Способ обработки сухого черного чая, чайного сырья
METHOD FOR PROCESSING DRY BLACK TEA, TEA RAW MATERIALS

Изобретение относится к способам обработки чая, чайного сырья, а именно к способам с двукратной сушкой, при которых вторая сушка чая, чайного сырья происходит с использованием СВЧ-излучения.
Область техники
Традиционная технология получения черного чая включает следующие этапы обработки собранных листьев зеленого чая: завяливание, скручивание, ферментацию и сушку [1].
Составляющие содержание способов производства черного чая операции завяливания, скручивания, ферментации и сушки осуществляются следующим образом: свежие зеленые листья растения Camellia sinensis завяливают (подвергаются мягкой сушке), измельчают, ферментируют (в этом процессе ферменты в чайном листе используют атмосферный кислород для окисления различных субстратов с получением продуктов коричневого цвета), а затем подвергают огневой сушке (чтобы высушить чайные листья).
При производстве черного чая чай для высвобождения ферментированных ферментов и их субстратов в листьях может быть мацерирован каким-либо образом. Известны два основных механизированных способа мацерации: первый, включающий пропускание через валки предварительно взвешенных партий сильно завяленных чайных листьев перед стадиями ферментации, огневой сушки и сушки, при котором получают чай напоминающий сухие листья, и второй - с использованием СТС-машин (от слов «cut-tear-cure» - «резка-разрыв-скручивание»), при котором получают чай, который быстро настаивается и дает сильно окрашенный настой. Как валки, так и СТС-валки часто используют в комбинации с роторно-лопастной машиной, которая представляет собой машину типа экструдера и используется для предварительного кондиционирования (выжимка/измельчение) листьев перед мацерацией [2], [3], [4], [5]. В процессе завяливания, целью которого является обезвоживание чайного листа, лист теряет до 55% влаги. Завяливание чая может быть естественным или искусственным [6, 7, 8]. Естественное завяливание длится от 10 до 24 часов и обычно происходит в тени, под навесами или в хорошо проветриваемых помещениях, хотя некоторые сорта чая могут провяливаться на солнце. Искусственное завяливание происходит с использованием адсорбентов и поддувом нагретого сухого воздуха в специальных сушилках и длится от 2 до 8 часов. Помимо потери влаги в процессе завяливания лист наряду с влагой теряет клеточный тургор (давление), вследствие чего листья делаются более эластичными, что позволяет получать качественно скрученные листья, сок чайных листьев делается более вязким и густым, что, в свою очередь, повышает качество ферментации.
Задача операции скручивания является разрушение прожилок чайного листа и высвобождение в нем ферментативных энзимов и их субстратов. Во время скручивания разрушаются клетки, вытекающий клеточный сок обволакивает поверхность листа. В дальнейшем, при заваривании чая, сок выжатый из клеток и высушенный на поверхности листа, легко растворяется, в то время как клеточный сок, высушенный в неразрушенных клетках (т.е. невытекпгай сок), растворяется хуже.
Процесс ферментации - сложный биохимический процесс, при котором происходит окисление смеси чайных полифенолов и чайных ферментов (энзимов), которые активируют данный процесс. В его результате образуются теафлавины, придающие настою чая свежесть и яркость, и теарубигины, придающие ему крепость, насыщенность и характерный красно-коричневый цвет. Окисление может происходить спонтанно: незащищенные клетки на срезе растительного сырья поглощают кислород, размягчаются и изменяют цвет, если этот процесс не остановить, то продукт в зависимости от атмосферных условий высохнет или сгниет. В процессе производства чая присутствуют этап спонтанного окисления, но основная часть этого процесса - контролируемая. Традиционно эта часть процесса заключается в раскладывании завяленного чая на столах, поддонах и т.п. на время порядка 1-4 часов в помещении с влажным и насыщенным кислородом воздухом. Температура окружающей среды должна быть не ниже 15-20°С (при более низкой температуре процесс ферментации прекращается), но и не выше 25-28°С, иначе процесс ферментации выходит из под контроля.
Завершающая стадия традиционных способов производства черного чая - сушка. В результате сушки должно быть получено сухое чайное сырье, содержащее не более 3-7% (в зеленом чае -5%) воды.
