автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Научное обеспечение способа производства обжаренных кофепродуктов

На правах рукописи

ОСТРИКОВА Елена Александровна

НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА ОБЖАРЕННЫХ КОФЕПРОДУКТОВ

Специальности 05.18.12 - «Процессы и аппараты пищевых производств» и 05.18.01 - «Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 ДЕК 2012

Воронеж-2012

005056962

005056962

Работа выполнена в ФГБОУВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУВПО «ВГУИТ»)

Научный руководитель - Заслуженный изобретатель РФ,

доктор технических наук, профессор Шевцов Александр Анатольевич

Официальные оппоненты — Кретов Иван Тихонович

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор, (Воронежский государственный университет инженерных технологий)

Дерканосова Наталья Митрофановна

доктор технических наук, профессор, (Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I)

Ведущая организация - Государственное научное учреждение

научно-исследовательский институт пи-щеконцентратной промышленности и специальной пищевой технологии

Защита состоится «24» декабря 2012 г. в 1200 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.035.01 при ФГБОУВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУВПО «ВГУИТ».

Автореферат разослан «21» ноября 2012 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.035.01 доктор технических наук, профессор

Г.В. Калашников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Кофе относится к группе ценного и дорогостоящего растительного сырья, пользующегося широким спросом у населения. Важнейшим этапом в производстве кофе-продуктов 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 промышлеино используемых способов декофеиниза-ции: 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. Леруа, 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 зерноперерабаты-вающих 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.

В соответствии с целью решались следующие задачи:

1. Изучение корней цикория, ячменя, желудей и каштанов как объектов исследования; систематизация полученных данных и формулировка на их основе рабочих гипотез по использованию их в производстве кофейных напитков.

2. Изучение процесса термического разложения исследуемых видов растительного сырья, выявление температурных зон испарения влаги различных форм связи.

3. Изучение гидродинамических и кинетических закономерностей процесса обжарки исследуемых видов растительного сырья перегретым паром.

4. Определение рациональных технологических параметров процесса обжарки сырья.

5. Разработка математической модели обжарки кофепро-дуктов перегретым паром.

6. Разработка рецептур кофейных напитков, адаптированных для различных групп населения.

7. Разработка технологической схемы получения кофейных напитков специального назначения.

8. Квалиметрическая оценка качества напитков, приготовленных по предлагаемой технологии.

9. Разработка конструкции обжарочного аппарата и способа автоматического управления процессом обжарки.

10. Внедрение в промышленность разработанной конструкции обжарочного аппарата. Проведение апробации предлагаемого способа.

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 белково-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 ап-

парата и сушилок для реализации технологии получения кофе-продуктов.

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 термовлажностной обработки материалов» (Воронеж, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 33 работы, в том числе 8 статей в ведущих научных рецензируемых журналах, получено 7 патентов РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и результатов, списка литерату-

ры и приложений. Работа изложена на 187 страницах машинописного текста, содержит 77 рисунков и 37 таблиц. Список литературы включает 158 наименований, в том числе 37 на иностранных языках. Приложения к диссертации представлены на 170 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризовано современное состояние производства кофе и кофейных напитков; обоснована актуальность темы диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.

В первой главе систематизированы литературные данные о современном состоянии теории, техники и технологии получения обжаренных кофепродуктов и кофейных напитков, об основных направлениях совершенствования обжарочного оборудования и технологии кофейных напитков. На основании проведенного анализа обоснован выбор объекта исследования, сформулированы задачи диссертационной работы и определены методы их решения.

Во второй главе исследованы кофепродукты: зерно ячменя, корни цикория, желуди и каштаны - как объект исследований. Получены зависимости коэффициентов внешнего и внутреннего трения по стали от влажности кофепродуктов. Их анализ показывает, что коэффициенты внешнего и внутреннего трения увеличиваются с ростом влажности.

