Abstract and keywords
Abstract (English):
The paper presents the results of the study of the chemical composition of coffee, grain processing methods and comparative analysis of different methods of coffee extraction. It is noted that the current coffee market in Russia is growing rapidly, as evidenced by the results of marketing research. A further increase in the volume of production of instant coffee must be ensured by increasing the efficiency of the processing of raw materials, the introduction of non-waste technology, modernization of the existing equipment and introduction of new one. One of the main processes largely determining the effectiveness of the technological cycle of instant coffee production, is an extraction. In the process of extracting, the important parameters to be monitored are the grain size, the temperature of the semi-finished product and the timing of the process. Additionally, the duration of the process depends on the extraction method and the used equipment. It is stated that the most commonly used method of diffusion battery does not provide the final product quality. The combined method of coffee extraction that provides a high yield of water-soluble substances, and from an economic point of view is beneficial, does not allow to obtain the final product of good quality, as additives in the bulk extract hydrolysis products of the second stage of the process gives it a disagreeable taste. It is found that the use of less energy consuming method, in particular, the method of cold extraction at low temperatures (not higher than 100 °C) is a promising alternative to the existing extraction technology. However, the process of low-temperature extraction of coffee is not completely studied, the rational parameters of its realization are not defined, the mechanism of extraction is not investigated and the kinetics of the extraction of additional water-soluble substances from the coffee sludge is examined. The solution of these problems will help provide coffee extract of high quality and keep its aroma fraction.