До конца 19 века чай сушили на открытом огне на сковородах, решетках и т.п., отсюда одно из названий этой стадии производства - обжарка. Затем стали использовать закрытые духовки с воздухоподдувом при температуре порядка 92-95°С, температура чая при этом достигает 70-75°С [5].
В связи с последним этапом обработки чая возникают две проблемы: несоблюдение требований к содержанию влаги в чае по окончании сушки может привести к возникновению плесени в чае и, наоборот, превышение температурой сушки требуемых значений приводит к появлению у чая жаристых вкуса, запаха.
Сухой чай - коллоидно-капиллярно-пористое тело, обладающее двумя основными физическими свойствами - растворимостью и гигроскопичностью. Первое из них позволяет употреблять чай как напиток. Второе свойство затрудняет хранение чая, облегчает его порчу. При повышении влажности до 8% чай начинает портиться, т.е. утрачивает свои ароматические и вкусовые качества. При дальнейшем повышении до 11-13% влажности сухого чая, он начинает плесневеть, причем достаточно возникновения плесени в минимальных количествах, чтобы испорченной оказалась вся партия, поскольку затхлый запах будет воспринят всей партией чая. В этом отношении чай значительно отличается от других продуктов (сыра, масла, фруктов), где достаточно срезать или устранить пораженную порчей часть, а потому соблюдение технологии при производстве чая и правил его хранения важны для поддержания кондиции.
Гигроскопичность различных видов и сортов чая неодинакова. Наименее гигроскопичны все виды прессованных чаев. Поэтому при прочих равных условиях они сохраняются лучше, чем байховые (рассыпные). Среди байховых чаев зеленые менее гигроскопичны, чем черные. Кроме того, черные байховые чаи разных сортов обладают различной гигроскопичностью. Высокие сорта, в которых сохранен целый лист и скрученность листа лучше, чем у низких сортов, отличаются меньшей гигроскопичностью, а значит, дольше сохраняют свои высокие качества. Но это лишь при условии, что высокосортный чай хранят со всеми необходимыми предосторожностями. При несоблюдении условий хранения самый высокий сорт чая по своим органолептическим свойствам может оказаться значительно хуже, чем невысокий сорт чая хорошей сохранности.
Вкус чайного настоя - одно из важнейших органолептических свойств чая, определяющее его качество. Наличие в чае плесени приводит к утрате кондиции и не только в связи с ухудшением его органолептических свойств. Продукты жизнедеятельности плесневых грибов нескольких видов рода аспергилл (Aspergillus clavatus, Aspergillus parasitusn др.) - смертельно опасные токсины - афлотоксины. В связи с этим образцы чая в обязательном порядке проверяют на наличие плесневых грибов. Согласно Техническому регламенту Таможенного союза «О безопасности пищевой продукции» (TP ТС 021/2011), таблица 1.5 «Плодоовощная продукция» из Приложения 2 «Микробиологические нормативы безопасности» максимально допустимое содержание плесени в чае не должно превышать 1000 КОЕ/г.
На чайных фабриках Индии в 70-е годы 20 века повсеместно проводилась однократная сушка, в тоже время в большинстве потребляющих чай стран в качестве превентивной меры от появления плесени проводилась краткосрочная термическая обработка сухого чая. В бывшем СССР с целью сокращения затрат на обработку чая грузинский чай начали сушить методом «индийской» однократной сушки. После резко возросшего процента брака чая было решено [9] после сушки производить дополнительную убыстренную термическую обработку полуфабриката чая в специальной термокамере при температуре воздуха 40-45°С и влажности 50-65%.
В настоящее время повторная термическая обработка, предназначенная для предотвращения развития плесени в чае, широко распространена. В частности, компания Hyleys Tea Company [10] на своем сайте описывает используемую ею при производстве черного чая технологию двойной сушки: вначале чайный лист сушат при температуре 90-95°С, повторную сушку проводят при температуре 82-87°С. Сушка проводится на противнях [10]. Этот способ термической обработки является ближайшим аналогом заявленного изобретения.
