Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Литературный обзор 12
1.1 Кофе в пищевой промышленности 12
1.1.2 Химический состав кофейного зерна 15
1.1.2.1 Общее представление о химических соединениях кофе 15
1.1.2.2 Ключевые химические соединения кофе 1
1.2 Общая технология производства натурального растворимого кофе 22
1.3 Перспективные методы интенсификации экстрагирования кофе
1.3.1 Методы влияния на состав и свойства биологических систем 26
1.3.2 Ультразвук и сущность ультразвуковых колебаний
1.4 Активность воды как показатель качества полуфабрикатов и готовых продуктов 29
1.5 Цели и задачи исследования 32
ГЛАВА 2 Постановка эксперимента, объекты и методы исследования 34
2.1 Организация проведения исследования 34
2.2 Объекты исследования 37
2.3 Методы исследования 39
2.3.1 Обработка экспериментальных данных 47
3 Экспериментальная часть 49
3.1 Характеристика кофе-сырья, используемого в исследовании 49
3.1.1 Обоснование и выбор кофе-сырья для научного исследования 49
3.1.2 Исследование свойств используемого кофе-сырья 50
3.1.2.1 Определение органолептических показателей кофе-сырья
3.1.2.2 Определение физико-химических показателей кофе-сырья 52
3.2 Обоснование параметров технологии приготовления экстракта кофе при проведении исследования 54
3.2.1 Отработка технологии размола натурального жареного кофе 55
3.2.2 Отработка технологии экстрагирования натурального жареного молотого кофе 57
3.4 Методы обработки биологических систем с целью интенсификации извлечения растворения сухих компонентов 62
3.4.1 Отработка методики озвучивания смеси экстракта кофе с кофейным жмыхом 64
3.5 Изучение влияния ультразвукового воздействия на свойства кофейного экстракта 67
3.5.1 Оценка влияния ультразвука на физические характеристики экстракта кофе 68
3.5.1.1 Изучение влияния ультразвуковой обработки на дисперсность получаемого кофейного экстракта 68
3.5.1.2 Изучение влияния ультразвуковой обработки на длительность последующего фильтрования кофейного экстракта 69
3.5.2 Оценка влияния ультразвука на состав экстракта кофе 72
3.5.2.1 Изучение влияния ультразвуковой обработки на степень извлечения растворимых сухих веществ в экстракт кофе 72
3.5.2.2 Исследование влияния ультразвуковой обработки на содержание кофеина в кофейном экстракте 76
3.5.2.3 Исследование влияния ультразвуковой обработки на содержание 5-гидроксиметилфурфурола в кофейном экстракте 81
3.5.2.4 Исследование влияния ультразвуковой обработки на показатель активности воды кофейного экстракта 83
3.5.2.5 Исследование влияния ультразвуковой обработки на хранимоспособность получаемого экстракта 86
3.6 Выбор рекомендуемого режима ультразвуковой обработки экстракта кофе 88
3.7 Анализ экономической эффективности применения ультразвуковой обработки экстракта кофе 93
4 Выводы 95
Список литературы
- Общая технология производства натурального растворимого кофе
- Методы исследования
- Обоснование параметров технологии приготовления экстракта кофе при проведении исследования
- Исследование влияния ультразвуковой обработки на содержание кофеина в кофейном экстракте
Введение к работе
Актуальность темы. Важной задачей пищевой промышленности является максимальное извлечение компонентов из сырья при производстве пищевых продуктов.
Наиболее ценными компонентами большинства пищевых сырьевых ресурсов являются биологически активные вещества (БАВ). Они представляют собой химические соединения, которым свойственна высокая физиологическая активность. БАВ способны оказывать положительное действие на человека даже при небольших концентрациях. Оно может выражаться в стимулировании работы мозга, тонизировании организма, а также способствовать концентрации внимания.
Наиболее известным российскому потребителю продуктом с содержанием биологически активных веществ является кофе. Чтобы при производстве пищевых продуктов извлекалось максимальное количество веществ из сырья, необходим строгий контроль технологических процессов, а также совершенствование и внедрение новых способов обработки, которые способствуют снижению потерь компонентов обрабатываемых объектов. Разработка новых технологических приемов и их внедрение является залогом успешного современного предприятия.
