Розроблення технології розчинних напоїв на основі солодових екстрактів

Abstract

Дисертаційна робота присвячена розробленню та впровадженню технології виготовлення розчинних напоїв з солодових екстрактів, що матимуть наближені органолептичні властивості до кавових напоїв та зможуть виступати кавозамінником для деякої категорії споживачів. Ринок кави зростає стрімко та стабільно, що зумовлює великий попит на розширення асортименту. Дослідження показує, що ринок має загальну тенденцію до зростання. Єдині зафіксовані спади відбувались паралельно економічним кризовим процесам, як світовим, так і українським. До таких кризових явищ відносять всесвітню економічну кризу у 2009 році та девальвація української валюти у 2014 році. Згідно з данними організації International Coffee Organization загальний світовий експорт кави 2017 року становив 9,42 млн мішків у місяць, що підтверджує зростання більш ніж на 12% у порівнянні з 8,5 млн у місяць протягом 2016 року. «TechNavio» (аналітична компанія) у 2017 році оприлюднила прогноз тенденцій та розвитку світового кавового ринку до 2022 рр. Прогноз обгрунтовує зростання кавового ринку на рівні 13 % на рік. У прогнозі розглядається сегментація ринку відповідно до географічних зон. Згідно з даною методикою диференціації, український ринок не вважається насиченим кавовими продуктами, тому зростання ринку можливе й протягом наступних років поза межами оприлюдненого прогнозу. Прогнози та дослідження ринку кави роблять перспективи розвитку кавової галузі очевидною для усіх гравців галузі. Проведені аналітичні дослідження ринку торгівлі кавою дають один результат – попит на каву зростатиме щорічно протягом мінумум найближчих 10 років. Одночасно з розширенням ринку кави має зростати його асортимент, щоб охоплювати якомога більше категорій споживачів. Відповідно, компанія, яка буде мати ширший асортимент продукції, буде мати конкуренту перевагу перед іншими компаніями на ринку. Асортимент може бути розширений напоями з натуральної кави, з додаванням натуральної кави, або повністю без неї. Окремо розглянуто актуальну проблему утилізації кавових відходів. Адже, за багато років вживання кави людство досі не придумало дієвого способу утилізації чи вторинної переробки кавових відходів. Кавова гуща викликає мутації в органічних клітинах, а також суттєво забруднює стічні води. Кавова промисловість використовує близько 50% загальних об’ємів вирощеної кави на виробництво розчинних видів кави. Сектор виробницвта розчинної кави має обсяг кавових відходів в межах 6 мільйонів тонн. Таким чином, кількість відходів кави, які утворюються в кафетеріях і домашньому виробництві, має бути величезною. Ці проблеми актуалізують питання пошуків аналогів натуральної кави для зменшення загальної кількості кавової гущі, що виробляється у промисловості та домашніх господарствах. Наукові дослідження вказують що натуральна кава може мати негативний вплив на здоров’я людини. В першу чергу це викликано негативним впливом кофеїну при надмірному вживанні. Кофеїн є одним з ключовин компонентів кавий та в той самий час одним з найпоширеніших стимуляторів нервової системи. Саме за стимулючий вплив на нервову систему людини кофеїн цінується найбільше. Негативним впливом стимуляції кофеїном є звикання до нього та поява часткової залежності. Звикання до кофеїну підштовхує споживачів до збільшення дозувань, що може призводити до інтоксикації організму. При інтоксикації кофеїном можливий широкий анамнез, оскільки майже кожна система організму зазнає ураження при надмірній кількості кофеїну. Саме тому існує велика категорія споживачів, яким кофеїн протипоказаний. Ця категорія споживачів знаходяться в постійному пошуку напоїв, що матимуть наближені до натуральної кави смако-ароматичні властивості, а також позитивний вплив на здоров’я. Кавові напої з зернової сировини не є новиною. Кавовий ринок в світі представлений деякими видами смаженої рослинної сировини, а в Україні в основному екстрактами кореню цикорію. Проте ці напої мають низьку біологічну активність, оскільки в процесі їх виробництва використовують злаки у їх звичайному вигляді. Використання рослинної сировини в харчовій промисловості є одним із сучасних аспектів повноцінного харчування людини. Перспективною рослинною сировиною для