Для ячменя:

fm = 0,0047-W + 0,5584, /М1уф = 0,0049 ■ W + 0,4056. (1)

Для корней цикория:

Л™, = 0,0010-^+1,4283, /^=0,0020-^ + 1,5145. (2)

Для желудей:

=0,0026-^+0,4381, /В1уф =0,0032-^+0,3860. (3)

Для каштанов:

Лист« = 0,0041-ГГ+0,3692, Лнутр = 0,0035-Ж+ 0,3454 . (4)

С целью выявления закономерностей теплового воздействия на кофепродукты был выполнен термический анализ зерна ячменя, корней цикория, желудей и каштанов на термоанализаторе TGA-DSC фирмы Mettler-Toledo. Для анализа процесса удаления влаги из желудей и каштанов использовали зависимость из-

менения массы в координатах «(-^а) - (103/7)», из анализа которой выделены четыре линейных участка для каждого из видов растительного сырья, что свидетельствует о ступенчатом испарении влаги: 1 - физико-механически связанная влага; 2 - осмотическая влага; 3 - полиадсорбционная влага; 4 - моноадсорбцион-

а б

в г

Рис. 1. Зависимость -lga от величины 103/Т исследуемых кофепродук-тов (а - зерна ячменя; б - корней цикория; в - желудей; г - каштанов) при нагревании со скоростью подъема температуры 3 К/мин

Для теплофизических характеристик кофепродуктов определения использован метод нестационарного теплового режима. Статистическая обработка опытных данных на ЭВМ в среде программы Microsoft Excel 2010 позволила получить уравнения, описывающие теплофизические свойства кофепродуктов для интервала температур (293...353 К) (табл. 1):

Таблица 1

Зависимость теплофизических свойств кофепродуктов от температуры t, °С

Растительное сырье Теплофизические свойства

Удельная теплоемкость с, Дж/(кг К) Коэффициент теплопроводности X, Вт/(м-К) Коэффициент температуропроводности а, м2/с

Ячмень свежий IV= 11,79% 1422,3 + 2,7202/ 0,1245 + 0,0003/ (6,92 + 0,0026/)-10"*

Ячмень обжаренный IV = 0,50 % 1359,4+3,0245/ 0,1185 + 0,0003/ (6,095 + 0,0035/) • 10""

Цикорий свежий ^=61,44% 3753,4+1,3656/ 0,1335 + 0,0002/ (2,925 + 0,0033/) • 10"'

Цикорий обжаренный \У= 5,00 % 2070,4 + 1,6634/ 0,0695 + 0,0001/ (2,61 + 0,003/)-10 *

Желуди свежие IV= 38,10% 2843,8 + 1,5653/ 0,13 + 0,0002/ (3,88+ 0,0043/)-Ю-8

Желуди обжаренные IV = 2,87 % 1653,8 + 1,6365/ 0,0515 + 0,0002/ (2,515 + 0,0051/)-10~8

Каштаны свежие IV-43,38 % 3062,6 + 1,5583/ 0,137 + 0,0002/ (4,08 + 0,0037/) • 10~8

Каштаны обжаренные IV = 3,98 % 1839,9 + 2,211/ 0,084 + 0,0002/ (3,9 + 0,0036/) • 10"*

Зависимости коэффициентов теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости от температуры носят линейный характер. Влажность оказывает большее влияние на исследуемые коэффициенты, чем температура.

Приведено описание экспериментальной установки для исследования процесса обжарки кофепродуктов. В качестве объекта исследования использовали зерно ячменя, корни цикория, желуди и каштаны. Перед обжаркой сырье очищали от примесей, корни цикория мыли, желуди и каштаны очищали от кожуры и нарезали на кубики с линейным размером 3...5 мм. Исследования процесса обжарки зерна ячменя проводились при температуре 140... 180 °С, корней цикория - при 180...220 °С, желудей - при 150... 190 °С, каштанов - при 150... 180 °С и скоростях теплоноси-

теля 0,35... 1,85 м/с. Начальная влажность продукта составляла: зерно ячменя - 10-12 %, корни цикория - 60-70 %, желуди - 3040 %, каштаны - 45-50 %. В процессе обжарки влажность продукта снижалась до 3-5 %. Ее продолжительность составляла 2452 мин, а удельная нагрузка продукта на решетку - 9,8±0,2 кг/м2.

В качестве теплоносителя был выбран перегретый пар атмосферного давления.

Изучена гидродинамика процесса на примере обжарки зерна ячменя. Анализ изменения гидравлического сопротивления слоя ячменя в процессе обжарки при температурах перегретого пара в интервале 413...453 К и скоростях в интервале 0,35... 1,85 м/с указывает на экспоненциальное уменьшение АР в начале процесса обжарки, которое обусловлено снижением влажности продукта (рис. 2). В дальнейшем гидравлическое сопротивление слоя обжариваемого зерна ячменя практически не менялось, что объясняется незначительным изменением влажности ячменя.