Необходимость совершенствования процессов производства кофе подтверждается непрерывно осуществляющимися разработками в данной области таких ученых как Ю.Г. Рудась, Д.Е. Степанов. Кофе занимает особое место на рынке России, при этом популярность натурального растворимого кофе находится на высоком уровне.
Основанием для совершенствования технологий является продвижение в пищевой промышленности в последнее десятилетие концепций ресурсосберегающих и безотходных производств. Одним из перспективных методов обработки пищевых систем, который может способствовать интенсификации извлечения компонентов сырья в рамках ресурсосберегающих технологий, является ультразвук. С помощью ультразвуковой обработки интенсифицируют процессы извлечения, диспергирования, разрушения различных химических соединений, образующих биологические объекты и системы.
В основу рабочей гипотезы проведенного исследования заложено предположение о том, что ультразвуковая обработка на этапе экстрагирования натурального жареного молотого кофе способна оказывать положительное влияние на степень извлечения растворимых сухих веществ и биологически активных компонентов, их соотношение в экстракте кофе, его качество и физико-химические характеристики.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования являлось совершенствование технологии экстрагирования биологически активных компонентов при производстве натурального растворимого кофе, путем применения ультразвуковой обработки на этапе получения экстракта натурального жареного молотого кофе для повышения концентрации БАВ в готовом натуральном растворимом кофе.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- изучение влияния ультразвуковой обработки смеси экстракта кофе с кофейным жмыхом на: а) процесс извлечения растворимых сухих веществ; б) содержание биологически активного вещества кофеина в готовом экстракте; в) содержание 5-гидроксиметилфурфурола в получаемом экстракте кофе; г) активность воды получаемого экстракта;
определение возможного варианта применения ультразвуковой обработки на производстве натурального растворимого кофе;
разработка проекта технической документации на производство натурального растворимого кофе с применением ультразвуковой обработки на этапе получения экстракта натурального жареного молотого кофе.
Научная новизна. Предложено применение ультразвуковой обработки на этапе получения экстракта кофе натурального жареного молотого с целью интенсификации процесса извлечения биологически активного компонента кофеина.
Установлено влияние ультразвуковой обработки смеси кофейного жмыха с экстрактом кофе на уровень образования 5-гидроксиметилфурфурола, являющегося показателем качества и безопасности продукции.
Доказано влияние ультразвуковой обработки смеси кофейного жмыха с экстрактом кофе на активность воды в системе «вода - кофе» на этапе получения экстракта натурального жареного молотого кофе.
Практическая значимость работы. Показана возможность применения ультразвуковой обработки при получении экстракта натурального жареного молотого кофе.
Установлено влияние ультразвуковой обработки экстракта натурального жареного молотого кофе на степень извлечения кофеина, что отвечает принципам ресурсосберегающих технологий в рамках современной тенденции стремления предприятий к безотходному производству.
Обоснована необходимость контроля и стандартизации содержания 5-гидроксиметилфурфурола в экстракте кофе при производстве кофе натурального растворимого для обеспечения качества и безопасности готовой продукции.
Предложена модернизированная технологическая схема производства сублимированного натурального растворимого кофе с применением ультразвуковой технологии.
Апробация работы. Результаты диссертационного исследования были доложены на следующих мероприятиях: II Всероссийский конгресс молодых ученых (СПб, СПб НИУ ИТМО ИХиБТ, 2013 г.); VI Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (СПб, СПб НИУ ИТМО ИХиБТ, 2013 г.); III Всероссийский конгресс молодых ученых (СПб, СПб НИУ ИТМО ИХиБТ, 2014 г.); Научно-практический семинар «Функциональные продукты из сырья растительного происхождения» (СПб, СПб НИУ ИТМО ИХиБТ, 2014 г.); Научная школа-семинар для молодых ученых «Качество и безопасность продукции: проблемы и пути решения» (СПб, ФГБОУ ВПО СПбГТЭУ, 2014 г.); IV Всероссийский конгресс молодых ученых (СПб, СПб НИУ ИТМО ИХиБТ, 2015 г.).
Печатные труды. По результатам научного исследования было опубликовано 9 печатных трудов, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных высшей аттестационной комиссией Российской Федерации.
