Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор патентно-информационной литературы 12
1.1 Анализ научно-технической литературы по оценке качества чая 12
1.1.1 Зависимость качеств чая от состава входящих в него веществ 12
1.1.2 Углеводно-белковый и кислотный состав чая 13
1.1.3 Влияние компонентного состава эфирного масла на качествочая 15
1.1.4 Характеристика алкалоидсодержащих веществ чая 16
1.1.5 Полифенолы чая, их характеристика и содержание в чае 18
1.1.6 Контроль содержания в чае минеральных веществ 29
1.2 Анализ научно-технической литературы по оценке качества кофе 33
1.2.1 Углеводно-белковый комплекс кофе 34
1.2.2 Зависимость качества кофе от содержания липидов и органических кислот 42
1.2.3 Влияние компонентного состава эфирного масла на качество кофе 43
1.2.4 Характеристика алкалоидсодержащих веществ кофе 45
1.2.5 Полифенолы кофе, их характеристика и содержание в кофе 46
1.2.6 Контроль содержания в кофе минеральных веществ 48
1.3 Анализ литературного обзора по оценке качества чая и кофе 49
2 Объекты и методы исследований 50
2.1 Схема исследования, сырье и материалы 50
2.2 Характеристика образцов и используемое оборудование 50
2.3 Анализ качества чая по стандартизированным методам 52
2.4 Анализ качества кофе по стандартизированным методам 60
2.5 Обработка экспериментальных данных с использованием пакета прикладных программ 65
3 Разработка новых видов чайной и кофейной продукции и совершенствование оценки их качества 69
3.1 Исследование качественных характеристик чая 69
3.1.1 Определение содержания жирных кислот чая на основе хроматографического анализа 69
3.1.2 Оценка водорастворимых веществ чая методом одноступенчатого процесса экстрагирования 76
3.1.3 Изучение пигментов, состава эфирного масла чая и влияния его компонентов на качество аромата чая 80
3.1.4 Изменение основных химических соединений чайного листа при производстве зеленого и черного чая 86
3.2 Разработка новых видов чайной продукции на технологической линии купажированного ароматизированного чая 93
3.3 Исследование качественных характеристик кофе 96
3.3.1 Определение содержания жирных кислот кофе на основе хроматографического анализа 96
3.3.2 Оценка водорастворимых веществ кофе методом многоступенчатого процесса экстрагирования 103
3.3.3 Изучение состава эфирных масел кофе 106
3.3.4 Анализ газовых фаз кофейных продуктов 112
3.4 Разработка новых видов кофейной продукции на технологической линии ароматизированного молотого кофе 115
3.5 Совершенствование оценки качества чайной продукции 118
3.5.1 Оценка характеристик чайного листа, его сезонных и географических свойств 118
3.5.2 Контроль чайного сырья при завяливании 122
3.5.3 Контроль чайного сырья при скручивании 123
3.5.4 Контроль чайного сырья при ферментации 126
3.5.5 Оценка чайных продуктов на основе их качественных характеристик 127
3.6 Совершенствование оценки качества кофейной продукции 142
3.6.1 Контроль процесса обжаривания кофейного сырья 142
3.6.2 Контроль процесса экстрагирования обжаренного кофе 145
3.6.3 Контроль процесса сушки экстракта кофе 146
3.6.4 Контроль технологического процесса кофейного производства 147
3.6.5 Оценка кофейных продуктов на основе их качественных характеристик 148
4 Производственные испытания и расчет экономической эффективности 157
4.1 Производственные испытания новых видов чайной и кофейной продукции 157
4.2 Экономический эффект от оценки качества разработанных новых видов чайной и кофейной продукции 158
Заключение 163
Список литературы
- Влияние компонентного состава эфирного масла на качествочая
- Анализ качества чая по стандартизированным методам
- Изучение пигментов, состава эфирного масла чая и влияния его компонентов на качество аромата чая
- Экономический эффект от оценки качества разработанных новых видов чайной и кофейной продукции
Влияние компонентного состава эфирного масла на качествочая
Углеводы, белки, липиды и органические килоты чая представляют основные соединения чайного растения [7]. Белки и полисахариды образуют полисахаридный комплекс [64].