\ V = 0.3 м/с 1 - е -Т 423 К 2- • -Т-■ 433 К 3- о -Т-443К 4- л -Т 453 К

\

77

11

/ / / 2 I / 3 4

500 ¡ООО 1500 20002500 с 3000

\ Г - и м/с /- о -Г 411* ». « -Г 4ПК 1- • -Г шк 4- ц -Г 441К 1 - л *Г ■■ 411К

Л

1 1 4..

/ 1 й -П 2 71 3 4 5

Па

60

г- о. г. 9.Т «л

7 / / / / /

2 3

0 100 1000 1100 2000 2100 3000 с 3100 0 500 1000 1100 2000 2100 3000 с 3100

в г

Рис. 2. Изменение гидравлического сопротивления слоя зерна ячменя от времени при различных скоростях перегретого пара, V, м/с: а — 0,35; б -0,80; в-1,30; г-1,85

Установлено, что коэффициент гидравлического сопротивления слоя частиц продукта Л зависит, в основном, от скорости перегретого пара. В результате обработки экспериментальных данных была определена зависимость коэффициента гидравлического сопротивления, как функция Л =У(Ие):

Я = 1,06/ Яе0145. (5)

Получены эмпирические уравнения, выражающие зависимость величины усадки Зот текущего влагосодержания кофепродуктов:

д = А\пи+В (6)

где для ячменя А=- 0,091; В = - 0,1557; для цикория А=- 0,103; В = 0,1382; для желудей А = - 0,209; В = - 0,0478; для каштанов А = — 0,178; В = 0,0681.

Получены зависимости высоты слоя от времени, коэффициента объемной усадки от времени и влагосодержания для всех исследуемых продуктов.

гг/кг | 0.«

у - 0,8 м/с а-{»-с) 10

/ О -Г 423 К

2-о Г 433 К м

3- -т 443 К I

4-Х-Г 4ЛЗ К «

X ^ чЧ / I 2 У/ 3 4 у 3 <

' /' /

Рис. 3. Кривые обжарки желудей при температуре теплоносителя Т, К: 1 - 423; 2 — 433; 3-443; 4-463

Рис. 4. Кривые скорости обжарки желудей при температуре теплоносителя Г, К: 1 — 423; 2-433; 3-443; 4-463

Рассмотрены кинетические закономерности процесса обжарки желудей. Анализ кривых обжарки (рис. 3) и скорости обжарки (рис. 4), термограмм (рис. 5) и температурных кривых (рис. 6) желудей перегретым паром указывает на то, что обжарка преимущественно идет в периоде убывающей скорости.

Аналогичные исследования процесса обжарки были проведены с ячменем, каштанами и корнями цикория.

Построенные кинетические закономерности, полученные

при стационарных температурно-скоростных режимах, позволили определить интенсивность процесса обжарки в различные ее периоды.

400 К

ЗСР W ни

._

В SOU IVOO ПОР С ■

---Рис. 6. Температурные кривые об-

Рис. 5. Термограммы обжарки жарКи желудей при температуре желудей при температуре тепло- теплоносителя Т, К: 1 - 423; 2 -носителя Т, К: 1 -423; 2-433; 3 433. 3 „443. 4_4бЗ

-443; 4-463

С учетом полученных данных и результатов термического анализа сырья были разработаны ступенчатые режимы обжарки (табл. 2).

Таблица 2

Ступенчатые режимы обжарки растительного сырья

Параметры Этапы

I П Ш IV

Зерно ячменя

Температура теплоносителя, К 413 433 443 453

Скорость теплоносителя, м/с 1,85 1,3 0,8 0,35

Продолжительность, с 240 360 480 1320

Корни цикория

Температура теплоносителя, К 453 463 473 -

Скорость теплоносителя, м/с 1,85 0,8 0,35 -

Продолжительность, с 420 480 1260 -

Жел уди

Температура теплоносителя, К 423 433 443 453

Скорость теплоносителя, м/с 1,85 1,3 0,8 0,35

Продолжительность, с 480 480 120 360

Каштаны

Температура теплоносителя, К 423 433 443 -

Скорость теплоносителя, м/с 1,85 1,3 0,8 -

Продолжительность, с 720 300 660

В их основе был заложен принцип повышения температуры и снижения скорости теплоносителя по ходу процесса. Он обусловлен тем, что в начале обжарки из продукта испаряется физико-механически связанная влага, а в конце - физико-химическая (осмотическая и адсорбционная), для удаления которой требуется подвод значительного количества теплоты.