Основные положения, выносимые на защиту:
- научное обоснование параметров ультразвуковой обработки с целью
совершенствования процесса экстрагирования компонентов кофе-сырья при
производстве натурального растворимого кофе в рамках безотходных технологий;
- влияние параметров ультразвуковой обработки при получении экстракта
натурального жареного молотого кофе:
а) на степень извлечения растворимых сухих веществ;
б) на степень извлечения биологически активного вещества кофеина;
в) на уровень образования 5-гидрокисметилфурфурола;
г) на активность воды системы «кофе - вода» и хранимоспособность экстракта;
- выбор оптимального режима ультразвуковой обработки для повышения качества
и безопасности производимого натурального растворимого кофе.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 19 рисунков, 8 таблиц, 27 формул, приложение. Список литературы состоит из 124 наименований.
Общая технология производства натурального растворимого кофе
Тригонеллин, другое название - метилбетаинникотиновая кислота. Образуется вследствие реакции метилирования никотиновой кислоты [72]. Обнаруживается в Арабике в количестве 1,0-1,2%, в Робусте содержание порядка 0,60-0,74%, а в сортах вида Либерика - 0,2-0,3%. Тригонеллин является основным предшественником образования никотиновой кислоты в кофейных зернах, что происходит в процессе обработки сырья [63]. Данный алкалоид определяют на производстве лишь при необходимости. Например, при приемке абсолютно нового для предприятия кофе-сырья.
Теобромин представляет собой диметилксантин. При окислении образует монометилаллоксан и монометилмочевину [64]. В зернах кофе содержание теобромина невелико - порядка 1,5-2,5 мг-%; в таком же положении находится и теофиллин, или 1,3-диметилксантин, представленный в зернах кофе в количестве от 1,0 до 4,0 мг-% [69, 119].
Фенольные соединения представляют собой хлорогеновые кислоты и дубильные вещества. Хлорогеновые кислоты - моноэфиры и диэфиры коричной и хинной кислот. В кофе они представлены смесью из порядка десяти соединений [76]. Изохлорогеновая кислота представляет собой смесь дикофеилхинной кислоты, как правило, из трех фракций (ее изомеров) [86]. Кофе-сырье содержит порядка 7-10% хлорогеновых кислот. Они играют важную роль в формировании цвета кофе. Так, в процессе обжарки под действием температуры содержание их снижается почти в 3 раза. В результате увеличивается содержание кофейной и хинной кислот. Протекают реакции с аминокислотами, белками, что приводит к образованию темноокрашенных соединений [68, 106]. При обжаривании зерен на кофейных предприятиях контролируют цвет получаемого полуфабриката. Ориентируясь на цвет, выставляют необходимые параметры температуры и длительности обжаривания, что в дальнейшем оказывает влияние на расход фенольных соединений, участвующих в химических реакциях и приводящих к изменению цвета полуфабриката. Среди дубильных веществ кофе можно выделить таннин, массовая доля которого составляет порядка 3,6-7,7%. Роль его такова, что в результате тепловой обработки зерен кофе, в процессе которой действует фермент-окислитель полифенолоксидаза, образуются темноокрашенные пигменты. Помимо этого, таннин принимает участие и в формировании вкуса обжаренного кофе. И в случае «пустого» вкуса у полуфабриката можно предполагать чрезмерное обжаривание, которое привело к почти полному разрушению таннина [78].
Белковые вещества в Арабике, Робусте и Либерике присутствуют примерно в одном количестве. В состав белков кофе входят 20 аминокислот - это и глутаминовая, и аспарагиновая, глицин, лейцин и др. [79]. Общее же содержание белков снижается в ходе обжарки примерно на 15%, и они трансформируются в белковоподобные вещества - соединения белков или их фрагментов с углеводами или веществами ароматической природы - фенольными соединениями [118]. Свободные аминокислоты участвуют в формировании цвета и аромата кофе, вступая в сахароаминные и хинониминные реакции [74].
Содержание липидов в Арабике колеблется в пределах 12-18%, в Робусте -9,0-13,4%, Либерике - 11-12%. Жирные кислоты, входящие в состав липидов, определяют характерные особенности липидов, а их содержание варьируется в сортах одного и того же вида кофе. Непредельные жирные кислоты достигают по своему содержанию в общей массе кислот 60%, что является определяющим фактором окислительных превращений кофейного масла [94, 112].
