Tehnologia de extracție a băuturilor cu ceai cu ultrasunete: principii, procese și aplicații industriale

Tehnologia de extracție a băuturilor cu ceai cu ultrasunete: principii, procese și aplicații industriale

1. Introducere

Băuturile de ceai s-au dezvoltat într-unul dintre produsele principale de pe piața internațională a băuturilor datorită caracteristicilor lor naturale, sănătoase și convenabile de băut. Cu toate acestea, ca o verigă cheie care afectează calitatea băuturilor din ceai, procesul de extracție s-a confruntat de mult timp cu o contradicție fundamentală - deși extracția la temperatură înaltă poate obține o rată de extracție mai mare a componentelor ceaiului, va provoca, de asemenea, o cantitate mare de volatilizare a aromei ceaiului, schimbarea culorii și turbiditatea supei de ceai. Deși extracția la temperatură scăzută poate reduce turbiditatea supei de ceai și poate păstra mai bine culoarea și aroma supei, pentru a asigura eficiența extracției, trebuie efectuate cantități mari de extracție pentru o lungă perioadă de timp, ceea ce nu îndeplinește cerințele producției industriale.

Cum se menține calitatea bună a frunzelor de ceai și o rată ridicată de extracție a ingredientelor conținute în condiții de leșiere la temperatură scăzută și pe termen scurt a devenit o problemă urgentă care trebuie rezolvată în procesul de producție a băuturii de ceai. Apariția tehnologiei de extracție asistată cu ultrasunete oferă o soluție eficientă la această problemă. Ultrasunetele au o varietate de efecte fizice și sonochimice și au fost utilizate pe scară largă în extracția materialelor medicinale chinezești. În ultimii ani, odată cu aprofundarea continuă a cercetării și progresul practicii industriale, tehnologia cu ultrasunete a arătat perspective largi de aplicare în domeniul extracției băuturilor de ceai.

2. Principii tehnice

Mecanismul de bază al extracției asistate cu ultrasunete a ingredientelor active din ceai include în principal două aspecte:

(1) Efect de cavitație. Când undele ultrasonice se propagă într-un mediu lichid, nucleele micro-gaz (nuclee de cavitație) existente în mediu vibrează, cresc și se prăbușesc sub acțiunea câmpului ultrasonic. Momentul în care bulele de cavitație se prăbușesc, se pot genera o temperatură locală ridicată și o presiune ridicată. Această undă de șoc puternică poate distruge eficient pereții celulari ai plantelor de ceai, determinând ingrediente active precum polifenolii de ceai, aminoacizii și cofeina din celule să se elibereze rapid și să se dizolve în solventul din jur. Cercetările arată că extracția cu ultrasunete utilizează temperatura ridicată locală și presiunea ridicată generate de această cavitație pentru a îmbunătăți capacitatea substanțelor de a se dizolva și de a se descompune în solvenți.

(2) Efecte mecanice și efecte termice. În timpul propagării undelor ultrasonice prin particulele de mediu, energia lor este absorbită continuu de particulele de mediu și transformată în energie termică, determinând creșterea temperaturii sistemului. În același timp, vibrația mecanică a undelor ultrasonice generează forță de forfecare microfluidică, care poate acționa direct asupra peretelui celular pentru a îmbunătăți eliberarea, difuzia și dizolvarea substanțelor intracelulare. Efectul sinergic al efectului mecanic, al efectului de cavitație și al efectului termic face cu ultrasunete o metodă de extracție cu două funcții de spargere fizică a peretelui și transfer de masă îmbunătățit.

3. Avantaje tehnice

În comparație cu extracția tradițională la temperatură înaltă, extracția asistată cu ultrasunete a băuturilor de ceai are următoarele avantaje semnificative:

Extracție la temperaturi scăzute, calitate excelentă. Tehnologia cu ultrasunete permite extracția eficientă a frunzelor de ceai la temperaturi mai scăzute (cum ar fi 20-50°C). Folosind tehnologia combinată de distrugere a celulelor și extracție cu ultrasunete în contracurent la temperatură joasă, în condiții de extracție de 20 ° C și 30 de minute, randamentul în substanțe solide din suc de ceai poate ajunge la peste 90%, iar produsul are o aromă și o calitate excelentă. Condițiile de temperatură scăzută evită efectiv volatilizarea pe scară largă a aromei ceaiului și decolorarea oxidativă a supei de ceai, făcând calitatea senzorială a produsului apropiată de aroma ceaiului original.

