БЫСТРОРАСТВОРИМЫЙ ПОРОШКООБРАЗНЫЙ КОФЕ Российский патент 2025 года по МПК A23F5/24 A23F5/32 

Область применения изобретения

Настоящее изобретение относится к быстрорастворимому порошкообразному кофе и использованию газовых гидратов для производства быстрорастворимого порошкообразного кофе.

Предпосылки создания изобретения

В отличие от кофейных напитков, полученных из обжаренного и молотого кофе, на поверхности напитков, полученных из быстрорастворимого порошкообразного кофе, при разведении горячей водой обычно не образуется мелкопузырчатая пена (крема).

Эта пена, как известно, положительно влияет на вкус продукта при его употреблении и очень желательна для многих потребителей. Кроме того, пена удерживает больше летучих ароматических веществ в напитке так, чтобы они не затерялись в окружающей среде и были доступны для потребителя.

Вспененная верхняя поверхность напитков, приготовленных из обжаренного и молотого кофе, обычно возникает при заваривании водой под давлением и/или паром. Однако в случае быстрорастворимого порошкообразного кофе пена должна образовываться при растворении быстрорастворимого порошкообразного кофе в воде. Таким образом, для получения пены газ должен быть захвачен быстрорастворимым порошкообразным кофе и должен высвобождаться при заливании порошка горячей водой.

Описаны многочисленные способы приготовления вспенивающегося быстрорастворимого порошкообразного кофе (например, EP 2 100 514, EP 2 689 668, EP 2 217 086 и US 2013/0230628). Однако многие виды вспенивающегося быстрорастворимого порошкообразного кофе все еще не лишены недостатков, поскольку первоначально полученная пена не сохраняется во время потребления, или структура напоминает крупнопузырчатую пену, а не мелкопузырчатую и гладкую пену (крема), которая в конечном итоге является желательной для потребителей. Кроме того, часто образуется недостаточное количество пены (и/или крема).

Более того, современные способы приготовления вспенивающегося быстрорастворимого порошкообразного кофе обычно требуют энергозатратных устройств для смешивания и замораживания, необходимых для гомогенизации газа в вязких жидкостях и их предварительного замораживания для сублимационной сушки. Кроме того, они обычно требуют больших порций газа и длительного времени дозирования газа.

Таким образом, существует потребность в улучшенном вспенивающемся быстрорастворимом порошкообразном кофе и улучшенных способах получения вспенивающегося быстрорастворимого порошкообразного кофе.

Изложение сущности изобретения

Авторы изобретения неожиданно обнаружили, что для производства быстрорастворимого порошкообразного кофе можно использовать газовые гидраты (также известные как клатратные гидраты). Авторы изобретения неожиданно обнаружили, что быстрорастворимый порошкообразный кофе, полученный с использованием газовых гидратов, может образовывать пену и/или крема на своей верхней поверхности при растворении в воде.

Авторы изобретения неожиданно обнаружили, что применение газовых гидратов для производства быстрорастворимого порошкообразного кофе требует менее энергозатратных устройств для смешивания и замораживания, меньших порций газа и более короткого времени дозирования газа по сравнению с существующими способами. Например, применение газовых гидратов позволяет газифицировать высоковязкий кофейный раствор (например, 60–63 мас.% твердых веществ кофе).

Авторы изобретения неожиданно обнаружили, что гидраты CO₂ можно использовать для получения быстрорастворимого порошкообразного кофе, который при растворении в воде образует крема на своей верхней поверхности.

Соответственно, в одном аспекте в настоящем изобретении обеспечено применение газовых гидратов для газификации пищевого продукта. Газ может быть воздухом и/или может содержать один или более из диоксида углерода, азота, закиси азота и аргона, предпочтительно диоксида углерода и/или азота. Предпочтительно пищевой продукт представляет собой кофе и/или кофейный раствор.

Согласно другому аспекту в настоящем изобретении обеспечено применение газовых гидратов для производства быстрорастворимого порошкообразного кофе. Газ может быть воздухом и/или может содержать один или более из диоксида углерода, азота, закиси азота и аргона, предпочтительно диоксида углерода и/или азота.

Согласно другому аспекту в настоящем изобретении обеспечен способ получения суспензии кофе, содержащей газовые гидраты, включающий:

(а) обеспечение первого кофейного раствора;

(b) охлаждение первого кофейного раствора; и

(c) приложение давления к первому кофейному раствору с помощью газа для получения суспензии кофе, содержащей газовые гидраты, причем газ представляет собой воздух и/или содержит один или более из диоксида углерода, азота, закиси азота и аргона, предпочтительно диоксида углерода и/или азота.

В некоторых вариантах осуществления первый кофейный раствор охлаждают на стадии (b) до температуры от -10°C до 10°C, или от -8°C до 7°C, или от -5°C до 5°C, или до температуры не ниже около -5°C, и/или давление газа на стадии (c) составляет от 10 до 300 бар, или от 10 до 150 бар, или от 10 до 100 бар, или от 10 до 50 бар, или от 15 до 40 бар, или от 15 до 35 бар, или от 15 до 30 бар (в зависимости от мас.% твердых веществ кофе в кофейном растворе и типа газа). В некоторых вариантах осуществления способ включает охлаждение первого кофейного раствора на стадии (b) до температуры от 0 до 5°C или до около 3°C; и приложение давления к кофейному раствору на стадии (c) с помощью диоксида углерода предпочтительно при 15–25 бар или около 20 бар перед приложением давления к первому кофейному раствору с использованием азота предпочтительно при 30–300 бар, 30–150 бар, 30–100 бар, 30–50 бар, 30–40 бар или около 35 бар.

В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно включает стадию распределения газового гидрата в суспензии кофе.

Согласно другому аспекту в настоящем изобретении обеспечена суспензия кофе, содержащая газовые гидраты, причем газ представляет собой воздух и/или содержит один или более из диоксида углерода, азота, закиси азота и аргона, предпочтительно диоксида углерода и/или азота. Суспензию кофе можно получить вышеупомянутым способом.

В некоторых вариантах осуществления первый кофейный раствор и/или суспензия кофе содержит от 10 до 50 мас.%, от 20 до 40 мас.% или около 30 мас.% твердых веществ кофе.

В некоторых вариантах осуществления суспензия кофе имеет вязкость от 10 мПа·с до 1 Па·с для содержания твердых веществ кофе от 10 до 50 мас.%.

В некоторых вариантах осуществления суспензия кофе имеет вязкость от 10 до 100 мПа·с, или от 20 до 100 мПа·с, или от 30 до 65 мПа·с, или около 30 мПа·с или более, и/или около 100 мПа·с или менее. Вязкость суспензии кофе может быть больше, чем вязкость первого кофейного раствора, полученного на стадии (а).

В некоторых вариантах осуществления суспензия кофе содержит диоксид углерода предпочтительно в количестве 0,5–5 моль/л, 1–5 моль/л, 1–2 моль/л, около 1 моль/л или около 1,6 моль/л диоксида углерода; и/или азот предпочтительно в количестве 0,01–0,5 моль/л, 0,02–0,1 моль/л или около 0,05 моль/л азота. В некоторых вариантах осуществления суспензия кофе имеет отношение газа во фракции гидрата к газу в жидкой фракции (H : L) от 1 : 1 до 5 : 1, предпочтительно от 2 : 1 до 3 : 1.

В некоторых вариантах осуществления суспензия кофе содержит 0,5–5 моль/л диоксида углерода, или 1–5 моль/л диоксида углерода, или 1–2 моль/л диоксида углерода, или около 1 моль/л диоксида углерода, или около 1,6 моль/л диоксида углерода; и 0,01–0,5 моль/л азота, или 0,02–0,1 моль/л азота, или около 0,05 моль/л азота. В некоторых вариантах осуществления суспензия кофе имеет отношение газа во фракции гидрата к газу в жидкой фракции (H : L) от 1 : 1 до 5 : 1, предпочтительно от 2 : 1 до 3 : 1.

В некоторых вариантах осуществления суспензия кофе содержит 0,5–5 моль/л диоксида углерода, или 1–5 моль/л диоксида углерода, или 1–2 моль/л диоксида углерода, или около 1 моль/л диоксида углерода, или около 1,6 моль/л диоксида углерода; или 0,01–0,5 моль/л азота, или 0,02–0,1 моль/л азота, или около 0,05 моль/л азота. В некоторых вариантах осуществления суспензия кофе имеет отношение газа во фракции гидрата к газу в жидкой фракции (H : L) от 1 : 1 до 5 : 1, предпочтительно от 2 : 1 до 3 : 1.

Согласно другому аспекту в настоящем изобретении обеспечен способ производства быстрорастворимого порошкообразного кофе, включающий:

(а) смешивание суспензии кофе, содержащей газовые гидраты, со вторым кофейным раствором с получением смеси суспензия кофе/кофейный раствор;

(b) снижение давления и/или повышение температуры смеси суспензия кофе/кофейный раствор с получением вспененного кофейного раствора;

(c) сушку вспененного кофейного раствора, предпочтительно сублимационной сушкой, с получением высушенного кофе; и

(d) измельчение высушенного кофе с получением быстрорастворимого порошкообразного кофе.

В некоторых вариантах осуществления суспензию кофе получают вышеупомянутым способом, или она представляет собой суспензию кофе, содержащую газовые гидраты, как описано выше.

В некоторых вариантах осуществления второй кофейный раствор содержит от 10 до 70 мас.%, от 30 до 70 мас.%, от 50 до 70 мас.%, от 55 до 65 мас.%, от 60 до 65 мас.% или около 60 мас.% твердых веществ кофе.

