Ултразвучна технологија екстракције чајних напитака: принципи, процеси и индустријске примене

Ултразвучна технологија екстракције чајних напитака: принципи, процеси и индустријске примене

1. Увод

Чајни напици су се развили у један од главних производа на међународном тржишту пића због својих природних, здравих и погодних карактеристика за пиће. Међутим, као кључна карика која утиче на квалитет чајних напитака, процес екстракције се дуго суочавао са суштинском контрадикцијом - иако екстракција на високој температури може да добије већу стопу екстракције компоненти чаја, такође ће изазвати велику количину испарења ароме чаја, промену боје и замућење чајне супе. Иако екстракција на ниским температурама може смањити замућеност чајне супе и боље сачувати боју и арому супе, да би се обезбедила ефикасност екстракције, велике количине екстракције морају да се врше дуже време, што не задовољава захтеве индустријске производње.

Како одржати добар квалитет листова чаја и високу стопу екстракције садржаних састојака у условима ниске температуре и краткотрајног испирања постао је хитан проблем који треба решити у процесу производње чајног напитка. Појава технологије екстракције уз помоћ ултразвука пружа ефикасно решење за овај проблем. Ултразвук има различите физичке и сонохемијске ефекте и широко се користи у екстракцији кинеских медицинских материјала. Последњих година, уз континуирано продубљивање истраживања и напредак индустријске праксе, ултразвучна технологија је показала широку примену у области екстракције чајних напитака.

2. Технички принципи

Основни механизам екстракције активних састојака из чаја уз помоћ ултразвука углавном укључује два аспекта:

(1) Ефекат кавитације. Када се ултразвучни таласи шире у течном медију, микро-гасна језгра (језгра кавитације) која постоје у медијуму вибрирају, расту и колабирају под дејством ултразвучног поља. У тренутку када се кавитациони мехурићи колабирају, могу се генерисати локална висока температура и висок притисак. Овај јак ударни талас може ефикасно да уништи ћелијске зидове биљака чаја, узрокујући да се активни састојци као што су полифеноли чаја, аминокиселине и кофеин у ћелијама брзо ослобађају и растварају у околном растварачу. Истраживања показују да ултразвучна екстракција користи локалну високу температуру и висок притисак који ствара ова кавитација како би се побољшала способност супстанци да се растварају и разлажу у растварачима.

(2) Механички и топлотни ефекти. Током ширења ултразвучних таласа кроз честице медија, њихова енергија се континуирано апсорбује од стране честица медија и претвара у топлотну енергију, узрокујући пораст температуре система. У исто време, механичка вибрација ултразвучних таласа генерише микрофлуидну силу смицања, која може директно да делује на ћелијски зид како би побољшала ослобађање, дифузију и растварање интрацелуларних супстанци. Синергистички ефекат механичког ефекта, ефекта кавитације и термичког ефекта чини ултразвучну методу екстракције са двоструком функцијом физичког разбијања зидова и побољшаног преноса масе.

3. Техничке предности

У поређењу са традиционалном екстракцијом на високим температурама, ултразвучна екстракција чајних напитака има следеће значајне предности:

Екстракција на ниској температури, одличан квалитет. Ултразвучна технологија омогућава ефикасну екстракцију листова чаја на нижим температурама (нпр. 20-50°Ц). Користећи комбиновану технологију разбијања ћелија и ултразвучне нискотемпературне противструјне екстракције, под условима екстракције од 20°Ц и 30 минута, принос чврстих супстанци чајног сока може достићи више од 90%, а производ има одличан укус и квалитет. Услови ниске температуре ефикасно избегавају испаравање ароме чаја у великим размерама и оксидативну промену боје чајне супе, чинећи сензорни квалитет производа блиским укусу оригиналног чаја.

Краткорочно је и ефикасно, значајно скраћује време екстракције. Ултразвучни третман чини да се састојци чаја растварају двоструко брже од конвенционалне ниске температуре, а време екстракције се може скратити за половину. Студије су показале да када се чај екстрахује на конвенционалној ниској температури од 45-50°Ц на ултразвучној фреквенцији од 40кХз, ефикасност екстракције се значајно побољшава.

Селективна екстракција побољшава квалитет чајне супе. Истраживања показују да је брзина испирања микроталасних и ултразвучних таласа на полифенолима чаја, амино киселинама и кофеину једнака оној код конвенционалних метода екстракције, али има инхибиторни ефекат на испирање макромолекула као што су протеини и пектин. То значи да ултразвучна екстракција може да обезбеди потпуно испирање активних састојака док истовремено смањује растварање макромолекуларних супстанци које узрокују да чајна супа буде замућена, чиме се побољшава бистрина и стабилност чајне супе.

Садржај активних састојака је већи. Анализиран је садржај главних катехина у чајној супи екстрахованој различитим методама екстракције. Резултати су показали да је садржај главних катехина у чајној супи екстрахованој ултразвучном екстракцијом већи у односу на друге методе екстракције. У поређењу са конвенционалном методом екстракције растварачем, ултразвучна метода не само да значајно повећава брзину екстракције, већ и значајно побољшава квалитет екстракта.