В третьей главе предложено математическое описание процесса обжарки корней цикория при допущениях: частицы цикория рассматриваются в виде куба; геометрическая форма обжариваемого продукта постоянна; начальное распределение температуры и влагосодержания по объему обжариваемого продукта постоянны; плотность потока теплоты и массы постоянны; разбиение на зоны позволяет достигать требуемой точности расчета температуры и влажности продукта.

Процесс обжарки представлен системой дифференциальных уравнений тепломассопереноса:

Г (х,т)^ = 0,0012т4 + 0,0807т3 -1,8278т2 +18,555г + 295,39 и [х, т)|х=о =8 • 10"5 Xх - 0,0195т + 0,6813

с!т

с начальными условиями:

и граничными условиями третьего рода: для уравнения теплопроводности

для уравнения массопереноса

Для определения изменения температуры и влагосодержания по ходу процесса и по слоям использован метод конечно-разностной схемы, реализованный через метод сетки. Разработан программный модуль расчета процесса обжарки цикория перегретым паром в системе М&Исас115.

800 1200 с 1600

Рис. 7. Термограмма тепломас-сопереноса при обжарке корней цикория: сравнение расчетных

(-) и экспериментальных (о)

данных при обжарке перегретым паром, Тп = 473 К; дн= 9,8 кг/м2;

V = 1,3 м/с

О 400 800 1200 с 1600

Г 11

Рис. 8. Кривая обжарки корней цикория: сравнение расчетных

(-) и экспериментальных (о)

данных при обжарке перегретым паром, Тп = 473 К; <?„= 9,8 кг/м2; у = 1,3 м/с

По сравнительному анализу результатов аппроксимации расчетных и экспериментальных данных (рис. 7, 8) установлено, что их среднеквадратичное отклонение по абсолютному значению не превышало для температуры 3,5 % и для влагосодержания 11,0%.

В четвертой главе изложены методики определения химического состава свежих и обжаренных продуктов: содержания нитратов; витаминов Вь В2, РР, С, Е; минеральных веществ К, Са, Бе, Р, М& аминокислот; белка; сахарозы и массовой доли влаги, а также сведены в таблицу стандарты, в соответствии с которыми выполнялись анализы.

Приведены органолептические характеристики кофепро-дуктов, соответствующие нормативным показателям качества.

Полученные данные свидетельствуют о соответствии допустимым нормам микробиологических показателей и содержания

вредных для здоровья соединений: нитратов, пестицидов и тяжелых металлов; а также высокой степени сохранности ценных питательных веществ в процессе обжарки, что обусловлено подбором рациональных параметров термической обработки.

В пятой главе представлены рецептуры кофейных напитков для различных социальных и возрастных слоев населения. В качестве целевой аудитории были выбраны четыре группы: дети и подростки в возрасте от 10 до 17 лет; беременные женщины и кормящие матери; лица пожилого и старческого возраста; спортсмены и люди, подверженные тяжелым физическим нагрузкам.

Для разработки рецептур использовано программное обеспечение ВНИИКП 5.0. В качестве исходного сырья было введено: зерно ячменя, корни цикория, желуди и каштаны, обжаренные по предложенной технологии, а также зерна натурального кофе темной обжарки «Platinum Espresso», обжаренного по традиционной технологии в промышленных условиях. Рассчитанные программой рецептуры представлены в табл. 3.

