Технология растворимых чайных напитков из листьев облепихи

Первые сведения о производстве чая как напитка относятся к Китаю, население которого больше всех в мире потребляет чай, и описаны в монографии Лу Юйем [1]. Информация о хорошо растворимых (экстрагированных) чайных концентратах, не требующих длительной процедуры заваривания, появилась гораздо позже [2]. Для приготовления экстрагированных чаев использовали чайные кристаллы, технология изготовления которых включала получение сока из свежесобранных чайных листьев методом прессования и последующей его сушки на открытом воздухе. Для приготовления чайного напитка достаточно было растворить полученные кристаллы в горячей (около 60 ° C) воде, при этом получавшийся настой сохранял вкусовые и ароматические свойства исходного сырья и даже превосходил обычные заваренные зеленые чаи. Однако в силу того, что количество добываемого сока оказывалось слишком мало, а производство было недопустимо дорогим, растворимый чай подавался исключительно к столу императора. Описанный способ получения быстрорастворимого чая применялся и в других чаепроизводящих странах (Индия, Шри-Ланка) , тогда как в Европе и США технология предусматривала получение быстрорастворимых чаев из настоя высококонцентрированного чая, используя в качестве основного сырья дешевый и низкокачественный сухой байховый чай.

Следует отметить, что в период конца 1960-х – начала 1970-х гг. традиционный растворимый чай недолговременно был довольно популярным среди городского населения промышленно развитых государств, однако он не смог удовлетворить рыночный и потребительский спрос из-за низких потребительских характеристик – невыраженных вкуса и аромата, плохой растворимости, обусловленных несовершенными технологиями.

В настоящее время индустрия чайных напитков выходит на новый уровень и занимает значительный сегмент рынка [3, 4]. С изменением концепции и стиля жизни людей у производителей появилась возможность для выпуска удобных в использовании быстрорастворимых чайных напитков с новыми оригинальными вкусами и функциональными свойствами за счет включения в компонентный состав специального сырья.

В связи с тем, что поддержание рыночного спроса и формирование потребительской привлекательности обеспечивается выпуском продукции высокого качества большое значение, имеют технологии получения как самих чайных напитков, так и входящих в их состав растительных компонентов. Анализ современных технологий переработки растительного сырья показал целесообразность применения при производстве растворимых чайных напитков низкотемпературной сверхвысокочастотной экстракции и экстракции диоксидом углерода, обогащения, молекулярного встраивания, высвобождения, разделения, сверхвысокочастотной, вакуумно-импульсной и инфракрасной сушки и т. д. [5–9]. Применение указанных технологий позволяет улучшить показатели качества получаемой продукции и сохранить все полезные компоненты исходного растительного сырья.

В экологически чистом Байкальском регионе произрастает значительное количество видов растений, из которых можно получать широкий ассортимент чайных напитков с функциональными свойствами. В частности, в Республике Бурятия перспективной промышленной культурой является облепиха крушиновидная, побочным продуктом при переработке которой накапливаются листья облепихи, имеющие уникальный химический состав и обладающие противовоспалительными, бактерицидными и иммуностимулирующими свойствами, что позволяет рассматривать их в качестве функционального сырья для получения чайных напитков [10–17].

Качество современных быстрорастворимых чайных напитков в Российской Федерации регламентируется вступившим в силу с 1 марта 2023 г. ГОСТ 34855 «Напитки чайные растворимые. Технические условия», который распространяется на растворимые чайные напитки, представляющие собой высушенные различными способами водные экстракты, полученные из растительного сырья.

Цель исследования - разработка технологических приемов для получения водорастворимых сухих чайных напитков из листьев облепихи.

Задачи исследования:

• –    изучение литературные данные и проведение патентных исследования в области экстракции растительного сырья;

• –    определение экспериментальным путем оптимальных параметров технологических процессов экстракции листьев облепихи;

• –    разработка технологии растворимых чайных напитков из листьев облепихи.

Материалы и методы исследования

Материалами исследований в эксперименте являлись листья облепихи селенгинского экотипа – побочный продукт переработки облепихи, образцы экстрактов, полученных методами экстракции диоксидом углерода (СО 2 -экстракции) и вакуумно-импульсной экстракции (ВИ-экстракции). Получение экстрактов проводили с использованием специального оборудования – СО 2 -экстрактора, вакуумно-импульсного экстрактора, вакуумно-импульсного сушильного аппарата. Исследование проводилось в научно-исследовательской лаборатории кафедры «Технологические машины и оборудование. Агроинженерия» Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления. Практическая проверка разработанной технологии осуществлялась на производственных площадях и оборудовании индустриального партнера - ООО «МИП “БайкалЭкоПро-дукт”».