В некоторых вариантах осуществления суспензию кофе добавляют ко второму раствору кофе в приблизительно изобарно-изотермических условиях, при этом предпочтительно приблизительно изобарно-изотермические условия представляют собой температуру от -10°C до 10°C, или от -8°C до 7°C, или от -5°C до 5°C, или не ниже около -5°C, и/или давление газа от 10 до 300 бар, или от 10 до 150 бар, или от 10 до 100 бар, или от 10 до 50 бар, или от 15 до 40 бар, или от 15 до 35 бар, или от 15 до 30 бар (в зависимости от мас.% твердых веществ кофе в кофейном растворе и типа газа).

В некоторых вариантах осуществления на стадии снижения давления и/или повышения температуры смеси суспензия кофе/кофейный раствор давление сбрасывают до значений от 1 до 10 бар или от 5 до 10 бар, и/или температуру смеси суспензия кофе/кофейный раствор повышают до значений от -5°C до 10°C, или выше 0°C, или около 5°C, или до 10°C и выше. Способ может включать дополнительную стадию быстрого замораживания вспененного кофейного раствора перед сушкой вспененного кофейного раствора.

В некоторых вариантах осуществления суспензия кофе достигает взбитости от 50 до 500%, или от 200 до 400%, или от 250 до 350%, или около 300%.

Согласно другому аспекту в настоящем изобретении обеспечен быстрорастворимый порошкообразный кофе, полученный вышеупомянутым способом.

Согласно другому аспекту в настоящем изобретении обеспечен быстрорастворимый порошкообразный кофе, причем порошок имеет закрытую пористость от 15% до 50%, или от 20% до 35%, или от 25% до 34%, или от 30% до 34%, или около 30% и/или пористость вспенивания от 25% до 34%, или от 30 до 34%, или около 30%.

В некоторых вариантах осуществления быстрорастворимый порошкообразный кофе имеет бимодальное распределение закрытых пор. Бимодальное распределение пор может включать (i) поры со средним диаметром от 20 до 100 мкм, или от 20 до 45 мкм, или около 40 мкм; и (ii) поры со средним диаметром менее около 20 мкм, или от 1 до менее 20 мкм, или 1–18 мкм, или 1–15 мкм, или 1–10 мкм, или 2–5 мкм. В некоторых вариантах осуществления вариант (i) составляет от 10 до 99 об.% от общего объема пор, и/или вариант (ii) составляет от 1 до 90 об.% от общего объема пор; и/или вариант (i) составляет от 10 до 90% от общего числа пор, и/или вариант (ii) составляет от 10 до 90% от общего числа пор. Поры большего размера могут состоять, по существу, из открытых пор; и/или более мелкие поры могут состоять, по существу, из закрытых пор.

Описание графических материалов

Фиг. 1. Блок-схема с изображением основных стадий производства быстрорастворимого кофе

Схема адаптирована по Bhandari, B., N. Bansal, M. Zhang, and P. Schuck: Handbook of Food Powders: Processes and Properties. Elsevier Science, 2013. На графическом материале изображена процедура обработки быстрорастворимого порошкообразного кофе. На стадии экстракции молотый кофе экстрагируют водой до содержания твердых веществ 20–30 мас.%. Затем под давлением и при высоких температурах экстрагированный кофе концентрируют до вязких суспензий с содержанием твердых веществ от 40 до 50 мас.%. CO₂ и N₂ обычно добавляют для регулирования плотности среды для дальнейшей сушки (Clarke, 2003, Coffee Instant, Encyclopedia of Food Sciences and Nutrition, pp. 1493–1498). В настоящем изобретении обеспечен способ вспенивания концентрированного кофейного раствора газовыми гидратами. После этого вспененный кофейный раствор сушат на стадии обезвоживания.

Фиг. 2. Графики растворимости CO₂ в кофейных растворах

Графики растворимости CO₂ в 30 и 50 мас.% кофейных растворах при 4°C и 10°C согласно данному исследованию и при 80°C и 120°C для 20 мас.% кофейных растворов согласно Wilken, M., K. Fischer, and I. Meier: Experimental Determination of Carbon Dioxide Solubility in 20 mass percent Coffee Aqueous Solution at 80 and 120 °C and Pressures up to 30 bar. Technical report, University Oldenburg, Oldenburg, 1999. Точки данных были подогнаны с использованием полиномиальной аппроксимации, что привело к положительной корреляции между давлением и растворимостью.

Фиг. 3. Фазовые диаграммы газовых гидратов для кофейной системы

Фазовая диаграмма для кофейной системы с гидратом СО₂ по сравнению с термодинамической моделью для систем с чистой водой-CO₂ и 25 и 50 мас.% чистой моделью водного раствора сахара-CO₂. Экспериментальные точки газового гидрата, полученные при использовании метода нагревания/охлаждения с Т-циклом и метода DSC высокого давления (получение из 30 мас.% раствора кофе), находятся между данными для чистой воды и 25 мас.% раствора сахара. Таким образом, 25 мас.% раствор сахара может служить модельной системой для 30 мас.% кофейных растворов.

В (b) фазовая диаграмма CO₂/N₂ воды взята из Kang, S.P., et al., 2001. The Journal of Chemical Thermodynamics, 33(5), pp.513-521. Цифры на графике относятся к содержанию CO₂.

Фиг. 4. Реологические свойства кофейных растворов без содержания газовых гидратов

В (а) приведен профиль кривой вязкости потока в зависимости от скорости сдвига, показано ньютоновское поведение для 30, 40, 50 и 60 мас.% кофейных растворов. Отображается только изменение скорости сдвига в сторону уменьшения. В (b) показана зависимость вязкости от температуры для 30, 40, 50 и 60 мас.% кофейных растворов. Изображены только изменения в сторону снижения. Изменения в сторону увеличения были аналогичны изображенным.

Фиг. 5. Переменные реакторной обработки CLAG (генератор суспензии клатратного гидрата) высокого давления из подготовительных экспериментов с пенообразующими средами для различных испытаний переноса

Переменные процесса образования суспензии кофе. Вязкость, плотность, давление и температура в зависимости от времени. В реакторе CLAG получали суспензии кофе с газовыми гидратами, содержащими CO₂ (обозначены как CO₂ H в условных обозначениях), CO₂ и N₂ (обозначены как CO₂ : N₂ = 0,54 в условных обозначениях), а также насыщенные газом кофейные растворы (обозначены как CO₂ diss и N₂ diss).

Все эксперименты проводили с 30 мас.% кофейными растворами. Время индукции (первое появление газовых гидратов) указано на оси времени. Аббревиатура diss обозначает «растворенный», а Н — гидрат.

Фиг. 6. Профили переменных обработки во время переноса суспензий кофе

Профили рабочих переменных во время переноса суспензии 30% кофе гидрата СО₂ на (а) по сравнению с растворенным азотом в суспензии 30 мас.% кофе, на (b) после переноса в концентрат кофе 60 мас.%. Давление в контуре уменьшается по мере того, как материал из контура дозируется в линию EGLI.

Контур: относится к боковому потоку CLAG (например, к суспензии кофе). Главный: относится к EGLI, основному потоку. Т_in = температура на входе. Т_in = T_loop, т. е. изотермический перенос, где T > 0°C. Т₂ — температура между скребковыми теплообменниками 1 и 2. Т_out = температура на выходе.

Фиг. 7. Растворенный молотый и просеянный быстрорастворимый порошкообразный кофе и его свойства

На (а) образцы, полученные путем переноса суспензии 30 мас.% кофе гидрата CO₂, а на (b) — полученные путем переноса суспензий 30 мас.% кофе гидрата CO₂/N₂ при соотношениях CO₂/N₂ 0,54 и СО₂ : N₂ 0,48. Закрытая пористость (CP) и взбитость (OR) обозначены под изображениями растворенного быстрорастворимого порошкообразного кофе.

Фиг. 8. Изображения, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии

Полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии изображения гранулы образующего крема эталонного быстрорастворимого порошкообразного кофе (приготовленного с использованием газообразного азота) в сравнении с гранулой быстрорастворимого порошкообразного кофе в соответствии с настоящим изобретением (приготовленного с использованием газового гидрата CO₂/N₂).

Фиг. 9. Изображения, полученные с помощью криогенной сканирующей электронной микроскопии

Полученные с помощью криогенной сканирующей электронной микроскопии изображения микроструктуры замороженных образцов вспененного кофейного раствора перед сублимационной сушкой. Образцы получали при увеличении 2000x и 250x и ускоряющем напряжении 2 кВ.

Фиг. 10. Схема способа производства быстрорастворимого порошкообразного кофе по настоящему изобретению

Способ по настоящему изобретению может включать:

(а) обеспечение первого кофейного раствора;

(b) охлаждение первого кофейного раствора;

(c) приложение давления к первому кофейному раствору с помощью газа для получения суспензии кофе, содержащей газовые гидраты (боковой поток), при этом предпочтительно газ представляет собой воздух и/или содержит один или более из диоксида углерода, азота, закиси азота и аргона, предпочтительно газ содержит диоксид углерода и/или азот;

(d) смешивание суспензии кофе, содержащей газовые гидраты (боковой поток), со вторым кофейным раствором (основной поток) с получением смеси суспензия кофе/кофейный раствор;

(e) снижение давления смеси суспензия кофе/кофейный раствор для получения вспененного кофейного раствора;

(f) быстрое замораживание вспененного кофейного раствора для получения стабилизированного вспененного кофейного раствора (например, в виде твердого кофейного блока);

(g) сушку стабилизированного вспененного кофейного раствора, предпочтительно сублимационную сушку, для получения высушенного кофе (например, в виде блока высушенного твердого кофе); и

(h) измельчение высушенного кофе с получением быстрорастворимого порошкообразного кофе.

