真空生产速溶咖啡的基本调查外文翻译资料

 2022-08-06 10:08

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Procedia食品科学1（ 2011） 1344-1352

第十一届国际工程与食品大会（ ICEF11）

真空生产速溶咖啡的基本调查

摘要

本工作是对真空皮带干燥生产速溶咖啡的基本研究. 在实验室规模的干燥机中进行了一系列的干燥实验，改变了工艺参数，优化了产品的性能。对产品的密度、结构和风味进行了测试，并与通过冷冻或喷雾干燥生产的商业产品进行了比较。结果表明，通过优化工艺参数，可以生产出满足目前产品要求的速溶咖啡。此外，还对干燥过程中的传质进行了分析，通过薄膜测量技术确定了有效扩散系数。此外，还系统地研究了速溶咖啡的吸附行为，并可以用GAB吸附等温线来描述。没有检测到生产过程、咖啡品种或温度对吸附行为的影响。

1.导言

咖啡是国际第二重要的商品，全球年产量约为8.26米O吨[4]。速溶咖啡是二十世纪早期的发明，由于易于操作和较长的耐久性，它除了其他制备技术外，还发挥着重要作用。速溶咖啡生产的最新工艺是喷雾干燥（ S D）和冷冻干燥（ FD）。 冷冻干燥导致最好的产品质量在香气回收方面，但需要大量的投资和运营成本。喷雾干燥突出的原因是高生产能力，低能源成本，但它导致更高的热冲击产品，这可能导致较低的产品质量。

真空皮带干燥（ VBD）是一种成熟的食品工艺，但尚未应用于可溶性咖啡的生产。真空皮带干燥技术的应用，可以将一种经济的方法与高质量的产品相结合。 真空皮带干燥机主要用于干燥液体和糊状产品的粉末。多年来，它已经在世界各地的各种应用中证明了它的性能。湿产品通常是在搅拌机或蒸发器中制备的。通常，这些精矿的固体含量为40%至90%，粘度较高。真空皮带干燥器由不锈钢外壳和内部输送带组成。停留时间由皮带速度调节，通常在15到90分钟之间，取决于产品的性能。

图 1. 真空皮带干燥机

在干燥过程中，最初的液体进料通过粘性和粘性状态。在干燥快结束时，在蒸汽气泡的影响下，形成了一个干燥的多孔蛋糕。为了达到所需的产品质量，不同区域的加热温度是关键工艺参数之一。皮带超过3至4个加热区，温度设定点为70至180°C，冷却区的末端约为15至35°C。如果产品在干燥条件下不表现出热塑性行为，则冷却区也可以用作加热区。可以实现辐射加热的附加板，以获得更高的蒸发速率和均匀化干燥过程。烘干机真空系统通常设计为5至40毫巴腹肌。[2]

2.材料和方法

干燥实验

在实验室规模上用真空皮带干燥器上的咖啡提取物进行干燥实验（ Merk工艺GmbH，79725La ufenburg，德国）。干燥器内，液体提取物可以由皮带材料下面的四个接触换热板和三个辐射加热元件干燥，位于前三个加热区。该提取物是从工业生产过程中收集的（ DEKGmbH，12347柏林，德国）。它是由100%阿拉比卡咖啡豆生产的，干物质含量为43%。它进一步集中在预处理步骤中，干燥物质含量为65%，用薄膜蒸发器（ Buss-SMS-CanzlerGmbH， 4133Prattle n1，瑞士）。

最佳干燥条件由德国EbroGmbH公司用温度数据记录器确定，类型为EBI100-T211。从真空皮带干燥工艺的标准条件出发，随后改变了温度设置和系统压力，分析了皮带材料高度为3mm的产品温度。此外，还对初始干物质含量进行了变化。 对最终产品的性能进行了调查和评价。为调整均匀的液膜高度和5%左右的产品湿度，对所有实验分别设定了进料率和停留时间。每次干燥实验后，从每个热交换器中提取样品，并对干物质含量进行重量测量（ 105°C烘箱，16小时）。

2.1．风味评价

用专门的咖啡面板对生产的速溶咖啡样品的风味进行了评价。样本被注入到

正常的饮酒状态所有样品之间进行了比较，以及与工业冷冻干燥的速溶咖啡样品，

从原来的提取物，和中间体检查单一的工艺步骤对产品风味的影响。

2.2．密度测量

分析了干燥产物的颗粒密度和孔隙率以及体积密度。粒子的密度用氦比纳米计

（微胶体，1305型）测定。为了证明重复性，每个样品的三个探针被测量了五次。

为了研究样品的孔隙率，还对精细研磨产物的实际密度进行了如上所述的测量。

为了研究微观结构，将样品粘在试样支架上，用10nm的金层溅射，保证了良好的导电性，并进行了SEM显微照片（蔡司，LEO1530型）。通过对定义体积为88.975毫升的样品容器的质量进行加权，在分析天平上用脱矿水校准（梅特勒·托莱多，AG245型），对体积密度进行了研究。