Масло кофе содержит порядка 4% фосфатидов. В масле зерен Арабики и Робусты около 7-20% неомыляемых компонентов липидов, представленных дитерпенами кафестролом и кавеолом в виде эфиров жирных кислот [54, 75].
Органические кислоты представлены лимонной, яблочной, малеиновой, уксусной и щавелевой. Их содержание в разных видах и сортах кофе отлично друг от друга [77].
Углеводы составляют порядка 50-60% общей массы сырых кофейных зерен. Они представлены сахарозой в количестве 6-10%, целлюлозой - 5-12%, пектиновыми веществами - 2-3%, высокомолекулярными полисахаридами (клетчатка, лигнин). Помимо прочего, в зернах кофе присутствуют глюкогалактоманнан и галактоза, манноза и арабиноза [70]. Стоит отметить и следующую особенность: в Арабике преобладает сахароза, а в Робусте -редуцирующие сахара [107].
Углеводы подвергаются серьезным изменениям в ходе обжарки, как и многие другие компоненты кофе. Сахароза почти полностью исчезает. В самом начале термической обработки резко снижается содержание моносахаридов, что обусловлено их расходом на реакции карамелизации и меланоидинообразования [105].
Количество минеральных веществ обуславливается сортом кофе, районом произрастания, способом обработки, особенностями, химикатами, направленными на удобрение и уничтожение вредителей плантаций. Общее количество минеральных веществ варьируется в пределах от 3,0 до 4,5%. Около половины приходится на калий, в меньшей степени присутствуют магний и кальций, и далее - натрий, железо, марганец и др. [82]. В течение долгих лет экспериментов, направленных на улучшение потребительских свойств готового продукта, было установлено, что чем выше массовая доля цинка, марганца и рубидия в сырых зернах кофе, тем лучше вкусо-ароматические свойства продукта. Обжарка кофе ведет к увеличению содержания минеральных веществ до 5-7%, вследствие снижения количества сухого вещества [65].
Обжаренный кофе богат ароматическими веществами, число которых свыше трехсот. Основной критерий качества кофе - его аромат, который обусловлен такими серосодержащими летучими компонентами как фурфурилмеркаптан, фурфурилметилсульфид, фурфурилметилдисульфид [84].
Витамины представлены тиамином (витамин В і), рибофлавином (витамин В2), пантотеновой кислотой, никотиновой кислотой (витамин РР), пиридоксином (витамин Вб), токоферолом (витамин Е) [81].
Методы исследования
Полученное значение заносили в программу хроматографа. 2 см полученного раствора посредством одноразового шприца пропускали через мембранный фильтр 0,45 мкм в чистую кювету. Герметично закрывали. Помещали образец в автоинжектор. Запускали процесс калибровки и последующее определение кофеина в образцах. Коэффициент корреляции в результате калибрования не должен был быть менее 0,999. После калибровки осуществлялся основной анализ и выводился результат определения кофеина в образцах. Расчет значения массовой доли кофеина производился автоматически программой, результат отображался в таблице отчета. Точность измерения составляла ±0,02%. 14. Определение активности воды в образцах экстракта кофе натурального жареного молотого осуществлялось согласно методике работы на приборе для измерения активности воды АВК-4 [27].
Исследуемый образец переносили в кювету, которую помещали в камеру устройства на специальную замораживающую поверхность. В центральную часть кюветы с образцом погружали термоэлектрический датчик и следили за изменением текущего значения температуры в процессе охлаждения и замораживания с течением времени. Посредством математического алгоритма микропроцессор на основании криоскопической температуры в ходе замораживания высчитывал активность воды посредством числового дифференцирования функции зависимости момента времени, при котором происходила смена текущего значения температуры с дискретностью ±0,1 С, в зависимости от текущего значения температуры пробы. Момент времени смены дискретного значения температуры в центре исследуемой пробы измеряли с точностью до ±0,01 секунды и выше при измерении длительности процесса охлаждения-замораживания продукта. При этом измерение текущего значения температуры исследуемого образца осуществляли с разрешающей способностью ±0,1С и с точностью ±(0,1-Ю,2)С. То есть выполнялось дифференцирование термограммы охлаждения-замораживания исследуемой пробы в режиме реального времени. Это обеспечивало высокую точность при высокой интенсивности охлаждения и последующего замораживания находящегося в кювете образца при сопутствующем снижении его массы и/или объема для измерения.