Гликопротеины чая связываются редкоземельными элементами [149]. Полисахариды чая обуславливают связывание активного кислорода. Раствор этих сахаров способен поглощать радикалы ОН [57].
Остатки аминокислот являются составными частями протеинов, протеины в свою очередь, являются составными чатями протеидов. Соединения небелковой природы с ними прочно связаны [4].
В листьях чая, как свежих зеленых, так и подвергнутых технологической переработке, был определен состав пигменов, который показал зависимость цвета чая от чайных пигментов [112].
Выделены и количественно определены моносахариды и полисахариды чая методом ВЭЖХ с непрямым детектированием в ультрафиолетовой области [115]. Для одновременного определения альдоз и уровоных кислот предложен метод ВЭЖХ с обращенными фазами с получением производных с 1-фенил-3-метил-5-пиразолоном перед разделением на колонке. Детектирование проводили при 250 нм. Разделение 10 производных осуществлялось за 40 мин. Метод применен для количественного определения моносахаридных компонентов в полисахаридах чая. Степени правильности определений составили 94,6-108,0%, а относительные стандартные отклонения 4,9.
Установлено, что ионообменная смола D315 пригодна для выделения и предварительной очистки полисахаридов чая [154]. Анализ раствора с рН 6-7 проводят при температуре 30оС и скорости подачи 2,5 мг/мл. Представлены сведения о фракционном составе полисахаридов и содержании уроновых кислот в выделенных фракциях.
Исследованы полисахариды, выделенные различными методами из зеленого чая низкого сорта [61]. В полисахаридах определяли содержание саха-рида и белка. Исследовали гомогенное распределение и соотношение масс полисахаридов. Методом хроматомасс-спектрометрии подтверждено присутствие в образцах 6 моносахаридных остатков (рамзоны, арабинозы, ксилозы, маннозы, глюкозы и галактозы). Рассмотрены также данные, полученные спектрофотометрическими исследованиями в УФ-области. Определяли массовое соотношение свободного белка и нуклеиновой кислоты. На основании инфракрасных спектров показано, что полисахаридные комплексы включают связанный белок и нуклеиновую кислоту. По спектрам кругового дихроизма показано различие в конформациях полисахаридов в воде.
Изучено влияние содержания клетчатки на органолептические свойства чая [140]. Установлена существенная связь между содержанием клетчатки и танином в чае (R2=0,72). Термосканирование полупроводников SnO-Pd сенсора использовано для идентификации различных сортов чая [33]. В основе метода – различие величины адсорбции компонентов сложных объектов, а также скоростей реакции их окисления кислородом воздуха при варьировании температуры газочувствительного слоя сенсора. Показана принципиальная идентификация запахов одиночными полупроводниковыми сенсорами («single sensor»). Термосканирование даже одного полупроводникового сенсора при обработке результатов искусственными нейронными сетями позволяет узнавать запахи сложных объектов.
Главными факторами, определяющими состояние чая, являются его вла-госодержание и температура, а также степень отклонения их величины от равновесных значений, определяемых параметрами состояния окружающей среды [17]. Проведенные исследования поведения чая в изменяющихся условиях окружающей среды могут дать необходимый материал для разработки как общих, так и частных конкретных рекомендаций по наиболее оптимальным режимам переработки чая. Представлено исследование различных экстрактов чая методом высокоэффективной жидкостной хроматографии [6]. Изучено влияние градиентного элюирования на разделение. Предложена методика экспортной оценки различных экстрактов чая без проведения качественного и количественного анализа. Исследованы частично ферментированные сорта чая методом обращено-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии [34]. Идентифицированы катехины, содержащиеся в чайных экстрактах, и определено их количественное содержание.
Представлено использование мицеллярной электрокинетической хроматографии с обращенной полярностью для определения ксантиновых и поли-фенольных компонентов чая [5].
По данным ВЭЖХ-МС анализа экстрактов чайной флеши установлено, что в условиях линейного градиента концентрации ацетонитрила в воде от 2,5 до 100 об. % возможно препаративно выделить все исследуемые компоненты, но наиболее полно выделяется фракция с молекулярной массой 290, что соответствует эпикатехину. В результате проведенных исследований разработан метод, позволяющий наиболее полно извлекать флавоноиды из чая и препаративно разделять их, выделяя отдельные фракции [36].