Подробное описание

Газовый гидрат

«Газовые гидраты» также известны как клатратные гидраты или водные клатраты. Газовые гидраты — это кристаллические твердые вещества на водной основе, физически напоминающие лед, в которых газы удерживаются внутри трехмерных «клеток» из молекул воды, связанных водородными связями.

Большинство газов с низкой молекулярной массой, включая O₂, H₂, N₂, N₂O, CO₂, CH₄, H₂S, Ar, Kr, Ne, He и Xe, образуют гидраты при подходящих температурах и давлениях. Газовые гидраты могут быть образованы путем подачи подходящего газа и снижения температуры и/или увеличения давления газа в подходящем растворе (например, растворе кофейного экстракта).

Тип газа не имеет конкретных ограничений. Можно использовать любой газ, подходящий для производства быстрорастворимого порошкообразного кофе и/или подходящий для применения в пищевой промышленности. Например, газ может быть воздухом и/или может содержать одно или более из диоксида углерода, азота, закиси азота и аргона. В предпочтительных вариантах осуществления газ содержит диоксид углерода и/или азот. В некоторых вариантах осуществления газовые гидраты содержат, по существу, один и тот же газ. В некоторых вариантах осуществления газ представляет собой чистый газ (например, содержащий 99% или более, или 99,9% или более, или 100% одного газа). В предпочтительных вариантах осуществления газовые гидраты представляют собой гидраты CO₂ или N₂.

Подходящие температуры и давления газа будут варьироваться в зависимости от газа и пищевого продукта. Например, гидрат CO₂ может образовываться в 30 мас.% кофейном растворе при около 6 °C и около 30 бар или в 50 мас.% кофейном растворе при около 4 °C и около 30 бар. Для раствора с более низкой температурой потребуется более низкое давление газа, и наоборот — для раствора с более высокой температурой потребуется более высокое давление газа. Например, гидрат CO₂ может быть образован в 30 мас.% кофейном растворе при около 6 °C и около 30 бар или при около -4 °C и около 10 бар. Возможно, необходимо избегать условий, в которых образуется лед и/или в которых конденсируется газ. Понижение точки замерзания (т. е. температура образования чистого льда) будет зависеть от мас.% содержания твердых веществ кофе в кофейном растворе. В таких условиях возможно образование газовых гидратов, однако их сложно обрабатывать, и они могут приводить к засорам. Например, -4 °C примерно соответствует понижению точки замерзания для 30 мас.% кофейного раствора, поэтому для образования газовых гидратов в 30 мас.% кофейном растворе не следует использовать более низкие температуры. Например, вторая четверная точка (при которой встречаются жидкая, гидратная, паровая и конденсированная газовая фазы) составляет около 8–10 °C и 44 бар для CO₂ в 30 мас.% кофейном растворе. Следовательно, CO₂ будет жидкостью при более низких температурах и/или более высоких давлениях. Температура и давление газа могут изменяться в зависимости от требуемой вязкости и/или требуемой концентрации газа.

Таким образом, температура и давление, требуемые для образования газовых гидратов, взаимозависимы и будут варьироваться в зависимости от газа и раствора (например, мас.% содержания твердых веществ в кофейном растворе). Примерами условий образования гидратов СО₂ в 30 мас.% кофейном растворе являются: от -3 до 7,8°C и 10–38 бар или около 10 бар или более. Примерами условий образования гидратов N₂ в 30 мас.% кофейном растворе являются: от -2,5°C до 5,5°C и от 140 до 285 бар. Примерами условий образования гидратов N₂O в 30 мас.% кофейном растворе являются: от около 0°C до 9°C и от 12 до 28 бар. Для образования гидратов при более низких давлениях необходимо использовать более низкие температуры.

В некоторых вариантах осуществления газовые гидраты образуются первым газом перед введением одного или более дополнительных газов. Таким образом, конечные газовые гидраты могут содержать два или более газов, т. е. газовые гидраты могут быть смешанными газовыми гидратами. Например, в смешанных гидратах CO₂/N₂ CO₂ позволяет N₂ внедряться при более низких давлениях, оставляя небольшие гидратные клетки незанятыми. Сначала можно получить гидрат СО₂ при более низких давлениях, после чего можно добавлять N₂ при более высоких давлениях. Подобные способы можно использовать для любой комбинации подходящих газов. В предпочтительных вариантах осуществления газовые гидраты представляют собой смесь гидратов CO₂/N₂. Мольная доля CO₂, захватываемого в гидратах CO₂/N₂, может составлять от 0,1 до 0,99, или от 0,5 до 0,99, или от 0,8 до 0,99, или от 0,9 до 0,99, или от 0,95 до 0,99, или около 0,97. В других вариантах осуществления газовые гидраты представляют собой гидраты N₂O/N₂ (Yang, Y., et al., 2017. Environmental science & technology, 51(6), pp.3550–3557), или гидраты N₂O/CO₂, или гидраты N₂O/CO₂/N₂.

В предпочтительных вариантах осуществления гидраты CO₂ (или альтернативно гидраты N₂O или CO₂/N₂O) образуются до введения газообразного азота. Например, гидраты CO₂ могут быть образованы при введении диоксида углерода под давлением 10–50 бар, 15–25 бар или около 20 бар и при температуре от -3 до 7,8°C или около 2°C (например, 1–2 °C и 20–30 бар или около 20 бар или более). После образования небольшого количества гидратов CO₂ (как показывает падение давления) можно вводить азот для увеличения общего давления газа. Количество введенного азота (т.е. соотношение CO₂ : N₂) и требуемое давление будут варьироваться в зависимости от требуемого соотношения CO₂/N₂ в газовых гидратах. Общее давление газа можно увеличить до 10–300 бар, 10–200 бар, 20–300 бар, 20–200 бар, 20–100 бар, 20–50 бар, 30–40 бар или около 35 бар при температуре от -5°C до 5°C, от 0 до 5°C или около 2°C (по сравнению с Kang, SP, et al., 2001. The Journal of Chemical Thermodynamics, 33(5), pp.513-521). Мольная доля CO₂ (в конечной газовой смеси) для образования смешанных гидратов CO₂/N₂ может составлять от 0,1 до 0,9, или от 0,2 до 0,8, или от 0,4 до 0,6, или от 0,47 до 0,54, или около 0,54. Доля CO₂ (в конечной газовой смеси) должна быть такой, чтобы CO₂ не конденсировался. CO₂ будет конденсироваться в широком диапазоне давления и температуры, в зависимости от давления пара. Например, CO₂ конденсируется при температуре около 8–10 °C и давлении 44 бар в 30 мас.% кофейном растворе.

Как описано выше, температура и давление, требуемые для образования газовых гидратов, взаимозависимы и будут варьироваться в зависимости от газа и раствора (например, мас.% содержания твердых веществ в кофейном растворе). Примеры условий образования смешанных гидратов CO₂/N₂ в 30 мас.% кофейном растворе представляют собой мольную долю CO₂ в газовой смеси около 0,54, причем CO₂ вводят при давлении около 20 бар и при температуре от 0 до 5°C или около 2°C перед введением N₂, чтобы достичь общего давления газа 35 бар. Если в смешанных гидратах желательно большее количество N₂, более низкую мольную долю CO₂ можно использовать в сочетании с более высоким давлением (и/или более низкой температурой), например, мольную долю CO₂ около 0,1 и давление от около 100 до 130 бар при около 0°C можно использовать для образования гидратов CO₂/N₂ с более высоким содержанием N₂ (см. Фиг. 3b).

Газовые гидраты можно разложить путем повышения температуры и/или снижения давления. Предпочтительно газовые гидраты могут разлагаться путем повышения температуры и снижения давления; или только при снижении давления. Следовательно, во вспененном пищевом продукте (например, кофе) до сушки могут отсутствовать газовые гидраты. Например, во вспененном кофейном растворе, стабилизированном вспененном кофейном растворе, высушенном кофе или в быстрорастворимом порошкообразном кофе могут отсутствовать газовые гидраты.

Применение газовых гидратов для газификации пищевого продукта

В одном аспекте в настоящем изобретении обеспечено применение газовых гидратов для газификации пищевого продукта. Газ может быть воздухом и/или может содержать один или более из диоксида углерода, азота, закиси азота и аргона, предпочтительно диоксида углерода и/или азота. В предпочтительных вариантах осуществления пищевой продукт имеет вязкость от 100 мПа·с до 10 Па·с, или от 500 мПа·с до 10 Па·с, или от 1 Па·с до 10 Па·с, или от 1 Па·с до 5 Па·с.

Пищевые продукты включают, например, жидкие продукты (например, готовые к употреблению напитки, готовые к подогреву продукты, жидкие концентраты, напитки), такие как кофе, кофейный цикорий, кофейно-злаково-цикориевые смеси, какао, чай, питательные напитки, топинги, десерты, соусы и супы; порошкообразные продукты, такие как быстрорастворимый порошкообразный кофе, быстрорастворимые порошки какао, быстрорастворимые порошки чая, порошки питательных напитков, быстрорастворимые порошки топингов, быстрорастворимые порошки десертов, быстрорастворимые порошки соусов, быстрорастворимые порошки супов, смесь для хлеба, смесь для пирога, смесь для выпечки, смесь для вафель и смесь основы для пиццы; и замороженные продукты. Предпочтительно пищевой продукт представляет собой кофе, кофейный раствор и/или быстрорастворимый порошкообразный кофе.