Устройство устанавливали на горизонтальную поверхность и проводили необходимые соединения с компьютером.
При первоначальном подключении устройства устанавливали на компьютер программное обеспечение: драйвер прецизионного термометра и программу обработки полученных данных. Запускали драйвер термометра и подготавливали его к работе путем ввода коэффициентов с помощью меню «Загрузка коэффициентов». Подключали устройство к сети и включали переключатель в положение «ВКЛ». Устанавливали соединение с помощью клавиши «Соединить», далее активировали функцию «Непрерывное сканирование». Включали опцию «Сохранять результаты», при этом вводили имя файла, где будут сохраняться результаты будущего эксперимента в текстовом формате. Датчик температуры вынимали из емкости, в которую помещали пробу. Емкость на 8 см заполняли образом, после чего в неё помещали датчик температуры с пробкой. Ёмкость опускали в отверстие холодильника, и далее включали питание устройства.
Предварительно перед проведением эксперимента включали на непродолжительное время устройство с целью предварительного охлаждения холодильника, что приводило к уменьшению времени проведения эксперимента.
Микропроцессор с помощью математического алгоритма, основываясь на криоскопической температуре в процессе охлаждения и замораживания образца в кювете, рассчитывал активность воды с помощью числового дифференцирования функции зависимости момента времени, при котором происходило изменение значения температуры с дискретностью ±0,1 С. Момент времени смены дискретного значения температуры в центре исследуемой пробы измерялся с точностью ±0,01 сек и выше при измерении продолжительности процессов охлаждения и последующего замораживания продукта в кювете. При этом измерение текущего значения температуры исследуемого образца осуществляли с разрешающей способностью ±0,1 С и с точностью ±(0,1-0,2)С.
Полученные результаты обрабатывались специальной программой обработки данных, работающей в среде Excel с заранее созданной надстройкой.
В Excel открывали файл с данными проведенного опыта, в котором отображалась диаграмма, на которой отображалась температурная кривая, созданная посредством работы надстройки. В результате программной обработки, определялась криоскопическая точка, а ее параметры выводились в заголовок диаграммы. Результаты опыта выводились посредством приложения Microsoft Office Excel 2010 в графическом виде с сопровождением соответствующими числовыми значениями температуры точки замерзания, а также длительности кристаллизации образца в кювете и активности воды в нем.
Определение массовой концентрации 5-гидроксиметилфурфурола в образцах экстракта кофе натурального жареного молотого осуществляли согласно методике спектрофотометрическим методом.
Навеску 5-ГМФ 0,05 г и переносили в мерную колбу объемом 100 см . Доливали до метки бидистиллированную воду. Полученный стандартный раствор 1 хранили в холодильнике не более недели. Из стандартного раствора 1 готовили серию стандартных растворов 2, 3, 4 с соответствующим разбавлением 1:100, 1:50, 1:25. Полученные стандартные растворы хранили в холодильнике не более недели. В зависимости от определяемых образцов, стандартные растворы можно было готовить с другими концентрациями.
Обоснование параметров технологии приготовления экстракта кофе при проведении исследования
Следующим этапом после определения в образцах изменения степени извлечения растворимых сухих веществ в зависимости от режима ультразвукового воздействия, было исследование их химического состава.
Биологическое действие ультразвука настолько обширно, что может выражаться во влиянии на обмен веществ и в изменении уровня обеспечения кровью и лимфой органов и тканей организма. В случае ультразвуковой обработки при высоких мощностях, ультразвук способен разрушать клетки и ткани. А при превышении определенного значения мощности и длительности озвучивания, возможен перегрев биологических объектов, что приводит к разрушению структуры [62]. Ультразвук оказывает на белки разрушительное действие: меняется их структура, форма и, как следствие, механизм функционирования в организме. Эти изменения зависят от свойств самого белка и веществ его окружающих (газы, балластные вещества и т.д.) [9].
Регулируя мощность ультразвука и длительность обработки, можно оказывать как положительное, так и отрицательное действие на биологические системы и содержащиеся в них биологически активные вещества. В проведенном исследовании в качестве такого вещества-индикатора выступал кофеин.