Проведено определение содержания витамина Р (рутина) в разных видах чая: зеленом байховом листовом с жасмином, черном байховом индийском мелколистовом, черном северном Индии крупнолистовом и красном. В результате исследований выявлено, что витамин Р в большом количестве содержится в зеленом чае [24].
Анализ качества чая по стандартизированным методам
Определен антиокислительный потенциал зерен кофе низкого качества [131]. Зерна низкого качества обычно составляют 15-20% общего количества зерен. Исследовали свойства экстрактов из таких зерен, полученных с помощью различных растворителей. Максимальной способностью связывать свободные радикалы обладает метанольный экстракт. Он же имел максимальную антиокислительную активность и содержал (%): 21,90+0,50 фенольных соединений, 34,16+0,27 хлорогеновой кислоты и 8,25+0,36 кофеина.
Исследован химический состав неиспорченного и испорченного зеленого кофе арабика и робуста методом масс-спектрометрии с электрораспылительной ионизацией [119]. Для идентификации химического состава, различия типов арабика и робуста, а также испорченных и неиспорченных зерен предложен метод масс-спектрометрии с электрораспылительной ионизацией с прямым вводом водных экстрактов. Полученные «отпечатки пальцев» обеспечивают различие не только типов, но и качественных и некачественных зерен по профилям.
Низкотемпературная баня/ высокопроводимая зона/ мицеллярная электрокинетическая хроматография использована для определения фенолокис-лот в кофейном напитке [168]. Разработана методика определения трех фено-локислот - хлорогеновой кислоты, кофеиновой кислоты и ферулиновой кислоты в кофе с пределом определения 2,8 х 10-2, 5,3 х 10-3 и 6,0 х 10-3 мкг/мл соответственно. Для изучения синергетического эффекта в один капилляр были одновременно «вмонтированы» зона высокой проводимости и низкотемпературная баня. Показано существование синаргизма при определении хлорогеновой и кофеиновой кислоты в случае их совместного присутствия. Напротив, для ферулиновой кислоты синергизм не обнаружен. Способ экстракции арабиногалактанов из кофейных зерен включает в себя предварительную обработку зерен водой при температуре 10-95 оС в течение двух часов до одной недели и последующий гидролиз под воздействием ферментов целых или молотых зеленых или поджаренных кофейных зерен для получения тем самым водной дисперсии, содержащей частично гид-ролизованные кофейные зерна и арабиногалактаны [1]. Арабиногалактано-вые продукты, полученные из кофе, применяют в качестве стеклообразной матрицы для чистого растворимого кофе, а также композицию напитка. Это позволяет получить вещество-усилитель характеристик продуктов питания, в частности, растворимого кофе, способом, не требующим чрезвычайных условий обработки.
Распознавание сортов кофе арабика и робуста возможно на основе данных о содержании в них токоферолов [44]. Токоферолы из сырых и обжаренных зерен кофе выделяли методом твердофазной микроэкстракции и анализировали методом ВЭЖХ с детектированием с помощью диодной матрицы или по флуоресценции. Сырые зерна кофе арабика содержали 2,7 ± 0,4 мг / 100 г -токоферола и 8,0 ± 0,9 мг /100 г -токоферола, в то время как кофе робуста содержал 1,7 ± 0,3 мг / 100 г -токоферола и 2,1 ± 0,3 мг /100 г -токоферола. Более 90% токоферолов остается в кофе после обжаривания, за исключением -токоферола в кофе робуста, который разрушается примерно на 25% в расчете на сухую массу. Анализ токоферолов в сырых и обжаренных зернах кофе позволяет различать сорта кофе арабика и робуста.
Изучено влияние факторов окружающей среды, влажной обработки и их сочетания на биохимический состав необжаренных зерен кофе арабика [93]. Исследовали влияние условий выращивания и влажной обработки на содержание липидов, хлорогеновых кислот, сахаров и кофеина в зернах кофе. Установлено, что содержание хлорогеновых и жирных кислот в зернах зависит от средней температуры воздуха при созревании. Общее содержание липи-дов, растворимых сахаров, полисахаридов и хлорогеновых кислот не зависит от климата. Содержание глюкозы зависит от высоты места выращивания над уровнем моря, а содержание сорбита после влажной обработки напрямую связано с содержанием глюкозы в необработанных зернах.
