Совершенствование производства кофейных напитков

ТЕХНОЛОГИЯ

УДК 663.93./94

Совершенствование производства кофейных напитков

Н.П. Дубодел,

д-р техн. наук, профессор ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности

Растворимый кофе — интернациональный продукт по происхождению. В конце XIX столетия японский химик, доктор Сарторн Като изобрел порошковый чай и в 1901 г. его технологию применили к кофе. Напиток стал доступным для потребителя стараниями швейцарского химика Макса Моргенталлера с 1906 г. Это был сгущенный кофе, который мог быть восстановлен путем добавления горячей воды. Реализация технологии получения растворимого кофе была впервые осуществлена Джорджем Вашингтоном в 1910 г., построившим завод в Гватемале. Широкое внедрение получения растворимого кофе принадлежит швейцарской компании Nestle с 1930 г. [1].

На сегодняшний день в России потребление кофе на одного человека составляет 0,86 кг в год, когда данный показатель в 2003 г. был 0,48 кг, т. е. он вырос на 79% [2].

В настоящее время во всем мире увеличивается производство кофе-продуктов, в том числе и кофейных напитков. На российском рынке второе дыхание получил цикорий. По предварительным данным, цикорий, который издавна известен как заменитель кофе, обладающий полезными свойствами, в текущем году покажет рост в 9%, что в натуральном выражении составит 10,1 тыс. т [2]. В связи с этим совершенствование технологии производства кофейных напитков получает все большее развитие. Большое число кофейных фирм, как отечественных, так и зарубежных проводят исследования по созданию новых технологических режимов, способствующих оптимизации всего

производственного цикла заданного кофепродукта.

Кофе — главный, а иногда и единственный компонент большинства кофейных напитков, производимых в мире. Все другие виды растительного сырья, используемые для производства кофейных напитков, появились как заменители кофе и в большинстве случаев уступают ему по своим качественным характеристикам.

Для получения широкой гаммы растворимых кофейных напитков необходимо правильно проводить такие технологические операции, как первичная обработка сырья, приемка и сепарация, обжаривание, ароматизация, размол и просеивание, смешивание компонентов, экстракция, сушка экстракта, упаковка. На различных этапах производства могут применяться технологические приемы, направленные на улучшение качества кофепродуктов или придание им разнообразных вкусоароматических характеристик [3].

Процесс обжаривания — главная операция при производстве всех видов кофейных напитков. От правильного выбора режимов обжаривания зависит ход сложных биохимических реакций, протекающих в сырье, и в конечном счете — качество полученного продукта.

За последние 50 лет были открыты способы обжаривания в электромагнитном поле — диэлектрический Q-способ сверхбыстрого обжаривания. Он предусматривает обжаривание зерен кофе в аппаратуре с псев-досжиженным слоем при температуре 290...400 °С в течение 30-120 с, быстрое охлаждение воздухом или

30 ПИВО и НАПИТКИ 4 • 2014

'ТЕХНОЛОГИЯ

инертным газом с целью получения порошка или хлопьев. Заваренный напиток из полученного таким способом кофе отличается пониженной горечью и более высокой стабильностью [4].

Усовершенствована технология получения обжаренного кофе, характеризующаяся повышенным выходом продукта и его высокими потребительскими свойствами. Суть ее в мягких условиях сушки зерен и быстром обжаривании. При этой технологии хлорогеновая кислота, содержащаяся в зеленых бобах кофе, разлагается и выделяется диоксид углерода, способствующий получению пористой структуры конечного продукта. Такой продукт при заварке более полно передает вкусовые вещества напитку.

В Германии предложен процесс получения порошкообразного обжаренного кофе, при котором зерна обжаривают при невысоких температурах в течение длительного времени, пока не начнут разрушаться клеточные структуры, в результате чего происходит выделение кофейного масла. После охлаждения продукта водой производят размол на рифленых вальцах, получая продукт грубого помола, который затем вторично размалывают до величины частиц 0,1-0,3 мм. Такой кофе имеет экстрактивность на 15-20% выше, чем полученный обычным путем.

Запатентован способ получения обжаренных зерен кофе, обеспечивающий высокий выход кофейного напитка [5]. Он состоит в том, что часть зерен (1-50%) обжаривается до темного цвета, а другая часть (50-99 %) — до светло-коричневого; содержание влаги в зернах этой части до обжаривания составляет более 7%. Первая часть зерен обеспечивает крепость завариваемого из смеси зерен напитка с минимальной интенсивностью запаха жженой резины. Вторая часть зерен смеси, не подвергавшаяся сушке, обеспечивает аромат и кислотность напитка.

