Научное обеспечение способа производства обжаренных кофепродуктов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.12, кандидат технических наук Острикова, Елена Александровна

• Острикова, Елена Александровна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Острикова, Елена Александровна

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1.Современное состояние теории, техники и технологии обжарки кофепродуктов.

1.1. Краткий обзор заменителей кофе.

1.2. Системная оценка кофе и кофепродуктов как объектов.

1.3. Краткий обзор техники и технологии обжарки кофепродуктов.

1.4. Анализ закономерностей процесса обжарки кофе и кофепродуктов.

1.5. Анализ литературного обзора и задачи исследования.

Глава 2. Исследование процесса обжарки кофепродуктов перегретым паром атмосферного давления.

2.1. Исследование фрикционных свойств кофепродуктов.

2.2. Исследование форм связи влаги в кофепродуктах методом термического анализа.

2.3. Определение теплофизических характеристик кофепродуктов.

2.4. Определение плотности кофепродуктов.

2.5. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента.

2.6. Исследование гидродинамики процесса обжарки кофепродуктов.

2.7. Исследование усадки в процессе обжарки кофепродуктов.

2.8. Исследование кинетики процесса обжарки кофепродуктов.

2.9. Разработка ступенчатых режимов обжарки кофепродуктов.

Глава 3. Математическое моделирование процесса обжарки кофепродуктов перегретым паром.

3.1. Математическая модель процесса обжарки корней цикория.

3.2. Постановка задачи и задание начальных и граничных условий.

3.3. Конечно-разностная схема реализации модели обжарки корней цикория.

3.4. Результаты проведения моделирования.

Глава 4. Комплексная оценка кофепродуктов как объекта исследования.

4.1. Исследование органолептических и физико-химических показателей качества кофепродуктов.

4.2. Исследование аминокислотного, витаминного и минерального состава кофепродуктов.

Глава 5. Разработка кофейных напитков специального назначения

5.1. Разработка рецептур кофейных напитков с помощью программного обеспечения.

5.2. Экспертная оценка качества кофейных напитков.

5.3. Квалиметрическая оценка качества кофейных напитков.

5.4 Определение ароматических характеристик кофейных напитков.

5.5. Определение физико-химических показателей качества кофейных напитков.

5.6. Определение пищевой и энергетической ценности кофейных напитков.

5.7. Технологическая схема получения растворимых кофейных напитков.

Глава 6. Разработка конструкций обжарочного оборудования и способа автоматического управления процессом обжарки кофепродуктов.

6.1. Разработка способов получения обжаренных кофепродуктов.

6.1.1. Способ автоматического управления процессом обжарки кофепродуктов.

6.1.2. Способ получения обжаренных кофепродуктов.

6.2. Разработка конструкций оборудования для обжарки кофепродуктов и получения кофейных напитков.

6.2.1. Обжарочный аппарат.

6.2.2. Смеситель-гранулятор.

6.2.3. Сушилка.

6.2.4. Камерная сушилка

6.3. Эксергетический анализ технологии получения обжаренных кофепродуктов.

6.4. Расчет ожидаемого экономического эффекта от разработанной трехстадийной технологии получения обжаренных кофепродуктов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научное обеспечение способа производства обжаренных кофепродуктов»

Мировое потребление кофе в 2010 г. составило 7,95 млн. т, а в 2009 г. -7,87 млн. т. Ежегодный рост мирового потребления кофе, начиная с 2000 года, составляет приблизительно 2,3 %.

Основными потребителями кофе в мире являются европейские страны, США и Япония, на долю которых приходится 53 % мирового потребления и 97,5 % объема мирового импорта. За 20 лет потребление в этих странах выросло на 37 % и в сезоне 2010-11 г. составляет около 4,2 млн. т. Кроме того, активно растет потребление кофе и в прочих странах, особенно в Бразилии. С 1980 г. по 2010 г. потребление кофе в этой стране выросло в 2,7 раза и оценивается в 1,22 млн. т, что, несомненно, сокращает экспорт кофе из этой страны. Мировое производство в сезоне 2010-11, по данным ICO, оценивается в 8,02 млн. т (на 8,6 % больше по отношению к сезону 2009-10). Рост производства обеспечен, в основном, за счет циклического роста производства в Бразилии и восстановления производства в Колумбии. Мировое потребление в сезоне 2010-11 возросло на 2 % по сравнению с показателями предыдущего года. Переходящие запасы кофе на мировом рынке снизились до исторического минимума в 0,78 млн. т при отношении запасов к потреблению в 9,8 %, что сделало поставки кофе очень напряженными и привело к росту цен.

По потреблению растворимого кофе Россия вышла на первое место в мире. Организация производителей кофе в России подсчитала, что ежегодно выпивается 57 тыс. т. Так много растворимого кофе не потребляют нигде в мире. Так, в Великобритании этот показатель составляет 30 тыс. т растворимого кофе, в Японии 29 тыс. т и в Мексике 25 тыс. т. Общее потребление кофе в 2010 г. держалось на уровне 112-114 тыс. т [40].

