Tecnologia di estrazione delle bevande ad ultrasuoni per il tè: principi, processi e applicazioni industriali

Tecnologia di estrazione delle bevande ad ultrasuoni per il tè: principi, processi e applicazioni industriali

1. Introduzione

Le bevande al tè sono diventate uno dei prodotti principali nel mercato internazionale delle bevande grazie alle loro caratteristiche naturali, salutari e convenienti da bere. Tuttavia, essendo un anello chiave che influisce sulla qualità delle bevande del tè, il processo di estrazione affronta da tempo una contraddizione fondamentale: sebbene l'estrazione ad alta temperatura possa ottenere un tasso di estrazione più elevato dei componenti del tè, causerà anche una grande volatilizzazione dell'aroma del tè, cambiamento di colore e torbidità della zuppa di tè. Sebbene l'estrazione a bassa temperatura possa ridurre la torbidità della zuppa di tè e preservare meglio il colore e l'aroma della zuppa, per garantire l'efficienza dell'estrazione, è necessario eseguire grandi quantità di estrazione per un lungo periodo, il che non soddisfa i requisiti della produzione industriale.

Come mantenere la buona qualità delle foglie di tè e un elevato tasso di estrazione degli ingredienti contenuti in condizioni di lisciviazione a bassa temperatura e a breve termine è diventato un problema urgente da risolvere nel processo di produzione delle bevande al tè. L’emergere della tecnologia di estrazione assistita da ultrasuoni fornisce una soluzione efficace a questo problema. Gli ultrasuoni hanno una varietà di effetti fisici e sonochimici e sono stati ampiamente utilizzati nell'estrazione di materiali medicinali cinesi. Negli ultimi anni, con il continuo approfondimento della ricerca e il progresso della pratica industriale, la tecnologia ad ultrasuoni ha mostrato ampie prospettive di applicazione nel campo dell'estrazione delle bevande del tè.

2. Principi tecnici

Il meccanismo principale dell’estrazione assistita da ultrasuoni dei principi attivi dal tè comprende principalmente due aspetti:

(1) Effetto cavitazione. Quando le onde ultrasoniche si propagano in un mezzo liquido, i nuclei di microgas (nuclei di cavitazione) esistenti nel mezzo vibrano, crescono e collassano sotto l'azione del campo ultrasonico. Nel momento in cui le bolle di cavitazione collassano, si possono generare alte temperature locali e alta pressione. Questa forte onda d'urto può distruggere efficacemente le pareti cellulari delle piante di tè, provocando il rilascio rapido di ingredienti attivi come i polifenoli del tè, gli amminoacidi e la caffeina nelle cellule e la loro dissoluzione nel solvente circostante. La ricerca mostra che l'estrazione ad ultrasuoni utilizza l'alta temperatura locale e l'alta pressione generate da questa cavitazione per migliorare la capacità delle sostanze di dissolversi e decomporsi nei solventi.

(2) Effetti meccanici ed effetti termici. Durante la propagazione delle onde ultrasoniche attraverso le particelle del mezzo, la loro energia viene continuamente assorbita dalle particelle del mezzo e convertita in energia termica, provocando un aumento della temperatura del sistema. Allo stesso tempo, la vibrazione meccanica delle onde ultrasoniche genera una forza di taglio microfluidica, che può agire direttamente sulla parete cellulare per migliorare il rilascio, la diffusione e la dissoluzione delle sostanze intracellulari. L'effetto sinergico dell'effetto meccanico, dell'effetto cavitazione e dell'effetto termico rende gli ultrasuoni un metodo di estrazione con duplici funzioni di rottura fisica della parete e miglioramento del trasferimento di massa.

3. Vantaggi tecnici

Rispetto alla tradizionale estrazione ad alta temperatura, l'estrazione assistita da ultrasuoni delle bevande a base di tè presenta i seguenti vantaggi significativi:

Estrazione a bassa temperatura, qualità eccellente. La tecnologia ad ultrasuoni consente un'estrazione efficiente delle foglie di tè a temperature più basse (come 20-50°C). Utilizzando la tecnologia combinata di distruzione cellulare ed estrazione controcorrente a bassa temperatura ad ultrasuoni, in condizioni di estrazione di 20°C e 30 minuti, la resa in solidi del succo di tè può raggiungere oltre il 90% e il prodotto ha sapore e qualità eccellenti. Le condizioni di bassa temperatura evitano efficacemente la volatilizzazione su larga scala dell'aroma del tè e lo scolorimento ossidativo della zuppa di tè, rendendo la qualità sensoriale del prodotto vicina al sapore del tè originale.