Для улучшения контроля процесса обжаривания в Германии предложен способ обжаривания с помощью теплоносителя (горячий воздух), поступающего от теплового источника. Особенность способа состоит в составлении теоретического графика сушки, представляющего линейное повышение ее температуры от начальной до конечной. При этом прямая мо-

жет включать два отрезка: на первом подъем температуры значительный, а на втором — едва заметен. Благодаря тщательному контролю фактической температурной кривой при обнаружении ее отклонений от теоретической осуществляется немедленная подрегулировка: изменение температуры источника или направления движения теплоносителя. Процесс проводят в емкости, снабженной источником нагрева воздуха, а также системой регулирования его температуры и направления движения. Это позволяет получить кофе, обжаренный по намеченному режиму.

В Италии проведены исследования физических и физико-химических свойств кофе с разной степенью обжаривания [6].

Следующий этап после обжаривания для производства растворимого кофе — купажирование и размалывание зерен. Некоторые кофезаме-нители предварительно подвергают дроблению. Дробление и размалывание — физико-механический процесс, сопровождающийся трением и механическим разрушением клеток обжаренного полуфабриката.

При производстве растворимого кофе для получения высококачественно-

Мокрая или сухая?

С асептическим оборудованием для розлива в ПЭТ у Вас есть выбор, а у микробов шансов нет. www.krones.com

\Уе с1о тоге.

)<К1?ОГКЕ Б

ТЕХНОЛОГИЯ

Таблица 1

Рецептура Влагасырье, % Влагаобжар. полуфабрикат (факт.),% Угар на СВ, % Экстрак- тивность, % Цветн. ед. приб. «Колоретто» Масовая доля влаги порошкового кофе, % рН напитка кофе, ед. Массовая доля золы, % Массовая доля кофеина, %

Полуфабрикат Готовый продукт

Робуста Индия 1 с. — 70 % Робуста Индия 2 с. — 30 % 11,91 5,9 6,97 27,16 90-92 3,7 5,2 8,9 3,2

Робуста Индия 1 с. — 50 % Робуста Индия 2 с. — 50 % 12,89 6,4 7,60 28,26 88-90 3,8 5,0 9,0 3,4

Робуста Индия 1 с. — 100 % 11,49 5,9 6,36 27,69 90-92 3,8 5,1 9,2 3,2

Робуста Индия 1 с. — 35 % Робуста Въетнам 2 с. — 65 % 12,44 6,0 7,54 27,72 84-86 3,7 5,0 9,5 3,1

Робуста Индия 1 с. — 70 % Робуста Заир 2 с. — 30 % 12,03 6,3 6,78 27,40 86-88 3,7 5,0 9,0 3,2

Робуста Индия 1 с. — 35 % Робуста Индонезия 2 с. — 65 % 12,08 5,8 8,08 27,23 82-84 3,7 4,9 9,2 3,2

Робуста Индонезия 1 с. — 100 % 12,56 6,2 7,86 27,07 86-88 3,6 5,1 9,0 3,1

Робуста Индонезия 1 с. — 35 % Робуста Заир 2 с. — 65 % 12,81 6,5 5,67 27,32 82-84 3,5 5,0 9,4 3,4

Арабика Индия — 50 % Робуста Индонезия — 50 % 11,38 5,8 6,48 27,51 92-94 3,8 5,1 8,6 3,0

го напитка с разнообразными нотами вкуса после обжаривания различных видов сырья проводится его смешивание. Как правило, это осуществляется на дозаторно-смесительной станции в соответствии с заданной рецептурой. Полученная смесь подается на измельчение.

Результаты показателей качества некоторых рецептур (блендов), полученные под нашим руководством и непосредственным участием в производственных условиях, приведены в табл. 1.

На практике чаще всего для получения растворимого кофе используют сорт Робуста, поэтому испытывали разные купажные смеси. Предложены рецептуры с применением сорта Арабика для получения более благородного ароматного напитка с кислинкой. Результаты физико-химических показателей качества растворимого кофе (см. табл. 1) указывают на возможность использования любой из предложенных рецептур в производственных условиях.

Для получения растворимого кофе размолотые кофейные зерна подвергают экстракции — высвобождению из кофейного порошка вкусоарома-тических веществ в результате его взаимодействия с водой или другим растворителем.