Образцы смеси кофейного экстракта со жмыхом обрабатывали при указанных ранее режимах ультразвуковой обработки. Затем каждый образец фильтровали для отделения нерастворимых частиц - жмыха. В полученном фильтрованном экстракте определяли содержание кофеина в пересчете на сухое вещество хроматографическим методом. При этом сначала проводили калибровку хроматографа, согласно методике работы с данным оборудованием. Коэффициент корреляции составил 1,0000 (рисунок 3.9). Calibration Report :
Хроматограмма стандартных растворов кофеина (калибровочный график), с помощью которых была осуществлена калибровка прибора
Содержание кофеина в контрольном образце составило 3,94±0,01% в пересчете на сухое вещество. Пример получаемой хроматограммы в результате измерения содержания кофеина на хроматографе представлен на рисунке 3.10. Хроматограмма: 1_2
Однако в случае ультразвуковой обработки образцов экстракта в течение 3 минут наблюдается другая тенденция. Увеличение содержания кофеина происходит только лишь при увеличении мощности ультразвука от 2 Вт до 4 Вт. При дальнейшем увеличении мощности до 8 Вт содержание кофеина в образцах уменьшается. Данное явление можно объяснить тем, что происходит разрушение этого биологически активного вещества под влиянием совокупности механического, физического и теплового действий.
Таким образом, регулируя мощность и длительность ультразвуковой обработки, можно оказывать влияние на степень извлечения биологически активного вещества кофеина в экстракт кофе. Физическое и химическое действие ультразвука на биологические системы ведет к изменению концентрации Н в тканях, расщеплению высокомолекулярных соединений [85]. При схлопывании кавитационных пузырьков, образуются кавитационные полости, при этом возникают электрические заряды на границе «газ-жидкость», которые могут вызывать в том числе люминесцентное свечение и ионизацию молекул воды (НгО = НО" + Н ) [50]. Продукты распада ионизированных молекул воды обладают повышенной химической активностью, которой объясняются некоторые особенности биологического действия ультразвука, в том числе способность изменять скорость процессов на границе «газ-жидкость», повышать растворимость азота в воде на 12%, а также интенсифицировать выведение газов из жидкости, разрушать высокомолекулярные соединения, в том числе углеводы [31]. В результате такого влияния могут образовываться побочные химические соединения. На этапе получения кофейного экстракта таким веществом выступает 5-гидроксиметилфурфурол. Поэтому были проведены соответствующие исследования с целью контроля данного вещества.
5-гидроксим етил фурфурол является соединением органической природы, образующимся при производстве, длительном хранении, в результате высокотемпературной или иной физико-химической обработки пищевых систем. 5-ГМФ по своей природе является продуктом разложения моносахаров.
Одним из продуктов, в котором обнаруживается высокая концентрация 5-гидроксиметилфурфурола, является мед. При этом количество данного органического вещества для меда регламентируется государственной нормативной документацией, в отличие от продукции кофейной отрасли.
Причиной необходимости контроля содержания 5-ГМФ является то, что он - фурановое производное. А вещества данного класса относят к ядам. Их аккумуляция в печени человека может приводить к дисбалансу биохимических процессов в организме.
Образцы смеси кофейного экстракта со жмыхом обрабатывали при следующих режимах ультразвуковой обработки: - длительность ультразвуковой обработки 1, 2 и 3 минуты; - мощность ультразвука от 2 до 8 Вт с шагом в 1 Вт. Затем каждый образец фильтровали для отделения нерастворимых частиц жмыха. В полученном фильтрованном экстракте определяли содержание 5-гидроксим етил фурфурола спектрофотометрическим методом. При этом сначала было осуществлено измерение для растворов чистого 5-ГМФ с целью построения градуировочного графика (определения расчетных формул и коэффициентов), согласно методике.
Исследование влияния ультразвуковой обработки на содержание кофеина в кофейном экстракте
В условиях промышленного получения натурального растворимого кофе может возникать необходимость промежуточного хранения экстракта натурального жареного молотого кофе между технологическими этапами производства. Связано это может быть как с плановыми активностями на заводе, так и с нестандартными или аварийными ситуациями. В таких случаях возникает риск порчи полуфабриката, и, как следствие, это может выражаться в высоких экономических затратах.