Este pe termen scurt și eficient, scurtând foarte mult timpul de extracție. Tratamentul cu ultrasunete face ca ingredientele din ceai să se dizolve de două ori mai repede decât temperatura convențională scăzută, iar timpul de extracție poate fi scurtat la jumătate. Studiile au arătat că atunci când ceaiul este extras la o temperatură convențională scăzută de 45-50°C la o frecvență ultrasonică de 40kHz, eficiența extracției este îmbunătățită semnificativ.

Extracția selectivă îmbunătățește calitatea supei de ceai. Cercetările arată că rata de scurgere a undelor cu microunde și ultrasunete pe polifenoli, aminoacizi și cofeină din ceai este echivalentă cu cea a metodelor convenționale de extracție, dar are un efect inhibitor asupra leșierii macromoleculelor precum proteinele și pectina. Aceasta înseamnă că extracția cu ultrasunete poate asigura scurgerea completă a ingredientelor active, reducând în același timp dizolvarea substanțelor macromoleculare care fac ca supa de ceai să fie tulbure, îmbunătățind astfel claritatea și stabilitatea supei de ceai.

Conținutul de ingrediente active este mai mare. A fost analizat conținutul de catechine principale din supa de ceai extrasă prin diferite metode de extracție. Rezultatele au arătat că conținutul de catechine principale din supa de ceai extrasă prin extracție cu ultrasunete a fost mai mare decât cel al altor metode de extracție. În comparație cu metoda convențională de extracție cu solvent, metoda cu ultrasunete nu numai că crește semnificativ rata de extracție, dar îmbunătățește semnificativ și calitatea extractului.

Verde și prietenos cu mediul. Extracția asistată cu ultrasunete poate fi efectuată în sisteme de apă sau de solvenți de calitate alimentară, reducând utilizarea solvenților organici și în conformitate cu direcția de dezvoltare a procesării ecologice.

4. Parametrii cheie ai procesului

Eficiența extracției cu ultrasunete a ingredientelor active din ceai este afectată în mod cuprinzător de mai mulți parametri de proces și necesită optimizare sistematică pentru diferite tipuri de ceai și ingrediente țintă.

4.1 Frecvența ultrasunetelor

Frecvența ultrasunetelor este unul dintre factorii importanți care afectează efectul de extracție. Cercetările arată că 20kHz este o frecvență folosită în mod obișnuit în extracția băuturilor de ceai. Ultrasunetele de joasă frecvență (20-40kHz) pot produce bule mari de cavitație, pot avea un impact direct asupra celulelor de ceai și pot extrage nutrienți macromolecule, cum ar fi polifenolii din ceai și cofeina. Cercetările arată că cu cât frecvența ultrasunetelor este mai mare, cu atât rata de extracție este mai mare și în cele din urmă se apropie de o anumită valoare stabilă.

4.2 Temperatura de extracție

Temperatura este un factor cheie care afectează scurgerea substanțelor solubile în apă din ceai. Pe măsură ce temperatura crește, viteza de extracție se accelerează, dar dacă temperatura este prea mare, substanțele extrase de apă ale ceaiului se vor oxida mai repede și calitatea va scădea. Prin urmare, 45-60°C este în general considerat a fi un interval de temperatură mai rezonabil pentru extracția cu ultrasunete. Temperatura optimă de extracție pentru ceaiul alb este de 45°C; Tehnologia de extracție cu ultrasunete la temperatură joasă în contracurent poate realiza o extracție eficientă la 20°C.