В настоящем изобретении обеспечен способ вспенивания пищевого продукта. Способ включает:

(а) образование газовых гидратов в первой части пищевого продукта для получения суспензии пищевого продукта, содержащей газовые гидраты;

(b) смешивание суспензии пищевого продукта, содержащей газовые гидраты, со второй частью пищевого продукта с получением смеси суспензия пищевого продукта/пищевой продукт; и

(c) снижение давления и/или повышение температуры смеси суспензия пищевого продукта/пищевой продукт для получения вспененного пищевого продукта.

Предпочтительно первая часть пищевого продукта составляет от 1 до 20%, или от 2 до 15%, или от 5 до 15%, или 5–10 об.% пищевого продукта, а вторая часть пищевого продукта составляет остаток пищевого продукта.

Газ может быть воздухом и/или может содержать один или более из диоксида углерода, азота, закиси азота и аргона, предпочтительно диоксида углерода и/или азота. Предпочтительно пищевой продукт представляет собой кофейный раствор.

В предпочтительных вариантах осуществления пищевой продукт имеет вязкость от 100 мПа·с до 10 Па·с, или от 500 мПа·с до 10 Па·с, или от 1 Па·с до 10 Па·с, или от 1 Па·с до 5 Па·с. Вязкость можно определить любым способом, известным специалистам в данной области, например с помощью реометра. Предпочтительно вязкость определяют при скорости сдвига 100 с^–1 и температуре 7°C.

Преимущественно смешивание газа с пищевым продуктом в твердой форме (например, в пищевом продукте, содержащем газовый гидрат) облегчает смешивание газа с пищевым продуктом и/или сокращает время, необходимое для газификации пищевого продукта, и/или сокращает энергию, необходимую для газификации пищевого продукта.

Суспензия кофе, содержащая газовые гидраты

«Кофейный раствор» по настоящему изобретению представляет собой раствор, содержащий растворимые компоненты кофе. Кофейный раствор может также содержать нерастворимые компоненты кофе и/или другие компоненты, не относящиеся к кофе, и/или такие компоненты в суспензии. «Суспензия кофе» по настоящему изобретению представляет собой кофейный раствор, который содержит диспергированные газовые гидраты.

Кофейный раствор для применения в настоящем изобретении можно экстрагировать из обжаренных кофейных зерен или кофейной гущи. Обжаренные кофейные зерна или кофейную гущу можно экстрагировать любым способом, известным специалистам в данной области, например экстракцией горячей водой, вакуумным выпариванием, уплотнением на центрифуге или концентрированием вымораживания (Bhandari et al. 2013 Handbook of Food Powders; processes and properties). Соответственно, кофейный раствор может быть раствором кофейного экстракта.

В настоящем изобретении обеспечен способ получения суспензии кофе, содержащей газовые гидраты. Способ включает:

(а) обеспечение первого кофейного раствора;

(b) охлаждение первого кофейного раствора; и

(c) приложение давления к первому кофейному раствору с помощью газа для получения суспензии кофе, содержащей газовые гидраты, причем газ содержит воздух и/или один или более из диоксида углерода, азота, закиси азота и аргона, предпочтительно диоксида углерода и/или азота.

Способ может дополнительно включать стадию распределения газового гидрата в суспензии кофе. Газовый гидрат может быть распределен во время и/или после образования. Предпочтительно газовый гидрат распределяется путем перемешивания суспензии кофе, например, с использованием вращающегося устройства, статического смесителя или штифтового смесителя для осуществления перемешивания. Газовый гидрат может быть смешан в скребковом теплообменнике (SSHE) и/или с помощью перекачивающего действия насоса.

Первый кофейный раствор может быть любым подходящим кофейным раствором, например кофейным раствором, подходящим для производства быстрорастворимого порошкообразного кофе. Предпочтительно первый кофейный раствор содержит от 10 до 50 мас.%, от 20 до 40 мас.%, от 25 до 35 мас.%, от 30 до 35 мас.%, или около 30 мас.% твердых веществ кофе. Предпочтительно первый кофейный раствор имеет вязкость от 10 мПа·с до 10 Па·с, или от 10 мПа·с до 2,5 Па·с, или от 10 мПа·с до 1 Па·с, или от 10 до 100 мПа·с, или от 20 до 100 мПа·с, или от 20 до 60 мПа·с, или около 20 мПа·с или более и/или около 100 мПа·с или менее. Вязкость будет зависеть от массового процентного содержания твердых веществ кофе, т.е. более высокий массовый процент приведет к более высокой вязкости (см. Фиг. 4). Например, 60 мас.% кофейный раствор может иметь вязкость около 2,3 Па·с при 30 бар, 7°C и скорости сдвига 100 с^–1, в то время как 30 мас.% кофейный раствор может иметь вязкость около 10–20 мПа·с при 30 бар, 7°C и скорости сдвига 100 с^–1. Вязкость также зависит от температуры: чем ниже температура, тем выше вязкость. Вязкость можно определить любым способом, известным специалистам в данной области, например с помощью реометра. Например, вязкость может быть определена при скорости сдвига 100 с^–1 и температуре 7°C для кофейных растворов без содержания газовых гидратов.

Температура и давление, требуемые для образования газовых гидратов, взаимозависимы и будут варьироваться в зависимости от газа и раствора (например, мас.% содержания твердых веществ в кофейном растворе). Например, на Фиг. 3 представлена фазовая диаграмма образования гидрата CO₂ в кофейном растворе 30 мас.% и 50 мас.%. Возможно, необходимо избегать условий, в которых образуется лед и/или в которых конденсируется газ. Понижение точки замерзания будет зависеть от мас.% содержания твердых веществ кофе в кофейном растворе. Например, 30 мас.% раствор кофе имеет температуру замерзания около -4°C, а кофейный раствор 60 мас.% имеет точку замерзания около -16°C.

Например, кофейный раствор можно охладить на стадии (b) до температуры от -15°C до 15°C, или от -10°C до 12°C, или от -10°C до 10°C, или от -10°C до 8°C, или от -8°C до 7°C, или от -5°C до 5°C, или не ниже около -7°C, -5°C или -4°C, в зависимости от газа, кофейного раствора и давления газа. Давление газа на стадии (c) может составлять от 10 до 500 бар, от 10 до 300 бар, от 10 до 200 бар, от 10 до 150 бар, от 10 до 100 бар, от 10 до 50 бар или от 15 до 40 бар, или от 15 до 35 бар или от 15 до 30 бар, в зависимости от газа, кофейного раствора и температуры. Предпочтительно, если требуется гидрат CO₂, 30 мас.% кофейный раствор охлаждают до температуры от -3 до 7,8°C и 10–38 бар или около 10 бар или более. Предпочтительно, если требуется гидрат N₂, 30 мас.% кофейный раствор охлаждают до температуры от -2,5°C до 5,5°C и увеличивают давление за счет подачи N₂ до величины от 140 до 285 бар. Предпочтительно, если требуется гидрат N₂O, 30 мас.% кофейный раствор охлаждают до температуры от около 0°C до 9°C и увеличивают давление за счет подачи N₂O до величины от 12 до 28 бар. Для образования гидратов при более низких давлениях необходимо использовать более низкие температуры. Предпочтительно, если требуется смешанный гидрат CO₂/N₂, первый кофейный раствор охлаждают до температуры от -3 до 2°C и повышают давление до 20 бар с помощью CO₂, после чего повышают давление до около 35 бар с помощью N₂ (и мольная доля CO₂ составляет около 0,54). В альтернативном варианте осуществления, если требуется смешанный гидрат CO₂/N₂ с высоким содержанием N₂, первый кофейный раствор охлаждают до температуры от около -3 до 2°C и повышают давление до около 20 бар с помощью CO₂, после чего повышают давление до уровня от около 100 до 300 бар с помощью N₂ (с достижением мольной доли CO₂ около 0,1 или менее).

Суспензия кофе, содержащая газовые гидраты по настоящему изобретению, может содержать от 10 до 50 мас.%, от 20 до 40 мас.%, от 25 до 35 мас.%, от 30 до 35 мас.% или около 30 мас.% твердых веществ кофе. Например, первая суспензия кофе может быть получена из первого кофейного раствора, содержащего от 10 до 50 мас.%, от 20 до 40 мас.%, от 25 до 35 мас.%, от 30 до 35 мас.%, или около 30 мас.% твердых веществ кофе.

Суспензия кофе, содержащая газовые гидраты, может иметь вязкость от 10 до 100 мПа·с, или от 20 до 100 мПа·с, или от 20 до 60 мПа·с, или около 20 мПа·с или более, и/или около 100 мПа·с или менее. Вязкость кофейного раствора будет увеличиваться за счет образования газовых гидратов. Таким образом, образование газовых гидратов можно контролировать путем измерения вязкости суспензии кофе. Предпочтительно вязкость суспензии кофе больше, чем кофейный раствор, полученный на стадии (а), например, в 2–4 раза больше. Вязкость может быть определена любым способом, известным специалистам в данной области, например с помощью реометра или расходометра. Например, вязкость может быть определена при скорости сдвига 100 с^–1 и температуре 1 °C для суспензий кофе, содержащих газовые гидраты.