Однако при этом есть риск превысить допустимую температуру нагрева чая, вследствие чего у чая появится жаристый аромат (запах жженого листа) и/или вкус (вкус жженых листьев), что из-за гигроскопичности чая может привести к некондиционности всей партии чая. Не говоря уже о том, что двойная сушка снижает качество чая, поскольку каждая новая операция над чайным листом после ферментации «отбирает» у него какую-то долю аромата [9].
Сущность изобретения.
Техническим результатом, на достижение которого направлено настоящее изобретение, является снижение микробной нагрузки на сухой черный чай, сухое чайное сырье, а также улучшение органолептических свойств настоя черного чая.
В 20-м веке спектр физических параметров, на которых основана работа устройств для сушки, значительно расширился [15]. Расширился и температурный диапазон до сотен градусов, время сушки при этом сократилось до минут. Появились технические средства, позволяющие с высоким быстродействием увеличивать температуру внутри сушильной камеры, а также с большой скоростью снижать температуру воздействия на обрабатываемый чайный лист.
Значительно расширившийся арсенал технических возможностей позволяет применить двукратную сушку без ущерба для органолептических свойств чая, более того, как показали проведенные заявителем эксперименты, с их улучшением.
Сущность изобретения заключается в проведении дополнительной термической обработки при помощи источников СВЧ-излучения сухого черного чая, чайного сырья в низком вакууме при возрастающей до заданного значения температуре в течение заданного времени с последующим уменьшением давления в сушильной камере в процессе остывания сухого черного чая, чайного сырья, подвергшегося дополнительной термической обработке. Процесс дальнейшего снижения давления (до значений, близких к верхней границе значений давления среднего вакуума) начинается сразу после окончания термический обработки (после отключения источников СВЧ-излучения)..
При воздействии на сухой черный чай, на чайное сырье электромагнитным СВЧ-полем нагрев продукта происходит по всему объему, независимо от толщины и коэффициента электропроводности.
Основным фактором, определяющим темп возрастания температуры при диэлектрическом нагреве, является скорость нагрева (нагрев на 1°С в единицу времени). При высокой скорости нагрева значительно снижается способность шаперонов, белков теплового шока HSPs (heat shok proteins), выполнять функцию защиты белков. Температура нагрева сухого черного чая, чайного сырья превышает 80°С, за счет действия достигаемой высокой температуры. При повреждающем действии высокой температуры происходят необратимая денатурация белков и инактивация ферментов, содержащихся в микроорганизмах (плесневых грибах и бактериях).
Кроме того, давление в сушильной камере в процессе дополнительной термической обработки поддерживается в диапазоне 300-500 мм ртутного столба. Этим исключается осеменение плесени, уменьшается интенсивность процесса окисления чая, чайного сырья и снижается скорость деления бактерий.
После прекращения нагрева давление в сушильной камере опускается до значений, выбираемых из диапазона от 100 до 30 мм рт ст, т.е. почти до нижней границы среднего вакуума (снижение давления происходит при помощи насоса). Одновременно с давлением понижается температура в сушильной камере и температура сухого черного чая, чайного сырья до значений температуры в производственном помещении, в котором установлена сушильная камера. Выбор конкретных значений давления определяется влажностью черного сухого чая, чайного сырья перед дополнительной термической обработкой.
Значимость температурного градиента для процесса уничтожения микроорганизмов (плесневых грибов, бактерий) объясняется следующими причинами.
Распространены два метода обеззараживания пищевых продуктов: пастеризация и стерилизация. Пастеризация включает однократный нагрев до температуры 60°С с дальнейшей выдержкой при такой температуре в течение 60 минут или нагрев до 70-80°С с выдержкой в течение 30 минут или нагрев до 98°С и выше с выдержкой в течение нескольких секунд. Стерилизация проводится химическими методами и физическими методами, к последним относится воздействие высокой температуры на стерилизуемые объекты (тепловая стерилизация), а также воздействие ультрафиолетовым излучением, токами высокой частоты, ультразвуковыми колебаниями, радиоактивным излучением, инфракрасными лучами и т.д.
В результате пастеризации погибают вегетативные формы микроорганизмов, но споры выживают и при наступлении благоприятных условий начинают интенсивное размножение.