Разработан и оценен метод твердофазной матричной экстракции для оп ределения акриламида в кофе и заменителях кофе [55]. Приведено описание методики твердофазной экстракции и определения акриламида в молотом кофе, готовом напитке и заменителях кофе методом ГХ-МС с ПрО 5 мкг/кг и возможностью количественного определения при концентрации 10 мкг/кг [63]. Широко распространено применение спектрометрии в ближней инфра красной области для количественного анализа растворимого кофе. Комбини рованно используют термомеханические характеристики и УФ спектроскопию для рационализации кинетики перемещения биологически активного соединения (кофеина) в матрице высокой твердости [95].
Изучены изофлавоны кофе [43]. Исследовано влияние вида, степени обжаривания и способа приготовления напитка. Установлено, что кофе робуста содержит в 6 раз больше изофлавонов, чем кофе арабика, возможно, в связи с присутствием формононетина. При обжаривании кофе содержание изофла-вонов снижается, в то время как их экстрактивность увеличивается. Общее содержание изофлавонов в кофе эспрессо (30 мл) изменяется от 40 мкг (100% арабика) до 285 мкг (100% робуста). Кофе эспрессо содержал 6, 17, 78 мкг генистеина, даиздеина и формононетина в 30 мл напитка, соответственно.
Изотопный состав стронция и кислорода в сырых зернах кофе и потенциал его использования для подтверждения аутентичности кофе. МС с индуктивно связанной плазмой и МС изотопных соотношений использованы для определения соотношения изотопов Sr и О в необжаренных зернах кофе из 20 географических районов с целью оценки возможности применения этих параметров в качестве индикаторов географического происхождения кофе [135]. Идентифицированы диолы и триолы (фуран-2-ил)-метилированного бензола как новый класс горьких веществ обжаренного кофе [99]. Методом ЖХ-МС/МС установлено присутствие нового класса соединений, придающих горький вкус обжаренному кофе.
Изучение пигментов, состава эфирного масла чая и влияния его компонентов на качество аромата чая
Определение водорастворимых веществ кофе методом многоступенчатого процесса экстрагирования Путем водной экстракции извлекаются пектины, белки, пептиды, полисахариды, глюкозиды, фенольные соединения. Кофе подвергают экстракции дистиллированной водой при температуре кипения растворителя в течение 40-60 мин. В этом случае происходит переход водорастворимых веществ в водную фракцию. Из растительного сырья извлекаются кроме действующих веществ балластные компоненты; при этом растительное сырье часто покрыто восками, в воде мало или совсем нерастворимыми, что мешает максимальному извлечению БАВ, сосредоточенным внутри клеток. Экстракты нельзя подвергать длительному хранению из-за их низкой устойчивости к микроорганизмам, находящимся в окружающей среде. Разлагаясь при хранении, эти примеси придают экстрактам нехарактерный запах, а растворы мутнеют.
Путем спиртовой экстракции извлекаются пектины, белки, пептиды, полисахариды, углеводы, фенольные соединения. Кофе подвергают экстракции этиловым спиртом при тех же параметрах процесса, что и водой. Спиртовые извлечения из растительного материала содержат смолистые вещества, пигменты, каротины, хлорофилл, флавоны, воски, стерины, церин, жиры. При этом в сырье остаются компоненты, которые растворяются в других растворителях (например, воде), что снижает ценность полученного экстракта. В отличие от водной вытяжки, спиртовые экстракты можно хранить достаточно длительный срок.
При водно-спиртоваяой экстракции кофе подвергают экстракции бинарным растворителем – смесью спирта с водой. При этом происходит переход спирторастворимых веществ в спиртовую фракцию, в том числе частичное растворение воскоподобных веществ, мешающих проникновению растворителя и высвобождению БАВ. Параллельно происходит экстракция дистиллированной водой с выделением экстракта, содержащего водорастворимые полезные вещества.
Метод обеспечивает более полное извлечение активных компонентов, чем при экстрагировании водой и спиртом в отдельности, поскольку вытяжка содержит спирто- и водорастворимые вещества. И все равно метод не позволяет извлечь максимальное количество БАВ, поскольку спирт и вода, используемые в качестве растворителей, не могут разрушить клеточную структуру полностью и глубже проникнуть в растительный материал.