Зерно кофе имеет сложный химический состав: оно содержит приблизительно 2000 химических соединений, которые в совокупности определяют отличительный аромат и вкус кофе. Исключительное значение имеет алкалоид -кофеин, содержание которого в кофе колеблется от 0,6 до 2,5 %. Кофеин оказывает возбуждающее действие на человеческий организм - усиливает мозговую деятельность и деятельность сердца, повышает жизненный тонус. Суточная норма употребления кофеина - не более 0,3 г.

Кофеин возбуждает центральную нервную систему, стимулирует деятельность сердца (усиливает сокращения мышц, учащает ритм), повышает артериальное давление, теплопродукцию и мочевыделение, усиливает секрецию желудка. Кофе приобрел неблагоприятную репутацию в связи с предположением о его роли в развитии рака, атеросклероза и ишемической болезни сердца. Кратковременное повышение артериального давления от крепкого кофе может ухудшить состояние больных артериальной гипертензией. Кофеин имеет множество противопоказаний, а именно: бессонница, органические заболевания сердечнососудистой системы, старческий возраст, глаукома.

Кофейные напитки - это порошкообразные смеси, приготовленные из хлебных злаков, цикория, желудей, семян бобовых, орехоплодных, ядер плодовых косточек, какавеллы (скорлупы какао-бобов), шиповника и других подобных видов сырья, обжаренных, размолотых и смешанных по утвержденным рецептурам, с добавлением или без добавления натурального кофе [59, 90].

В данной работе для производства кофейных напитков предложено использовать цикорий, желуди, каштаны и ячмень. Растительное сырье было подобрано с учетом химического состава, пищевой ценности и лекарственных свойств с целью разработки кофейных напитков специального назначения.

Каштан настоящий, или съедобный - исключительно ценная медоносная и орехоплодная культура семейства буковых. В его плодах много легкоусвояемых углеводов (в сухих плодах до 70 %), 5-7 % белков и 2-3 % жиров, около 1 % яблочной и лимонной кислоты, в плодах присутствуют витамины В и С.

Желуди не уступают каштанам в полезных свойствах. Они имеют бактерицидное, обволакивающее, противоопухолевое действие. Желуди хорошо помогают при лечении десен и зубной боли, полезны при отравлениях разного рода. Кроме того, плоды дуба оказывают благотворное влияние на пищеварительную систему: их отвар применяется при расстройствах желудка, острых и хронических колитах.

Корень цикория содержит горькое вещество интибин (0,10.0,20 %), (4,5.9,5 %) фруктозу, (10.20 %) левулозу, (4,7.6,5 %) пентозаны, холин, инулин (до 49 %, по другим данным до 60 %) протеины (3,6 %), жиры (0,3 %), гликозид интибин.

Напитки из корней цикория полезны при воспалительных заболеваниях слизистой оболочки желудка, тонкого и толстого кишечника, болезнях печени, желчного пузыря, почек, различных аллергических состояниях. Они уменьшают уровень сахара в крови, улучшают обмен веществ, способствуют выведению из организма холестерина. Цикорий способствует очищению организма от радиоактивных и других вредных веществ, усиливает деятельность сердца, успокаивает нервную систему, повышает защитные силы организма.

Зрелое зерно ячменя содержат 64-76 % углеводов, 10-16 % белков, 2-5 % жиров, 5,5-9,5 % клетчатки, витамины Д Е, А и группы В, а также минеральные соли и ферменты.

Ячмень содержит много клетчатки, которая, создавая иллюзию насыщения, почти не усваивается организмом, кроме того, стимулирует продвижение пищи по кишечнику, абсорбирует избыток холестерина, вредные продукты обмена и способствует их выведению. Весьма полезно включение ячменя также в диету при таких кожных заболеваниях, как пиодермия, экзема, псориаз и т. п., что связано с содержанием в ячмене витаминов А, Е, Д в оптимальном соотношении и в легкоусвояемой форме [23, 27].

Актуальность работы. Кофе относится к группе ценного и дорогостоящего растительного сырья, пользующегося широким спросом у населения. Важнейшим этапом в производстве кофепродуктов является процесс обжарки сырых зерен кофе. Обжарка - сложный процесс тепло- и массообмена, в ходе которого происходят сложные биохимические и физико-химические процессы. В связи с ухудшающейся экологической ситуацией и как следствием увеличения числа людей, страдающих хроническими заболеваниями, в настоящее время остро стоит вопрос о разработке путей снижения содержания кофеина в кофе. Существуют несколько промышленно используемых способов декофеинизации: европейский (традиционный), «швейцарская вода», метод выпаривания и т. п. Они имеют различные недостатки: сложность технологии, высокие энерго- и ресурсозатраты, ухудшение вкусовых качеств продукта и присутствие в нем посторонних вредных веществ.

Таким образом, одним из наиболее приоритетных направлений является снижение содержания кофеина путем добавления в кофе различных добавок из растительного сырья. Дополнительными и весьма значимыми преимуществами являются повышение пищевой ценности полученного кофейного напитка и снижение его себестоимости. В данный момент на рынке напитков представлены наименования, в состав которых входят: экстракты ржи, ячменя, цикория, а также эхинацея пурпурная, фукус, корни рогоза, топинамбура и некоторые другие ингредиенты.