Суспензия кофе может содержать один или более из диоксида углерода, азота, закиси азота и аргона, предпочтительно диоксида углерода и/или азота. Суспензия кофе может содержать 0,01–7,5 моль/л, 0,1–7,5 моль/л, 1–5 моль/л, 1–2 моль/л или около 1,5 моль/л газа. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления суспензия кофе содержит диоксид углерода предпочтительно в количестве 0,5–5 моль/л, 1–5 моль/л, 1–2 моль/л или около 1,6 моль/л. В некоторых других предпочтительных вариантах осуществления суспензия кофе содержит диоксид углерода предпочтительно в количестве 0,5–5 моль/л, 0,5–2 моль/л или около 1 моль/л; и азот предпочтительно в количестве 0,01–5 моль/л, 0,01–2 моль/л, 0,01–1 моль/л, 0,01–0,5 моль/л, 0,02–0,1 моль/л или около 0,05 моль/л. Количество газа относится к общему количеству газа в суспензии кофе, т. е. как во фракции гидрата, так и в жидкой фракции. Количество газа можно измерить любым способом, например хроматографией, PIV, FBRP, оптическими методами, пьезоэлектрическими датчиками, измерениями импеданса или проводимости.

Суспензия кофе может иметь отношение газа во фракции гидрата к газу в жидкой фракции (H : L) от 1 : 1 до 5 : 1, предпочтительно от 2 : 1 до 3 : 1. Например, суспензия кофе может содержать около 1 моль/л газа, захваченного в гидратной форме, и около 0,5 моль/л растворенного газа. Отношение H : L можно определить любым способом, например хроматографией, рамановской спектроскопией, рассеянием рентгеновских лучей и/или моделированием. Предпочтительно бóльшая часть газа улавливается в газовых гидратах.

Способ производства быстрорастворимого порошкообразного кофе

В настоящем изобретении обеспечен способ производства высушенного кофе. Способ включает:

(а) смешивание суспензии кофе, содержащей газовые гидраты, со вторым кофейным раствором с получением их смеси (т. е. смеси суспензия кофе/кофейный раствор);

(b) снижение давления и/или повышение температуры смеси суспензия кофе/кофейный раствор с получением вспененного кофейного раствора; и

(c) сушку вспененного кофейного раствора, предпочтительно сублимационную сушку, с получением высушенного кофе.

В настоящем изобретении обеспечен способ производства быстрорастворимого порошкообразного кофе. Способ включает:

(а) смешивание суспензии кофе, содержащей газовые гидраты, со вторым кофейным раствором с получением смеси суспензия кофе/кофейный раствор;

(b) снижение давления и/или повышение температуры смеси суспензия кофе/кофейный раствор с получением вспененного кофейного раствора;

(c) сушку вспененного кофейного раствора, предпочтительно сублимационную сушку, с получением высушенного кофе; и

(d) измельчение высушенного кофе с получением быстрорастворимого порошкообразного кофе.

Основные стадии производства растворимого кофе показаны на Фиг. 1. Способ может дополнительно включать одну или более стадий, показанных на Фиг. 1. Способ в соответствии с настоящим изобретением показан на Фиг. 10. Способ может дополнительно включать одну или более стадий, показанных на Фиг. 10.

Преимущественно смешивание газа с кофейным раствором в твердой форме (например, с суспензией кофе, содержащей газовые гидраты) облегчает смешивание газа с кофейным раствором и/или сокращает время, необходимое для газификации раствора, и/или сокращает энергию, необходимую для газификации раствора.

В способе производства быстрорастворимого порошкообразного кофе по настоящему изобретению суспензию кофе можно получить описанным в настоящем документе способом. Суспензию кофе можно получить в боковом потоке (например, в генераторе суспензии клатратного гидрата (CLAG)).

В способе производства быстрорастворимого порошкообразного кофе по настоящему изобретению второй кофейный раствор можно получить любым способом, известным специалистам в данной области. Второй кофейный раствор может присутствовать в основном потоке. Предпочтительно второй кофейный раствор не содержит газовых гидратов. Второй кофейный раствор может содержать от 10 до 70 мас.%, от 30 до 70 мас.%, от 50 до 70 мас.%, от 55 до 65 мас.%, от 60 до 65 мас.% или около 60 мас.% твердых веществ кофе. Предпочтительно второй кофейный раствор имеет более высокий мас.% твердых веществ кофе, чем суспензия кофе (т. е. первый кофейный раствор), например, суспензия кофе (и первый кофейный раствор) может содержать около 30 мас.% твердых веществ кофе, а второй кофейный раствор может содержат около 60 мас.% твердых веществ кофе. Второй кофейный раствор может иметь вязкость от 10 мПа·с до 10 Па·с, или от 10 мПа·с до 2,5 Па·с, или от 10 мПа·с до 1 Па·с, или от 10 до 100 мПа·с, или от 20 до 100 мПа·с, или от 20 до 60 мПа·с, или около 20 мПа·с или более и/или около 100 мПа·с или менее. Вязкость будет зависеть от массового процентного содержания твердых веществ кофе, т. е. более высокий массовый процент приведет к более высокой вязкости (см. Фиг. 4). Например, 60 мас.% кофейный раствор может иметь вязкость около 2,3 Па·с при 30 бар, 7 °C и скорости сдвига 100 с^–1, в то время как 30 мас.% кофейный раствор может иметь вязкость около 10–20 мПа·с при 30 бар, 7 °C и скорости сдвига 100 с^–1. Вязкость также зависит от температуры: чем ниже температура, тем выше вязкость. Вязкость можно определить любым способом, известным специалистам в данной области, например с помощью реометра. Предпочтительно вязкость определяют при скорости сдвига 100 с^–1 и температуре 7 °C.

Суспензия кофе (боковой поток) и второй кофейный раствор (основной поток) можно смешивать путем добавления суспензии кофе ко второму кофейному раствору, т. е. путем добавления бокового потока к основному потоку. В результате смешивания бокового потока с основным потоком получают смесь суспензия кофе/кофейный раствор. Предпочтительно смесь суспензия кофе/кофейный раствор остается в основном потоке до конца перемешивания. В некоторых вариантах осуществления скорость бокового потока составляет 5–200 мл/мин, или 10–100 мл/мин, или около 15 мл/мин, а скорость основного потока составляет 100–500 мл/мин, или 100–200 мл/мин, или около 170 мл/мин. Например, если суспензия кофе содержит гидрат CO₂, боковой поток можно добавлять со скоростью 10–20 мл/мин в основной поток 150–200 мл/мин; а если суспензия кофе содержит гидрат СО₂/N₂, боковой поток можно добавлять со скоростью 80–100 мл/мин в основной поток 150–200 мл/мин. В некоторых вариантах осуществления соотношение скорость бокового потока : скорость основного потока меньше 1, или от 0,05 до 0,5, или от 0,05 до 0,1, или около 0,08.

В некоторых вариантах осуществления суспензию кофе добавляют ко второму кофейному раствору путем дозирования (т. е. путем добавления определенного количества (объема) суспензии кофе через дискретные интервалы времени). В некоторых вариантах осуществления количество (объем) добавляемой суспензии кофе составляет от 1 до 1000 см³, от 1 до 100 см³, от 1 до 50 см³, от 10 до 50 см³, от 5 до 20 см³ или около 15 см³. В некоторых вариантах осуществления суспензию кофе добавляют каждые 1–1000 секунд, или каждые 5–200 секунд, или каждые 60–100 секунд. В некоторых вариантах осуществления от 10 до 50 см³ добавляют каждые 60–100 секунд.

В некоторых вариантах осуществления количество (объем) добавляемой суспензии кофе и/или скорость достаточны для обеспечения подачи газа от 0,001 до 1 моль/мин или от 0,02 до 0,1 моль/мин во второй кофейный раствор. Например, если суспензия кофе содержит гидрат CO₂, объем добавляемой суспензии и скорость могут быть такими, чтобы обеспечивать от 0,02 до 0,1 моль/мин CO₂; а если суспензия кофе содержит гидрат СО₂/N₂, объем добавляемой суспензии и скорость могут быть такими, чтобы обеспечивать от 0,02 до 0,1 моль/мин CO₂ и от 0,001 до 0,005 моль/мин N₂.

В некоторых вариантах осуществления суспензию кофе (боковой поток) и второй кофейный раствор (основной поток) смешивают и/или боковой поток добавляют к основному потоку в условиях, близких (т. е. приблизительно или около) к изобарно-изотермическим, предпочтительно в изобарно-изотермических условиях. «Изобарно-изотермические условия» по настоящему изобретению — это условия, в которых смешивание происходит при постоянной температуре и постоянном давлении газа. Предпочтительно изобарно-изотермические условия являются такими же, как условия суспензии кофе (бокового потока) перед смешиванием, т. е. изобарно-изотермические условия относятся к давлению и температуре на входе, где боковой поток входит в основной поток. Приблизительно изобарно-изотермические условия могут находиться в пределах ±2 °C и ±5 бар от изобарно-изотермических условий. Предпочтительно температура и давление газа подходят для образования и/или удержания газовых гидратов, как описано выше. Соответственно, температура может быть в пределах от -15 °C до 15 °C, или от -10 °C до 12 °C, или от -10 °C до 10 °C, или от -10 °C до 8 °C, или от -8 °C до 7 °C, или от -5 °C до 5 °C, или не ниже около -7 °C, -5 °C или -4 °C, в зависимости от газа, кофейного раствора и давления газа, и/или давление газа может составлять от 10 до 500 бар, от 10 до 300 бар, от 10 до 200 бар, от 10 до 150 бар, от 10 до 100 бар, от 10 до 50 бар, от 15 до 40 бар, или от 15 до 35 бар, или от 15 до 30 бар, в зависимости от газа, кофейного раствора и температуры. Температура и давление, требуемые для образования и/или удержания газовых гидратов, взаимозависимы и будут варьироваться в зависимости от газа и раствора (например, мас.% содержания твердых веществ в кофейном растворе). В предпочтительных вариантах осуществления суспензия кофе и второй кофейный раствор смешивают при давлении около 10–38 бар, около 10 бар или более и/или при температуре от -3 до 7,8 °C (если суспензия кофе содержит гидрат CO₂). В других вариантах осуществления суспензия кофе и второй кофейный раствор смешивают при давлении от около 140 до 285 бар и/или температуре от около -2,5 °C до 5,5 °C (если суспензия кофе содержит гидрат N₂). В предпочтительных вариантах осуществления суспензия кофе и второй кофейный раствор смешивают при общем давлении газов CO₂/N₂ около 35 бар и/или 1–5 °C или около 3 °C (причем суспензия кофе содержит смешанный гидрат CO₂/N₂). В некоторых вариантах осуществления суспензия кофе (боковой поток) и второй кофейный раствор (основной поток) смешивают при той же температуре и/или давлении, которые используют для получения суспензии кофе, содержащей газовые гидраты.