Экстракция летучими растворителями (гексан, диэтиловый эфир) заключается в многократном экстрагировании материала чистым экстрагентом. В качестве экстрагента используют летучие органические растворители, имеющие низкую температуру кипения.
Гексаном извлекаются фосфолипиды, фенольные соединения, стерины, сложные эфиры, альдегиды, кетоны, терпеноиды, органические кислоты, глицериды, неомыляемые углеводороды. Диэтиловым эфиром извлекаются фосфолипиды, фенольные соединения, стерины, сложные эфиры, альдегиды, кетоны, терпеноиды, органические кислоты, глицериды, неомыляемые углеводороды.
В процессе экстракции неполярными растворителями (гексаном и ди-этиловым эфиром) извлекается большое количество различных БАВ за исключением водорастворимых (полярных) и очень тяжелых полимеров. Кроме того, при разделении экстракта и растворителя происходит частичная потеря очень летучих веществ, что существенно снижает общий выход компонентов. Скорость извлечения связана не только с размерами и структурными факторами. Существенную роль играет концентрационная обстановка в жидкой фазе вне частиц, которая может сильно изменяться в ходе извлечения.
Наиболее эффективна непрерывная экстракция, осуществляемая в многоступенчатых экстракторах при противотоке исходного сырья и экстрагента. В этом случае заданная степень экстракции достигается при наименьшем расходе экстрагента. Многоступенчатые экстракторы обычно представляют собой вертикальные колонны, разделенные поперечными перфорированными тарелками, вращающимися дисками, мешалками и т.п. на ступени (секции). В каждой ступени происходит перемешивание взаимодействующих фаз и их расслаивание. Таким образом, исходное сырье и экстрагент многократно перемешиваются и расслаиваются.
В зависимости от того, чего необходимо добиться при проведении экстракции, меняют параметры процесса. Если целью экстракции является максимальное извлечение БАВ, то растворитель используют в большом избытке. При необходимости получения максимально концентрированных продуктов – увеличивают число ступеней экстракции.
Для нас важно максимально извлечь комплекс БАВ и получить концентрированные экстракты, для чего разработать способ экстракции (прямоток, противоток) и подобрать оптимальные по полярности растворители. Процесс противоточного экстрагирования проходит с непрерывным перемешиванием при температуре кипения растворителя.
Противоточная многоступенчатая экстракция осуществляется в условиях циркуляции растворителя вокруг частиц растительного сырья. При про-тивоточном движении растворителя происходит насыщение мисцеллы БАВ.
Метод многоступенчатого процесса экстрагирования кофе водой осуществляли при соотношении: 140 мл воды + 10 г кофе.
Получены спектральные характеристики водных экстрактов кофе в ультрафиолетовой части спектра (240-360 нм) и видимой части спектра (360-780 нм). Максимальные значения светопропускания Т, % наблюдаются в ультрафиолетовой области спектра (245, 265, 280, 305, 310, 355 нм) и видимой области спектра (365, 370, 465, 470, 480, 640, 670, 675 нм).
Экономический эффект от оценки качества разработанных новых видов чайной и кофейной продукции
В зависимости от разновидности и сорта растений меняется содержание белков, сахаров, алкалоидов, витаминов, жиров и др. Содержание дубильных веществ меняется в зависимости от разновидности и сорта чая.
Содержание дубильных веществ в листьях чая отдельных разновидностей колеблется в больших пределах. Листья чая южного происхождения более богаты мелкомолекулярной фракцией дубильных веществ, чем листья чая северного происхождения. Разновидности чая отличаются по содержанию отдельных фракций дубильных веществ.
В листьях южных разновидностей чайного растения, где жизненные процессы протекают интенсивнее, чем в северных, накапливается больше дубильных веществ, особенно их мелкомолекулярной фракции, т. е. катехинов, преимущественно (-)-эпигаллокатехингаллата.
Наиболее интенсивно процесс дыхания как в молодых трехлистных побегах, так и в закончивших рост листьях проходит у индийского чая, а наиболее слабо — у японского. Активность ферментов, в частности окислительных в индийских сортах чайного растения значительно выше, чем в японских. Активность полифенолоксидазы листьев у индийской разновидности составляет 348, у китайской — 320, у японской — 274 JLUл кислорода на 100 г сухого веса за 60 мин.