Один из способов получения экстракта кофе, предложенный в США, предусматривает следующие операции: предварительную обработку паром водной смеси молотого обжаренного кофе в закрытой емкости под давлением до 3,1 МПа при тем-

пературе более 200 °С; поддержание заданных значений температуры и давления в течение определенного периода времени; быстрый сброс давления в емкости и обработку полученной суспензии гидролитическим ферментом или смесью гидролитических ферментов из группы, включающей протеазу, целлюлазу, пектиназу и др. [7]. После образования осадка жидкость сливают, а остаток центрифугируют и высушивают, получая растворимый кофе с улучшенным ароматом и выходом экстрактивных веществ до 53%.

С целью увеличения выхода и повышения качества растворимого кофе в России разработан способ экстрагирования в две стадии. Первая проводится по традиционной методике. Перед началом второй стадии в кофе вводят ферментный препарат ксилоглюка-нофоетидин и воду. Смесь выдерживают при 40...60 °С в течение 2-5 ч, затем экстрагируют при температуре 165.175 °С. После этого полученный экстракт смешивают с экстрактом первой стадии экстрагирования.

Способ быстрого извлечения ценных компонентов из высушенного растительного материала (чая, кофе и др.) в виде концентрированной жидкости, а также установка для его осуществления разработаны в США [8]. Способ обеспечивает получение экстракта высокой степени прозрачности, без потерь вкусоароматиче-ских соединений и без компонентов с неприятным, горьким или вяжущим вкусом. Он включает экстрагирование ценных компонентов водой при

температуре 40.60 °С, создание в смеси ультразвуковых колебаний с частотой в пределах 100-500 кГц, фильтрование при уменьшении давления 3-8 кПа с целью отделения экстрагированных компонентов. Одновременно осуществляется стерилизация экстракта благодаря действию ультразвуковых волн.

Австрийскими специалистами представлен процесс получения кофейного экстракта с помощью центрифуги с боковыми отверстиями [9]. В камеру центрифуги подают кипяченую воду при температуре 90.100 °С и проводят экстракцию по ступенчатому режиму: вращение центрифуги 3-6 с, выдержка без вращения — 30-60 с, окончательная экстракция при вращении. Получаемый экстракт вытекает в специальную емкость через отверстия в камере центрифуги.

ЭКСТРАКЦИЯ Режимы: загрузка — 180 кг; давление — 14 атм; скорость питательной воды — 1250 кг/ч; температура (тах) — 180 °С

1

ОТБОР ЭКСТРАКТА Разовый — 468 кг. Сухие вещества — 18-19 %

1

СУШКА 1

Рис. 1. Существующая схема экстракции растворимого кофе. Коэффициент DOFF = 2,6

32 ПИВО и НАПИТКИ 4 • 2014

ТЕХНОЛОГИЯ

Исходный кофе подается в виде тон-коизмельченного порошка. Данный метод способствует более полной экстракции кофе.

Российскими исследователями предложен новый способ экстрагирования растительного сырья, при котором процесс массообмена интенсифицируется путем совмещения экстрагирования с промежуточным отжимом [10]. При работе экстрактора исходное сырье подается в первую секцию, где под действием вращающихся ковшей осуществляется интенсивный контакт твердой и жидкой фаз. Затем ковш перемещает твердую фазу в отжимную камеру, где специальной пластиной из нее удаляется часть жидкости, находящейся в порах и между частицами. Далее сырье подается в следующую секцию и цикл повторяется. После попадания в последнюю, девятую секцию, сырье удаляется из аппарата. Исследования показали эффективность применения

кофеперерабатывающих заводах находится на уровне 2,3-2,5. Зарубежные источники указывают, что его оптимальное значение должно быть в пределах 2-4. Под нашим руководством разработана схема по увеличению коэффициента DOFF.

При увеличении коэффициента в пределах 3-3,5 и выше для сохранения качества готовой продукции отбор экстракта необходимо проводить в две стадии: ароматическая фракция; гидролизная фракция (рис. 2).

На Московском пищевом комбинате получены ориентировочные нормы расхода сырья в производственных условиях по шести рецептурам (табл. 2) с использованием общепринятой и раздельной двухэтапной экстракции.

Полученные данные свидетельствуют о том, что нормы расхода сырья по предлагаемой двухэтапной схеме экстракции ниже на 0,8-1,0% существующих, т. е. выход готовой продукции соответственно больше.

Органолептическая оценка полученных с использованием ароматической фракции образцов растворимого кофе по основным показателям — вкусу и аромату — на уровне 4,3 баллов при пятибалльной оценке. При существующей схеме экстракции эти показатели находятся на уровне 3,5 балла.

