Technologie d’extraction par ultrasons des boissons au thé : principes, processus et applications industrielles

Technologie d’extraction par ultrasons des boissons au thé : principes, processus et applications industrielles

1. Présentation

Les boissons à base de thé sont devenues l'un des produits les plus courants sur le marché international des boissons en raison de leurs caractéristiques naturelles, saines et pratiques. Cependant, en tant que maillon clé qui affecte la qualité des boissons à base de thé, le processus d'extraction est depuis longtemps confronté à une contradiction fondamentale : bien que l'extraction à haute température puisse obtenir un taux d'extraction plus élevé des composants du thé, elle entraînera également une grande volatilisation de l'arôme du thé, un changement de couleur et une turbidité de la soupe au thé. Bien que l'extraction à basse température puisse réduire la turbidité de la soupe au thé et mieux préserver la couleur et l'arôme de la soupe, afin de garantir l'efficacité de l'extraction, de grandes quantités d'extraction doivent être effectuées pendant une longue période, ce qui ne répond pas aux exigences de la production industrielle.

Comment maintenir la bonne qualité des feuilles de thé et un taux d'extraction élevé des ingrédients contenus dans des conditions de lixiviation à basse température et à court terme est devenu un problème urgent à résoudre dans le processus de production de boissons à base de thé. L’émergence de la technologie d’extraction assistée par ultrasons apporte une solution efficace à ce problème. Les ultrasons ont divers effets physiques et sonochimiques et ont été largement utilisés dans l’extraction de matières médicinales chinoises. Ces dernières années, avec l'approfondissement continu de la recherche et l'avancement des pratiques industrielles, la technologie ultrasonique a montré de larges perspectives d'application dans le domaine de l'extraction des boissons à base de thé.

2. Principes techniques

Le mécanisme central de l’extraction assistée par ultrasons des principes actifs du thé comprend principalement deux aspects :

(1) Effet cavitation. Lorsque les ondes ultrasonores se propagent dans un milieu liquide, les noyaux de micro-gaz (noyaux de cavitation) existant dans le milieu vibrent, grandissent et s'effondrent sous l'action du champ ultrasonore. Au moment où les bulles de cavitation s’effondrent, une température et une pression locales élevées peuvent être générées. Cette forte onde de choc peut détruire efficacement les parois cellulaires des plants de thé, provoquant la libération et la dissolution rapides d'ingrédients actifs tels que les polyphénols du thé, les acides aminés et la caféine présents dans les cellules dans le solvant environnant. La recherche montre que l'extraction par ultrasons utilise la haute température et la haute pression locales générées par cette cavitation pour améliorer la capacité des substances à se dissoudre et à se décomposer dans les solvants.

(2) Effets mécaniques et effets thermiques. Lors de la propagation des ondes ultrasonores à travers les particules du média, leur énergie est continuellement absorbée par les particules du média et convertie en énergie thermique, provoquant une augmentation de la température du système. Dans le même temps, la vibration mécanique des ondes ultrasonores génère une force de cisaillement microfluidique, qui peut agir directement sur la paroi cellulaire pour améliorer la libération, la diffusion et la dissolution des substances intracellulaires. L'effet synergique de l'effet mécanique, de l'effet de cavitation et de l'effet thermique fait des ultrasons une méthode d'extraction avec une double fonction de rupture physique des parois et de transfert de masse amélioré.

3. Avantages techniques

Par rapport à l’extraction traditionnelle à haute température, l’extraction des boissons à base de thé assistée par ultrasons présente les avantages significatifs suivants :

Extraction à basse température, excellente qualité. La technologie ultrasonique permet une extraction efficace des feuilles de thé à des températures plus basses (telles que 20-50°C). En utilisant la technologie combinée de perturbation cellulaire et d'extraction à contre-courant par ultrasons à basse température, dans des conditions d'extraction de 20°C et 30 minutes, le rendement en matières solides du jus de thé peut atteindre plus de 90 %, et le produit a une saveur et une qualité excellentes. Les conditions de basse température évitent efficacement la volatilisation à grande échelle de l'arôme du thé et la décoloration oxydative de la soupe au thé, rendant la qualité sensorielle du produit proche de la saveur du thé original.

Il est à court terme et efficace, réduisant considérablement le temps d’extraction. Le traitement par ultrasons permet aux ingrédients du thé de se dissoudre deux fois plus rapidement qu'à basse température conventionnelle, et le temps d'extraction peut être raccourci de moitié. Des études ont montré que lorsque le thé est extrait à une basse température conventionnelle de 45 à 50 °C à une fréquence ultrasonique de 40 kHz, l'efficacité de l'extraction est considérablement améliorée.

L'extraction sélective améliore la qualité de la soupe au thé. La recherche montre que le taux de lessivage des micro-ondes et des ondes ultrasonores sur les polyphénols, les acides aminés et la caféine du thé est équivalent à celui des méthodes d'extraction conventionnelles, mais il a un effet inhibiteur sur le lessivage de macromolécules telles que les protéines et la pectine. Cela signifie que l'extraction par ultrasons peut assurer la lixiviation complète des ingrédients actifs tout en réduisant la dissolution des substances macromoléculaires qui rendent la soupe au thé trouble, améliorant ainsi la clarté et la stabilité de la soupe au thé.

La teneur en principes actifs est plus élevée. La teneur en catéchines principales de la soupe au thé extraite par différentes méthodes d'extraction a été analysée. Les résultats ont montré que la teneur en catéchines principales de la soupe au thé extraite par extraction ultrasonique était supérieure à celle des autres méthodes d'extraction. Par rapport à la méthode conventionnelle d’extraction par solvant, la méthode ultrasonique augmente non seulement considérablement le taux d’extraction, mais améliore également considérablement la qualité de l’extrait.