Экспериментальные исследования и опыты проводили в 5-кpатной повторности, полученные результаты обрабатывали c помощью программ Statistica и Excel.

Результаты исследований и их обсуждение

Для выявления оптимального способа экстракции с целью получения растворимых чайных напитков на первом этапе были проведены патентные исследования современных методов экстракции растительного сырья. Вопросам экстракции ценных компонентов из растительного сырья посвящены труды многих изобретателей [9, 17 - 20]. Проведенный анализ, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что способы и оборудование, применяемые для проведения экстракции, имеют ряд недостатков, основными из которых являются продолжительность технологического процесса и в некоторых случаях применение высоких температур, что приводит к потерям ценных биологических веществ.

В последнее время в пищевой промышленности в качестве прогрессивных методов извлечения ценных компонентов используют технологии с применением экстракции диоксидом углерода (СО 2 -экстракции) и вакуумно-импульсной экстракции (ВИ-экстракции). Однако информации о переработке листьев облепихи с применением указанных способов не обнаружено. В связи с чем нами были проведены исследования по возможности получения экстрактов из листьев облепихи с применением указанных технологий.

Для проведения эксперимента использовали листья облепихи, являющиеся побочным продуктом первичной переработки облепихи, которые накапливаются в результате инспекции и сортировки поступившего облепихового сырья на участке первичной обработки. С участка первичной обработки облепихового сырья листья направляли на мойку и сушку.

Чистые сушеные листья облепихи измельчали до размера частиц 300–500 мкм на мельнице и помещали в специальный картридж, представляющий собой цилиндрический сосуд с перфорированными крышкой и днищем (в крышке установлен тонкий фильтр), загружали в экстрактор и закрывали крышку экстрактора. В экстрактор в автоматическом режиме подавался экстрагент – сжатый до 50–70 МПа сжиженный СО2 до полного заполнения экстракционного контура. Экстрагирование проводили при температуре 45-50 °С. В процессе экстракции мисцелла поступала в сепаратор, состоящий из двух блоков: в первом блоке выделялся экстракт, во втором – вода, содержащаяся в растительном сырье. Экстрагирование проводили в течение 100–110 мин. Затем полученный экстракт, содержащий жирорастворимые компоненты, выгружали через дно первого сепаратора в сосуд с узким горлом (во избежание разбрызгивания сливаемого под давлением экстракта). Полученный после первой экстракции шрот выгружали из картриджа, подсушивали и загружали во второй экстрактор, работающий с применением вакуумно-импульсных режимов, в который в автоматическом режиме подавался экстрагент, в качестве которого применялась вода. Процесс экстракции протекал с применением вакуумно-импульсных режимов при температуре не более 50 °С в течение 25-35 мин. По окончании процесса экстракции полученную смесь водорастворимых веществ и воды фильтровали и концентрировали при температуре не более 40 °С в течение 50-70 мин до конечной концентрации 60-70 %. Концентрированный экстракт, содержащий водорастворимые компоненты, выгружали из концентратора и направляли в сушильный аппарат, работающий с применением вакуумно-импульсных режимов, где осуществлялась дегидратация при температуре 40-45 °С. По истечении 4-6 мин обработки концентрированного экстракта в сушильном аппарате получили сухой экстракт.

По завершении всего технологического процесса получили густой экстракт, содержащий жирорастворимые компоненты, густой или сухой экстракты, содержащие водорастворимые компоненты. Готовые продукты фасовали, упаковывали и отправляли на хранение и последующую реализацию.

В результате проведения двухэтапной исчерпывающей экстракции получены:

• –    густой экстракт, содержащий жирорастворимые вещества;

• –    густой экстракт, содержащий водорастворимые вещества;

• –    сухой экстракт, содержащий водорастворимые вещества.

Разработанная технология растительных экстрактов позволила провести извлечение на первом этапе жирорастворимых компонентов, на втором - водорастворимых компонентов.

Оптимальные параметры экстракции, концентрирования и сушки для получения густых и сухих экстрактов были установлены опытным путем. Результаты исследований отражены в таблице 1.