новітніх напоїв є солод. Залежно від ступеня обробки солод буває світлий, темний, карамельний та палений. Кожен вид солоду володіє унікальними органолептичними показниками. Оскільки під час виробництва солоду використовуються спеціальні технологічні прийоми, це надає йому особливий колір, аромат та хімічний склад. Актуальність роботи також зумовлена ситуацією, що склалась з українським агропромисловим комплексом. Через повномасштабне вторгнення країни агресора, українські експортні можливості суттєво зменшились. Запаси зернових потребують реалізації, для звільнення місця під врожай наступного сезону, а також для повернення обігових коштів. Одним з напрямків вирішення проблеми низьких експортних можливостей є розширення та поглиблення переробки зернової сировини всередині країни. Для виробництва розчинного напою рекомендовано використовувати ячмінний та пшеничний солод. Це пов’язано з тим, що солод з цих видів злаків добре досліджений, як за технологіями виробництва, так і за технологіями подальшої переробки солоду. Під час виготовлення ячмінного та пшеничного солоду можна досягти високого вмісту барвних речовин, що є важливою характеристикою кавових напоїв, а також підвищеного вмісту амінокислот та вітамінів, що збагатить напій біологічно активними речовинами. Було досліджено фізико-хімічні показники 11 видів солоду, а також проаналізовано хімічний склад сусла з дослідних зразків солоду. Найбільший вміст амінокислот у суслі був у світлих видів солоду – 1400- 1500 мг/дм3 та істотно нижчий у темних палених видів солоду – близько 800 мг/дм3. Досліджено колір отриманих зразків сусла в одиницях ЕВС, колір зразків був у широкому діапазоні від 2 од. ЕВС до 600 од. ЕВС. Також досліджувалися показники екстрактивності для сусла з різних видів солоду. На основі отриманих характеристик солоду та сусла з нього, було складено умови для задачі лінійного програмування на оптимізацію складу солодової суміші. Лімітуючими показниками була екстрактивність солоду ≥70 % та колір отриманого сусла ≥140 од. ЕВС. Вміст амінокислот у дослідних зразках сусла був умовою функції що прямує до максимуму. Лінійне рівняння показало, що оптимальний склад солодової суміші для приготування екстракту солоду є: 50% солоду Weyermann Pilsner Malt; 42,2% солоду Бел-гер меланоїдиновий; 7,8 % солоду Castle malting chocolate. Оптимізація процесу екстрагування можлива за рахунок подовження тривалості протеолізу під час затирання солоду. Подовження протеолізу є теоретично обґрунтованим. При тривалості протеолізу 30 хвилин вміст амінокислот збільшився на 55,4 %, а при тривалості 60 хвилин на 90,3 %, що є високим показником ефективності тривалого протеолізу. Відповідно до результатів визначення складу оптимальної суміші та процесу оптимізації екстрагування солодової сировини, описано технологічну схему виготовлення екстракту солоду для приготування розчинного напою. Було досліджено хімічний склад екстракту з масовою часткою сухих речовин 15% (перед зневодненням). Результати аналізу: загальний вміст амінокислот – 2572 мг/дм3; загальний вміст вуглеводів – 126,7 г/дм3, з яких засвоювані вуглеводи становлять 88,7 г/дм3; загальний вміст жирних кислот – 5,6-11,4 мг/дм3; також наведено вміст вітамінів та мінералів. Загалом було ідентифіковано 19 амінокислот, в тому числі 10 незамінних амінокислот. Було розраховано амінокислотний скор білків досліджуваного екстракту відповідно до рекомендацій ФАО. Біологічна цінність білка екстракту з солоду становить 66 %. Вуглеводний профіль засвоюваних вуглеводів представлений мальтозою (50-54 %), декстринами (23-24 %), мальтотріозою (14-15 %) та глюкозою (7-9,5 %). Ліпідний склад представлено 11 жирними кислотами. Найбільшу частку жирних кислот представлено пальмітиновою 38-48 % і лінолевою кислотами 30-37 %. Було досліджено відповідність показників безпеки вимогам нормативної документації. Визначено вміст металів, радіонуклідів, пестицидів, нітратів, а також мікотоксинів. Проведено дослідження мікробіологічних показників безпеки. За всіма показниками зразки відповідають вимогам стандартів та є безпечними продуктами. Визначено, що для приготування розчинного напою з солоду шляхом відновлення солодового екстракту, оптимальна масова частка сухих речовин розведеного солодового екстракту становить 