Способ производства обжаренных кофепродуктов

Способ производства обжаренных кофепродуктов

Реферат

Изобретение относится к пищеконцентратной промышленности и может быть использовано в линиях переработки кофепродуктов, преимущественно цикория и зерен кофе, ячменя, ржи, сои и др.

Известен способ обжарки зерен кофе в обжарочных аппаратах "Пробат", в которых зерна кофе обжариваются теплоносителем, представляющим смесь воздуха с продуктами сгорания жидкого или газообразного топлива, с температурой 215...220°С во вращающемся обжарочном барабане в течение 20...23 мин [Кретов И.Т., Остриков А.Н., Кравченко В.М. Технологическое оборудование предприятий пищеконцентратной промышленности: Учебник. - Воронеж: Издательство Воронежского госуниверситета, 1996. - 448 с., С.274-275]. Незадолго до окончания обжарки зерен их увлажняют водой, распыливаемой внутри барабана специальным устройством в течение 50 с с целью доведения влажности кофе до 4%.

Недостатками известного способа являются:

- значительные энергозатраты на осуществление процесса обжарки, обусловленные неиспользованием отработанного перегретого пара;

- значительная длительность процесса обжарки - 20...23 мин;

- невысокое качество готового продукта вследствие использования в качестве теплоносителя смеси воздуха с продуктами сгорания жидкого или газообразного топлива, в которых могут содержаться вредные канцерогенные вещества.

Наиболее близким к предлагаемому является способ обжарки зерен кофе, где в качестве теплоносителя используется перегретый пар атмосферного давления с температурой 280...380°С и скоростью 2,8...3,6 м/с, обработку ведут 4 мин, причем в середине и в конце процесса обжарки зерна кофе увлажняют мелкодиспергированной влагой в течение 10...15 с с доведением после первого увлажнения W до 8% и - до 5...6% после второго [А.с. №1734642 РФ, МКИ⁵ А 23 F 05/04. Способ обжарки зерен кофе / В.М.Кравченко, А.Н.Остриков (РФ). - №4646955/13; Заявл. 07.02.89; Опубл. 23.05.92, Бюл. №19 // Изобретения. - 1992. - С.16].

Недостатком этого способа является то, что процесс обжарки не предусматривает обработку продукта в замкнутом цикле по перегретому пару, что приводит к повышению удельных энергозатрат и снижению качества готового продукта. В способе не предусматривается отвод неконденсирующихся газов, образовавшихся в результате терморазложения кофепродуктов, рециркуляция которых не только нецелесообразна, но и вредна. Угар (это смесь испарившейся влаги из зерен кофе и неконденсирующихся газов - продуктов терморазложения кофе) при обжарке составляет 12...20% от общей массы продукта и включает токсичные компоненты, оказывающие отрицательное влияние на здоровье человека. Известный способ не создает условий для реализации экологически чистой, ресурсосберегающей технологии получения обжаренных кофепродуктов.

Технической задачей изобретения является снижение энергозатрат на процесс обжарки, улучшение качества готовой продукции и создание экологически безопасных условий в технологии производства обжаренных кофепродуктов.

Поставленная задача достигается тем, что в способе производства обжаренных кофепродуктов, предусматривающем подготовку сырья, термическую обработку перегретым паром с промежуточным увлажнением продукта, новым является то, что перед термической обработкой осуществляют предварительный подогрев продукта в камере кондуктивного нагрева в два этапа: на первом этапе - отработанным воздухом до температуры 45...50°С, на втором этапе - отработанным перегретым паром - до 55...65°С; а затем - сушку продукта в камере сушки воздухом до температуры 85...95°С, причем отработанный перегретый пар с температурой 130...140°С отводят в теплообменник-рекуператор на подогрев воздуха до температуры 110...120°С с последующей подачей для предварительного подогрева продукта на втором этапе, при этом пары испарившейся из продукта влаги отводят в емкость для сбора конденсата, откуда частично направляют на промежуточное увлажнение продукта в камеру обжарки, а частично отводят в парогенератор, полученный пар перегревают в пароперегревателе и подают в камеру обжарки по замкнутому циклу, образовавшиеся неконденсирующиеся газы в объеме 8...10% выводят из контура рециркуляции перегретого пара, а отработанный воздух с температурой 90...100°С из камеры сушки направляют в теплообменник-рекуператор и далее для предварительного подогрева продукта на первом этапе с последующей подачей в осушитель, затем в камеру сушки по замкнутому циклу.