2.3．有效扩散系数

通过在确定的周围干燥咖啡提取物的薄膜来评价有效扩散系数。在环境压力

下恒温的烤箱中，放置了一个受体，其中含有一种盐溶液，确保空气中的相对湿度

恒定。一个小风扇确保在低速度的均匀湿度分布在接收者。在接收者内，一个圆

柱形铝样品容器，以确保良好的热导率，直径为100毫米，高度为3毫米，悬挂在

分析天平下（梅特勒托莱多，EL204-IC），在线测量咖啡提取物薄膜质量的演变。

此外，用红外温度计（ LumaSense，类型为IN5）在线测量薄膜的表面温度。

2.4．吸附等温线

用含有不同过饱和盐溶液的8种干燥器对吸附行为进行了静态测量，以确保受 体内部空气中的固定水活动。表1列出了不同溶液的温度相关水活动。分析了三种 不同的商业速溶咖啡样品（冷冻干燥、喷雾干燥和团聚喷雾干燥速溶咖啡），检 查了生产过程是否对吸附行为有影响。样品储存在干燥器中，直到其质量不再变化 （plusmn;3mg），而不是样品的湿度被重量测量（ 105°C，16小时）。

表1. 过饱和盐溶液上的水活动。 [5]

3.结果和讨论

3.1．干燥实验

发现饲料中较高的干物质含量对于干燥过程是可取的，其原因有两个：第一是 较高的吞吐量，第二是避免在干燥器内飞溅，这可以保证食品过程的清洁，而不 需要高的清洁要求。对于咖啡提取物，可以证明浓度约65%的干物质含量可以很容 易被处理。

图 2. 优化干燥曲线

3.2．风味评价

对产品风味的分析可能与产品温度的降低直接相关。加工温度越低，产品内部的风味保留越好。压力仅通过影响传热传质性能，从而影响产品的温度，间接地影响风味保留。与工业产品的比较表明，提取物的预处理提高浓度对产品质量有负面影响。

3.3.三密度测量

在图3（左）中总结了密度测量的结果。体积密度的确定值对所有三个过程都是相同数量级的。它对产品质量非常重要，因为它为客户定义了产品的剂量体积和产品数量，需要填充到罐子里。

将真空皮带干燥咖啡样品的平均实际密度与喷雾干燥和冷冻干燥速溶咖啡样品进行比较。此外，以精细的地面形式表示咖啡样品的平均实际密度值。这些样品是在球磨机内研磨从原始样品中产生的。通过初步实验确定了2min的铣削时间，分析了所需的时间，从中进一步铣削不会导致颗粒密度的任何差异。在这项调查中，可以表明，真空皮带干燥过程的工艺参数对颗粒密度的影响很小，这可以直接从图3（左）所示的所有真空皮带干燥样品的所有测量结果的偏差中得出结论。 进一步可以看出，真空带干样品的颗粒的真实密度最高，甚至高于冷冻干燥样品。 将三种样品与均匀粉末值进行比较，得到了颗粒孔隙率的信息。颗粒和粉末值之间的差异对应于固体中包含和不可访问的气体体积。这个值对产品质量非常重要，因为它影响产品的溶解性能。此外，如果实际密度低于水的密度，产品将漂浮，因此不会轻易溶解在水中。

图3. （ a）密度测量；（ b）扫描电镜（ FD：冷冻干燥， SD：喷雾干燥， VBD：真空皮带干燥）

真空带干颗粒的高实密度值与粉末的真实密度顺序相同，表明在干燥过程中，在多孔产品饼内只形成宏观气泡结构，在宏观薄片结构中不包括蒸汽。为了证明这一假设，用SEM显微镜对真空带干样品进行了分析。一个有代表性的图像可以在图3（右）看到。

图3（右）清楚地证实了这一假设，即真空带干样品的固相不包括任何微孔或空腔。此外，可以看出，与喷雾干燥或冷冻干燥颗粒相比，通过研磨真空带干燥过程中的产品蛋糕而得到的颗粒具有平坦的板状，具有较大的比表面积。高密度和大表面积的结合导致了该产品非凡的良好溶解性能，这甚至会允许产品的冷溶解。

