
+
-
65,5
46,0
<sup>(а)</sup>Орбитальный шейкер, 100 оборотов в минуту.
8b. Обжаренный кофе - Сравнение мокрого и сухого помола
Исходным сырьем для этого сравнения являются бобы кофе Арабика.
Для примера сухого помола кофе подвергли сухому помолу с использованием сверхтонкой дробилки МРЕ 660. Затем размолотый кофе смешивали с водой с получением 10% суспензии и оставляли для размачивания в течение 1 часа перед проведением ферментативного гидролиза.
Для примера мокрого помола кофе подвергали сухому помолу до достижения среднего размера частиц (СРЧ) около 500 мкм и затем разбавляли водой до общего содержания сухих веществ (ОСВ) около 10% и проводили мокрый микропомол с использованием KDL пилотной мельницы, содержащей циркониевые шарики размеров 1 мм. Суспензию кофе подавали в мельницу на скорости 0,044 от общего объема помола/мин с использованием шлангового насоса.
В качестве альтернативы кофе размалывали в мельнице Dispax до среднего размера частиц 500 микрон, как описано в Примере 7c, кофе с ОСВ 10% вводили в циркулирующую жидкость и брали образцы размолотой суспензии, как сразу после введения сухих веществ («одностадийно»), так и после 5 минут рециркуляции в мельнице.
Аликвоты суспензии мокрого и сухого помола разливали в пробирки и вводили ферменты. Использованный тип и концентрация ферментов аналогичны Примеру 1. Пробирки раскачивали при 100 оборотах в минуту и температуре 55°С в течение 16 часов и затем обрабатывали, как описано выше.
Растворимость оригинального обжаренного и размолотого кофе R&G показана как % выхода продукта в следующей Таблице. Выход продукта определен как процент растворимого материала, экстрагированного из обжаренных бобов кофе.
Тип помола
Мельница
Способ
СРЧ, микрон
Фермент<sup>(1)</sup>
Растворимость %
1a. Сухой
Dyno
-
77
0
30,1
1b. Сухой
Dyno
-
77
+
35,9
2a. Мокрый
KDL
1-стадийный
32
0
32,1
2b. Мокрый
KDL
1-стадийный
32
+
57,4
3a. Мокрый
KDL
2-стадийный
77
0
31,7
3b. Мокрый
KDL
2-стадийный
77
+
60,5
4a. Мокрый
Dispax
1-стадийный
229
0
26,5
4b. Мокрый
Dispax
+
34,3
5a. Мокрый
Dispax
5 минут рециркуляция
133
0
27,6
5b. Мокрый
Dispax
5 минут рециркуляция
133
+
42,0
(1) где (+), тип и концентрация фермента аналогичны Примеру 1.
Ферментная растворимость кофе мокрого помола значительно выше, чем при сухом помоле.
8c. Мокрый помол в присутствии ферментов
Суспензию атмосферно экстрагированного кофейного измельченного материала подвергали 2-стадийному мокрому помолу, аналогично Примеру 7c, со следующими исключениями.
i. Суспензия на второй стадии рециркулировала через пилотную микромельницу KDL (эффлюент из мельницы возвращался в питающую емкость) в течение 30 минут на скорости 0,14 от общего объема помола/мин. Аликвоты размолотой суспензии разливали в пробирки и в них вводили ферменты, аналогично Примеру 1. Пробирки раскачивали при скорости 100 оборотов в минуту в течение 16 часов, затем обрабатывали аналогично Примеру 1.
ii. Ферменты, аналогичные Примеру 1, вводили перед второй стадией микропомола, суспензия рециркулировала через пилотную микромельницу KDL в течение 30 минут на скорости 0,14 от общего объема помола/мин при температуре 45°С, поддерживаемой за счет подачи холодной воды в рубашку мельницы. Размолотую суспензию разливали в пробирки, которые раскачивали при 100 оборотах в минуту в течение 16 часов, затем обрабатывали аналогично Примеру 1.
Растворимость в пересчете на общее содержание сухих веществ составила 45,8% для (i) и 49,8% для (ii). Растворимость неферментированного контроля из (i) составила 20,4%. Добавление ферментов перед размолом обеспечило дополнительный выход продукта, вероятно за счет улучшения контакта между ферментом и кофе.
Пример 9 (Сравнительный)
Осуществление способа по SU1597151 - Способ получения экстракта кофе (Московский технологический институт пищевой промышленности)
Исходным сырьем для настоящего сравнения явилась смесь размолотых бобов Робуста со средним размером частиц 500 мкм. Около 100 г размолотого кофе смешивали с водой в соотношении 1:20, нагревали до 90°С и выдерживали при этой температуре в течение 5 минут. Измельченный материал и экстракт разделяли фильтрацией через бумажный фильтр Whatman #1.
Измельченный материал с первой стадии подвергали второй экстракции с использованием комплекса ферментов для проведения гидролиза. Комплекс ферментов представлял собой смесь пектиназы и Я-глюканазы 50:50. В измельченный материал вводили воду в соотношении 20:1 и комплекс ферментов в количестве 1% на 100 г сухих веществ (СВ). Полученную в результате суспензию выдерживали при температуре 50°С в течение 60 минут при непрерывном перемешивании. Измельченный материал и экстракт разделяли фильтрацией через бумажный фильтр Whatman #1.
