Способ получения порошкообразного заменителя кофе из клубней топинамбура
METHOD OF PRODUCING POWDER COFFEE SUBSTITUTE FROM JERUSALEM ARTICHOKE TUBERS

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к технологии производства продуктов функционального назначения, и может быть использовано для производства порошкообразного заменителя кофе из клубней топинамбура.
Среди пищевых продуктов достаточно значительна доля функциональных продуктов, производство которых увеличивается. Функциональные свойства определяются комплексом физиологически активных веществ, обладающих способностью оказывать медико-биологический эффект на процессы обмена веществ в организме человека. В связи с этим разработка биотехнологии продуктов функционального назначения способствует решению проблемы улучшения рационов диетического, лечебно-профилактического и реабилитационного питания, что является важной и актуальной задачей современной пищевой промышленности (Байдалинова Л.С., Мельникова В.А. Использование топинамбура для производства порошкообразного заменителя кофе // Вестник Международной академии холода. - 2016 - №1. - С. 14).
Одним из широко известных представителей функциональных продуктов является топинамбур. Клубни топинамбура обладают высокой продовольственной и медицинской ценностью. Отличаются уникальным углеводным комплексом, основу которого составляет фруктоза и ее полимер инулин. Содержание последнего составляет 13,5-17,5%, он является важным биологически активным веществом: способствует выведению токсичных соединений, стимулирует развитие кишечной микрофлоры, нормализует уровень сахара в крови. Топинамбур отличается сбалансированным микро- и макроэлементным составом. Содержит органические полиоксикислоты (6-8% от сухой массы топинамбура): лимонную, яблочную, малоновую, янтарную, фумаровую, хлорогеновую. Они активно участвуют в обмене веществ, повышают секреторную активность слюнных желез, усиливают выделение желчи и панкреатического сока, улучшают пищеварение, растворяют соли мочевой кислоты, обладают бактерицидным действием, благотворно действуют на кислотно-щелочное равновесие, на функцию желудочно-кишечного тракта и другие системы организма, являясь возбудителями секреции поджелудочной железы и моторной функции кишечника. В комплексе с витамином С обладают ярко выраженным антиоксидантным действием. Пектиновые вещества присутствуют в топинамбуре в количестве 11% от массы сухого вещества. Они адсорбируют на своей поверхности и выводят из организма ядовитые вещества, холестерин, триглицериды, которые являются основными причинами развития атеросклероза и желчнокаменной болезни (Кочнев, Н.К., Топинамбур биоэнергетическая культура XXI века / Н.К. Кочнев, М.В. Калиничева М.: Типография «Арес», 2002. с. 32-36).
По данным З.И. Усановой и Ю.В. Байбаковой в условиях Верхневолжья содержание сухого вещества в клубнях топинамбура сорта Скороспелка колеблется в пределах 16-24%, а в зеленой массе - 20-30%; сырого протеина в ботве и клубнях - около 10% на абсолютно сухое вещество; сахаров в клубнях - до 22% на сырую массу.
Богатый аминокислотный и биохимический состав делают растение незаменимым для создания продуктов здорового питания, либо производства на его основе высокоэффективных лечебно-профилактических форм. Наличие хлорогеновой кислоты является важным фактором для топинамбура как сырья для приготовления заменителя кофе. При обработке зерен натурального кофе хлорогеновая кислота под действием высоких температур становится одним из ключевых веществ, отвечающих за вкусо-ароматические характеристики будущего напитка. Также она обладает сильными антиоксидантными свойствами.
Известно множество технических решений, направленных на создание технологий приготовления лечебно-профилактических продуктов пищевого применения из топинамбура, в частности кофейных напитков.
Известен способ производства кофейного напитка на основе топинамбура (патент РФ №2367178, кл. A23F 5/44, A23L 2/39 (2006.01), 2008), предусматривающий экстрагирование перца душистого жидким азотом с отделением соответствующей мицеллы, подготовку топинамбура, его резку, сушку в поле СВЧ до остаточной влажности около 20% при мощности поля СВЧ, обеспечивающей разогрев топинамбура до температуры внутри кусочков 80-90°С, в течение не менее 1 часа и обжарку, обжарку семян винограда, смешивание топинамбура и семян винограда в соотношении по массе 7:3, пропитку полученной смеси отделенной мицеллой с одновременным повышением давления, сброс давления до атмосферного с одновременным замораживанием смеси и ее криоизмельчение в среде выделившегося азота. Способ позволяет получить ароматизированный кофейный напиток по безотходной технологии.