Для ускорения процесса экстракции и повышения качества по-

4 • 2014 ПИВО и НАПИТКИ 33

Предварительное смачивание измельченного кофе водой

Отбор ароматической фракции — до 150 кг. Сухие вещества 20-24 %

Танк для хранения

I

Сушка

Смеситель: 1 часть ароматической фракции и 1 часть гидролизной фракции

ЭКСТРАКЦИЯ

Режимы:

загрузка — 180 кг с последующим увлажнением; давление — до 15 атм; скорость питательной воды — до 1400 кг/ч; температура (max) — 182 °С

Отбор гидролиз не мене Сухие вещества ной фракции — 390 кг. около 13-14,5 %

> 1

Танк для хранения

> 1

Выпаривание до содержания —

Рис. 2. Предлагаемая двухэтапная схема экстракции растворимого кофе. Коэффициент DOFF = 3,0 и выше

Таблица 2

Норма расхода сырья, %

Рецептура Существующая — совместная экстракция Предлагаемая — раздельная экстракция

Робуста Индия 1 с. — 50 % Робуста Индия 2 с. — 50 % 2714,1 2686,9

Робуста Индия — 100 % 2726,7 2699,4

Робуста Индонезия — 100 % 2753,9 2726,3

Робуста Индия 1 с. — 35 % Робуста Вьетнам 2 с. — 65 % 2723,8 2696,5

Арабика Индия — 50 % Робуста Индонезия — 50 % 2776,4 2748,6

Арабика Бразилия — 50 % Робуста Вьетнам — 50 % 2766,5 2738,7

промежуточного отжима при экстрагировании растительного сырья. При этом капитальные затраты на организацию и производство по сравнению с традиционными технологиями снижаются в 1,5-2 раза.

Отечественные ученые разработали способ экстрагирования жареного и молотого кофе для получения экстракта при производстве растворимого кофе. Кофе предварительно увлажняют путем перемешивания с водой при температуре 20...100 °С для получения содержания воды 20-50 мас. %, затем подают его в удлиненный экстрактор для его заполнения, газы и водяной пар удаляют, экстрагирование проводят при температуре 160.190 °С и давлении 600 мбар. Экстрагирование осуществляют со скоростью потока жидкости 20-25 м/ ч, продолжительность экстракции 1-2,5 ч [11].

Анализ современных технологий, используемых на крупных зарубежных кофеперерабатывающих фирмах, показал, что существуют три фактора, оказывающие значительное влияние на выход водорастворимых веществ при экстракции:

• размер измельченных кофейных частиц;

• температура и давление питательной воды при экстракции;

• соотношение массы измельченного кофе в экстракционной батарее к количеству отбираемого из нее экстракта, так называемый коэффициент Draw OFF, или фактор DOFF (рис. 1).

Работы по выбору оптимального размера кофейных частиц, температуры и давления питательной воды нами проведены ранее.

В настоящее время значение коэффициента DOFF на отечественных

ТЕХНОЛОГИЯ'

лучаемого экстракта за счет более полного выделения растворимых веществ из сырья и устранения потерь ароматических веществ нами разработан новый способ получения растворимых кофейных напитков. Этот результат достигается тем, что в предложенном способе сырье из обжаренных и измельченных зерен кофе или его заменителей перед увлажнением подают в экструдер с реверсивными элементами, увлажняют там до влажности 7-20% и подвергают термомеханической обработке при температуре 120.180 °С под давлением 3-12х106Па в течение 20-50 с, а выходящий экструдат смешивают с горячей водой в соотношении 1:3-1:4 и подвергают экстракции при температуре 90 °С, давлении 0,1-0,2х106 Па в течение 10-12 мин.

При экструзии (термомеханической обработке) сырья с применением указанных параметров получается продукт — экструдат в виде массы прямых жгутов округлого поперечного сечения с шероховатой поверхностью и развитой пористостью. При этом происходят ослабление и разрушение клеточных оболочек ко-фепродукта, увеличивается способность их к набуханию и значительно повышается экстрактивность. Это обеспечивает ускоренное и более полное выделение растворимых веществ из экструдата и исключение потерь ароматических веществ в замкнутом корпусе экструдера.

Одновременно нами разработана установка для осуществления данного способа, которая обеспечена упрощенной конструкцией для уско-

рения протекающего в ней процесса экстракции.

Предложенная установка, содержащая бункер для сырья и экстрактор непрерывного действия, перед которым установлен экструдер с реверсивными элементами, монтированными на шнеке на расстоянии 1/3-1/4 его длины от выхода экс-трудата. Экстрактор имеет вид трубопровода, передняя часть которого выполнена в виде смесительной камеры с оппозитно установленными форсунками, связанными с трубкой подачи горячей воды под давлением, и соединена с корпусом экструдера в зоне выхода экструдата, а задняя часть — снабжена регулируемой заслонкой.