Зелено и еколошки прихватљиво. Екстракција уз помоћ ултразвука може се извести у системима растварача за воду или храну, смањујући употребу органских растварача и у складу са правцем развоја зелене прераде.

4. Кључни параметри процеса

На ефикасност ултразвучне екстракције активних састојака у чају свеобухватно утичу вишеструки процесни параметри и захтева систематску оптимизацију за различите врсте чаја и циљне састојке.

4.1 Ултразвучна фреквенција

Ултразвучна фреквенција је један од важних фактора који утичу на ефекат екстракције. Истраживања показују да је 20 кХз често коришћена фреквенција у екстракцији чајних напитака. Ултразвук ниске фреквенције (20-40 кХз) може да произведе велике мехуриће кавитације, директно утиче на ћелије чаја и екстрахује хранљиве материје макромолекула као што су полифеноли чаја и кофеин. Истраживања показују да што је већа фреквенција ултразвука, то је већа брзина екстракције и на крају се приближава одређеној стабилној вредности.

4.2 Температура екстракције

Температура је кључни фактор који утиче на испирање супстанци растворљивих у води у чају. Како температура расте, брзина екстракције се убрзава, али ако је температура превисока, супстанце екстраховане водом из чаја ће брже оксидирати и квалитет ће се смањити. Стога се 45-60°Ц генерално сматра разумнијим температурним опсегом за ултразвучну екстракцију. Оптимална температура екстракције за бели чај је 45°Ц; ултразвучна технологија противструјне екстракције ниске температуре може постићи ефикасну екстракцију на 20°Ц.

4.3 Време екстракције

Једна од највећих предности ултразвучне екстракције је кратко време. Оптимално време за ултразвучну екстракцију белог чаја је специфично оптимизовано време; оптимални процес за ултразвучну екстракцију инстант чаја треба свеобухватно да узме у обзир време екстракције, учесталост и друге факторе. У стварној производњи, време екстракције се обично може контролисати у распону од 10-60 минута.

4.4 Однос материјала и течности и величина честица сировог материјала

Однос материјала и течности директно утиче на ефикасност преноса масе и трошкове екстракције. Оптимални однос материјала и течности варира за различите врсте чаја и циљне састојке. Величина честица листова чаја такође утиче на ефикасност екстракције – што је финија величина честица, већа је специфична површина, потпунији је контакт са растварачем и већа је брзина екстракције. Неке студије су поделиле листове чаја на различите величине честица као што су 24-40 месх и 40-60 месх за упоредне експерименте. Студија је такође открила да што је краће време ферментације чаја, то је већа брзина екстракције.

5. Индустријска примена

Ултразвучна технологија екстракције чајних напитака прешла је из лабораторијских истраживања у индустријску производњу и постигла је изузетне резултате.

Прва светска производна линија за ултразвучно нискотемпературно противструјно лужење. Институт за истраживање чаја Кинеске академије пољопривредних наука сарађивао је са Иуннан Линцанг Ланцангјианг Теа Цо., Лтд. да би постигао нискотемпературну и ефикасну припрему свежег сока од чаја кроз комбиновану технологију прекидања ћелија и ултразвучну нискотемпературну контраструјну екстракцију.

Ултразвучна вишестепена контраструјна екстракција на сегментној колони. Према карактеристикама испирања активних састојака чаја, ултразвучна вишестепена контраструјна колона се користи за сегментну екстракцију. Хладно растворљиви инстант чај високог укуса припрема се у предњем делу, а функционални инстант чај обогаћен полифенолима чаја (садржај полифенола у чају ≥65%) се припрема у позадини да би се постигла ефикасна, висококвалитетна и високовредностна искоришћеност.

Ултразвучна динамичка линија за екстракцију на ниским температурама. Последњих година, комплетан сет ултразвучних динамичких производних линија за екстракцију на ниским температурама је такође стављен у употребу, са производним капацитетом до 500Л/серија, контролом ниске температуре током целог процеса (фаза екстракције/филтрације/концентрације ≤55°Ц), и употребом „ултразвучне динамичке екстракције + вишестепена мембранска екстракција + вишестепена мембранска концентрација“ задржавају активне састојке и оригиналне ароме као што су полифеноли чаја и теанин

Закључак

Технологија екстракције уз помоћ ултразвука ослања се на синергистички ефекат кавитације, механичких и термичких ефеката како би се постигла ниска температура, краткотрајна и ефикасна екстракција активних састојака у чају. То је ефикасан начин да се реши контрадикторност између квалитета и ефикасности традиционалних процеса екстракције чајних напитака. Од лабораторијских истраживања до индустријске производне линије са годишњом производњом од 100.000 тона, ултразвучна технологија екстракције чајних напитака прошла је кроз комплетан процес од теорије до праксе, од истраживања до зрелости. Уз континуирани напредак технологије и континуирано продубљивање индустријске примене, технологија ултразвучне екстракције ће пружити солидну техничку подршку за побољшање квалитета и зелени развој индустрије чајних напитака.