3.4．有效扩散系数

图4显示了咖啡提取物的不同干燥曲线，从65%的干物质含量到周围空气湿度对应的浓度，由过饱和盐溶液保持。最终平衡值导致图6（右）所表示的解吸等温线。用解析解法根据Crank[3]对干燥曲线进行了分析，如方程1所示。

正如Raderer[6]所建议的，考虑到传质只发生在一个表面，平面片的厚度L被认为是2L。此外，假设样品的厚度在整个干燥过程中没有变化。实际厚度是用方程2[2]中定义的咖啡提取物的密度计算的。

图4. （ a）干燥曲线； （ b）扩散系数的确定

在图4a中，在周围水活动的变化下，在50°C下，与咖啡膜高度相关的干燥速率被显示为一系列实验。即使在实验开始时发生了一些差异，但可以看出，干燥只是由内部质量输运决定的，因为没有发现周围气体的湿度的影响。人们发现，干燥过程非常缓慢。即使在80小时后，也发现水分含量进一步下降。因此，用静态、长期实验确定的平衡值计算降低的湿度。图4b显示了一个示例性的干燥曲线和相应的曲线，由解析解根据Crank确定。此外，还表示了得到的有效扩散系数。 研究发现，50°C的有效扩散系数可以用方程3中给出的关系来表示。

在这些计算中，使用了平均产品温度，假设测量的表面温度是这些薄膜的产品温度。温度和浓度依赖性的参数为Ea=48.4kJmol-1，a=-8.6，b=0.28。为了澄清这些结果，需要进一步的实验，主要是对不同干燥温度的研究来分析温度依赖性。

    1. 吸附等温线

与速溶咖啡在40和50°C下的吸附行为有关的测量结果如图5（左）所示。不同速溶咖啡之间无显着性差异。无法显示预期的温度影响。对于低水分活动几乎没有发现差异。在高水活度下，40°C和50°C的结果不同，但也必须考虑更高的实验偏差。因此，对所有测量的平均值确定了GAB等温线，其一般形式在方程3中给出。

参数为Wm=0.0495，C=7.1965，k=1.0132。参数k略高于1，这与GAB等温线理论相反，但这组参数给出了实验数据的最佳表示。在图5（左）中，与实验数据相比，确定的GAB等温线表示为一条线。此外，与文献数据的比较，由Rahmann[6]发表的喷雾和冷冻干燥速溶咖啡在20°C，可以找到。这些只有0.5或更确切地说是0.6的水活动数据可用。这一比较批准了本研究的结果，因为相同的吸附行为被描述为独立于生产过程。

图5. 速溶咖啡的吸收行为

图5（右）显示了速溶咖啡与绿色咖啡豆[1]和地面烘焙咖啡[5]在感兴趣的温度范围内的吸附行为的比较。对于绿色咖啡豆，温度对吸附行为的影响最强。 烘焙咖啡在储存过程中会吸附最少的水分，而速溶咖啡在这种比较中是最具吸湿性的。

4.结论

在实验室规模的干燥机中进行了一系列真空皮带干燥实验，改变了工艺参数，优化了产品的性能。通过最小化对产品的热冲击，可以实现良好的风味保留。记录在不同干燥条件下的温度和浓度演变将使描述真空皮带干燥器内干燥过程的数值模型得以验证。该模型将使进一步的工艺优化，而不需要耗时的实验，并将转移到其他干燥任务的真空皮带干燥机在未来。

通过对产品的密度和结构分析，可以证明在真空皮带干燥器中生产的速溶咖啡满足了目前的要求，尽管第一印象在今天的市场上并不常见。特别是在溶解性能方面，该产品与标准冷冻或喷雾干燥产品相比具有优势。此外，还对干燥过程中的传质进行了分析，通过薄膜测量技术确定了有效扩散系数。

系统地研究了速溶咖啡的吸附行为，并可以用GAB吸附等温线来描述。未检测到生产工艺、咖啡品种或产品温度对吸附行为的影响。记录的数据对于产品储存和干燥特性的描述很重要，因为吸附等温线代表了干燥过程数值计算的边界条件，因此是进一步研究的基础。

鸣谢

由于德国联邦议院的一项决议，这一研究项目得到了德国联邦经济和技术部（通过AIF）的支持。项目BWT08-001/206032。

参考文献

  1. Burmester K.amp;Eggers R.2010. 咖啡干燥过程中的传热传质. 食品工程学报，99 (4), 430-436.
  2. Burmester K.， Fehr H.， Egger R.， 2011年. 创新型热物理材料性能的综

合研究咖啡干燥过程。 被国际干燥技术杂志接受出版。

  1. Krank J. 1975. 扩散的数学.

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    资料编号：[254396]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

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