Таблица 1

Оптимальные параметры технологического процесса получения экстрактов

Параметр	Значение
Экстракция
	№ опыта
	1	2	3	4	5
Сырье - листья облепихи измельченные
Этап 1 (экстрактор с сжиженным СО 2 )
Температура, ° С	40	45	50	55	60
Продолжительность экстракции, мин	120	110	100	90	80
Выход жирорастворимых веществ, %*	96,3	97,3	97,3	97,31	97,3
Этап 2 (экстрактор с вакуумно-импульсными режимами)
Температура, ° С	40	45	50	55	60
Продолжительность экстракции, мин	45	35	25	15	5
Выход водорастворимых веществ*, %	92,7	95,1	95,2	95,2	95,2
Концентрирование
	№ опыта
	1	2	3	4	5
Сырье – экстракт из листьев облепихи после этапа 2
Температура, ° С	30	35	40	45	50
Продолжительность, мин	90	70	50	30	10
Степень концентрации, %	80	70	60	50	40

Продолжение таблицы 1

Сушка
	№ опыта
	1	2	3	4	5
Сырье - экстракт из листьев облепихи после концентрирования
Температура, ° С	30	35	40	45	50
Продолжительность, мин	10	8	6	4	2
Содержание влаги, %	10	8	6	4	3

* - от общего содержания веществ данной группы.

Результаты, представленные в таблице 1, свидетельствуют о том, что на первом этапе экстракции максимальный выход жирорастворимых веществ, составляющий 97,3 % от общего содержания веществ данной группы, достигался в опытах № 2 и № 3 при температуре 45-50 ° С в течение 100-110 мин.

Наилучшие результаты при проведении процесса экстрагирования на втором этапе, позволяющие провести максимально полное извлечение водорастворимых сухих веществ – 95,2 % отмечали в опытах № 2 и № 3, температурные условия протекания процесса в которых не превышали 45-50 ° С, при этом время экстрагирования составило 2535 мин.

Применение более высоких температур на исследуемых этапах экстрагирования может неблагоприятно отразиться на сохранности ценных компонентов листьев облепихи. Наряду с эти отмечается, что выход жиро- и водорастворимых веществ практически не увеличивается, в связи с чем применение температуры более 50 ° С нецелесообразно.

При концентрировании водного экстракта после второго этапа наилучшие результаты были получены в опытах № 2 и № 3, а именно при температуре 35-40 ° С в течение 50-70 мин. При температуре ниже 35 ° С увеличивалась продолжительность концентрирования, что вело к дополнительным энергозатратам, при этом увеличивалась степень концентрации, что было нецелесообразно, так как предельная концентрация для самокон-сервации экстрактов облепихи составляет 60–70 %, которая достигалась в опытах № 2 и № 3.

Анализ экспериментальных исследований процесса сушки (табл. 1) свидетельствовал о том, что наилучшие оптимальные результаты для получения сухого экстракта с содержанием влаги 4–6 % находились в опытах № 3 и № 4, а именно при температуре 40– 45 ° С и продолжительности сушки в течение 4-6 мин. При температуре ниже 40 °С продолжительность сушки увеличивалась, что повышало энергозатраты процесса. Повышение температуры более 45 ° С было нецелесообразно, так как для стабильного хранения получаемого продукта достаточно влажности 4–6 %.

На следующем этапе исследований в экспериментально определенных оптимальных условиях были получены опытные образцы: № 1 – сухой экстракт, № 2 – густой экстракт после 1 этапа экстракции, № 3 – густой экстракт после 2 этапа экстракции и концентрирования, и исследованы их органолептические показатели. Результаты исследований представлены в таблице 2.

Данные таблицы 2 свидетельствовали об отсутствии существенных различий в качестве образцов экстрактов по органолептическим показателям. Полученные образцы имели натуральный травяной, свойственный свежим листьям облепихи аромат, при этом цвет густых экстрактов - темный буро-коричневый с темно-зеленым оттенком, сухого экстракта - светлый буро-коричневый. По внешнему виду густые экстракты отличались степенью вязкости.

Также было проведено тестовое заваривание сухого экстракта, которое показало, что сухой экстракт полностью растворялся в горячей кипяченой воде, что позволяет рекомендовать его к использованию в качестве растворимого чайного напитка в соответствии с ГОСТ 34855.

Таблица 2 Органолептические показатели экстрактов

Показатель	Образец №1 Сухой экстракт	Образец № 2 Густой экстракт после 1-го этапа экстракции	Образец №3 Густой экстракт после 2-го этапа экстракции и концентрирования
Аромат	натуральный, травяной, хорошо выраженный, без постороннего запаха	натуральный, травяной, свойственный листьям облепихи, без постороннего запаха	натуральный, травяной, свойственный листьям облепихи, без постороннего запаха
Цвет	светлый буро-коричневый	темный буро-коричневый с темно-зеленым оттенком	темный буро-коричневый с темно-зеленым оттенком
Внешний вид	сыпучий однородный мелкодисперсный порошок	густая маслянистая жидкость	густая жидкость

Исследование органолептических показателей растительных экстрактов, полученных из листьев облепихи (см. табл. 2), показали, что установленные экспериментальным путем оптимальные режимы получения экстрактов обеспечивали хорошее качество получаемых продуктов наряду с высоким выходом экстрактивных веществ и сокращением продолжительности технологического процесса, что позволило сделать вывод об эффективности использования СО 2 и ВИ методов экстракции при получении экстрактов из листьев облепихи.