Использование при стерилизации в течение длительного времени высокой температуры помогает полностью уничтожить не только сами микроорганизмы, но и их споры. Но длительное воздействие высокой температуры разрушает вещества, придающие вкус и аромат чаю, а также содержащиеся в нем витамины.
Соответственно режим температурного воздействия должен обеспечивать уничтожение микробов, образующих плесень на чае, в диапазоне температур их роста и, кроме того, обеспечивать быстрое прохождение температур, при которых константа скорости роста максимальна. Кривая зависимости скорости роста от температуры [11, с. 92] для каждого организма - своя, при этом действует закон Q10: при возрастании температуры на 10°С скорость реакции увеличивается в 2-4 раза. При переходе через оптимальную температуру рост существенно замедляется.
Поэтому задачей обеззараживания за счет нагрева является быстрое прохождение значений температуры, при которых скорость роста микроорганизмов (число генераций в час), а, соответственно и интенсивность размножения, максимальна и переход к тем значениям температур, при которых скорость роста равна нулю. При этом необходимо исключить длительное воздействие высоких температур, оказывающем разрушительное воздействие на содержащиеся в чае, чайном сырье витамины, а также на вещества, придающие вкус и аромат чаю.
Микробные организмы, из которых по большей части состоит плесень чая, преимущественно мезофильны. Температура их роста лежит в диапазоне +15°С до 48°С, при этом максимальное значение константы скорости роста составляет 0,4 Г/час и достигается при температуре около 45°С.
Для термофильных микробных организмов, также присутствующих в плесени чая, температура роста лежит в диапазоне +45°С до 80°С, при этом максимальное значение константы скорости роста составляет немногим более 0,5 Г/час и достигается при температуре около 73°С.
Создание термического воздействия электромагнитным полем СВЧ, работающих на частотах резонансного поглощения для воды, позволяет эффективно испарять влагу из сухого чая, из чайного сырья, благодаря чему уменьшается рост колоний грибов, в частности грибов из родов Penicillium и Aspergillus, обладающих способностью расти на едва увлажненных субстратах.
Осуществление изобретения.
Температурные диапазоны, при которых сухой чай, чайное сырье проходит дополнительную термическую обработку в вакуумированной сушильной камере, оснащенной источниками СВЧ излучения (как правило - магнетронами) [13], [15], должны выбираться исходя из изложенных выше соображений.
Заявленный способ обработки сухого черного чая, сухого чайного сырья осуществляется следующей последовательностью операций.
После проведения операций завяливания чайного листа до влажности 75-65%, скручивания чайного листа, ферментации и сушки до остаточной влажности 3-7% осуществляется операция дополнительной сушки, при которой прошедший операцию сушки черный чай, чайное сырье помещается в сушильную камеру, оснащенную источниками электромагнитного излучения СВЧ (в каечтве которых могут использоваться магнетроны) и вакуумным насосом.
В сушильной камере перед тем как приложить к объекту сушки термическое воздействие создается при помощи насоса давление, значение которого выбирается из диапазона значений 300-500 мм ртутного столба. Границы интервалов давления для низкого, среднего, высокого и сверхвысокого вакуума ГОСТ 5197-85. «Вакуумная техника. Термины и определения» заданы следующими значениями:
3
0
- для низкого вакуума - от 100 кПа до 100 Па (10…10 мм рт.ст.);
0
-3
- для среднего вакуума - от 100 Па до 0,1 Па (10…10 мм рт.ст.);
-3
-7
- для высокого вакуума - от 0,1 Па до 10 мкПа; (10…10 мм рт.ст.);
- для сверхвысокого вакуума - ниже 10 мкПа.
Входящие в диапазон 300-500 мм ртутного столба значения давления соответствуют значениям давления, находящимся вблизи середины интервала значений низкого вакуума. Снижение давления в сушильной камере на этапе температурного воздействия обусловлено необходимостью снизить интенсивность осеменения плесени, снизить скорость деления бактерий, т.е. замедлить процессы, которые, как для мезофильных, так и для термофильных бактерий интенсифицируются на начальном этапе нарастания температуры в сушильной камере. Интенсивность процесса окисления чая, чайного сырья в сушильной камере на начальном этапе термического воздействия также снижается за счет созданного в камере пониженного давления.