Vert et respectueux de l'environnement. L'extraction assistée par ultrasons peut être réalisée dans de l'eau ou dans des systèmes de solvants de qualité alimentaire, réduisant ainsi l'utilisation de solvants organiques et conforme à l'orientation de développement de la transformation verte.

4. Paramètres clés du processus

L’efficacité de l’extraction par ultrasons des ingrédients actifs du thé est entièrement affectée par plusieurs paramètres de processus et nécessite une optimisation systématique pour différents types de thé et ingrédients cibles.

4.1 Fréquence ultrasonique

La fréquence ultrasonique est l’un des facteurs importants affectant l’effet d’extraction. La recherche montre que 20 kHz est une fréquence couramment utilisée dans l’extraction de boissons à base de thé. Les ultrasons basse fréquence (20-40 kHz) peuvent produire de grosses bulles de cavitation, avoir un impact direct sur les cellules du thé et extraire des nutriments macromoléculaires tels que les polyphénols du thé et la caféine. La recherche montre que plus la fréquence des ultrasons est élevée, plus le taux d’extraction est élevé et se rapproche finalement d’une certaine valeur stable.

4.2 Température d'extraction

La température est un facteur clé affectant le lessivage des substances hydrosolubles contenues dans le thé. À mesure que la température augmente, la vitesse d'extraction s'accélère, mais si la température est trop élevée, les substances du thé extraites par l'eau s'oxyderont plus rapidement et la qualité diminuera. Par conséquent, 45-60°C est généralement considéré comme une plage de température plus raisonnable pour l’extraction par ultrasons. La température d’extraction optimale du thé blanc est de 45°C ; La technologie d'extraction à contre-courant par ultrasons à basse température peut obtenir une extraction efficace à 20 °C.

4.3 Temps d'extraction

L’un des plus grands avantages de l’extraction par ultrasons est sa courte durée. Le moment optimal pour l’extraction par ultrasons du thé blanc est un temps optimisé spécifique ; le processus optimal d’extraction par ultrasons du thé instantané doit prendre en compte de manière exhaustive le temps d’extraction, la fréquence et d’autres facteurs. En production réelle, le temps d’extraction peut généralement être contrôlé entre 10 et 60 minutes.

4.4 Rapport matière/liquide et taille des particules de matière première

Le rapport matériau/liquide affecte directement l’efficacité du transfert de masse et le coût d’extraction. Le rapport matière/liquide optimal varie en fonction des différents types de thé et des ingrédients cibles. La taille des particules des feuilles de thé affecte également l'efficacité de l'extraction : plus la taille des particules est fine, plus la surface spécifique est grande, plus le contact avec le solvant est complet et plus le taux d'extraction est élevé. Certaines études ont divisé les feuilles de thé en différentes tailles de particules, par exemple 24 à 40 mesh et 40 à 60 mesh, à des fins d'expériences comparatives. L’étude a également révélé que plus le temps de fermentation du thé est court, plus le taux d’extraction est élevé.

5. Application industrielle

La technologie d’extraction par ultrasons des boissons au thé est passée de la recherche en laboratoire à la production industrielle et a obtenu des résultats remarquables.

La première ligne de production de lixiviation à contre-courant par ultrasons à basse température au monde. L'Institut de recherche sur le thé de l'Académie chinoise des sciences agricoles a coopéré avec Yunnan Lincang Lancangjiang Tea Co., Ltd. pour parvenir à une préparation efficace et à basse température de jus de thé frais grâce à la technologie combinée de perturbation cellulaire et d'extraction à contre-courant par ultrasons à basse température.

Extraction segmentée par colonne d'extraction à contre-courant à plusieurs étages par ultrasons. Selon les caractéristiques de lixiviation des ingrédients actifs du thé, une colonne d'extraction à contre-courant à plusieurs étapes par ultrasons est utilisée pour l'extraction segmentée. Du thé instantané à haute saveur soluble à froid est préparé en amont, et du thé instantané fonctionnel enrichi en polyphénols de thé (teneur en polyphénols de thé ≥ 65 %) est préparé en aval pour obtenir une utilisation efficace, de haute qualité et de grande valeur.

Ligne de production d’extraction dynamique à basse température par ultrasons. Ces dernières années, un ensemble complet de lignes de production d'extraction dynamique à basse température par ultrasons a également été mis en service, avec une capacité de production allant jusqu'à 500 L/lot, un contrôle à basse température tout au long du processus (étape d'extraction/filtration/concentration ≤ 55°C), et l'utilisation du processus « extraction dynamique par ultrasons + purification en plusieurs étapes + concentration membranaire + lyophilisation sous vide » pour conserver les ingrédients actifs et les arômes originaux tels que les polyphénols du thé et théanine

Conclusion

La technologie d'extraction assistée par ultrasons repose sur l'effet synergique de la cavitation, des effets mécaniques et thermiques pour obtenir une extraction à basse température, de courte durée et efficace des ingrédients actifs du thé. C'est un moyen efficace de résoudre la contradiction entre la qualité et l'efficacité des processus traditionnels d'extraction des boissons à base de thé. De la recherche en laboratoire à une chaîne de production industrielle d'une production annuelle de 100 000 tonnes, la technologie d'extraction par ultrasons des boissons au thé est passée par un processus complet, de la théorie à la pratique, de l'exploration à la maturité. Avec l’avancement continu de la technologie et l’approfondissement continu des applications industrielles, la technologie d’extraction par ultrasons fournira un support technique solide pour l’amélioration de la qualité et le développement vert de l’industrie des boissons à base de thé.