Запатентованы способы получения кофейных напитков из топинамбура: «Борисовский» (патент РФ №2386294, кл. A23F 5/00 (2006.01), 2008), «Смоленский» (патент РФ №2386281, кл. A23F 5/44 (2006.01), 2008), «Подмосковный» (патент РФ №2384120, кл. A23F 5/44 (2006.01), A23L 2/39 (2006.01), 2008), «Чеховский» (патент РФ №2386286, кл. A23F 5/44 (2006.01), 2008), «Школьный» (патент РФ №2370989, кл. A23F 5/44 (2006.01), A23L 2/39 (2006.01), 2008), «Домодедовский» (патент РФ №2383180, кл. A23F 5/44 (2006.01), A23L 2/00 (2006.01), 2008), «Видновский» (патент РФ №2384080, кл. A23F 5/44 (2006.01), 2008) и др.
Известен также способ получения кофейного напитка, предусматривающий обжарку семян винограда и топинамбура, их дробление, размалывание, просеивание и смешивание с другими размолотыми компонентами (Нахмедов Ф.Г. Технология кофепродуктов. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984, с. 107-110).
Известные способы получения кофейного напитка используют дополнительно компоненты из растительного сырья, такие как зерна ячменя и ржи, желуди, сою, яблоки, груши, ядра плодовых косточек. Кроме того, в технологии их приготовления присутствуют операции, выполнение которых требует специального оборудования, например сушка топинамбура и компонентов из растительного сырья в поле СВЧ. Все это приводит к усложнению технологического процесса получения кофейного напитка и к дополнительным производственным затратам, результатом которых является удорожание конечного продукта. Являясь в первую очередь продуктом функционального назначения, производство кофейного напитка из клубней топинамбура должно способствовать решению проблемы улучшения рационов диетического, лечебно-профилактического и реабилитационного питания, в связи с чем невысокая себестоимость продукта и доступность его для широких слоев населения - непременное условие решения данной проблемы.
Наиболее близким к заявленному является технологический процесс получения порошкообразного заменителя кофе из клубней топинамбура (Байдалинова Л.С., Мельникова В.А. Использование топинамбура для производства порошкообразного заменителя кофе // Вестник Международной академии холода. - 2016 - №1. - С. 13-18., прототип), включающий мойку клубней топинамбура с последующей санобработкой, измельчение до состояния стружки, ферментацию при температуре 19-22°С в течение 60 минут, сушку при температуре 83,8°С в течение 525 минут, обжарку полуфабриката при температуре ≤200°С в течение 10 минут, измельчение полученного полуфабриката.
Разработка новых технологических операций и режимов приготовления порошкообразного заменителя кофе из клубней топинамбура позволит получить продукт с оптимальными органолептическими показателями невысокой себестоимости, что расширит ассортимент лечебно-профилактических продуктов пищевого применения, доступных широким слоям населения.
Изобретение направлено на решение задачи создания нового способа получения порошкообразного заменителя кофе из клубней топинамбура невысокой себестоимости, расширяющего ассортимент лечебно-профилактических продуктов пищевого применения.
Технический результат заключается в расширения ассортимента лечебно-профилактических продуктов пищевого применения путем создания нового способа получения порошкообразного заменителя кофе из клубней топинамбура. Невысокая себестоимость полученного продукта и доступность его широкому кругу населения позволяет внести свой вклад в решение проблемы улучшения рационов диетического, лечебно-профилактического и реабилитационного питания.
Поставленная в изобретении задача решена тем, что в способе получения порошкообразного заменителя кофе из клубней топинамбура, включающем мойку клубней топинамбура, последующие их резку, сушку, обжаривание полуфабриката и измельчение полученного продукта, в качестве сырья используют топинамбур сорта Скороспелка, а вымытые клубни топинамбура нарезают на ломтики длиной 1-2 см, которые подвергают сушке при температуре 80°С в течение 14 часов, после чего высушенные клубни топинамбура делят на две примерно равные части, одну из которых обжаривают при температуре 110°С в течение 1 часа, другую - при температуре 150°С в течение 1 часа, с последующим купажированием их в соотношении 50:50 и измельчением полученного продукта до размера частиц не больше 100 мкм.
В ходе разработки нового способа получения порошкообразного заменителя кофе из клубней топинамбура был сделан выбор исходного сырья, а также подобраны технологические операции и режимы приготовления порошкообразного заменителя кофе, направленные на получение максимального выхода конечного продукта с оптимальными органолептическими показателями, обеспечивающие невысокую себестоимость конечного продукта.