8 %. За такої концентрації готовий напій має найбільш виражені органолептичні показники характерні кавовим напоям, без прояву специфічних показників характерних солоду. Встановлено, що при внесенні у готовий напій з солоду рідкого екстракту цикорію, оптимальна кількість екстракту цикорію становить 2 % на 100 см3 відновленого з екстракту напою. За іншою рецептурою оптимально вносити каву у кількості 3 % на 100 см3 відновленого з екстракту напою. Це дозволяє покращити смако-ароматичний профіль розчинного напою. Розглянуто органолептичні властивості отриманих напоїв, а також їх хімічний склад та показники безпеки. Всі зразки отриманих видів розчинного напою є однорідною рідиною з кольором від темнокоричневого до чорного. Смак отриманих напоїв є характерним вихідній сировині з вираженою гіркотою та приємним гірким післясмаком. Внесення цикорію та кави знизило кількість білків у напої на 5 %, а вуглеводів на 2-3 %. Внесення цикорію знизило вміст вітамінів на 1-4%, а внесення кави суттєво підвищило вміст деяких вітамінів та мінералів. Всі зразки мали вміст амінокислот від 1342 до 1390 мг/дм3. При цьому напій повноцінний за триптофаном (амінокислотний скор 129-133 %), парою метіонін+цистин (106-107 %) та фенілаланін+тирозин (103-107%). Лімітуюча амінокислота лізин – 31-32 %. Вміст жирних кислот у розчинному напої становив 4,91 мг/дм3, при додаванні цикорію 11,56 мг/дм3, при додаванні сублімованої кави 189,11 мг/дм3. За показниками безпеки всі види готових напоїв відповідали вимогам щодо вмісту важких металів, радіонуклідів та за мікробіологічним показниками. Розроблено та описано апаратурно-технологічну схему, а також, наведено техніко-економічні показники виробництва розчинних напоїв на основі солодових екстрактів з цикорієм та кавою. Результати дослідження захищено патентом на винахід №127068 та патентом на корисну модель №148754, а також апробовано у виробничих умовах. Відповідно до результатів дослідження розчинні напої з солодових екстрактів є перспективними новітніми напоями, що відповідають сучасним потребам ринку. Технологія може бути вдосконалена шляхом використання нетрадиційних видів солоду, з подальшим висушуванням екстракту на розпилювальній сушарці, потребує додаткових досліджень. This thesis is devoted to the development and implementation of the technology of a soluble drinks made from malt extracts. This drink will have similar organoleptic properties to coffee drinks and will be coffee substitute for a certain category of consumers. Coffee market is growing rapidly and steadily. Market demand produce companies for expanding the assortment. The study of Ukrainian market shows that the market has a general upward trend, although there were two downturns: in 2009 (with the beginning of the global economic crisis) and in 2014 (with rapid devaluation of the Ukrainian hryvnia, UAH). The ICO (International Coffee Organization) provides data according to which the world export of coffee in July 2017 amounted to 9.38 million 60-kilogram bags compared to 8.45 million in July 2016. This data shows an increase by 12.2 %. Analytical company "TechNavio" presented a forecast for the development of the global coffee market in 2017- 2021. Forecast predicts an annual growth of this market by almost 13% annually. Also, the geographical segmentation of the coffee market indicates that the Ukrainian market is not saturated, so Ukrainian market will show stable growth in the coming years. Prospects for the development of the coffee and coffee drinks market are obvious. All analytical studies of this market indicate that the demand will grow with each subsequent year. With a growing of the coffee market, its range should grow to cover as many categories of consumers as possible. Manufacturer company that will have a wider range of products will have a competitive advantage over other companies in this wide market. The assortment can be expanded with drinks made from natural coffee, with the addition of natural coffee, or completely without it. The actual problem of coffee waste disposal is considered too. For many years of drinking coffee, mankind still has no effective way to dispose of spent coffee grounds (SCG). Spent coffee grounds can make mutations in organic cells and also