Таблица 3

Содержание рецептурных компонентов в разработанных напитках, %

№ Кофе Корни Ячмень Желу- Каш-

напит обжа- цикория обжа- ди об- таны

ка ренный обжа- ренный жарен- обжа-

ренные ные ренные

1 2 3 4 5 6

Дети и подростки в возрасте от 10 до 17 лет

1 - 10,01 44,22 10,01 35,76

2 10,00 10,00 52,45 10,00 17,55

3 5,00 5,00 67,82 5,00 17,18

4 14,88 14,88 38,19 14,88 17,17

Беременные женщины и кормящие матери

1 - - 30,80 - 69,20

2 - - 75,56 7,05 17,39

3 - - 73,76 - 26,24

4 - 10,00 66,01 10,00 13,99

Лица пожилого и старческого возраста

1 12,32 0,57 74,74 12,37 -

2 12,38 5,00 72,62 5,00 5,00

3 21,31 10,00 58,69 10,00 -

1 2 3 4 5 6

4 15,52 10,00 54,48 10,00 10,00

Спортсмены и люди, подверженные тяжелым физическим нагрузкам

1 30,76 - 42,25 - 26,99

2 36,83 5,00 26,51 5,00 26,66

3 40,94 9,62 17,40 9,62 22,42

4 35,85 15,01 15,01 15,01 19,12

Последующий выбор среди представленных вариантов рецептур наилучшей осуществлялся с помощью экспертной оценки группой экспертов-дегустаторов.

Среди каждой из 4 групп был выбран наилучший напиток, получивший наивысший ранг. По оценке экспертов отобраны образцы (табл. 4):

Таблица 4

Экспертные оценки напитков, получивших самые высокие ранги

Показатель Напнток для детей и подростков в возрасте от 10 до 17 лет №3 Напиток для беременных женщин и кормящих матерей № 1 Напиток для лиц пожилого и старческого возрастала 1 Напиток для спортсменов и людей, подверженных тяжелым физическим нагрузкам № 1

Цвет Желтоватый Светло-коричневый Коричневый Коричневый

Запах Приятный, ячменный* Приятный Приятный, ячменный* Утонченный

Вкус Сладкий Приятный Приятный Утонченный

Примечание: * - в таблице указаны оценки, набравшие не менее 4 голосов из 10.

В целом эксперты дали высокую оценку органолептиче-ским показателям качества кофейных напитков и порекомендовали наиболее оптимальные с позиций вкусовых характеристик образцы для промышленного производства.

Выполнена квалиметрическая оценка качества кофейных напитков специального назначения. Кофейные напитки, приготовленные по отобранным рецептурам, отличаются высокой пищевой ценностью и сбалансированностью химического состава.

Изучение аромата проведено в НИЛ ООО «Сенсорика -Новые Технологии» на анализаторе запахов «МАГ-8» с методологией «Электронный нос». Полученные данные об интенсивности ароматов кофейных напитков для различных социальных и возрастных групп подтверждает правильность подбора рецептурных компонентов.

На четыре вида кофейных напитков, признанных лучшими в результате экспертной оценки, разработаны технические условия.

Разработана технологическая схема получения кофейных напитков на основе растительного сырья: зерна ячменя, корней цикория, желудей и каштанов - и натурального кофе. На основании предложенной схемы была разработана технологическая инструкция на производство кофейных напитков специального назначения.

В шестой главе приводится описание разработанных конструкций оборудования: роторного обжарочного аппарата, двух сушилок, смесителя-гранулятора.

Разработанная конструкция сушилки (рис. 9) позволяет достичь равномерной сушки продукта вследствие использования щадящих режимов перемешивания при максимальном сохранении частиц обрабатываемого продукта; повысить качество готового продукта за счет использования пересыпающегося слоя, снижающего комкование высушиваемого продукта; интенсифицировать процесс сушки вследствие ведения его в соответствии с основными кинетическими закономерностями; снизить удельные энергозатраты.

Представлены две трехстадийные схемы получения обжаренных кофепродуктов: с применением парокомпрессионной и пароэжекторной холодильных машин для регенерации отработанного теплоносителя, первая из которых автоматизирована.

Схема получения обжаренных кофепродуктов с применением парокомпрессионной холодильной машины позволяет повысить производительность линии на 10... 12 % за счет точности и надежности управления технологическими параметрами, снижает энергозатраты на 10... 15 % и обеспечивает экологически чистую технологию получения обжаренных кофепродуктов.

Для определения и сравнительного анализа энергетической эффективности технологий выполнен эксергетический анализ.