Keywords:
coffee, grain size composition of coffee, method of diffusion battery, cold extraction
Text
Введение Современный этап экономического развития России требует как широкого использования достижений отечественной и мировой науки и техники, так и проведения реформы в сфере технического регулирования согласно Федеральному закону «О техническом регулировании» [1]. Одна из динамично развивающихся отраслей, требующих модернизации и совершенствования технологии, а также методик контроля производства, - это отрасль изготовления пищевых концентратов. В 2013 г. темп прироста российского рынка кофе составил порядка 10,02 % в стоимостном выражении и был обусловлен ростом средних розничных цен на молотый кофе и кофе в зернах на уровне 4,24 %, ростом средних розничных цен на растворимый кофе на уровне 2,12 % и ростом объемов рынка кофе в натуральном выражении на уровне 7,10 %. Актуальность исследования. Объем оптового рынка растворимого кофе в 2013 г. по сравнению с 2012 г. вырос в стоимостном выражении на 1,44 % в долларах и на 4,17 % в рублях, составив 31,43 млрд руб. В структуре рынка кофе в Российской Федерации в 2013 г. произошли незначительные изменения. Согласно данным на рисунке, выросла доля растворимого кофе - с 64,56 % в 2012 г. до 66,80 % в 2013 г. и доля готовых продуктов на основе кофе и растворимого кофе [2]. Динамика потребления кофе в Российской Федерации Дальнейшее увеличение объема производства растворимого кофе должно быть обеспечено за счет повышения эффективности переработки сырья, внедрения безотходной технологии, модернизации имеющегося и внедрения нового оборудования. Одним из основных процессов, в значительной степени определяющих эффективность технологического цикла получения растворимого кофе, является экстрагирование. В настоящее время экстрагирование осуществляется главным образом методом батарейной диффузии и не обеспечивает получения готового продукта высокого качества. Высокоинтенсивная температурная обработка (t = 120-170 °С) частиц кофе является причиной потери ряда ароматических веществ, а также протекания необратимых биохимических реакций, что приводит к формированию вкуса, несвойственного кофе. Значительны потери водорастворимых веществ с кофейным шламом, приходящиеся как на жидкую, так и на твердую части шлама. В некоторых случаях они составляют 15-20 % от общего содержания водорастворимых веществ в сырье. Остаточные водорастворимые вещества в кофейном шламе имеют полноценный химический состав и не уступают по качеству содержащимся в кофе, поэтому шлам является ценным дополнительным источником для увеличения выхода готового продукта. В связи с ростом в последние годы производства растворимого кофе все более острой становится проблема утилизации кофейного шлама, снижения степени загрязнения окружающей среды промышленными отходами. Только в масштабах России в течение года образуется более 27 тыс. т шлама с влажностью 72-75 %. Научная новизна. В настоящее время перспективным направлением в области совершенствования процесса экстрагирования из кофе является разработка способов низкотемпературного извлечения, обеспечивающих снижение потерь, комплексное использование сырья и отходов. Для улучшения качества готового продукта наиболее целесообразно проведение первой ступени процесса извлечения водорастворимых веществ из кофе при температуре менее 100 °С. Однако процесс низкотемпературного экстрагирования кофе недостаточно изучен, не определены рациональные параметры его проведения, не исследован механизм извлечения, не изучена кинетика дополнительного извлечения водорастворимых веществ из кофейного шлама. В связи с вышеизложенным цель исследования - найти оптимальный способ экстрагирования кофе. Задачи исследования: изучение современного состояния проблемы; изучение химического состава кофе до и после обжарки; анализ факторов, влияющих на процесс экстрагирования кофе; изучение существующих способов экстрагирования кофе и обоснование оригинального, оптимального метода экстракции кофе. Результаты исследования и их обсуждение Процесс экстрагирования в системе с твердой фазой нашел довольно широкое распространение в микробиологической, фармацевтической и нефтехимической отраслях промышленности. Но особое место он занимает в пищевой промышленности, в частности в производстве растворимого кофе. Растворимый кофе - полноценный вкусовой и тонизирующий продукт. Главным достоинством растворимого кофе, обусловившим его популярность, является то, что он содержит ряд веществ, которые, действуя на нервную систему и органы пищеварения, повышают жизненный тонус организма человека. Умеренное потребление кофе вообще и растворимого в частности благоприятно сказывается на организме человека [3]. Кофе растворимый имеет ряд преимуществ по сравнению с обжаренным в зернах [4]: экономится время и облегчается способ приготовления напитка; нет необходимости в хранении большого количества зерен в мешках; уменьшаются потери при хранении и транспортировании; возможно готовить напитки любой крепости в зависимости от вкуса потребителя. Довольно интенсивный рост производства растворимого кофе как в России, так и за рубежом обусловил многочисленные исследования биологических, физико-химических свойств кофейного зерна, методов его подготовки к переработке, способов и режимов извлечения водорастворимых веществ. Рассмотрим более подробно те стадии технологического процесса получения кофейных экстрактов, которые оказывают влияние непосредственно на выход водорастворимых веществ из кофе, проведем анализ возможностей совершенствования основного процесса при производстве растворимого кофе - экстрагирования. Качество растворимого кофе, как и любого продукта, зависит прежде всего от качества исходного сырья и технологического процесса его переработки. Данные по химическому составу одного из видов сырого кофе представлены в таблице [5]. Данные химического состава сырого кофе Робуста Основные компоненты Содержание сухих веществ до обжаривания, % к общей массе Содержание сухих веществ после обжаривания, % к общей массе Вода 8,15 2,38 Жиры 10,95 - Белки растворимые 5,25 - Кофеин 1,99 212 Тригонелин 0,74 - Хлорогеновая кислота 5,74 1,02 Сахар-восстановитель 0,34 - Сахароза 5,30 2,5 Растворимые минеральные вещества 3,25 - Органические кислоты 2,59 - Гемицеллюлоза 23,10 - Нерастворимые белки 6,04 16,6 Минеральные вещества 0,89 4,65 Целлюлоза 11,7 18,07 Лигнин 1,6 - Другие растворимые вещества 4,27 1,18 Данные таблицы позволяют судить о химическом составе как водорастворимых веществ, так и инертной массы зерна. В сыром (необжаренном) кофе водорастворимые вещества вместе с клеточным соком сосредоточены в плотных слоях межклеточных пространств, поэтому их извлечение сопряжено со значительными трудностями. Для формирования вкуса и аромата, присущего кофе, проводят обжаривание зерен кофе. В результате сложных взаимопревращений формируются вещества, которые в дальнейшем извлекаются при экстрагировании кофе. Кроме этого, претерпевает изменение и клеточная структура кофейного зерна [6]. Для получения растворимого кофе того или иного вкуса проводят предварительную обработку обжаренных зерен. Так, например, для производства кофейных экстрактов с меньшим содержанием кислот проводят обработку горячим или перегретым паром при атмосферном или пониженном давлении, иногда применяют продувку газом [3, 6]. После удаления жидких кислотных компонентов из раствора экстрагируют растворимые составляющие водой. Повышенное содержание кофеина в растворимом кофе неблагоприятно сказывается на организме человека, в связи с чем разрабатываются способы частичного снижения его содержания. С целью уменьшения содержания кофеина различными способами проводят декофеинизацию сырья. Эти способы, как правило, основаны на избирательности извлечения данного компонента различными растворителями (трихлорэтилен, фторированные углеводороды, пропан, бутан или их смеси, растворы сложных пищевых эфиров и многие другие). Разработаны адсорбционные и мембранные методы удаления кофеина [5]. Предварительную обработку обжаренных зерен кофе иногда проводят с целью создания благоприятных условий для последующего экстрагирования. Так, увлажнение кофейных зерен непосредственно перед экстрагированием способствует, в некоторой мере, вскрытию клеточной структуры зерна [4, 5]. При действующей конструкции экстракционных батарей используемый гранулометрический состав кофе (средний размер частиц 1-2 мм) является рациональным. Его уменьшение приведет к резкому возрастанию гидравлического сопротивления батареи. Но для получения готового продукта лучшего вкуса и аромата «выгоднее» вести экстрагирование на более «тонкой» фракции кофе. Так, в [4] показано, что при одинаковых условиях заварки кофе лучший вкус и аромат имеет напиток, приготовленный из порошка «тонкого» помола (не более 500 мкм). Таким образом, уменьшение размера частиц кофе является одним из путей улучшения качества готового продукта. Выбранный гранулометрический состав должен удовлетворять трем основным требованиям: осуществлять вскрытие структуры твердой фазы, что дает возможность обеспечить наибольший выход водорастворимых веществ в раствор и хорошее качество готового продукта и создавать благоприятные условия для последующего разделения фаз. В соответствии с этими положениями наиболее перспективным направлением является использование «тонкой» фракции кофе (не более 500 мкм). В батарейных экстракторах кофе находится в контакте со средой в течение 5-8 часов (t = 120-170 °С). При использовании более «тонкой» фракции кофе (средний диаметр частиц 0,5 мм) и в том же температурном режиме время контакта сократится до 1,0-1,5 часа. Более короткое время контакта способствует получению продукта лучшего качества, т. к. при этом лучше сохраняется летучая фракция ароматических веществ. Соотношение фаз «твердое тело - жидкость» - один из основных параметров процесса, определяющих эффективность извлечения. В промышленных условиях эта величина составляет обычно 1 : 20-1 : 25. Увеличение этого соотношения до 1 : 30 и более приводит к увеличению выхода водорастворимых веществ в раствор. Но использование соотношения > 1 : 30 не представляется возможным, т. к. возникают сложности, связанные с дальнейшей обработкой экстракта. Комбинированный способ экстрагирования обеспечивает высокий выход водорастворимых веществ и с экономической точки зрения выгоден. Но он не дает возможности получить конечный продукт хорошего качества, т. к. добавки в основную массу экстракта продуктов гидролиза второй ступени процесса придают ему неприятный вкус. Заключение Для получения кофейного экстракта высокого качества, сохранения его ароматической фракции целесообразно проводить процесс при температуре не выше 100 °С. Для осуществления и аппаратурного оформления этого процесса необходимо: провести исследования статики и кинетики низкотемпературного извлечения водорастворимых веществ из кофе и кофейного шлама на основе развития модели послойной отработки твердой фазы разработать математическое описание процесса экстрагирования кофе; разработать способ дополнительного извлечения водорастворимых веществ из кофейного шлама и его полной утилизации.
References