Содержание сахаров в разных сортах чайного растения находится в обратной зависимости от содержания дубильных веществ. В индийском гибриде сахаров содержится больше, чем в китайском чае. Содержание дубильных веществ в первом случае ниже, чем во втором.
Содержание полифенолкатехиповой фракции меняется в течение сезона, увеличиваясь к середине лета. Содержание эфирносвязанной галловой кислоты также возрастает к середине лета. Содержание катехинов в листьях чая также подвержено сезонному изменению. Суммарное содержание катехинов, как и дубильных веществ, резко возрастает с весны, достигает максимума в середине лета и вновь снижается к осени.
Максимум накопления всех исследованных катехинов приходится на июль. На протяжении сезона интенсивнее всего идет синтез (-)-эпигаллокатехингаллата и (-)-эпикатехингаллата, затем — простых катехи-нов. Самым ценным с биологической и технологической точек зрения является (-)-эпигаллокатехингаллат.
Характер сезонных изменений дыхания весьма близок к сезонным изменениям дубильных веществ и их составных частей. Аналогичная картина обнаружена и при изучении сезонной динамики окислительных ферментов. Активность полифенолоксидазы (в мл поглощенного кислорода за 60 мин.) в двухлистных флешах чая изменяется следующим образом: 19 июня— 173,1; 20 июля — 133,4; 26 сентября — 100,9.
Содержание дубильных веществ возрастает от весны к лету, достигая максимума в июле — августе, т. е. в период наиболее интенсивного роста флешей, затем вновь снижается к осени. Накопление дубильных веществ в середине сезона происходит главным образом за счет катехинов и, особенно, (-)-эпигаллокатехингаллата и (-)-эпикатехингаллата, составляющих в августе свыше 70% от общей суммы всех катехинов.
Доказана прямая зависимости титестерской оценки от содержания дубильных веществ. Во всех случаях наблюдалась корреляция между содержанием таннина в сырье и качеством чая. По содержанию дубильных веществ в сырье можно безошибочно предсказать будущую титестерскую оценку.
Черный чай наилучшего качества получается из сырья, поступающего на фабрику в июне, июле и августе. Из сырья, поступающего в мае и сентябре, получается черный байховый чай низкого качества. Качество сырья можно улучшить, если в начале и в конце сезона собирать не трехлистные, а двухли-стные нормальные флеши.
Предложена новая, более рациональная схема переработки чайного сырья. Согласно этой схеме, на одной и той же фабрике весеннее и осеннее сырье должно было перерабатываться на зеленый байховый чай, а летнее сырье — на черный байховый чай.
Таким образом, изучение образования и превращения дубильных веществ в листьях чая на протяжении вегетационного периода позволило, во-первых, установить закономерность сезонной динамики дубильных веществ и их составных частей и, во-вторых, разработать более рациональную схему использования чайного сырья.
Исследования, проводившиеся с разными чайными растениями, показывают влияние географического фактора на их рост, развитие и химизм. Установлено, что с продвижением с юга на север в растениях усиливается накопление запасных углеводов, в то время как содержание сахаров, а также белков уменьшается. При этом изменяется также накопление жиров, эфирных масел и витаминов.
Под влиянием географического фактора изменяется не только общее содержание дубильных веществ, но и их состав. Содержание этилацетатной фракции — самой ценной составной части дубильных веществ — также уменьшается при продвижении на север. Содержание этилацетатной фракции, как и дубильных веществ в целом, уменьшается с продвижением чая на север.
Географический фактор оказывает исключительно большое влияние на количественный и качественный состав катехинов в листьях чая. С продвижением на север в листьях чая уменьшается содержание всех катехинов. Однако относительное содержание (-)-эпигаллокатехина и (+)-катехина от суммы катехинов заметно увеличивается, тогда как (-)-эпигаллокатехингаллата, наоборот, резко уменьшается. Относительное содержание эпикатехингаллата остается без изменения.
При сильном повышении температуры воздуха и снижении относительной влажности в чайном листе резко уменьшается содержание этилацетатной фракции дубильных веществ. Косвенно об уменьшении интенсивности синтеза дубильных веществ с продвижением на север свидетельствуют и данные по содержанию сахаров в листьях чая.