Влажный продукт

Рис. 9. Сушилка: 1 - корпус, 2 - ленточный перфорированный транспортер, 3 - загрузочное устройство^ - выравниватель слоя, 5 - секционированные патрубки, 6 - патрубок для отвода теплоносителя, 7 - патрубок, 8 - шнековый питатель, 9 - перфорированная лента, 10 — стенка,

11 - пазы, 12, 13 - барабаны, 14 - сетка, 15 -привод, 16 - комбинированный шнек, 17, 18, 19

— перемешивающие элементы

телеи и организации работы системы в замкнутом цикле. Линия с применением парокомпрессионной холодильной машины несколько выгоднее линии с пароэжекторной холодильной машиной (рис. 10, 11), но уступает ей в показателях экологической безопасности за счет использования в качестве хладагента фреона вместо воды.

счет

ния

ных

использова-отработан-теплоноси-

Полученные значения эк-сергетического КПД для линий получения обжаренных кофепро-дуктов с использованием парокомпрессионной холодильной машины и пароэжекторной холодильной машины составляют соответственно 62,08 % и 50,24 %, что на 10-15 % превышает КПД традиционных одностадийных технологий обжарки кофе, что говорит о повышении степени термодинамического совершенства систем за

линий получения обжаренных кофепродуктов с использованием пароэжекторной холодильной машины: 1 - камера кондук-тивного нагрева продукта с греющей двухсекционной поверхностью 2 и 3; 4 - камера сушки; 5 - парогенератор; 6 - камера обжарки с форсунками 7 для подачи воды; 8 - эжектор; 9 -пароперегреватель; 10 - пластинчатый теплообменник; 11 — конденсатор; 12 - емкость для сбора конденсата; 13 - испаритель; 14 — терморегулирующий вентиль; 15 - теплообменник-рекуператор; 16 - питающий насос; 17 — вентилятор высокого давления; 18, 20 — насосы; 19, 21 - вентиляторы; 22 - предохранительный клапан

получения обжаренных кофепродуктов с использованием пароэжекторной холодильной машины:

Наименования потоков: 1 - свежее кофейное сырье; 2 - паровоздушная смесь, подаваемая на

нагрев сырья; 3 - отработанный перегретый пар, подаваемый на нагрев сырья; 4 — паровоздушная смесь, подаваемая в пластинчатый теплообменник; 5 — насыщенный пар, подаваемый в эжектор; 6 - паровоздушная смесь, подаваемая в конденсатор пароэжекторной машины; 7 - электроэнергия привода вентилятора высокого давления; 8 - воздух, 9 - отработанный перегретый пар, подаваемый в теплообменник, 10 - электроэнергия привода вентилятора, подающего воздух; 11 - нагретое кофейное сырье; 12 - нагретый воздух; 13 - отработанный перегретый пар, подаваемый в сборник конденсата, 14 - пары испарившейся влаги; 15 - конденсат; 16 - электроэнергия ТЭНа парогенератора; 17 - электроэнергия насоса, подающего воду в парогенератор; 18 — высушенное

кофейное сырье; 19 - перегретый пар; 20 -вода; 21 — электроэнергия насоса, подающего воду в камеру обжарки; 22 - насыщенный пар, подаваемый в пароперегреватель; 23 - электроэнергия ТЭНа пароперегревателя; 24 — электроэнергия привода вентилятора, подающего насыщенный пар; 25 - обжаренный кофепро-дукт; 26 - электроэнергия привода насоса, подающего хладагент в теплообменник

На рис. 10 и 11 показаны контрольные поверхности: I - камера кондуктивного нагрева; II -пароэжекторная холодильная машина, насос и вентилятор высокого давления; III - теплообменник и вентилятор; IV - камера сушки; V - парогенератор, насос для подачи воды и сборник для конденсата; VI - камера обжарки и насос для подачи воды на форсунки; VII - пароперегреватель и вентилятор для подачи пара

Основные выводы и результаты

1. Изучены корни цикория, зерно ячменя, желуди и каштаны как объекты исследований; проведена систематизация полученных данных и на их основе сформулированы теоретические предпосылки и рабочие гипотезы по использованию их в производстве кофейных напитков.

2. Методом нестационарного теплового режима определены теплофизические характеристики кофепродуктов для интервала температур 293...353 К. Установлено, что с повышением температуры удельная теплоемкость, коэффициенты теплопроводности и температуропроводности кофепродуктов увеличиваются.

