Растворимый кофе, или растворимый кофе, является самым популярным растворимым напитком среди миллионов людей из-за его удобства и длительного срока хранения, а также вкуса и стимулирующего действия (Рамалакшми, Рао и др., 2009, Хуан и Чжан, 2013). Важность растворимого кофе как потребительского продукта и коммерческого товара способствовала проведению большого количества исследовательских работ в этой области, поскольку известно, что условия обработки оказывают значительное влияние на конечное качество растворимого кофейного продукта (Pardo, Suess et al. 2002). , Хиндмарш, Рассел и др. 2007, Хуанг и Чжан 2013).
Производство растворимого кофе начинается из сырых кофейных зерен. Кофейные зерна после сбора сушат либо естественным путем (на солнце), либо на производстве (Кларк, 1987). Затем высушенные кофейные зерна подвергаются процессам обжарки, измельчения и экстракции (Винце и Ватаи, 2004 г., Фарах, 2012 г., Пан, Ян и др., 2013 г.). Во время обжарки вкусовые и ароматические соединения кофе развиваются, а помол облегчает извлечение растворимых компонентов и аромата. Затем экстракт фильтруют, концентрируют и обезвоживают до порошка растворимого кофе перед упаковкой (Кларк, 1987).
Существует два традиционных метода сушки для производства растворимого кофе: сублимационная сушка и распылительная сушка (Падма Ишварья и Анандхарамакришнан, 2015).
Распылительная сушка — это метод, при котором растворы распыляются в виде капель в горячий воздух, и этот метод широко используется, особенно при производстве сухого молока (Хуанг и Чжан, 2013). Температуру поверхности образца можно поддерживать низкой при сушке распылительной сушкой за счет испарения воды, даже если температура сушильного воздуха высока (Ho, Truong et al. 2017). Однако растворимый кофе, произведенный методом распылительной сушки, по-прежнему рассматривается потребителями как продукт низкого качества по сравнению с растворимым кофе сублимационной сушки (Hartel and Heldman 1997).
Сублимационная сушка (лиофилизация) — это метод, основанный на сублимации кристаллов льда в замороженном образце (Пикал, Рой и др., 1984, Ратти, 2001). Перед сублимационной сушкой экстракты кофе часто аэрируют для создания пены плотностью от 450 до 750 г/л (Suwelack and Kunke 2002). Термочувствительные или окислительные компоненты с большей вероятностью сохраняются во время сублимационной сушки (Franks 1998, Ratti 2013), и это делает сублимационную сушку широко используемым методом сушки в пищевой/фармацевтической промышленности для таких систем, как кофе. Низкая температура, используемая при сублимационной сушке, снижает вероятность порчи или реакции, а вакуум позволяет избежать длительного контакта между образцом и кислородом. Например, сублимационная сушка привела к удерживанию летучих веществ на 20% больше, чем распылительная сушка при переработке растворимого кофе (Падма Ишварья и Анандхарамакришнан, 2015). Кроме того, лиофилизированные продукты сохраняли структуру без значительного уменьшения объема продукта (Franks 1998, Ratti 2001). Пористая структура обычно образуется после сублимационной сушки, что приводит к хорошим регидратационным свойствам лиофилизированных продуктов (Ratti 2001).
Несмотря на хорошее качество продукции, использование технологии сублимационной сушки в производстве имеет недостатки, связанные со значительными затратами энергии на поддержание низкой температуры (-40, -50°С) и вакуума (0,3-0,4 мбар) на протяжении всего процесса. (Ратти 2001, Сувелак и Кунке 2002, Падма Ишвария и Анандхарамакришнан 2015). Тепло, необходимое для удаления воды при распылительной сушке, составляет от 4000 до 6000 кДж/кг удаленной воды, но может достигать 100 000 кДж/кг при сублимационной сушке (Маркотт и Грабовски, 2008). Чтобы произвести такое же количество продуктов, сублимационная сушка является гораздо более затратной, чем распылительная сушка (Ратти, 2013). Из-за высокой стоимости методы сублимационной сушки используются только для производства дорогостоящей коммерческой продукции, например. детское питание, травы и растворимый кофе (Ратти, 2013).
В целом сушка является энергоемкой и дорогостоящей (Маркотт и Грабовски, 2008 г.), а на промышленную сушку в среднем приходится 12% всей энергии, используемой в производственных процессах (Струмилло, Джонс и др., 2014 г.). Во всем мире растет обеспокоенность по поводу устойчивого производства в пищевой промышленности и производстве напитков (Маркотт и Грабовски, 2008), и снижение энергопотребления/затрат при сублимационной сушке кофейного экстракта имеет большое значение для производителя растворимого кофе.
Энергию, потребляемую во время обработки, можно сэкономить за счет лучшего понимания и улучшения процессов (например, сублимационной сушки) и систем (Roos, Fryer et al. 2016). Одним из возможных методов экономии энергии при производстве растворимого кофе является уменьшение количества воды, то есть увеличение концентрации твердых веществ в процессе (Palzer, Dubois et al. 2012, Moreno, Raventós et al. 2014). Как упоминалось в предыдущем контексте, производство растворимого кофе включает в себя как добавление, так и сублимацию воды (при экстракции и сушке), поэтому сокращение количества воды в процессе будет способствовать экономии энергии и затрат (Roos, Fryer et al. 2016). В промышленном производстве концентрирование является обычной обработкой перед сушкой кофейного экстракта, чтобы снизить затраты на сушку (Berk 2009).