Согласно настоящему изобретению смесь суспензия кофе/кофейный раствор представляет собой вспененный кофейный раствор после снижения давления и/или повышения температуры смеси суспензия кофе/кофейный раствор. Предпочтительно дозирование суспензии кофе и/или смешивание суспензии кофе и второго кофейного раствора продолжается до тех пор, пока смесь суспензия кофе/кофейный раствор (т. е. вспененный кофейный раствор) не достигнет взбитости от 50 до 500% или от 100 до 500%, или от 100 до 400%, или от 150 до 400%, или от 200 до 400%, или от 250 до 350%, или около 300%. Используемый в настоящем документе термин «взбитость» означает увеличение объема кофейного раствора, которое может быть определено любым способам, известным специалистам в данной области. В некоторых вариантах осуществления после достижения требуемой взбитости (например, от 50 до 500%, или от 100 до 500%, или от 150 до 400%, или от 100 до 400%, или от 200 до 400%, или от 250 до 350% или около 300%) боковой поток (суспензию кофе) непрерывно добавляют с постоянной скоростью дозирования к основному потоку (второму кофейному раствору) для поддержания требуемой взбитости, например при скорости дозирования, достаточной для обеспечения от 0,001 до 1,5 моль/мин или от 0,02 до 0,1 моль/мин газа ко второму кофейному раствору. В некоторых вариантах осуществления смешивание и/или дозирование продолжают до тех пор, пока смесь суспензия кофе/кофейный раствор не будет содержать 0,01–7,5 моль/л, 0,1–7,5 моль/л, 0,5–2 моль/л или около 1 моль/л газа.

В некоторых вариантах осуществления способ включает дополнительную стадию снижения давления и/или повышения температуры смеси суспензия кофе/кофейный раствор для получения вспененного кофейного раствора. Предпочтительно способ включает дополнительную стадию повышения температуры и снижения давления или дополнительную стадию только снижения давления (т. е. без повышения температуры). Предпочтительно на этой стадии разлагаются любые оставшиеся газовые гидраты, а также высвобождается газ из смеси суспензия кофе/кофейный раствор. Температура и давление, требуемые для разложения газовых гидратов, взаимозависимы и будут варьироваться в зависимости от газа и раствора (например, мас.% содержания твердых веществ в смеси суспензия кофе/кофейный раствор). Таким образом, давление и температура газа будут зависеть от вида газовых гидратов. Давление газа может быть стравлено (необязательно в сочетании с повышением температуры). В некоторых вариантах осуществления давление газа можно снизить до уровня от 1 до 10 бар или от 5 до 10 бар. Температуру можно повысить (необязательно в сочетании с понижением давления газа). В некоторых вариантах осуществления температуру смеси суспензия кофе/кофейный раствор можно увеличить до более 10°C, более 15°C или более 20°C. В некоторых вариантах осуществления температуру смеси суспензия кофе/кофейный раствор можно увеличить до значений от -5°C до 10°C, от -5°C до 5°C, от 0°C до 10°C, от 0°C до 5°C, выше около 0°C или около 5°C в сочетании с понижением давления газа. Предпочтительно давление газа стравливается (т. е. температура не повышается). Например, в случае гидратов CO₂ (или смесей CO₂) в 30 мас.% кофейном растворе давление газа можно снизить ниже около 10 бар (например, 1–10 бар или 1–5 бар) при температуре 1–2°C или ниже 20 бар при температуре 5–6°С. Например, в случае гидратов N₂ в 30 мас.% кофейном растворе давление газа можно понизить ниже около 135 бар (например, 1–100 бар, 1–50 бар, 1–20 бар) при температуре от -2,5°C до 5,5°C.

В некоторых вариантах осуществления способ производства быстрорастворимого порошкообразного кофе может включать дополнительную стадию быстрого замораживания вспененного кофейного раствора перед сушкой для получения стабилизированного вспененного кофейного раствора. В предпочтительных вариантах осуществления стабилизированный вспененный кофейный раствор находится в виде твердого кофейного блока. Быстрое замораживание может стабилизировать микроструктуру пены вспененного кофейного раствора, при этом можно избежать дальнейшего расширения пузырьков газа или коалесценции. Можно использовать любой способ быстрого замораживания, известный специалистам в данной области. В некоторых вариантах осуществления вспененный кофейный раствор быстро замораживают до около -196°C, или около -78°C, или от -196°C до -40°C, или от -80°C до -40°C, или -80°C до

-65 °C, предпочтительно около -60°C. Например, если в способе быстрого замораживания для стабилизации вспененного кофейного раствора используют жидкий азот, то раствор можно быстро заморозить до около -196°C. В альтернативном варианте осуществления, если в способе быстрого замораживания для стабилизации вспененного кофейного раствора используют сухой лед, то раствор можно быстро заморозить до около -79°C. Предпочтительно стабилизированный вспененный кофейный раствор (например, в виде твердого кофейного блока) хранят при температуре от -80°C до -40°C или около

-60°C. В некоторых вариантах осуществления стадия быстрого замораживания предшествует дополнительной стадии дополнительного снижения давления. Например, способ может включать стравливание давления для получения вспененного кофейного раствора (например, от 15 до 25 бар) с последующей стадией быстрого замораживания (например, стабилизация жидким азотом) с последующим стравливанием давления (например, до 1 бар).

В некоторых вариантах осуществления способ производства быстрорастворимого порошкообразного кофе может включать стадию сушки вспененного кофейного раствора или стабилизированного вспененного кофейного раствора (например, в виде твердого кофейного блока) для получения высушенного кофе. В предпочтительных вариантах осуществления высушенный кофе находится в виде блока высушенного твердого кофе. На стадии сушки (стабилизированного) вспененного кофейного раствора можно использовать любой способ, известный специалистам в данной области, например сушку распылением или сублимационную сушку. В предпочтительных вариантах осуществления стадия сушки (стабилизированного) вспененного кофейного раствора представляет собой сублимационную сушку. Предпочтительно сублимационная сушка снижает и/или предотвращает быструю сублимацию воды в системе, тем самым уменьшая и/или предотвращая слияние небольших газовых карманов. Подходящие способы сублимационной сушки для уменьшения и/или предотвращения быстрой сублимации воды хорошо известны специалистам в данной области. В некоторых вариантах осуществления скорость сушки составляет 1°C/час до тех пор, пока (стабилизированный) вспененный кофейный раствор не достигнет 0°C, при этом предпочтительно начальная температура (стабилизированного) вспененного кофейного раствора составляет от -60°C до -20°C, предпочтительно около -40°C.

На стадии измельчения высушенного кофе (например, в виде блока высушенного твердого кофе) можно использовать любой способ, известный специалистам в данной области. Стадия измельчения высушенного кофе (например, в виде блока высушенного твердого кофе) может дополнительно включать стадию просеивания молотого высушенного кофе для получения быстрорастворимого порошкообразного кофе. После измельчения (и необязательно просеивания) быстрорастворимый порошкообразный кофе может, например, состоять из гранул, которые имеют средний диаметр более 0,5 мм и/или менее 4 мм. Предпочтительно гранулы быстрорастворимого порошкообразного кофе могут иметь средний диаметр около 3 мм.

Таким образом, в некоторых вариантах осуществления способ производства быстрорастворимого порошкообразного кофе включает:

(а) смешивание суспензии кофе, содержащей газовые гидраты, со вторым кофейным раствором с получением смеси суспензия кофе/кофейный раствор;

(b) снижение давления смеси суспензия кофе/кофейный раствор для получения вспененного кофейного раствора;

(c) быстрое замораживание вспененного кофейного раствора для получения стабилизированного вспененного кофейного раствора;

(d) необязательно дальнейшее снижение давления;

(e) сушку стабилизированного вспененного кофейного раствора, предпочтительно сублимационную сушку, с получением высушенного кофе; и

(f) измельчение высушенного кофе с получением быстрорастворимого порошкообразного кофе.

Быстрорастворимый порошкообразный кофе

Термин «быстрорастворимый порошкообразный кофе» означает композицию высушенного порошка, которую можно растворить путем добавления жидкости, например горячей или холодной воды, молока и т.д. Быстрорастворимый порошкообразный кофе может состоять из твердых веществ кофе, например растворимых сухих веществ кофе. Сухие вещества кофе представляют собой соединения, за исключением воды, полученные из кофе, например из обжаренного кофе. Растворимые сухие вещества кофе представляют собой растворимые в воде соединения, которые были экстрагированы из кофейных зерен, обычно с помощью воды и/или пара. Высокие уровни твердых веществ кофе можно экстрагировать из обжаренного кофе путем водной экстракции при температурах выше 100°C, например температурах от 130°C до 180°C, при которых происходит частичный гидролиз кофе с высвобождением растворимых полисахаридов.