3. Изучены гидродинамические и кинетические закономерности процесса обжарки кофепродуктов перегретым паром при температуре теплоносителя 413...493 К и 0,35...1,85 м/с. Выявлено, что процесс обжарки идет преимущественно в периоде убывающей скорости сушки. Разработаны ступенчатые режимы обжарки кофепродуктов, предусматривающие повышение температуры теплоносителя и снижение скорости теплоносителя в процессе обжарки.

4. Проведен термический анализ ячменя, корней цикория, желудей и каштанов на комплексном термоанализаторе фирмы «МеШег-ТоЫо» и выявлены формы связи влаги в продукте.

5. Разработана математическая модель обжарки корней цикория перегретым паром, позволяющая определить поля температуры и влагосодержания по высоте слоя обжариваемого продукта, среднеквадратичная погрешность не превышала 11,0 %.

6. Разработаны рецептуры кофейных напитков специального назначения, направленных на удовлетворение потребностей в питательных веществах 4 целевых групп: детей и подростков в воз-

расте от 10 до 17 лет; беременных женщин и кормящих матерей; лиц пожилого и старческого возраста; спортсменов и людей, подверженных тяжелым физическим нагрузкам.

7. Определены пищевая, биологическая и энергетическая ценности кофейных напитков, приготовленных по разработанной технологии, а также определены их физико-химические и орга-нолептические характеристики. Предложена технологическая схема получения напитков. Определены ароматические характеристики кофейных напитков посредством анализатора запахов «МАГ-8» с методологией «Электронный нос». Проведена квали-метрическая оценка качества. Выявлено, что напитки обладают высокими потребительскими характеристиками и сбалансированностью состава.

7. Разработаны конструкции обжарочного аппарата, двух сушилок, способ получения обжаренных кофепродуктов и способ автоматического управления процессом обжарки. Выполнен эк-сергетический анализ, показавший, что энергетическая эффективность предложенных технологий с использованием ПКХМ и ПЭХМ превышает показатели традиционных способов обжарки, используемых в промышленности, на 10... 15 %.

8. Роторный обжарочный аппарат внедрен в ООО «Бизнес Регион». Разработаны технические условия ТУ 9198-001-02068108-12 «Напитки диетические кофейные растворимые». Ожидаемый экономический эффект от промышленного внедрения составит 53,76 млн. р/год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Патенты

1. Пат. 2323397 Российская Федерация, MnK7F 26 В 17/08. Сушилка [Текст] / Шевцов A.A., Острикова Е.А.; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. - № 2006136045/06; Заявлено 11.10.2006; Опубл. 27.04.2008; Бюл. № 12// Изобретения. Полезные модели. - 2008.-№ 12.

2. Пат. 2328129 Российская Федерация, МКИ7 А23 F 5/04. Роторный обжарочный аппарат [Текст] / Шевцов A.A., Острикова Е.А., Ткачев А.Г.; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. - № 2007104258/13; Заявлено 06.02.2007; Опубл. 10.07.2008; Бюл. № 19 // Открытия. Изобретения. - 2008. - № 19.

3. Пат. 2328140 Российская Федерация, МКИ7 А 23 L 1/10. Способ управления процессом получения обжаренных зернопродуктов [Текст] / А. А. Шевцов, А. Г. Ткачев, Е. А. Острикова; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. - № 2007101430/13; Заявлено 15.01.2007; Опубл. 10.07.2008; Бюл. № 19/Юткрытия. Изобретения. -2008.-№19.

4. Пат. 2347606 Российская Федерация, МКИ7 В 01 F 7/02. Сме-ситель-экструдер [Текст] / Шевцов A.A., Лыткина Л.И., Чайкин И.Б., Острикова Е.А.; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. - № 2007146093/15; Заявлено 11.12.2007; Опубл. 27.02.2009; Бюл. № 6//Открытия. Изобретения. - 2008. - № 6.

5. Пат. 2350865 Российская Федерация, МКИТ 26 В 17/10. Сушилка [Текст] / Шевцов A.A., Острикова Е.А., Крячко А. В.; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. - № 2007126667/06; Заявлено 12.07.2007; Опубл. 27.03.2009; Бюл. № 9//Открытия. Изобретения. - 2008.-№ 9.