На следующей стадии способа использовали экстракты, полученные из двух ранее полученных экстрактов, таких как экстракционная среда вместо воды для проведения экстракции свежего обжаренного и размолотого кофе. Снова доводили до соотношения экстракт : кофейный измельченный материал 1:20. Условия экстракции соответствовали ранее приведенным в Примере (нагревали до температуры 90°С и выдерживали в течение 5 минут). Вышеописанную процедуру проводили при среднем размере частиц около 500 мкм. На следующей стадии экстракции измельченный материал и экстракт разделяли фильтрацией через бумажный фильтр Whatman #1.
В приведенной ниже Таблице показаны выходы продукта по этому способу:
1,0% пектиназы и Я-глюканазы
Выход при 1-ой и 2-ой экстракции
28,8
Выход при экстракции с использованием экстрактов 1-ой и 2-ой экстракции
31
Описанные выше эксперименты также повторили с использованием бобов Арабика. В приведенной ниже Таблице показаны выходы продукта по этому способу. Считается, что полученный выход был меньше, чем в способе по изобретению.
1,0% пектиназы и Я-глюканазы
Выход при 1-ой и 2-ой экстракции
23,9
Выход при экстракции с использованием экстрактов 1-ой и 2-ой экстракции
25,4
Пример 10 (Сравнительный)
Осуществление патента США 4983408 - Способ получения экстрактов кофе (Colton; Ralph L)
Бобы кофе Арабика обжаривали и экстрагировали, как описано в Примере 1. Измельченный материал, полученный атмосферной экстракцией, содержал около 30-35% сухих веществ (СВ). Частично экстрагированный измельченный материал подают в емкость с высоким давлением, в которой измельченный материал инжектируют острым паром при 24 бар в течение 2 минут.
50 г образец пропаренного первичного измельченного материала разводят 1:2 100 г деионизированной воды и обрабатывают 0,029% ферментом с манназной активностью и 0,029% ферментом с комбинированной целлюлазно/манназной активностью. Продублированный образец для обработки паром был получен в качестве контроля и обработан 0,058% деионизированной водой. Образцы смешивали и выдерживали статично при температуре 55°С в течение 20 часов. Затем образцы нагревали до 95°С для деактивации ферментов, охлаждали до комнатной температуры и центрифугировали при 5000 оборотах в минуту в течение 10 минут. Собирали супернатант и часть пропускали через шприцевой фильтр 0,45 микрон и через шприцевой фильтр 0,80 микрон (Sopor).
Экстракция на стадии ферментативного гидролиза была высчитана исходя из концентрации сухих веществ на фильтрах 0,45 микрон и количества сухих веществ в обработанном паром измельченном материале. Затем продукты со стадии гидролиза вводят в полученные ранее экстракты продуктов со стадий пропаривания и атмосферной экстракции и выход суммировали, в Таблице ниже они приведены как общий выход продукта для этого способа.
Второй Пример (10b) сокращен при осуществлении, в соответствии с которым обжаренный и размолотый кофе смеси Арабика (Колумбиан/Централ/Бразил) смешивали с водой в соотношении 1:2 (вода к кофе) и затем пропаривали при 25 бар избыточного давления в течение 4 минут. Затем пропаренный измельченный материал обрабатывали RS103 при температуре 45°С в течение 3 часов. Полученные в результате выход продукта и уровень 5-HMF приведены в следующей Таблице.
выход экстрагированного продукта (%)
Общая манноза (г/100 г)
5-HMF (об/мин)
Пример 10a: Пропаренный измельченный материал (паровой взрыв) атмосферной экстракции (с ферментом)
53
17
2556
Пример 10a: Пропаренный измельченный материал (паровой взрыв) атмосферной экстракции (без фермента)
47,6
14,5
1937
Пример 10b: Пропаренный (паровой взрыв) свежий обжаренный и размолотый кофе (с ферментом)
46
16,5
6773
Пример 10b: Пропаренный (паровой взрыв) свежий обжаренный и размолотый кофе (без фермента)
46
15,2
6725
Пример 11
Органолептическая оценка основных продуктов по изобретению
Целью настоящего изобретения является сравнение органолептических оценок и качества экстрактов, полученных способом по изобретению, и качества экстрактов, полученных термогидролизом.
Атмосферный экстракт получали, как описано в Примере 1, используя такую же смесь обжаренного и размолотого кофе Арабика. На этой стадии около 25 вес.% кофейных бобов экстрагировали, из расчета на сухое вещество. Затем измельченный материал, полученный в результате этой экстракции, обрабатывают ферментами, как описано в Примере 1. Около 38 вес.% кофейных бобов экстрагируют, из расчета на сухое вещество. Для получения конечного продукта экстракт с обеих стадий смешивают в весовом соотношении 1:1,5 по сухому растворимому веществу (атмосферный экстракт : ферментативный экстракт).
Содержание растворимых веществ комбинированного экстракта, измеренное как 5%, затем концентрировали до 30% растворимых веществ с использованием роторного испарителя Heidolph, данную операцию проводили не под вакуумом. Затем концентрированный экстракт подвергали сублимационной сушке с получением в результате продукта с конечным содержанием влаги 1,3%.
Экстракты с постадийной экстракции и термогидролиза, полученные из такой же смеси кофе Арабика, концентрировали и сушили с использованием такого же устройства и тех же условий, как описано в абзаце выше. Конечное содержание влаги в этом продукте составило 1,7%.
Высушенные продукты восстанавливали водой с температурой 75°С с получением напитка с концентрацией растворимых веществ 1,5%. Эксперты-дегустаторы кофе оценили восстановленные продукты и установили, что продукт по изобретению является более прозрачным, без винного привкуса и без привкуса термообработки по сравнению с продуктом, полученным с использованием термогидролиза.