В качестве сырья для получения порошкообразного заменителя кофе использован топинамбур сорта Скороспелка, произрастающий на территории Тверской области. Выбор обусловлен проведенным анализом выхода кофейного напитка и его физико-химических показателей на разных вариантах выращивания сырья при использовании сортов топинамбура Скороспелка и Интерес, возделываемых в Нечерноземной зоне РФ в Тверской области (табл. 1).
Режим процесса обжарки клубней непосредственно влияет на выход порошкообразного заменителя кофе. В процессе обжарки клубней происходят реакции карамелизации и меланоидинообразования, что придает напитку соответствующий кофейный вкус и аромат (Чумак А.А., Зайко Г.М., Мамин В.Н., Гриценко Н.С., Тетенева А.Г. Использование свеклы и топинамбура в технологии сухих концентратов кофейных напитков // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. - 2010 - №4. - С. 50-53). Варианты обжаривания выбраны из расчета превышения температуры плавления (условия начала карамелизации) мономеров инулина: фруктозы (103-105°С) и глюкозы (146°С) (Свойства органических соединений. Справочник/Под ред. А.А. Потехина. Л.: Химия, 1984. с. 198, 386). Выявлено, что увеличение температуры обжарки снижает выход продукта.
Лучшим по выходу порошкообразного заменителя кофе при слабой обжарке (110°С) является вариант использования сорта Скороспелка, выращенного с внесением удобрений на запрограммированную урожайность (40 т/га клубней и ботвы), при сильной (150°С) - сорта Интерес на том же фоне минерального питания. Однако ввиду высокой урожайности сорта Скороспелка наибольшее количество продукции с гектара посадок при обоих вариантах обжарки можно получить у данного сорта при программировании урожайности: 9,0 т при слабой обжарке и 6,9 т - при сильной.
Известно, что при увеличении температуры обжарки образуется большее количество меланоидов (ароматических веществ), что усиливает кофейный вкус и аромат. Однако при этом снижается содержание сахаров и аминокислот (Рогов И.А., Антипова Л.В., Дунченко Н.И. Химия пищи / М.: Колос, 2007. - С. 25-31). Для создания порошкообразного заменителя кофе с высоким содержанием сахаров, а также оптимальными для него органолептическими показателями было произведено купажирование обжаренного полуфабриката, полученного при разной температуре обжарки. Изучив органолептические показатели полученного заменителя кофе, выявлен оптимальный вариант купажирования обжаренных клубней. Результаты органолептической оценки, а также содержание сахаров в порошкообразном заменителе кофе приведены в табл. 2 и табл. 3. Выявлено, что для достижения кофейного аромата, а также кофейного вкуса без сладковатого привкуса необходимо купажирование в пропорции по массе 50% - обжаренного при 110°С, и 50% - обжаренного при 150°С. При этом содержание сахаров в порошкообразном заменителе кофе составляет 38,2±4,3%.
Выбор исходного сырья, разработка технологических операций и режимов приготовления заменителя кофе обеспечили достаточно большой выход порошкообразного заменителя кофе из клубней топинамбура сорта Скороспелка с оптимальными органолептическими показателями. Простота технологического процесса получения порошкообразного заменителя кофе из клубней топинамбура и большой его выход лежат в основе получения продукта невысокой себестоимости. Новый способ приготовления порошкообразного заменителя кофе из клубней топинамбура расширит ассортимент лечебно-профилактических продуктов пищевого применения и внесет свой вклад в решение проблемы улучшения рационов диетического, лечебно-профилактического и реабилитационного питания.
Изобретение поясняется таблицами.
В таблице 1 приведен выход порошкообразного заменителя кофе и его физико-химические показатели в зависимости от исходного сырья и температуры обжаривания полуфабриката; в таблице 2 - результаты органолептической оценки порошкообразного заменителя кофе в зависимости от купажа (сорт Скороспелка); в таблице 3 показано содержание сахаров в порошкообразном заменителе кофе в зависимости от купажа; в таблице 4 - физико-химические показатели полученного продукта.