6. Пат. 2454871 Российская Федерация, MnK51A23F 5/04 A23L 1/10. Способ получения обжаренных зернопродуктов [Текст] / Шевцов С.А., Острикова Е.А.; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. - № 2010140736/10; Заявлено 05.10.2010; Опубл. 10.07.2012; Бюл. № 19// Открытия. Изобретения. — 2012. - № 19.

7. Пат. 2461207 Российская Федерация, MnKslA23F 5/44 A23L 3/16. Способ производства обжаренных желудей / Острикова Е.А.; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. - № 2011134406/10; Заявлено 16.08.2011; Опубл. 20.09.2012; Бюл. № 26 // Открытия. Изобретения. - 2012. - № 26.

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

8. Шевцов А. А. Концепция выбора прибыльной технологии тепловой обработки зернового сырья [Текст] / А. А. Шевцов, А. В. Крячко, Е. А. Острикова // Известия вузов. Пищевая технология. - 2007. - № 2. -С. 77 - 80.

9. Шевцов А. А. Ресурсосберегающая и экологически чистая технология обжаренных кофепродуктов [Текст] / А. А. Шевцов, Е. А. Острикова, М. М. Богданов // Хранение и переработка сельхозсырья. -2009.-№1.-С. 21-23.

10. Шевцов, А. А. Управление ресурсосберегающей технологией обжарки зерен кофе [Текст] / A.A. Шевцов, Е.А. Острикова // Автоматизация и современные технологии. - 2010. - № 7. - С. 15-18.

11. Шевцов, А. А. Гидродинамика процесса обжарки корней цикория перегретым паром [Текст] / А. А. Шевцов, Е. А. Острикова // Известия вузов. Пищевая технология. -2010. -№ 5-6. - С. 59-61.

12. Шевцов, А. А. Обоснование ступенчатого режима обжарки каштанов на основе исследования форм связи влаги [Текст] / А. А. Шевцов, Е. А. Острикова // Вестник Воронежской государственной технологической академии. — 2011. - № 1. — С. 39-41.

13. Шевцов, А. А. Поликомпонентные кофейные напитки диетического назначения [Текст] / А. А. Шевцов, Е. А. Острикова // Пиво и напитки. - 2011. -№ 4. - С. 36-38.

14. Острикова, Е. А. Разработка рецептур диетических кофейных напитков и их квалиметрическая оценка [Текст] / Е. А. Острикова // Вестник Воронежской государственной технологической академии. -2011.-№3.-С. 64-67.

15. Острикова, Е. А. Определение энергетической эффективности линии получения обжаренных кофепродуктов методом эксергетическо-го анализа [Текст] / Е. А. Острикова // Вестник ВГУИТ. - 2012. - № 1. -С. 27-32.

Статьи

16. Шевцов, А А Тепловая обработка ячменя перегретым паром [Текст] / А. А. Шевцов, Е. А. Острикова, А. Г. Ткачев // Комбикорма. — 2010,-№8.-С. 43-44.

17. Шевцов, А. А Высокоэффективные обжарочные аппараты нового поколения [Текст] / А. А. Шевцов, А. Г. Ткачев, Е. А Острикова // Хранение и переработка зерна. - 2010. - № 11. - С. 53-57.

Условные обозначения

а — коэффициент температуропроводности, mVc; ат — коэффициент диффузии

влаги, м^/с; д^ - коэффициент термодиффузии, м2/с; D - потери эксергии, кДж/кг, /тотр, fwetm - коэффициент внутреннего и внешнего трения; Ар — гидравлическое сопротивление, Па; q — удельная нагрузка на газораспределительную решетку, кг/м2; г12 — удельная теплота парообразования, Дж/(кгК); Т— температура, К; г- время, с; W—влажность, %; Х,х - координаты; и - влагосодержание, кг/кг, и — скорость, м/с; V —градиент; а- коэффициент теплоотдачи, Вт/См2-К); степень превращения вещества; р — коэффициент массоотдачи, м/с; 8 — относительная усадка; Я - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); коэффициент гидравлического сопротивления; Re — критерий Рейнольдса.

Подписано в печать 23.11.2012 г. Формат 60x84 '/16.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 263 .

ФГБОУВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ВГУИТ) Отдел полиграфии ФГБОУВПО «ВГУИТ» Адрес академии и отдела полиграфии 394036, Воронеж, пр. Революции, 19

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.

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.