Технический результат заключается в том, что:

- за счет непрерывного вывода из контура рециркуляции несконденсированных газов, образовавшихся в результате терморазложения клеточной системы кофейного сырья и имеющих высокое содержание канцерогенных углеводородов: 3,4-бензопирена, флюрантена и др.;

- за счет увеличения выхода готовой продукции путем уменьшения массовой доли угара благодаря комбинированной технологии обжарки, обеспечивающей поэтапную предварительную кондуктивную и конвективную сушку без чрезмерного воздействия высоких температур с постепенным снижением влажности кофейного сырья, и его подготовке к обжарке;

- за счет утилизации и рекуперации теплоты отработанного перегретого пара при обжарке, рационального использования теплоты сушильного агента при конвективной сушке, использования отработанного перегретого пара и сушильного агента как источников вторичных энергоресурсов для кондуктивной сушки.

На чертеже представлена схема, реализующая предлагаемый способ производства обжаренных кофепродуктов перегретым паром.

Схема содержит камеру 1 кондуктивного нагрева продукта с греющей двухсекционной поверхностью 2 и 2а, камеру сушки 3, камеру обжарки 4 с форсунками 5 для подачи воды, пароперегреватель 6, теплообменник-рекуператор 7, осушитель воздуха 8, парогенератор 9, емкость 10 для сбора конденсата, вентиляторы 11 и 12, насос 13. В состав схемы входят также линии для перемещения рабочих сред: 0.2 - влажный продукт, 0.2.1 - подсушенный продукт, 0.2.2 - высушенный продукт, 0.2.3 - обжаренный продукт, 1.8 - конденсат, 2.0 - угар (смесь испарившейся влаги из зерен кофе и неконденсирующихся газов - продуктов терморазложения кофе), 2.1 - отработанный пар, 2.2 - насыщенный пар, 2.3 - перегретый пар, 2.9 - пары испарившейся из продукта влаги, 3.2 - осушенный воздух, 3.3 - рециркуляционный воздух, 3.4 - горячий воздух, 5.1 - несконденсированные газы.

Способ производства обжаренных кофепродуктов осуществляется следующим образом.

Подготовленное сырье (цикорий, зерна кофе, ржи, ячменя, сои и т.п.), вымытое и очищенное, подают по линии 0.2 в камеру 1 кондуктивного нагрева, где обеспечивают его равномерное распределение и перемещение по греющей двухсекционной поверхности 2 и 2а. За счет теплопередачи между отработанным сушильным агентом, подаваемым из камеры сушки 3 по линии 3.3, и продуктом через греющую поверхность 2 первой секции камеры 1 кондуктивного нагрева происходит предварительный нагрев сырья до температуры 45...50°С. Во второй секции греющей поверхности 2а камеры 1 кондуктивного нагрева температуру продукта повышают до 55...65°С за счет теплопередачи от отработанного перегретого пара (угара), подаваемого из камеры обжарки 4 через теплообменник-рекуператор 7 по линии 2.0.

Предварительный нагрев продукта протекает равномерно по всей поверхности, прочность связи влаги с продуктом снижается, что ускоряет последующую сушку. Плавное повышение температуры сырья при кондуктивном энергоподводе позволяет удалить поверхностную влагу, снизить влажность на 3,1...3,6% и активизировать диффузионную способность капиллярно-пористой структуры продукта для удаления адсорбционно-связанной влаги в процессе последующей конвективной сушки.

Образовавшиеся пары испаренной из продукта влаги отводят из камеры 1 кондуктивного нагрева по линии 2.9 и конденсируют в емкости 10 для сбора конденсата.

Продукт после предварительной тепловой обработки в камере 1 кондуктивного нагрева подают по линии 0.2.1 в камеру сушки 3, где его высушивают горячим воздухом до влажности 10...12%.

Подготовку воздуха к сушке осуществляют в контуре рециркуляции. При этом необходимую температуру на входе в камеру сушки 3 воздух достигает в теплообменнике-рекуператоре 7 за счет теплоты отработанного перегретого пара, который отводят из камеры обжарки 4 по линии 2.0. Рекуперативный теплообмен позволяет довести температуру воздуха после его осушения в осушителе 8 (линия 3.3) до температуры 110...120°С в теплообменнике-рекуператоре 7 (линия 3.2). Затем горячий воздух с помощью вентилятора 12 подают в камеру сушки 3 по линии 3.4. Отработанный воздух направляют сначала в первую секцию греющей поверхности 2 камеры 1 кондуктивного нагрева, затем отводят на осушение в осушитель 8 по линии 3.3, после чего на подогрев в теплообменник-рекуператор 7 по линии 3.2 и далее подают на вход сушильной камеры 3 по линии 3.4 с образованием замкнутого цикла. Конденсат из осушителя 8 отводят по линии 1.8 в емкость 10 для сбора конденсата.