Интерес к замораживанию и сублимационной сушке пищевых систем с высоким содержанием твердых веществ возрос в связи с необходимостью снижения энергопотребления при производстве лиофилизированных продуктов питания. Сублимационная сушка широко используется в пищевой и фармацевтической промышленности с 1950 года и интенсивно изучается исследователями, например, в 2000 году в этой области было выпущено около 600 публикаций (Franks 2007). Однако системы, используемые при сублимационной сушке, часто представляют собой разбавленные растворы (концентрация растворенного вещества менее 40%).
Понимание кристаллизации воды (первый этап сублимационной сушки) и сублимационной сушки важно для разработки процессов замораживания или сублимационной сушки с целью определения оптимальных условий работы, таких как температура или концентрация. В частности, переработка концентрированных систем с высоким содержанием твердых частиц связана с производством с меньшим потреблением энергии и отходов. Однако эти системы трудно кристаллизовать/высушить вымораживанием, и необходимы детальные исследования кристаллизации воды и сушки вымораживанием при низком содержании воды. Целью данного исследования является развитие понимания процессов замораживания и сублимационной сушки растворов с высоким содержанием твердых веществ (>50%). В качестве основной модельной системы будут использованы концентрированные растворы сахарозы (до 70% растворенного вещества).
Основной целью данной статьи является понимание и улучшение процессов замораживания и сублимационной сушки, а также сублимационной сушки систем с высоким содержанием твердых веществ с целью экономии энергии и затрат. В этой диссертации были изучены два этапа: кристаллизация воды (при замораживании) и сублимация льда (сушка вымораживанием).
Цели статьи
1) разработать и применить методы исследования фазовых переходов (в частности, кристаллизации воды), происходящих при замораживании и лиофилизации растворов;
Информация о фазовых переходах имеет большое значение как для понимания процесса, так и для последующей модификации процесса для соответствия системам с высокой концентрацией. Например, информация должна включать температуру кристаллизации воды, количество воды, доступной для кристаллизации во время замораживания, скорость роста кристаллов льда, кристаллическую форму кристаллов и морфологию кристаллов льда.
Необходимо разработать методы исследования этих аспектов. Кристаллы льда по своей природе очень хрупкие и чувствительны к изменению температуры. Термическая история или любые изменения в окружающей среде могут привести к таянию льда или изменению структуры образца. Предпочтительны методы определения характеристик, которые не повредят структуру (лед). В идеале образцы следует исследовать в режиме реального времени и в том же месте, где они были подготовлены. Если это невозможно, хранение и транспортировка пробы между подготовкой и дальнейшим исследованием требуют особой осторожности.
2) Изучить параметры, которые будут влиять на кинетику роста кристаллов и лиофилизацию, особенно в системах с высокой концентрацией;
На основе разработанных методов можно исследовать поведение растворов с определенным диапазоном концентраций (от низкой до высокой) при замораживании и сублимационной сушке, чтобы выяснить трудности обработки систем с высокой концентрацией и самую высокую концентрацию, которую можно использовать.
Влияние состава (например, концентрация, вязкость, растворенное вещество с различной молекулярной массой) и влияние условий обработки (например, скорость замораживания, скорость нагрева, отжиг или добавление зародышей) можно изучить, чтобы определить факторы, которые могут способствовать кристаллизации воды или снизить вероятность разрушаться при сублимационной сушке.
3) Дать рекомендации по новым условиям обработки, соответствующим повышенной концентрации.
Процессы замораживания и сублимационной сушки можно модифицировать на основе предыдущих выводов о факторах, способствующих кристаллизации воды и сублимационной сушке. Образцы, полученные в результате модифицированного процесса, необходимо изучить и сравнить с образцами, обработанными традиционным способом, для подтверждения модификации.
Сахароза
Сахароза – это обычный столовый сахар, который обычно производят из сахарной свеклы и сахарного тростника (Featherstone 2015). Сахароза (α-глюкопиранозил-β-D-фруктофуранозид) представляет собой дисахарид, и каждая молекула сахарозы состоит из декстрозы (d-глюкозы) и левулозы (d-фруктозы). Структура сахарозы показана на рисунке.
Кофе
Кофейный напиток — популярный во всем мире напиток, который в основном производится из двух видов кофе: кофе арабика (арабика) и кофе канефора (робуста) (Эскивель и Хименес, 2012). В кофейном напитке обнаружено большое количество химических компонентов (Эскивель и Хименес, 2012). Компоненты кофейного напитка различаются в зависимости от многих факторов, включая условия заваривания, такие как температура воды, давление воды, время заваривания и т. д., а также состав обжаренного и молотого кофе. Кофейный напиток состоит из сложных компонентов, но основными компонентами являются хлорогеновая кислота, кофеин, тригонеллин, растворимая клетчатка, белок, липиды, минералы, ниацин, меланоидины и летучие вещества (Фара, 2012).
Гуммиарабик
Гуммиарабик представляет собой природный экссудат камеди некоторых видов акации, который содержит смесь различного состава, состоящую в основном из углеводов (галактоза, арабиноза, рамноза и глюкуроновая кислота) и небольшой доли белков (Ислам, Филлипс и др., 1997). , Черногория, Бойеро и др. 2012). Молекулярная масса гуммиарабика зависит от источника, но обычно находится в диапазоне от 105 до 106 (Мотэ и Рао, 1999, Махендран, Уильямс и др., 2008). Его часто используют в качестве эмульгатора, стабилизатора или загустителя, а также во избежание кристаллизации сахара или воды (Мотэ и Рао, 1999).