Заявленный способ получения порошкообразного заменителя кофе из клубней топинамбура включает следующие операции:
- выбор исходного сырья для получения порошкообразного заменителя кофе;
- мойку клубней топинамбура;
- резку клубней топинамбура на ломтики длиной 1-2 см;
- сушку измельченных клубней топинамбура при температуре 80°С в течение 14 часов;
- разделение измельченных и высушенных клубней топинамбура на две примерно равные части;
- обжаривание одной части высушенных клубней топинамбура при температуре 110°С в течение 1 часа, другой части высушенных клубней топинамбура - при температуре 150°С в течение 1 часа;
- купажирование обжаренных клубней топинамбура в соотношении 50:50;
- измельчение полученного продукта до размера частиц не больше 100 мкм.
Пример конкретного выполнения способа.
Выбор сырья для приготовления порошкообразного заменителя кофе.
2
Топинамбур выращивали на опытном поле Тверской ГСХА в 2016 году. Учетная площадь делянки - 45,36 м. Схема опыта включала в себя два сорта топинамбура: позднеспелый - Интерес и раннеспелый - Скороспелка и два фона минерального питания: по эффективному плодородию (без удобрения) и расчетная доза NPK на урожайность (40 т/га клубни с соответствующим количеством ботвы), повторность опыта трехкратная.
На дерново-подзолистых почвах Тверской области топинамбур возделывают по общепринятой в Нечерноземной зоне РФ технологии, включающей обработку почвы, нарезку гребней, посадку клубней весной или осенью, уход за посадками, уборку зеленой массы и клубней. Технология доказала свою эффективность в многократных полевых опытах З.И. Усановой и др. с лучшим для Нечерноземной зоны РФ сортом топинамбура Скороспелка (Усанова, З.И. Биологические особенности и технологии возделывания картофеля и земляной груши / З.И. Усанова, А.К. Осербаев. - Тверь: «Триада», 2004, С. 49-74).
342
236
397
4
3
9
25
25
Используемые минеральные удобрения вносили: хлористый калий осенью перед нарезкой гребней, аммиачную селитру - весной под первую обработку междурядий. Расчетные дозы NPK составили N РК. Минеральные удобрения вносили в виде хлористого калия - KCl (60% д.в.) осенью перед нарезкой гребней, аммиачной селитры - NHNO(34% д.в.), диаммофоски (NPK) - весной под первую обработку междурядий. Уход за посадками в весенне - летний период состоял из 2-х междурядных рыхлений и окучивания (КОН-2,8 ПМ).Сбор клубней осуществляли 28-29 сентября 2016 года после срезания ботвы 27 сентября.
Урожайность клубней топинамбура сорта Скороспелка и сорта Интерес, т/га, приведены в табл. 1, из которой следует, что лучшим для Нечерноземной зоны РФ сортом топинамбура является сорт Скороспелка.
В клубнях топинамбура определяли содержание сухого вещества - по стандартной методике (Усанова, З.И. Методика выполнения научных исследований по растениеводству / Учебное пособие / З.И. Усанова. - Тверь: Тверская ГСХА, 2015. - с. 95), золы - по ГОСТ 26226-95, углеводов - по ГОСТ Р51636-2000, инулина - спектрофотометрическим методом в водном экстракте при λ=513 нм (Коренман, И.М. Фотометрический анализ. Методы определения органических соединений / И.М. Коренман. - М. Химия, 1975. - С. 205).
Заявленный способ получения порошкообразного заменителя кофе из клубней топинамбура сорта Скороспелка осуществляют следующим образом.
Порошкообразный заменитель кофе получали из 4 кг клубней топинамбура сорта Скороспелка.
После сбора клубней топинамбура производят их мойку, нарезку на ломтики длиной 1-2 см, которые подвергают сушке в сушильном шкафу ШС 80-01 СПУ при температуре 80°С в течение 14 часов. После чего высушенные клубни топинамбура разделяют на две примерно одинаковые части, одну из которых обжаривают при температуре 110°С в течение 1 часа в сушильном шкафу ШС 80-01 СПУ, другую - при температуре 150°С в течение 1 часа также в сушильном шкафу ШС 80-01 СПУ - лучший вариант обжарки клубней (табл. 1).
С целью уменьшения отходов путем расчетов по выходу кофейного напитка с разных вариантов обжарки (табл. 1) выявлено, что для получения соотношения по массе 50% обжаренного при 110°С и 50% обжаренного при 150°С необходимо брать по массе 43,6% клубней для обжарки при температуре 110°С и 56,4% - при 150°С, что в конкретном примере составляет 1,744 кг и 2,256 кг соответственно. При производстве опытной партии порошкообразного заменителя кофе это удобно, но при увеличении масштабов процесса удобнее исходить из условия купажирования обжаренных при разной температуре клубней топинамбура в соотношении 50:50.