1. Federal'nyy zakon ot 27.12.2002 N 184-FZ (red. ot 23.06.2014) «O tehnicheskom regulirovanii» // URL: http://www.consultant.ru.

2. Marketingovoe issledovanie «Rynok rastvorimogo kofe Rossii» // URL: http://belconsult.ru/index. php?option=com_remository&Itemid=36&func=fileinfo&id=287 (data obrascheniya: 06.10.2014).

3. Romankov P. G. Massoobmennye processy himicheskoy tehnologii (sistemy s dispersnoy tverdoy fazoy) / P. G. Romankov, V. F. Frolov. L.: Himiya, 1990.384 s.

4. Tamova M. Yu. Teoriya i praktika konstruirovaniya produktov pitaniya funkcional'nogo naznacheniya na osnove natural'nyh strukturoobrazovateley i karotinoidov: avtoref. … dis. d-ra tehn. nauk / M. A. Tamova. Krasnodar, 2003. 50 s.

5. Harin V. M. Teplo- i vlagoobmennye processy i apparaty pischevyh proizvodstv (teoriya i raschet) / V. M. Harin, G. V. Agafonov. M.: Pisch. prom-st', 2002. 472 s.

6. Promtov M. A. Mashiny i apparaty s impul'snym vozdeystviem na obrabatyvaemye veschestva / M. A. Promtov. M.: Mashinostroenie, 2004. 136 s.