Температурное воздействие электромагнитным полем СВЧ на сухой чай, сухое чайное сырье осуществляется до достижения температурой в камере, в пласте подвергаемых допонительной сушке чая, чайного сырья значений 60,0°С - 85,0°С. Конкретное значение температуры, при достижении которой прекращается температурное воздействие путем отключения источников электромагнитного подля СВЧ, выбирается исходя из остаточной влажности чая, чайного сырья, поступившего в сушильную камеру на дополнительную сушку.
На этом этапе давление в сушильной камере постоянно, температура растет со скоростью, выбираемой из диапазона значений 1,0°С/сек-3,0°С/сек, конкретное значение скорости выбирается исходя из заданной микробной нагрузки: скорость нарастания температуры позволяет сокращать время прохождения фазы максиального роста вредоносных бактерий, количество которых по окончании стадии дополнительной сушки должно достигать значений, допускаемых действующими стандартами, нормами, задаваемыми уполномоченными органами здравоохранения, государственного контроля и т.п.
После достижения заданного значения температуры прекращают термическое воздействие электромагнитным полем СВЧ (отключают источники лектромагнитного излучения, в качестве которых могут использоваться магнетроны). Одновременно с отключением источников электромагнитного излучения включают в сушильной камере вакуумный насос.
После того, как в суштльной камере режим изменения температуры перейдет в пассивный, т.е. температура в сушильной камере, в пласте сухого чая, сухого чайного сырья начнет падать, стремясь к значению температуры в производственном помещении, в котором установлена сушильная камера, изменение давления будет происходить в активном режиме. Скорость снижения давления будет выбираться исходя из необходимости синхронизации процессов снижения давления и температуры с тем, чтобы текущему значению температуры соответствовало значение давления в сушильной камере, при котором в чае, чайном сырье происходят процессы парообразования.
Снижение давления в сушильной камере по окончании дополнительной термической обработки происходит при помощи насоса.
Дополнительная термическая обработка сухого черного чая, чайного сырья, таким образом, заключается в активном изменении температурного режима (с нарастанием температуры с постоянной скоростью за счет работы источников электромагнитного СВЧ-поля) при постоянном давлении в сушильной камере, а затем - при убывающем (за счет работы насоса) давлении и при снижающейся температуре сухого черного чая, сухого чайного сырья. При этом значение давления при нарастании температуры поддерживается в районе середины интервала граничных значений нижнего вакуума, а в режиме падающей температуры при отключенных источниках СВЧ излучения, давление снижается в сторону значений, отграничивающих нижний вакуум от среднего. Температура падает до значений температуры в производственном помещении, в котором установлена сушильная камера.
Если в режиме активного изменения температуры решается задача сведения микробной нагрузки (плесневых грибов и бактерий) к требуемым значениям, то в режиме "пассивного" изменения температуры, сопровождающегося снижением давления, процесс образования пара в оставшихся в сухом чае, чайном сырье молекулах воды интенсифицируется. Молекулы пара разрушают молекулы чайного листа, выводя наружу ароматные эфирные масла из его глубинных слоев. Эфирные масла оседают на поверхности листа и прочно "прикипают" к ней и довольно долго сохраняют свои свойства, экстрагируясь только под воздействием кипятка в момент заваривания. При этом из-за краткосрочности воздействия высокой температуры и основного времени воздействия температуры с убывающими значениями, в чайном листе не происходит разрушения витаминов, органических кислот, т.е., введя после ферментации и сушки, режим дополнительной сушки с нагревом сухого чая, сухого чайного сырья с использованием СВЧ-излучения и последующим снижением температуры на фоне падающего давления, удается избежать снижения качества чая, о котором говорится в источнике [9].
Более того, как показывают эксперименты, не только усиливается аромат настоя, но и его вкус и цвет делаются ярче, благодаря дополнительному образованию теафлавинов и теарубигинов из-за воздействия температурного шока и последующего спада температуры в условиях падающего давления.
Краткосрочность воздействия высокой температуры и снижение температуры, исключающее возможность тления чайного листа после воздействия на него высокой температуры, исключают появление у сухого черного чая, чайного сырья жаристого вкуса и/или аромата.
Примеры осуществления заявленного способа.