È a breve termine ed efficiente, riducendo notevolmente i tempi di estrazione. Il trattamento ad ultrasuoni fa sì che gli ingredienti del tè si dissolvano due volte più velocemente rispetto ai convenzionali a bassa temperatura e il tempo di estrazione può essere ridotto della metà. Gli studi hanno dimostrato che quando il tè viene estratto a una bassa temperatura convenzionale di 45-50°C con una frequenza ultrasonica di 40kHz, l'efficienza di estrazione è significativamente migliorata.

L'estrazione selettiva migliora la qualità della zuppa di tè. La ricerca mostra che il tasso di lisciviazione delle microonde e delle onde ultrasoniche sui polifenoli del tè, sugli aminoacidi e sulla caffeina è equivalente a quello dei metodi di estrazione convenzionali, ma ha un effetto inibitorio sulla lisciviazione di macromolecole come proteine ​​e pectina. Ciò significa che l'estrazione ad ultrasuoni può garantire la completa lisciviazione dei principi attivi riducendo al contempo la dissoluzione delle sostanze macromolecolari che rendono torbida la zuppa di tè, migliorando così la chiarezza e la stabilità della zuppa di tè.

Il contenuto di principi attivi è più elevato. È stato analizzato il contenuto delle principali catechine nella zuppa di tè estratta mediante diversi metodi di estrazione. I risultati hanno mostrato che il contenuto delle principali catechine nella zuppa di tè estratta mediante estrazione ad ultrasuoni era superiore a quello di altri metodi di estrazione. Rispetto al metodo convenzionale di estrazione con solvente, il metodo ad ultrasuoni non solo aumenta significativamente la velocità di estrazione, ma migliora anche significativamente la qualità dell'estratto.

Verde ed ecologico. L'estrazione assistita da ultrasuoni può essere effettuata in sistemi con acqua o solventi per uso alimentare, riducendo l'uso di solventi organici e in linea con la direzione di sviluppo della lavorazione ecologica.

4. Parametri chiave del processo

L'efficienza dell'estrazione ad ultrasuoni dei principi attivi nel tè è influenzata in modo completo da molteplici parametri di processo e richiede un'ottimizzazione sistematica per diversi tipi di tè e ingredienti target.

4.1 Frequenza ultrasonica

La frequenza ultrasonica è uno dei fattori importanti che influenzano l'effetto di estrazione. La ricerca mostra che 20kHz è una frequenza comunemente usata nell'estrazione delle bevande del tè. Gli ultrasuoni a bassa frequenza (20-40kHz) possono produrre grandi bolle di cavitazione, avere un impatto diretto sulle cellule del tè ed estrarre nutrienti macromolecolari come i polifenoli del tè e la caffeina. La ricerca mostra che maggiore è la frequenza degli ultrasuoni, maggiore è la velocità di estrazione e alla fine si avvicina ad un certo valore stabile.

4.2 Temperatura di estrazione

La temperatura è un fattore chiave che influenza la lisciviazione delle sostanze idrosolubili nel tè. All’aumentare della temperatura, la velocità di estrazione accelera, ma se la temperatura è troppo alta, le sostanze del tè estratte con acqua si ossideranno più velocemente e la qualità diminuirà. Pertanto, 45-60°C è generalmente considerato un intervallo di temperatura più ragionevole per l'estrazione ad ultrasuoni. La temperatura di estrazione ottimale per il tè bianco è di 45°C; La tecnologia di estrazione in controcorrente a bassa temperatura ad ultrasuoni può raggiungere un'estrazione efficiente a 20°C.