Высушенный продукт подают в камеру обжарки 4 по линии 0.2.2.

При существующих способах переработки кофейного сырья, когда процессы сушки и обжаривания разделены на два самостоятельных этапа и между ними проходит большой промежуток времени, происходит упрочнение капиллярных сосудов и клеточной системы продукта, что приводит к большим затратам тепловой энергии при удалении влаги поли- и мономолекулярной адсорбции при сушке. Поэтому целесообразно высушивать кофейное сырье до содержания влаги 5...6%, а затем сразу направлять на обжаривание до остаточного содержания влаги 2...3%.

Обжарку высушенного кофейного сырья осуществляют перегретым паром атмосферного давления, который посредством вентилятора 11 подают из парогенератора 9 по линии 2.2 в камеру обжарки 4 с температурой 150...160°С (линия 2.3).

Отработанный перегретый пар (угар) сначала подают в теплообменник-рекуператор 7 по линии 2.0, затем во вторую секцию греющей поверхности 2а камеры кондуктивного нагрева 1, после чего его конденсируют и отводят по линии 2.1 в емкость 10 для сбора конденсата. Образовавшийся конденсат из емкости 10 частично отводят в парогенератор 9, полученный насыщенный пар перегревают в пароперегревателе 6 и подают в камеру обжарки 4 по замкнутому циклу (линии 2.2 и 2.3). Неконденсирующиеся газы в объеме 10...12% от массы обрабатываемого продукта выводят из контура рециркуляции перегретого пара через емкость 10 для сбора конденсата по линии 5.1.

В процессе обжарки кофейное сырье подвергают промежуточному увлажнению путем частичной подачи воды из емкости 10 для сбора конденсата с помощью насоса 13 в камеру обжарки 4, где она распыливается форсунками 5 над слоем продукта. При этом снижается величина угара до 10...12% и, как следствие, уменьшаются потери экстрактивных веществ и увеличивается выход готовой продукции. Продукты терморазложения - канцерогены непрерывно выводят с неконденсированными газами, создавая при этом экологически безопасные условия в технологии производства кофепродуктов высокого качества.

Обжаренный продукт выводится из камеры обжарки 4 по линии 0.2.3.

Приведем конкретные примеры по реализации предлагаемого способа.

Пример №1. Технология производства обжаренного цикория.

Поступающие на переработку свежие плоды цикория подвергают сначала мойке, в результате которой удаляют посторонние примеси и микроорганизмы. После мойки цикорий поступает на резку, где разрезается на кубики, столбики или пластины размерами соответственно, мм: 10-20×10-20×10-20; 20-60×12-15×5-10; 10-20×15-20×5-7 [Справочник технолога пищеконцентратного и овощесушильного производства / В.Н.Гуляев, Н.В.Дремина, З.А.Кац и др. Под ред. В.Н.Гуляева. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. - 488 с., с.341-342].

Подготовленный цикорий подают по линии 0.2 в камеру 1 кондуктивного нагрева, где его равномерно распределяют и обеспечивают перемещение по греющей поверхности. При кондуктивном теплоподводе и переменном (нестационарном) температурном режиме, когда температура греющей поверхности увеличивается (в первой секции составляет, например, 48°С, а во второй, например, 65°С), влажность цикория снижается с 32 до 27%. Испарившаяся из цикория влага непрерывно отводится из камеры 1 кондуктивного нагрева в емкость 10 для сбора конденсата и не создает сопротивление массовому потоку пара с поверхности продукта.

Процесс сушки цикория осуществляют в сушильной камере 3 воздухом с температурой, например, 80°С. Учитывая, что сушку осуществляют воздухом с пониженным влагосодержанием, например 0,025 кг/кг, вследствие его осушения в осушителе 8, то в этом случае низкотемпературная сушка вполне оправдана, как более экономичная. В осушителе 8 температура воздуха снижается и доводится до температуры конденсации (до температуры точки росы), а высокий температурный потенциал воздух приобретает за счет рекуперативного теплообмена от отработанного перегретого пара (угара), поступающего из камеры обжарки 4 в теплообменник-рекуператор 7 по линии 2.0.