Быстрорастворимый порошкообразный кофе по настоящему изобретению предпочтительно образует пену и/или крема на своей верхней поверхности при растворении в воде, т. е. его можно рассматривать как «вспенивающийся быстрорастворимый порошкообразный кофе». Термин «крема» означает густую красновато-коричневую пену, образующуюся на поверхности эспрессо. Крема может содержать твердые частицы (нерастворимую кофейную гущу), а ее дисперсионная фаза представляет собой эмульсию типа «масло в воде». В типичном объеме (порции) чашки кофе эспрессо 25–30 мл крема составляет по меньшей мере 10% от общего объема (Navarini, E. Illy, Food biophysics 2011, volume 6, issue 3, pp:335–348). В некоторых вариантах осуществления пена и/или крема придает преимущественные органолептические свойства, например улучшенное ощущение во рту и/или аромат. В некоторых вариантах осуществления пена и/или крема, получаемая из быстрорастворимого порошкообразного кофе по настоящему изобретению, имеет улучшенную текстуру, стабильность и/или имеет больший объем.

Быстрорастворимый порошкообразный кофе по настоящему изобретению предпочтительно не требует дополнительных вспенивающих или кремаобразующих агентов для образования пены и/или крема на его верхней поверхности. Таким образом, быстрорастворимый порошкообразный кофе по настоящему изобретению предпочтительно не содержит дополнительных пенообразующих или кремаобразующих агентов (т. е. быстрорастворимый порошкообразный кофе по настоящему изобретению может быть чистым быстрорастворимым порошкообразным кофе).

«Пористость» быстрорастворимого порошкообразного кофе является мерой пустот (пор) и представляет собой долю объема пор от общего объема быстрорастворимого порошкообразного кофе со значениями от 0 до 1 или в процентах между 0% и 100%.

«Закрытая пористость» — это доля от общего объема закрытых пор в быстрорастворимом порошкообразном кофе. «Открытая пористость» — это доля от общего объема открытых пор в быстрорастворимом порошкообразном кофе.

«Пористость вспенивания» представляет собой меру пористости, которая способствует пенообразованию и характеризует потенциальную пенообразующую способность быстрорастворимого порошкообразного кофе по настоящему изобретению. Закрытые поры будут способствовать вспениванию. Открытые поры не будут способствовать вспениванию в такой степени, как закрытые поры, а в некоторых случаях совсем не будут способствовать. Поры с диаметром отверстия менее 2 микрометров могут способствовать вспениванию, поскольку капиллярное давление в этих порах превышает давление окружающей среды, и это может способствовать образованию пены. Таким образом, пористость вспенивания можно определить путем включения закрытых пор и открытых пор с диаметром отверстия менее 2 микрометров. Пористость вспенивания рассчитывается как отношение объема пор, способствующих вспениванию, к общему объему за вычетом объема открытых пор, имеющих диаметр отверстия более 2 микрометров.

Размер пор в быстрорастворимом порошкообразном кофе определяется «распределением пор по размерам». Распределение пор по размерам может определяться возрастающим объемом в качестве функции диаметра пор и/или количеством пор в качестве функции диаметра пор.

Размер закрытых пор в быстрорастворимом порошкообразном кофе определяется «распределением размеров закрытых пор». Распределение размеров закрытых пор может определяться возрастающим объемом в качестве функции диаметра закрытых пор и/или определяться количеством закрытых пор в качестве функции диаметра закрытых пор.

Пористость, закрытую пористость, открытую пористость, пористость вспенивания, распределение пор по размерам, распределение пор вспенивания по размерам и распределение размеров закрытых пор можно измерить любыми способами, известными в данной области. Например, их можно измерить методами стандартных измерений, такими как ртутная порометрия, методы рентгеновской томографии, сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) и/или методы, описанные в примерах. Размер пор можно определить, например, путем изучения изображений СЭМ, например, с помощью программного обеспечения для анализа изображений.

В некоторых вариантах осуществления быстрорастворимый порошкообразный кофе по настоящему изобретению имеет общую пористость (закрытую и открытую) от 60% до 90%, или от 70% до 90%, или от 70% до 85%, или около 78%.

В некоторых вариантах осуществления быстрорастворимый порошкообразный кофе по настоящему изобретению имеет пористость вспенивания от 10% до 60%, от 15% до 50%, от 15% до 34%, или от 20% до 34%, или от 25% до 34%, или 30%. до 34%, или около 25%, 26%, 27%, 28%, 29%, 30%, 31%, 32%, 33% или 34%, предпочтительно около 30%, причем предпочтительно закрытые поры и открытые поры с диаметром отверстия менее 2 микрометров образованы из суспензии кофе, содержащей смешанный гидрат CO₂/N₂. В некоторых других вариантах осуществления быстрорастворимый порошкообразный кофе по настоящему изобретению имеет пористость вспенивания от 10% до 20%, причем предпочтительно закрытые поры и открытые поры с диаметром отверстия менее 2 микрометров образованы из суспензии кофе, содержащей гидрат CO₂.

В некоторых вариантах осуществления быстрорастворимый порошкообразный кофе по настоящему изобретению имеет закрытую пористость от 10% до 60%, от 15% до 50%, или от 20% до 35%, или от 20% до 34%, или от 25% до 34%, или от 30% до 34%, или около 25%, 26%, 27%, 28%, 29%, 30%, 31%, 32%, 33%, 34% или 35%, предпочтительно около 30%, причем предпочтительно закрытые поры образованы из суспензии кофе, содержащей смешанный гидрат CO₂/N₂. В некоторых других вариантах осуществления быстрорастворимый порошкообразный кофе по настоящему изобретению имеет закрытую пористость от 10% до 20%, причем предпочтительно закрытые поры образованы из суспензии кофе, содержащей гидрат CO₂.

В некоторых вариантах осуществления быстрорастворимый порошкообразный кофе по настоящему изобретению имеет бимодальное распределение пор. Бимодальное распределение пор — это непрерывное распределение пор по размерам с двумя различными вершинами (т. е. средними размерами). Предпочтительно бимодальное распределение пор содержит два гауссовых распределения пор, причем вершины приблизительно равны средним значениям гауссовых распределений пор.

В некоторых вариантах осуществления бимодальное распределение пор представляет собой бимодальное распределение пор вспенивания. Бимодальное распределение пор вспенивания — это непрерывное распределение пор по размерам для закрытых пор и открытых пор с диаметром отверстия менее 2 микрометров (т. е. пор вспенивания) с двумя различными вершинами.

Бимодальное распределение пор может включать (i) поры со средним (модальным) диаметром от 20 до 100 мкм или от 20 до 50 мкм, или от 25 до 45 мкм, или от 30 до 45 мкм, или от 35 до 45 мкм, или около 40 мкм; и (ii) поры со средним (модальным) диаметром менее около 20 мкм, или менее около 15 мкм, или менее около 10 мкм, или менее около 5 мкм, или 1–20 мкм, или 1–18 мкм, или 1–15 мкм, или 1–10 мкм, или 1–5 мкм, или 2–20 мкм, или 2–18 мкм, или 2–15 мкм, или 2–10 мкм, или 2–5 мкм, или 5–20 мкм, или 5–18 мкм, или 5–15 мкм, или 5–10 мкм, или около 2 мкм, или около 5 мкм, или около 10 мкм, или около 15 мкм, или около 20 мкм. В предпочтительных вариантах осуществления бимодальное распределение пор включает (i) поры со средним (модальным) диаметром от около 20 до 50 мкм; и (ii) поры со средним (модальным) диаметром менее около 20 мкм (например, около 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 или 19 мкм). В других предпочтительных вариантах осуществления бимодальное распределение пор включает (i) поры со средним (модальным) диаметром от около 25 до 45 мкм; и (ii) поры со средним (модальным) диаметром менее около 20 мкм (например, около 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 или 19 мкм), или от около 2 до 20 мкм, или от около 5 до 15 мкм. Если быстрорастворимый порошкообразный кофе производится с использованием суспензии кофе, содержащей гидрат CO₂/N₂, более крупные поры могут быть образованы за счет CO₂, а меньшие поры могут быть образованы за счет N₂. Более крупные поры могут состоять из открытых пор (включая поры вспенивания) и/или закрытых пор, причем предпочтительно более крупные поры, по существу, состоят из открытых пор (т. е. > 90%, > 95%, > 99% или около 100% более крупных пор представляют собой открытые поры), наиболее предпочтительно открытые поры представляют собой открытые поры с диаметром отверстия 2 микрометра или более. Меньшие поры могут состоять из закрытых пор и/или пор вспенивания (т. е. открытых пор с диаметром отверстия менее 2 микрометров), причем предпочтительно меньшие поры, по существу, состоят из закрытых пор (т.е. > 90%, > 95%, > 99% или около 100% более мелких пор являются закрытыми порами).

В некоторых вариантах осуществления более крупные поры составляют от 10 до 99 об.% от общего объема пор, и/или меньшие поры составляют от 1 до 90 об.% от общего объема пор. В некоторых других вариантах осуществления более крупные поры составляют от 10 до 90% от общего числа пор, и/или более мелкие поры составляют от 10 до 90% от общего числа пор. Объем и/или количество всех пор, соответствующих каждой вершине, можно оценить на основании распределения пор по размерам. Распределение пор по размерам можно оценить для каждой вершины, а вклад рассчитан на основании общего распределения пор по размерам. Например, предпочтительно бимодальное распределение пор включает два гауссовых распределения пор, таким образом, соответствующие области гауссова распределения для каждой вершины можно использовать для вычисления объема и/или количества общих пор, соответствующих каждой вершине.