Разработанная нами установка имеет более простую и компактную конструкцию в сравнении с известными и позволяет ускорить процесс получения экстракта высокого качества.

Таким образом, предлагаемые технологии: двухстадийная экстракция и использование экструдера при получении растворимых кофейных напитков позволили за короткое время более полно выделить растворимые вещества из сырья и исключить потери ароматических веществ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иванов, Ю. Г. Наш любимый кофе. — Смоленск, Русич, 1999. — 448с.

2. Милашевич, М. Рынок горячих напитков. Российский рынок кофе: тенденции и пер-спективы/М. Милашевич // Кофе и чай в России. — 2013. — № 6. — С. 30-31.

3. Пути совершенствования производства кофепродуктов/Р. Г. Гаргиянц [и др.] //

Известия вузов. Пищевая технология. — 2002. — № 1. — С. 12-16.

4. Packed bed us fluid bed // Tea and Coffee Trade J. — 1996. — 2. — Р. 76, 78-79.

5. Заявка W095/14390 РСТ, МКИ6 А 23 F 5/04, 5/12, 5/10. High-yield roasted coffee with balanced flavor/M. R. Jensen, S. J. Kirkpairick, J. K. Lep]pla. The Proctor and Gamble Co. — № US 93/11476; Заявл. 24.11.93; Опубл. 01.06.95.

6. Influence of heating rate on some physic-chemical propertiese of coffee beans during the roasting process/C. Severini [et all.] // 14 cme Coltog sci. int. cafe, San Francisco, 14-19 juill, 1991/ASIC — Paris, — 1992. — P. 641-648.

7. Пат. 637294 Австралия, МКИ5 А 23 F 005/26, A 23 F 005/46. An improved method for producing coffee extracts/Colton Raiph L. — № 62622/91; Заявл. 02.01.91; Опубл. 20.05.93.

8. Пат. 5358725 США, МКИ 5 А 23 F 3/00, 5/00. Method and device for extracting effective ingredients from dried plant materials/Izumitani Maremitsu. Sawada Yoshimi; McCoffee Co., Ltd. — 85985; Заявл. 01.07.93; Опубл. 25.10.94; Приор. 01.07.92, № 4-197788 (Япония).

9. Пат. 403000 Австрия, МКИ6 А 47 J 31/36, A 23 А 5/26. "Vferfahren zum Zubereiten eines Kaffeegetrankes durch Rotationsextraktion/Tchibo Frisch-Rost-Kaffee GmbH. — № 120/96; Заявл. 26.01.96; Опубл. 27.10.97.

10. Ломачинский, В.А. Экстрагирование растительного сырья в аппаратах с промежуточным отжимом (теория и практическое применение)/В. А. Ломачинский // Хранение и переработка сельхозсырья. — 1995. — № 5. — С. 6-12.

11. Патент 233659 МПК А23 F 5/10. Способ получения экстракта кофе и его заменителей и установка для его осуществления/В. Н. Степанов, Н. П. Дубодел; Заявл. 07.06.2006; Опубл. 20.09.2008. &

Совершенствование производства кофейных напитков

Ключевые слова

зерна кофе; качество сырья; кофейные напитки; технология; экстрагирование.

Реферат

Увеличение объемов производства кофейных напитков во всем мире требует создания новых технологических режимов, способствующих получению заданного продукта. Разработаны технологические и технические решения, позволяющие ускорить и более полно провести процесс экстракции при сохранении высокого качества кофе и исключить потери ароматических веществ

Автор

Дубодел Нина Павловна, д-р техн. наук, профессор

ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности

119021, Москва, ул. Россолимо, д. 7, institut@vniinapitkov.ru

The Improvement of the Coffee Beverages Production

Key words

coffee seeds; quality of raw materials; coffee beverages; technology; extraction.

Abstract

Increased production of coffee beverages worldwide requires new technological regimes, which would support to get the needed product. Were developed technological and technical solutions, which can enable faster and more fully carry out the extraction process keeping high quality of coffee and avoiding losses of flavour substances

Author

Dubodel Nina Pavlovna, Doctor of Technical Science, Professor AU-Russian Research Institute of Brewing, Beverage and Wine Industries, 7 Rossolimo str., Moscow, 119021, Russia, institut@vniinapitkov.ru

34 ПИВО и НАПИТКИ 4 • 2014