Высушенный до содержания влаги, например, 14% цикорий направляют по линии 0.2.2 в камеру обжарки 4, куда подают перегретый пар с температурой, например, 160°С. В процессе обжарки осуществляют промежуточное увлажнение цикория путем подачи распыливаемой форсунками 5 воды в камеру обжарки 4 из емкости 10 для сбора конденсата с помощью насоса 13, например, через каждые 2 минуты в соотношении 1:20 к массовому расходу цикория. При этом величина угара составляет, например, 10...12% от массы обрабатываемого продукта, а выход обжаренного цикория соответственно - 88...90% от массы обрабатываемого цикория. Отработанный перегретый пар (угар) после теплообменника-рекуператора 7 направляется по линии 2.0 во вторую секцию греющей поверхности 2а камеры 1 кондуктивного нагрева для повышения температуры продукта до 55...65°С за счет теплопередачи от отработанного перегретого пара. Затем отработанный пар отводится по линии 2.1 в емкость 10, где конденсируется, а неконденсированные газы выводятся по линии 5.1 из контура рециркуляции пара. Обжаренный продукт выводится из камеры обжарки 4 по линии 0.2.3.

Таким образом, тепловая обработка цикория исключает какое-либо соприкосновение продуктов термического разложения цикория, образовавшихся при обжарке, содержащихся в отработанном перегретом паре, с высушиваемым цикорием, что полностью предотвращает возможную диффузию токсичных компонентов угара в обрабатываемый продукт.

В табл.1 приведены некоторые показатели обжаренного цикория, полученного по традиционной технологии (раздельная сушка в сушилках, например КСА-80, "Империал", СПК-90 и обжаривание в аппаратах, например "Пробат", "Линдгренц", "Рапидо" [Остриков А.Н., Шевцов А.А., Кравченко В.М., Зотов А.Н. Обжарка кофе перегретым паром / Воронеж. гос. технол. акад. Воронеж, 2003. - 174 с.]), по известному способу обжарки перегретым паром (А.с. №1734642 РФ) и предлагаемому способу (кондуктивный нагрев - конвективная сушка воздухом и обжарка перегретым паром).

Таблица 1.
Показатели	Свежий	Обжаренный цикорий
	цикорий	по традиционной технологии	по способу (Пат. №2203553)	по предлагаемому способу
Вода	73,1	4,0	4,0	4,0
Экстрактивные вещества	21,4	74,2...76,0	77,3	77,3
Инулин	16,6	24,0	26,5	27,3
Общие сахара	4,0	18,2	21,2	23,0
Редуцирующие сахара	3,39	14,1	15,9	16,4
Зола (общая)	1,07	4,5	4,5	4,7
рН	5,7	4,5	4,3	4,4

Пример №2. Технология производства обжаренных зерен кофе сорта Робуста.

Очищенные на вибрационном сепараторе зерна сырого кофе сорта Робуста разделяют по видам и сортам и помещают в промежуточные бункеры, из которых сырой кофе направляют по линии 0.2 в камеру 1 кондуктивного нагрева до температуры 45...60°С, состоящей из двух последовательно расположенных секций. За счет теплопередачи между отработанным сушильным агентом (воздухом), подаваемым из камеры сушки 3 по линии 3.3, и продуктом через греющую поверхность 2 первой секции камеры 1 кондуктивного нагрева происходит предварительный нагрев сырья до температуры 50...55°С. Во второй секции греющей поверхности 2а камеры 1 кондуктивного нагрева температуру зерен кофе повышают до 65°С за счет теплопередачи от отработанного перегретого пара (угара), подаваемого из камеры обжарки 4 через теплообменник-рекуператор 7 по линии 2.0.

Отработанный воздух с температурой 90...100°С из камеры сушки 3 направляют по линии 3.3 в первую секцию камеры 1 кондуктивного нагрева продукта. В ней осуществляется нагрев зерен кофе до температуры 80...85°С. Затем воздух из первой секции камеры 1 по линии 3.3 подают в осушитель 8, затем в теплообменник-рекуператор 7 (линия 3.2) и далее в камеру сушки 3 (линия 3.4) по замкнутому циклу. Пары испарившейся из зерен кофе влаги из камеры 1 отводят по линии 29 в емкость 10, а образовавшиеся неконденсирующиеся газы в объеме 8...10% выводят из контура рециркуляции (линия 5.1 на фиг.1) перегретого пара.