Чтобы не допускать порчи полуфабриката в случае вынужденного удлинения срока промежуточного хранения, необходимо прорабатывать условия хранения, модернизировать технологию производства, внедрять нестандартные подходы обработки полуфабриката.
Как было установлено на предыдущих этапах диссертационного исследования, ультразвуковая обработка экстракта кофе приводит к изменению показателя активности воды в полуфабрикате. При этом тенденция этого изменения выражается в уменьшении численного значения активности воды в экстракте кофе при увеличении мощности ультразвука. Следует предполагать, что снижение активности воды может приводить к снижению вероятности порчи полуфабриката, удлинению сроков хранения.
Как правило, экстракт с данными физико-химическими характеристиками, а именно с массовой концентрацией растворимых сухих веществ от 2 до 5%, может храниться до следующей стадии технологического процесса получения растворимого кофе в течение довольно длительного времени, порядка 80-90 ч при соблюдении температурных режимов (4-8С).
Образцы смеси кофейного экстракта со жмыхом обрабатывали при следующих режимах ультразвуковой обработки: - длительность ультразвуковой обработки 1, 2 и 3 минуты; - мощность ультразвука от 2 до 8 Вт с шагом в 1 Вт. Затем каждый образец фильтровали для отделения нерастворимых частиц жмыха. Затем образцы переливали в темные стеклянные конические колбы (100 см ), герметично закрывали пробками и помещали в холодильную камеру. В камере поддерживали температуру 4±2С.
Через 12 часов образцы доставали из холодильной камеры и органолептически определяли аромат и вкус. Затем определяли показатель активной кислотности в экстракте кофе. Процедуру повторяли каждые 12 ч в течение 7 дней. Данный срок обусловлен тем, что в случае плановой остановки или же аварийной ситуации на производстве, потребуется длительное время для возобновления работы предприятия. Однако срок более 7 дней не является целесообразным, так полуфабрикат небезопасно в дальнейшем направлять на последующие этапы производства кофе растворимого, а следует направить в отходы.
Результаты проведенного исследования показали, что с течением всего времени (168 ч) больших изменений в показателе рН не происходило. Во всех образцах, в том числе в контрольном, активная кислотность составляла 5,45±0,05 единиц рН. При этом изменение аромата началось на 6 сутки (144 ч) у обработанных ультразвуком образцов: появился частично неприятный, древесный аромат. У контрольного образца такое изменение обнаружилось на 5 сутки (132 ч), т.е. на 12 ч раньше.
Полученные данные могут свидетельствовать о положительном влиянии ультразвуковой обработки, ведущей к частичному увеличению сроков сохранения потребительских свойств полуфабриката
Для математического и последующего графического определения рекомендуемого режима ультразвуковой обработки был выбран метод Бокса, являющийся широко распространенным методом решения задач оптимизации параметров технологических режимов [7]. Параметрами оптимизации являлись продолжительность и мощность ультразвукового озвучивания.
Каждый показатель, характеризующий состав и свойства экстракта (степень извлечения растворимых сухих веществ, содержание кофеина и 5-ГМФ) был представлен в виде функции поверхности отклика для двух варьируемых параметров (длительность и мощность ультразвукового воздействия): где L - оптимизируемый показатель; т - длительность ультразвуковой обработки, мин; Р - мощность ультразвука, Вт.
С целью проведения расчетов высокой точности уравнение (3.10) было представлено в виде базового уравнения регрессии третьей степени (3.11). Именно уравнение регрессии третьей степени позволило при дальнейших расчетах получить высокие значения коэффициентов аппроксимации:
Для каждого из полученных уравнений регрессии с помощью статистического программного продукта Minitab 16 были построены контурные графики поверхностей с целью проведения графического анализа результатов исследования (рисунки 3.12-3.14). 3, Сев., %
Руководствуясь обозначенными условиями применительно к полученным контурным графикам поверхностей при их совмещении, были определены следующие значения рекомендуемых параметров ультразвуковой обработки: длительность озвучивания - 2 мин, мощность ультразвукового излучения - 8 Вт. На основании результатов проведенного исследования и выбранного режима ультразвуковой обработки, предложена технологическая схема производства сублимированного натурального растворимого кофе (рисунок 3.15) и разработан проект технической документации (СТО) (приложение А).