Щадящие температурные режимы на первом и втором этапах экстракции, концентрирования и сушки, не превышающие 50 ° С, обеспечили хорошие органолептические показатели получаемых продуктов. Созданные в экстракторах условия, обусловленные на первом этапе используемым в качестве экстрагента сжиженным CO 2 , сжатым до 50– 70 МПа, на втором этапе применяемыми импульсными режимами в условиях глубокого вакуума, а также последующей дегидратацией получаемых экстрактов значительно улучшили их структурно-механические характеристики, что положительно повлияло на проведение дальнейших технологических операций.

Таким образом, разработанная технология позволила получить продукты высокого качества наряду с сокращением продолжительности процессов экстракции, концентрирования и сушки, что повлекло уменьшение энергозатрат на производство и повысило экономическую эффективность процесса. Также технология позволила провести исчерпывающую экстракцию, максимально извлечь из растительного сырья полезные биологически ценные компоненты и получить на выходе густой экстракт с жирорастворимыми экстрактивными веществами, густой и сухой экстракты с водорастворимыми веществами.

Сухой экстракт, содержащий водорастворимые вещества, был получен методом водной экстракции и сушки с применением вакуумно-импульсных режимов из листьев облепихи, из которых были предварительно извлечены жирорастворимые компоненты, что соответствовало способу получения растворимых чайных напитков, регламентированному ГОСТ 34855. Сухой экстракт из листьев облепихи стал растворимым чайным напитком.

Результаты проведенных исследований были учтены при разработке проекта технологической инструкции по производству растворимых чайных напитков из листьев облепихи в соответствии с требованиями ГОСТ 34856 и ТР ТС 021/2011. В дальнейшем планируется исследовать микробиологические, гигиенические показатели, а также показатели безопасности и биологическую ценность растворимых чайных напитков из листьев облепихи с целью подтверждения их безопасности и получения декларации о соответствии для реализации инновационной продукции.

Проведенными исследованиями была подтверждена возможность получения растворимых чайных напитков из листьев облепихи, являющихся побочным продуктом переработки.

Разработанная технология получения экстрактов по сравнению с существующими способами позволила получить следующие преимущества:

• 1.    Проведение исчерпывающей экстракции и извлечение жиро- и водорастворимых компонентов из исходного облепихового сырья.

• 2.    Сокращение продолжительности технологического процесса.

• 3.    Энерго- и ресурсосбережение.

• 4.    Получение трех продуктов – экстрактов высокого качества.

Полученные продукты (экстракты) после комплексного изучения могут быть рекомендованы в качестве ингредиентов для создания новых пищевых продуктов, в том числе растворимых чайных напитков.

Разработанная технология защищена патентом на изобретение RU №2 810 497 «Способ получения растительных экстрактов» [21].

Заключение

Проведенные патентные исследования и анализ имеющихся литературных источников, описывающих методы экстракции растительного сырья, показали, что в настоящее время для сохранности ценных компонентов растительного сырья предпочтительны два наиболее прогрессивных метода, применяющихся в пищевой промышленности - экстракция жидким диоксидом углерода и экстракция с применением вакуумно-импульсных режимов.

Была исследована возможность получения чайных напитков из листьев облепихи, являющихся побочным продуктом переработки. Экспериментальным путем определены оптимальные паpаметpы экстракции, концентрирования и сушки облепихового сырья. Доказано, что экстракцию целесообразно проводить в два этапа: на первом этапе при температуре 45-50 ° С, давлении 50–70 кПа в течение 100–110 мин диоксидом углерода; на втором этапе при температуре 45-50 ° С в течение 25 - 35 мин в условиях вакуумно-импульсного воздействия; после экстракции проводилось концентрирование до содержания сухих веществ 60–70 % при температуре 35-40 ° С в течение 50-70 мин и последующая вакуумно-импульсная сушка в течение 4-6 мин при температуре 40-45 ° С.

Разработана технология, включающая экстракцию, концентрирование и сушку облепихового сырья, позволяющая получать густой экстракт, содержащий жирорастворимые вещества, густой и сухой экстракты, содержащие водорастворимые вещества. Изучены органолептические показатели экстрактов. Установлено, что сухие экстракты из листьев облепихи соответствуют требованиям ГОСТ 34856 и могут использоваться как растворимые чайные напитки. Планируются дальнейшее изучение полученных продуктов как функциональных ингредиентов и на основании результатов исследований выработка рекомендаций к их применению.

Разработана и утверждена технологическая инструкция по производству растворимых чайных напитков из облепихового сырья ТИ 10.83.15-001-66510843-2023.