4.3 Tempo di estrazione

Uno dei maggiori vantaggi dell'estrazione ad ultrasuoni è il suo breve tempo. Il momento ottimale per l'estrazione ad ultrasuoni del tè bianco è un tempo ottimizzato specifico; il processo ottimale per l'estrazione ad ultrasuoni del tè istantaneo deve considerare in modo completo il tempo di estrazione, la frequenza e altri fattori. Nella produzione effettiva, il tempo di estrazione può solitamente essere controllato entro un intervallo compreso tra 10 e 60 minuti.

4.4 Rapporto materiale-liquido e dimensione delle particelle di materia prima

Il rapporto materiale-liquido influisce direttamente sull'efficienza del trasferimento di massa e sui costi di estrazione. Il rapporto ottimale materiale-liquido varia a seconda dei diversi tipi di tè e degli ingredienti target. Anche la dimensione delle particelle delle foglie di tè influisce sull'efficienza dell'estrazione: più fine è la dimensione delle particelle, maggiore è la superficie specifica, più completo è il contatto con il solvente e maggiore è la velocità di estrazione. Alcuni studi hanno diviso le foglie di tè in diverse dimensioni delle particelle, ad esempio 24-40 mesh e 40-60 mesh per esperimenti comparativi. Lo studio ha anche scoperto che quanto più breve è il tempo di fermentazione del tè, tanto maggiore è la velocità di estrazione.

5. Applicazione industriale

La tecnologia di estrazione delle bevande del tè ad ultrasuoni è passata dalla ricerca di laboratorio alla produzione industriale e ha ottenuto risultati notevoli.

La prima linea di produzione al mondo di lisciviazione in controcorrente ad ultrasuoni a bassa temperatura. L'Istituto di ricerca sul tè dell'Accademia cinese delle scienze agricole ha collaborato con Yunnan Lincang Lancangjiang Tea Co., Ltd. per ottenere una preparazione efficiente a bassa temperatura del succo di tè fresco attraverso la tecnologia combinata di distruzione cellulare ed estrazione in controcorrente a bassa temperatura e ultrasuoni.

Estrazione segmentata con colonna di estrazione in controcorrente multistadio ad ultrasuoni. In base alle caratteristiche di lisciviazione dei principi attivi del tè, per l'estrazione segmentata viene utilizzata una colonna di estrazione in controcorrente a più stadi ad ultrasuoni. Il tè istantaneo solubile a freddo dall'alto sapore viene preparato nel front-end, mentre il tè istantaneo funzionale arricchito in polifenoli del tè (contenuto di polifenoli del tè ≥65%) viene preparato nel back-end per ottenere un utilizzo efficiente, di alta qualità e di alto valore.

Linea di produzione di estrazione dinamica ad ultrasuoni a bassa temperatura. Negli ultimi anni è stato utilizzato anche un set completo di linee di produzione di estrazione dinamica ad ultrasuoni a bassa temperatura, con una capacità di produzione fino a 500 litri/lotto, controllo a bassa temperatura durante tutto il processo (fase di estrazione/filtrazione/concentrazione ≤55°C) e l'uso del processo di 'estrazione dinamica ad ultrasuoni + purificazione multistadio + concentrazione a membrana + liofilizzazione sotto vuoto' per trattenere ingredienti attivi e aromi originali come i polifenoli del tè e teanina

Conclusione

La tecnologia di estrazione assistita da ultrasuoni si basa sull'effetto sinergico della cavitazione, degli effetti meccanici e termici per ottenere un'estrazione efficiente a bassa temperatura, in breve tempo ed efficiente dei principi attivi nel tè. È un modo efficace per risolvere la contraddizione tra qualità ed efficienza dei tradizionali processi di estrazione delle bevande al tè. Dalla ricerca di laboratorio a una linea di produzione industriale con una produzione annua di 100.000 tonnellate, la tecnologia di estrazione delle bevande ad ultrasuoni per il tè ha attraversato un processo completo dalla teoria alla pratica, dall'esplorazione alla maturità. Con il continuo progresso della tecnologia e il continuo approfondimento delle applicazioni industriali, la tecnologia di estrazione ad ultrasuoni fornirà un solido supporto tecnico per il miglioramento della qualità e lo sviluppo ecologico dell'industria delle bevande al tè.