Обжаренные при разной температуре компоненты смешивают в соотношении 50:50 и размалывают в мельнице растительных проб МРП-2 до размера частиц не более 100 мкм. Выход порошкообразного заменителя кофе из 4 кг сырого топинамбура сорта Скороспелка составляет 0,650 кг.
Данные по выходу порошкообразного заменителя кофе с гектара посевной площади приведены в табл. 1, согласно которой наибольшее количество продукции с гектара посадок при обоих вариантах обжарки можно получить у сорта Скороспелка при программировании урожайности 40 т/га клубней с соответствующим количеством ботвы: 9,0 т при слабой обжарке и 6,9 т - при сильной. При выбранном варианте купажирования выход порошкообразного заменителя кофе с гектара составил около 7,3 т.
Анализ качества образцов кофейного напитка проводили: содержание влаги - по ГОСТ 15113.4-77, золы - по ГОСТ 15113.8-77, экстрактивных веществ - по ГОСТ 32775-2014, инулина спектрофотометрическим методом в водном экстракте при λ=513 нм (Коренман, И.М. Фотометрический анализ. Методы определения органических соединений / И.М. Коренман. - М. Химия, 1975. - С. 205), рН (напитка) - по ГОСТ 51881-2002, углеводов - по ГОСТ Р 51636-2000, органолептическую оценку по стандартной методике (Вытовтов А.А. Теоретические и практические основы органолептического анализа продуктов питания: учеб. пособие. СПб.: ГИОРД, 2010. С. 146-147).
Полученный порошкообразный заменитель кофе представляет собой равномерно окрашенный порошкообразный продукт коричневого цвета. Значение рН приготовленного из него напитка составляет 4,9. При доступном методе измельчения удалось достичь размеров частиц не больше 100 мкм. При этом содержание сахаров в порошкообразном заменителе кофе составляет 38,2±4,3%. При употреблении напиток способен быстро насыщать организм.
Физико-химические показатели полученного порошкообразного заменителя кофе из клубней топинамбура сорта Скороспелка приведены в табл.4.
В процессе анализа полученных данных сделаны следующие выводы:
1. Одним из широко известных и рекомендуемых представителей диетических продуктов является топинамбур. Лучшим сырьем для получения порошкообразного заменителя кофе является топинамбур сорта Скороспелка, произрастающий в Нечерноземной зоне РФ, выращенный на фоне программирования урожайности 40 т/га клубней с соответствующим количеством ботвы, уборку которого осуществляют в конце сентября. Результаты исследования биохимического состава топинамбура сорта Скороспелка свидетельствуют о целесообразности его использования при производстве порошкообразного заменителя кофе (по данным З.И. Усановой и Ю.В. Байбаковой в условиях Верхневолжья содержание сухого вещества в клубнях топинамбура сорта Скороспелка колеблется в пределах 16-24%, а в зеленой массе - 20-30%; сырого протеина в ботве и клубнях - около 10% на абсолютно сухое вещество; сахаров в клубнях - около 22%). Большой выход конечного продукта позволяет снизить его себестоимость (табл. 1).
2. В ходе разработанной технологии получен порошкообразный заменитель кофе, обладающий функциональными свойствами (табл. 4), что позволяет рекомендовать его, в первую очередь, людям с сахарным диабетом 2-ого типа, а также людям с заболеваниями нервной системы, гипертонией, бессонницей, работникам умственного и физического труда, испытывающим повышенные психоэмоциональные нагрузки в сфере своей профессиональной деятельности.
3. Создание нового способа получения порошкообразного заменителя кофе из клубней топинамбура сорта Скороспелка расширит ассортимент лечебно-профилактических продуктов пищевого применения. Простота технологического процесса получения порошкообразного заменителя кофе из клубней топинамбура и большой его выход позволяют получить продукт невысокой себестоимости. Невысокая себестоимость полученного продукта и доступность его широкому кругу населения способствует решению проблемы улучшения рационов диетического, лечебно-профилактического и реабилитационного питания.
Заявленный способ получения порошкообразного заменителя кофе из клубней топинамбура промышленно осуществим. Разработанная технология не требует осуществления трудоемких операций. Для осуществления заявленного способа используется стандартное промышленно выпускаемое оборудование: сушильный шкаф ШС 80-01 СПУ, мельница растительных проб МРП-2.
Разработанный способ является технологичным, что позволяет провести масштабирование процесса и осуществить его в промышленных условиях.