significantly pollute wastewater. Global coffee industry consumes approximately 50% of the world's production of natural coffee for the production of instant coffee. This industry sector generates about 6 million tons of coffee waste annually. So the total amount of coffee waste generated in cafeterias and home production must be huge. These problems actualize task of searching some analogues of natural coffee to reduce the total amount of coffee grounds produced in industry and households. Scientific studies show that coffee can have negative effect on human health. First of all, this is due to the negative effect of caffeine. Caffeine is the main component of coffee, which is also one of the most common psychoactive substances in the world. Caffeine is valued for its stimulating effect on the central nervous system. A side effect of such stimulation is habituation and the appearance of addiction. In large doses, caffeine can cause intoxication. Caffeine intoxication can have different manifestations. Almost every organ system is affected by excessive caffeine consumption. That is why there is a large category of consumers with contraindication to caffeine. This category of consumers is constantly looking for drinks that will have taste and aroma properties close to natural coffee, and will also have a positive effect on health. Coffee drinks made from grain raw materials are not new for the market. Also, coffee market in the world is represented by some types of roasted vegetable raw materials, and in Ukraine mainly by chicory root extracts. However, these drinks have low biological activity, because in the process of their production, cereals are used in their usual form. The use of plant raw materials in the food industry is one of the modern aspects of human nutrition. Malt is a promising plant raw material for modern drinks. Depending on the processing, malt is light, dark, caramel and burnt. Each type of malt has unique organoleptic indicators. Special technological processes are used during the production of malt, which give it a special color, aroma and chemical composition. Also, this research is very actual because of the situation with the Ukrainian agro-industrial complex. Due to the full-scale invasion of the aggressor country, Ukrainian export opportunities have significantly decreased. Grain stocks need to be free and have space for the next season's harvest, as well as to return working capital. One of the ways to solve the problem of low export opportunities is to expand and deepen the processing of grain raw materials in Ukraine. Barley and wheat malt are recommended to use for the production of a modern soluble drinks. This is due to the fact that malt from these types of cereals has been well researched. It’s possible to achieve a high content of coloring substances during the production of barley and wheat malt. Color is an important characteristic of coffee drinks, as well as a high content of amino acids and vitamins, which will give higher biological activity to the drink. 11 types of malt were investigated for the physico-chemical properties. Chemical composition of wort from experimental samples of malt was analyzed too. The highest content of amino acids in wort was in light types of malt - 1400- 1500 mg/dm3 and significantly lower in dark burnt types of malt - about 800 mg/dm3. The color of the wort samples was determined in EBC units, the color of the samples was in a wide range from 2 up to 600 EBC units. Also, malt extractability was checked. To optimize the composition of the malt mixture used linear programming, on the basis of the obtained characteristics of malt and wort from it. The limiting indicators were malt extractivity ≥70% and the color of the obtained wort ≥140 EBC units. The content of amino acids in experimental wort samples was a condition of the function going to the maximum. The linear equation showed that the optimal composition of the malt mixture for the preparation of malt extract is: 50% of Weyermann Pilsner Malt; 42.2% Bel-ger melanoidin malt; 7.8% Castle malting chocolate malt. Optimization of the extraction process is possible by prolonged duration of proteolysis during malt mashing. Prolongation of proteolysis is