Отработанный перегретый пар (угар) с температурой 443 К (170°С) из камеры обжарки 4 отводят в теплообменник-рекуператор 7 на подогрев воздуха до температуры 150...160°С, а затем подают во вторую секцию 2а камеры 1 кондуктивного нагрева. Потом отработанный пар направляют по линии 2.1 в емкость 10, образующийся там конденсат частично направляют для промежуточного увлажнения продукта в камеру обжарки 4, а частично отводят в парогенератор 9. Получаемый в нем насыщенный пар перегревают в пароперегревателе 6 и подают вентилятором 11 в камеру обжарки 4 по замкнутому циклу.

Процесс сушки зерен кофе Робуста осуществляют в сушильной камере 3 воздухом с температурой 150...160°С. Высушенный до содержания влаги, например, 12% кофе направляют по линии 0.2.2 в камеру обжарки 4, куда подают перегретый пар с температурой, например, 260°С. В процессе обжарки осуществляют промежуточное увлажнение зерен кофе распыливаемой с помощью форсунок 5 водой, которая подается в камеру обжарки 4 из емкости 10 с помощью насоса 13, например, через каждые 2 минуты в соотношении 1:20. При этом величина угара составляет, например, 10...12%, а выход обжаренного кофе, соответственно, - 88...90%. Отработанный перегретый пар (угар) после теплообменника-рекуператора 7 направляется по линии 2.0 во вторую секцию греющей поверхности 2а камеры 1 кондуктивного нагрева для повышения температуры продукта до 65°С за счет теплопередачи от отработанного перегретого пара. Затем отработанный пар отводится по линии 2.1 в емкость 10, где конденсируется, а неконденсированные газы выводятся по линии 5.1 из контура рециркуляции пара. Обжаренный продукт выводится из камеры обжарки 4 по линии 0.2.3.

Предлагаемый способ обладает следующими преимуществами:

- получение продукта более высокого качества за счет непрерывного вывода несконденсированных газов, содержащих канцерогенные углеводороды: (3,4-бензопирена, флюрантена и др.), из контура рециркуляции;

- увеличение выхода готовой продукции за счет снижения массовой доли несконденсированных газов благодаря использованию комбинированной поэтапной обработки, которая включала предварительное кондуктивное подсушивание, конвективную сушку воздухом и обжарку перегретым паром с промежуточным увлажнением, без чрезмерного воздействия высоких температур с постепенным снижением влажности кофейного сырья;

- повышение энергетической эффективности за счет утилизации и рекуперации теплоты отработанного перегретого пара при обжарке, рационального использования теплоты воздуха при конвективной сушки, использования отработанного перегретого пара и воздуха, как источников вторичных энергоресурсов для кондуктивной подсушки;

- разработана экологически чистая, ресурсосберегающая технология производства обжаренных кофепродуктов.

Способ производства обжаренных кофепродуктов, предусматривающий подготовку сырья, термическую обработку перегретым паром с промежуточным увлажнением продукта, отличающийся тем, что перед термической обработкой осуществляют предварительный подогрев продукта в камере кондуктивного нагрева в два этапа: на первом этапе - отработанным воздухом до температуры 45-50°С и на втором этапе - отработанным перегретым паром до 55-65°С; а затем сушку продукта в камере сушки воздухом до температуры 85-95°С, причем отработанный перегретый пар с температурой 130-140°С отводят в теплообменник-рекуператор на подогрев воздуха до температуры 110-120°С с последующей подачей для предварительного подогрева продукта на втором этапе, при этом пары испарившейся из продукта влаги отводят в емкость для сбора конденсата, откуда частично направляют на промежуточное увлажнение продукта в камеру обжарки, а частично отводят в парогенератор, полученный пар перегревают в пароперегревателе и подают в камеру обжарки по замкнутому циклу, образовавшиеся не конденсирующиеся газы в объеме 8-10% выводят из контура рециркуляции перегретого пара, а отработанный воздух с температурой 90-100°С из камеры сушки направляют в теплообменник-рекуператор и далее для предварительного подогрева продукта на первом этапе с последующей подачей в осушитель, затем в камеру сушки по замкнутому циклу.