Несовершенство техники для обжарки зерен кофе отражается на качестве выпускаемой кофейной продукции, создает дополнительные технологические затруднения при соблюдении режимов обжарки.

Теоретические основы тепломассообмена в процессах сушки и обжарки пищевого растительного сырья и их аппаратурное оформление отражены в работах A.B. Лыкова, A.C. Гинзбурга, Б.С. Сажина, Б.И. Леончика, Ю.А. Михайлова, О. Кришера, Р. Дж. Кларке и др.

Вопросы применения цикория и других компонентов при производстве кофейных напитков рассматривали Ф.Г. Нахмедов, В.А. Ломачинский, А. Ле-руа, М. Джанссенс и др.

Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры технологии хранения и переработки зерна Воронежского государственного университета инженерных технологий по темам «Интенсификация технологических процессов зерноперерабатывающих предприятий» (№ гос. регистрации 01.200.1 16992, 2007 - 2011 гг.) и «Разработка энерго-, ресурсосберегающих и экологических технологий хранения и переработки сельскохозяйственного сырья в конкурентоспособные продукты с программируемыми свойствами и соответствующим аппаратурным оформлением на предприятиях АПК» (№ гос. регистрации 01201253866, 2011-2015 гг.).

Цель диссертационной работы: научное обеспечение процесса обжарки различных видов растительного сырья (зерна ячменя, корней цикория, желудей и каштанов), используемых в качестве заменителя натуральных зерен кофе, перегретым паром и повышение эффективности процесса за счет определения рациональных технологических режимов, обеспечивающих экономию теплоэнергетических ресурсов и повышение качества готовой продукции, и разработка рецептур кофейных напитков специального назначения.

Научная новизна. Изучены гидродинамические и кинетические закономерности процесса обжарки в плотном слое зерна ячменя, кубиков цикория, желудей и каштанов. Методом термического анализа установлены формы связи влаги с материалом и выявлены температурные зоны, соответствующие испарению влаги с различной формой связи и термическому разложению белко-во-углеводного комплекса. Обоснована целесообразность использования ступенчатых режимов теплоподвода для обжарки корней цикория, зерна ячменя, желудей и каштанов в соответствии с формой связи удаляемой влаги.

Разработана математическая модель процесса обжарки перегретым паром кофепродуктов, позволяющая рассчитать температуру и влагосодержание продукта по высоте слоя.

Новизна технических решений подтверждена патентами РФ № 2323397, 2328129, 2328140, 2347606, 2350865, 2454871, 2461207.

Продана лицензия на патент РФ № 2328129 ООО «Бизнес Регион».

Практическая ценность. Разработана технология получения обжаренных кофепродуктов, обосновано рецептурное соотношение компонентов. Проведена квалиметрическая и экспертная оценка кофейных напитков. На анализаторе запахов «МАГ-8» с методологией «Электронный нос» выполнено исследование ароматических характеристик готовых напитков. Определена их пищевая, биологическая и энергетическая ценность.

Предложены оригинальные конструкции обжарочного аппарата и сушилок для реализации технологии получения кофепродуктов.

Выполнен экономический расчет, свидетельствующий о преимуществах предлагаемой технологии.

С помощью эксергетического анализа доказана высокая энергетическая эффективность разработанной схем получения обжаренных кофепродуктов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, научных, научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах: (Мичуринск, 2007), (Воронеж, 2009, 2010, 2011), (Ставрополь, 2010, 2011), (Махачкала, 2010), (Одесса, 2010), (Москва, 2011), (Владивосток, 2011); отчетных научных конференциях ВГТА за 2010-2011 гг.

Результаты работы демонстрировались на выставках и были награждены: дипломом Экспоцентра «Агробизнес Черноземья», Воронеж, 2008; золотой медалью выставки «Воронеж-агро», Воронеж, 2008; золотой медалью выставки «Агросезон. Воронежское село», Воронеж, 2009; дипломом Воронежского агропромышленного форума, Воронеж, 2009; золотым дипломом выставки «ВоронежАгро-2011», Воронеж, 2011.

Соискатель является лауреатом следующих конкурсов: молодежного научно-инновационного конкурса среди студентов, аспирантов и молодых ученых «УМНИК», Воронеж, 2009; регионального конкурса профессионального мастерства среди молодежи, Воронеж, 2011; Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых «ЭВРИКА» (1-е место), Новочеркасск, 2011; регионального конкурса «Инженерные технологии XXI века, Воронеж, 2011, награжден грамотой международного научно-технического семинара «Актуальные проблемы сушки и тер-мовлажностной обработки материалов» (Воронеж, 2010).

Представленная диссертационная работа обобщает новые результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса обжарки корней цикория, зерна ячменя, желудей и каштанов при ступенчатом теплоподводе и получения кофейных напитков специального назначения, проведенных непосредственно автором под научным руководством заслуженного изобретателя РФ, доктора технических наук, профессора А. А. Шевцова.