4.3 Timp de extracție

Unul dintre cele mai mari avantaje ale extracției cu ultrasunete este timpul scurt. Momentul optim pentru extracția cu ultrasunete a ceaiului alb este un timp specific optimizat; procesul optim pentru extracția cu ultrasunete a ceaiului instant trebuie să ia în considerare în mod cuprinzător timpul de extracție, frecvența și alți factori. În producția efectivă, timpul de extracție poate fi de obicei controlat în intervalul de 10-60 de minute.

4.4 Raportul material-lichid și dimensiunea particulelor de materie primă

Raportul material-lichid afectează direct eficiența transferului de masă și costul de extracție. Raportul optim material-lichid variază pentru diferite tipuri de ceai și ingrediente țintă. Dimensiunea particulelor frunzelor de ceai afectează, de asemenea, eficiența extracției - cu cât dimensiunea particulelor este mai fină, cu atât suprafața specifică este mai mare, cu atât contactul cu solventul este mai complet și rata de extracție este mai mare. Unele studii au împărțit frunzele de ceai în diferite dimensiuni ale particulelor, cum ar fi 24-40 ochiuri și 40-60 ochiuri pentru experimente comparative. Studiul a mai constatat că, cu cât timpul de fermentare a ceaiului este mai scurt, cu atât rata de extracție este mai mare.

5. Aplicație industrială

Tehnologia de extracție a băuturii cu ceai cu ultrasunete a trecut de la cercetarea de laborator la producția industrială și a obținut rezultate remarcabile.

Prima linie de producție cu ultrasunete la temperatură joasă în contracurent din lume. Institutul de Cercetare a Ceaiului al Academiei Chineze de Științe Agricole a cooperat cu Yunnan Lincang Lancangjiang Tea Co., Ltd. pentru a obține o preparare eficientă și la temperatură scăzută a sucului de ceai proaspăt prin tehnologia combinată de distrugere a celulelor și extracție cu ultrasunete la temperatură joasă în contracurent.

Extracție cu ultrasunete pe coloană de extracție în contracurent în mai multe etape Extracție segmentată. În conformitate cu caracteristicile de leșiere ale ingredientelor active ale ceaiului, o coloană de extracție în contracurent cu ultrasunete în mai multe etape este utilizată pentru extracția segmentată. Ceaiul instant solubil la rece cu aromă ridicată este preparat în partea din față, iar ceaiul instant funcțional îmbogățit în polifenoli de ceai (conținut de polifenoli de ceai ≥65%) este preparat în partea din spate pentru a obține o utilizare eficientă, de înaltă calitate și de înaltă valoare.

Linie de producție de extracție dinamică cu ultrasunete la temperatură joasă. În ultimii ani, a fost pus în funcțiune și un set complet de linii de producție de extracție dinamică cu ultrasunete la temperatură joasă, cu o capacitate de producție de până la 500L/lot, control al temperaturii scăzute pe tot parcursul procesului (extracție/filtrare/etapă de concentrare ≤55°C) și utilizarea „extracției dinamice cu ultrasunete + proces de purificare cu membrană în mai multe etape + concentrare de ingrediente active + purificare în vid +” arome originale precum polifenoli de ceai și teanina

Concluzie

Tehnologia de extracție asistată cu ultrasunete se bazează pe efectul sinergic al cavitației, efectele mecanice și termice pentru a obține extracția la temperatură scăzută, pe timp scurt și eficient a ingredientelor active din ceai. Este o modalitate eficientă de a rezolva contradicția dintre calitatea și eficiența proceselor tradiționale de extracție a băuturilor de ceai. De la cercetare de laborator la o linie de producție industrială cu o producție anuală de 100.000 de tone, tehnologia de extracție a băuturilor cu ultrasunete a ceaiului a trecut printr-un proces complet de la teorie la practică, de la explorare până la maturitate. Odată cu avansarea continuă a tehnologiei și aprofundarea continuă a aplicațiilor industriale, tehnologia de extracție cu ultrasunete va oferi suport tehnic solid pentru îmbunătățirea calității și dezvoltarea ecologică a industriei băuturilor de ceai.