Дополнительная термическая обработка сухого черного чая, сухого чайного сырья в устройстве сушки с использованием генераторов СВЧ поля дает следующие результаты.
Для образцов сухого черного чая с содержанием плесени 2500 КОЕ/г со скоростью нагрева 1°С/сек содержание плесени менялось следующим образом:
Содержание плесени в сухом черном чае для партии весом 100 г, времени воздействия СВЧ-излучения в 60 секунд и при разогреве образцов до температуры в 55°С снижает количество плесени на образцах на 20%.
При увеличении времени воздействия до 120 секунд и разогреве до 65°С содержание плесени в сухом черном чае для партии весом 100 г, снижает количество плесени на образцах на 60% с.
При времени воздействия в 180 секунд и разогреве до 86°С содержание плесени в сухом черном чае для партии весом 100 г снижалось до 250 КОЕ/г.
При увеличении значения скорости изменения температуры дополнительной термической обработки до 3°С/сек количество плесени на образце за 45 минут воздействия температурой 85°С уменьшалось до нуля, при возрастании времени нагрева свыше 1 часа (при тех же значениях веса образца, температуре нагрева и скорости изменения температуры) образец приобретал жаристый вкус.
Как показывают данные поставленных экспериментов, наибольшее влияние на снижение количества плесневых грибов на сухом черном чае, сухом чайном сырье оказывают скорость изменения температуры и время ее воздействия. В среднем количество плесневых грибов сокращалось на два порядка.
Проведенные эксперименты на экспериментальном оборудовании, построенном в соответствии с принципами, заложенными в известные устройства, приведенные в списке использованной литературы, показали осуществимость заявленного способа с достижением декларируемого технического результата.
Список использованной патентной и научно-технической литературы:
1. Авторское свидетельство СССР №396105 на изобретение "Способ производства черного байхового чая", МПК A23F 3/00, публикация 01.01.1973
2. Патент РФ №2470519 на изобретение «Производство черного чая», МПК A23F 3/12, публикация 27.12.2012
3. Авторское свидетельство СССР №1600668 на изобретение "Способ производства черного байхового чая", МПК A23F3/00, публикация 23.10.1990
4. Авторское свидетельство СССР №1669418 на изобретение "Способ производства черного байхового чая", МПК A23F3/00, публикация 15.08.1991
5. Авторское свидетельство СССР №625678 на изобретение "Способ сушки чая", МПК A23F 3/00, публикация 30.09.1978
6. Авторское свидетельство СССР №1342470 на изобретение "Способ естественного завяливания чайного листа", МПК А23В 7/00, публикация 07.10.1987
7. Патент РФ №2511407 на изобретение «Способ завяливания чайного листа", МПК A23F 3/00, публикация 20.02.2014
8. Авторское свидетельство СССР №1793880 на изобретение "Установка для завяливания и сушки фруктов, овощей и других продуктов", МПК А23В 7/02, публикация 01.01.1973
9. В.В. Похлебкин. Чай. М: Центрполиграф, 1997, ISBN 5-218-00487-1
10. http://www.hyleys.ru/ru/site/154?menu=35
11. А.И. Нетрусов, И.Б. Котова "Микробиология", М: Издательский центр "Академия", 2009
12. Авторское свидетельство СССР №264314 на изобретение «Способ получения виноградного напитка», C12G 1/02, A23L 2/00, опубликовано 03.03.1970.
13. Патент РФ №2111631 на изобретение «Универсальная сверхвысокочастотная сушильная установка (варианты), МПК Н05В 6/64, опубл. 20.05.1998
14. Авторское свидетельство СССР №1375223 на изобретение «Способ сушки зеленого кирпичного чая», МПК A23F 3/22, опубликовано 23.02.1988
15. Научно-практические основы теплотехнических процессов пищевых производств в электромагнитном поле СВЧ / Ю.К. Губиев // Дисс. докт. техн. наук. - М.: МТИПП, 1990, 189 с.
16. Авторское свидетельство СССР №106066 на изобретение "Способ обработки готового чая ультрафиолетовыми лучами перед загрузкой его на хранение и устройство для осуществления способа", МПК A23L 3/28, A23F 3/00, опубликовано 01.01.1957