theoretically justified. With a duration of proteolysis of 30 minutes, the content of amino acids increased by 55.4%, and with a duration of 60 minutes, by 90.3%. This result is a high indicator of the effectiveness of long-term proteolysis. Technological scheme for the production of malt extract for the preparation of a soluble drink is described according to the results of determining the composition of the optimal mixture and the process of optimizing the extraction of malt raw materials. The chemical composition of the extract with a mass fraction of dry substances of 15 °P was determined. Analysis results: total content of amino acids - 2572 mg/dm3; total content of carbohydrates was 126.7 g/dm3, of which absorbed carbohydrates were 88.7 g/dm3; the total content of fatty acids was 5.6- 11.4 mg/dm3; vitamins and minerals profile is also determined. Analysis of wort identified 19 amino acids, and ten of them were essential amino acids. Amino acid score of the proteins of studied extract was calculated in accordance with the recommendations of the FAO. The biological value of malt extract protein is 66%. The carbohydrate profile of absorbed carbohydrates is represented by maltose (50-54%), dextrins (23-24%), maltotriose (14-15%) and glucose (7-9.5%). The lipid profile is presented by 11 fatty acids. The largest amount of fatty acids is represented by palmitic 38-48% and linoleic acids 30-37%. Compliance of the safety indicators with the requirements of regulatory documentation was checked. The content of metals, radionuclides, pesticides, nitrates, and mycotoxins was studied. Microbiological safety indicators were conducted. Samples are safe products by all indicators. For the preparation of a soluble drink by restoring malt extract, the optimal mass fraction of dry substances of the diluted malt extract is 8%. At this concentration, the final drink has the most pronounced organoleptic indicators characteristic of coffee drinks, without the manifestation of specific indicators characteristic of malt. When liquid chicory extract is added to a malt soluble drink, the optimal amount of chicory extract is 2% per 100 ml of the prepared beverage. According to another recipe, it is optimal to add coffee in the amount of 3% per 100 ml of the prepared beverage. This allows to improve the taste and aroma profile of the soluble drink. The organoleptic properties of the obtained drinks, as well as their chemical composition and safety indicators, were considered. All samples of the different types of soluble drink are a homogeneous liquid with a color from dark brown to black. The taste of the drinks is characteristic for the raw materials used, with pronounced bitterness and a nice bitter aftertaste. The addition of chicory and coffee reduced the amount of proteins in the drink by 5%, and carbohydrates by 2-3%. Added chicory reduced the content of vitamins by 1-4%, and the introduction of coffee significantly increased the content of some vitamins and minerals. All samples had amino acid content from 1342 to 1390 mg/l. At the same time, the drink has completed amino score by tryptophan (amino acid score 129-133%), a pair of methionine + cysteine (106-107%) and phenylalanine + tyrosine (103-107%). The limiting amino acid of the drink is lysine with score of 31-32%. The content of fatty acids in the final drink was 4.91 mg/l, when chicory was added it was 11.56 mg/l, when sublimated coffee was added it was 189.11 mg/l. According to safety indicators, all types of functional drinks met the requirements regarding the content of heavy metals, radionuclides and microbiological indicators. The equipment and technological scheme were developed and described, as well as the technical and economic indicators of the production of soluble drinks based on malt extracts with chicory and coffee addition. The research results are confirmed by invention patent №127068 and utility model patent №148754, and tested in production conditions. According to the results of the research, malt drink is a promising drink for modern nutritional market conditions. The technology can be improved by using non-traditional types of malt, followed by drying the extract on a spray dryer, which requires additional research.