В предпочтительных вариантах осуществления быстрорастворимый порошкообразный кофе по настоящему изобретению имеет бимодальное распределение закрытых пор. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления бимодальное распределение пор представляет собой бимодальное распределение закрытых пор. Бимодальное распределение закрытых пор — это непрерывное распределение размеров закрытых пор с двумя различными вершинами.

В некоторых вариантах осуществления бимодальное распределение закрытых пор включает (i) закрытые поры со средним (модальным) диаметром от 20 до 100 мкм, или от 20 до 50 мкм, или от 25 до 45 мкм, или от 30 до 45 мкм, или от 35 до 45 мкм, или около 40 мкм; и (ii) закрытые поры со средним (модальным) диаметром менее около 20 мкм, или менее около 15 мкм, или менее около 10 мкм, или менее около 5 мкм, или 1–20 мкм, или 1–18 мкм, или 1–15 мкм, или 1–10 мкм, или 1–5 мкм, или 2–20 мкм, или 2–18 мкм, или 2–15 мкм, или 2–10 мкм, или 2–5 мкм, или 5–20 мкм, или 5–18 мкм, или 5–15 мкм, или 5–10 мкм, или около 2 мкм, или около 5 мкм, или около 10 мкм, или около 15 мкм, или около 20 мкм. В предпочтительных вариантах осуществления бимодальное распределение закрытых пор включает (i) закрытые поры со средним (модальным) диаметром от около 20 до 50 мкм; и (ii) закрытые поры со средним (модальным) диаметром менее около 20 мкм (например, около 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 или 19 мкм). В других предпочтительных вариантах осуществления бимодальное распределение закрытых пор включает (i) закрытые поры со средним (модальным) диаметром от около 25 до 45 мкм; и (ii) закрытые поры со средним (модальным) диаметром менее около 20 мкм (например, около 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 или 19 мкм), или от около 2 до 20 мкм, или от около 5 до 15 мкм. Если быстрорастворимый порошкообразный кофе производится с использованием гидрата CO₂/N₂, более крупные закрытые поры могут быть образованы за счет CO₂, а меньшие закрытые поры могут быть образованы за счет N₂.

В некоторых вариантах осуществления более крупные поры составляют от 10 до 99 об.% от общего объема закрытых пор, и/или меньшие поры составляют от 1 до 90 об.% от общего объема закрытых пор. В некоторых других вариантах осуществления более крупные поры составляют от 10 до 90% от общего числа закрытых пор, и/или более мелкие поры составляют от 10 до 90% от общего числа закрытых пор. Объем и/или количество всех закрытых пор, соответствующих каждой вершине, можно оценить на основании распределения размеров закрытых пор. Распределение размеров закрытых пор можно оценить для каждой вершины, а вклад может быть рассчитан на основании общего распределения размеров закрытых пор.

В некоторых вариантах осуществления быстрорастворимый порошкообразный кофе по настоящему изобретению имеет пористость вспенивания от 15% до 34%, или от 20% до 34%, или от 25% до 34%, или от 30 до 34%, или около 30% и бимодальное распределение пор.

В некоторых вариантах осуществления быстрорастворимый порошкообразный кофе по настоящему изобретению имеет пористость вспенивания от 15% до 34%, или от 20% до 34%, или от 25% до 34%, или от 30 до 34%, или около 30% и бимодальное распределение пор, причем бимодальное распределение пор вспенивания включает (i) поры со средним (модальным) диаметром от 20 до 100 мкм и (ii) поры со средним (модальным) диаметром менее около 20 мкм, при этом предпочтительно вариант (i) составляет от 10 до 99 об.% от общего объема пор, и/или вариант (ii) составляет от 1 до 90 об.% от общего объема пор. Предпочтительно поры большего размера, по существу, состоят из открытых пор, а поры меньшего размера, по существу, состоят из закрытых пор.

В некоторых вариантах осуществления быстрорастворимый порошкообразный кофе по настоящему изобретению имеет пористость вспенивания 20% и 34% и бимодальное распределение пор, причем бимодальное распределение пор включает (i) поры со средним (модальным) диаметром от 25 до 45 мкм и (ii) поры со средним (модальным) диаметром менее около 20 мкм (например, около 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 или 19 мкм), или от около 2 до 20 мкм, или от около 5 до 15 мкм, при этом предпочтительно вариант (i) составляет от 10 до 99 об.% от общего объема пор, и/или вариант (ii) составляет от 1 до 90% от общего объема пор. Предпочтительно поры большего размера, по существу, состоят из открытых пор, а поры меньшего размера, по существу, состоят из закрытых пор.

В предпочтительных вариантах осуществления быстрорастворимый порошкообразный кофе по настоящему изобретению имеет закрытую пористость от 20% до 40% или от 20% до 34% и бимодальное распределение пор.

В других предпочтительных вариантах осуществления быстрорастворимый порошкообразный кофе по настоящему изобретению имеет закрытую пористость от 20% до 40% или от 20% до 34% и бимодальное распределение пор, причем бимодальное распределение пор включает (i) поры со средним (модальным) диаметром от 20 до 100 мкм и (ii) поры со средним (модальным) диаметром менее около 20 мкм, при этом предпочтительно вариант (i) составляет от 10 до 99 об.% от общего объема пор, и/или вариант (ii) составляет от 1 до 90 об.% от общего объема пор. Предпочтительно поры большего размера, по существу, состоят из открытых пор, а поры меньшего размера, по существу, состоят из закрытых пор.

В других вариантах осуществления быстрорастворимый порошкообразный кофе по настоящему изобретению имеет закрытую пористость 20% и 34% и бимодальное распределение пор, причем бимодальное распределение пор включает (i) поры со средним (модальным) диаметром от 25 до 45 мкм и (ii) поры со средним (модальным) диаметром менее около 20 мкм (например, около 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 или 19 мкм), или от около 2 до 20 мкм, или от около 5 до 15 мкм, при этом предпочтительно вариант (i) составляет от 10 до 99 об.% от общего объема пор, и/или вариант (ii) составляет от 1 до 90 об.% от общего объема пор. Предпочтительно поры большего размера, по существу, состоят из открытых пор, а поры меньшего размера, по существу, состоят из закрытых пор.

Преимущественно более крупные (открытые) поры в быстрорастворимом порошкообразном кофе подходят для легкого растворения образца, что делает кофе доступным для проникновения воды. Преимущественно более мелкие (закрытые) поры в быстрорастворимом порошкообразном кофе подходят для образования пены или крема.

В некоторых вариантах осуществления быстрорастворимый порошкообразный кофе дополнительно содержит открытые поры, которые могут быть образованы кристаллами льда и сублимацией во время сублимационной сушки.

Быстрорастворимый порошкообразный кофе можно использовать для приготовления кофейного напитка с крема, составляющей по меньшей мере 0,25 мл/г при растворении в воде, например, крема, составляющей по меньшей мере 0,75 мл/г при растворении в воде.

Быстрорастворимый порошкообразный кофе может состоять из гранул. Предпочтительно гранулы быстрорастворимого порошкообразного кофе имеют средний диаметр более 0,5 мм. Предпочтительно гранулы быстрорастворимого порошкообразного кофе имеют средний диаметр менее 4 мм. Наиболее предпочтительно гранулы быстрорастворимого порошкообразного кофе имеют средний диаметр около 3 мм. Средний диаметр гранул можно, например, измерить с помощью калиброванных сит.

В настоящем документе термины «содержащий», «содержит» и «состоящий из» являются синонимами терминов «включающий в себя» или «включает в себя»; или «заключающий в себе» или «заключает в себе», и они являются включающими, или неограничивающими, и не исключают дополнительных неприведенных членов, элементов или стадий. Термины «содержащий», «содержит» и «состоящий из» также включают в себя термин «имеющий в составе».

Используемый в настоящем документе термин «около» означает приблизительно, в диапазоне, примерно или порядка. Когда термин «около» используют в сочетании с числовым значением или диапазоном, он изменяет это значение или диапазон, расширяя границы выше и ниже установленного (-ых) численного (-ых) значения (-ий). В целом термины «около» и «приблизительно» используют в настоящем документе для увеличения или уменьшения численного (-ых) значения (-ий) по сравнению с указанным (-ыми) значением (-ями) в пределах 10%.

ПРИМЕРЫ

Пример 1. Характеристика растворимости газа в кофейных растворах, фазовые диаграммы систем кофейный раствор-газ и реология кофейных растворов

Растворимость газа в кофейных растворах

Растворимость газа в кофейных растворах оценивали экспериментально с помощью темперированного реактора с сосудом высокого давления и метода снижения сорбции под давлением, отслеживая потребление газа из свободного пространства с помощью третьего полиномиального уравнения состояния газа. Эксперименты проводили при 4°C и 10, 20, 30, 35 бар и при 10°C и 10, 20, 30, 35, 40 бар. Первоначальная нагрузка составляла 100 г 30 или 50 мас.% кофейного раствора.

На Фиг. 2 и в таблице 1 показаны экспериментальные результаты растворимости CO₂ в кофейных растворах. При 35 бар и 4°C 38,6 мг/г CO₂ растворялись в 30 мас.% кофейном растворе. 30 мас.% кофейный раствор также испытывали с использованием N₂ при 4°C и 10°C. При 35 бар и 4°C растворялись 0,7 мг/г, а при 50 бар и 4°C — 2,94 мг/г. При 10°C растворение N₂ в 30 мас.% кофейных растворах не обнаруживалось.

Таблица 1. Сравнение показателей растворимости CO₂ в миллиграммах газа на грамм растворенного вещества для 30 мас.% кофе

Система Температура испытания Растворимость
при 30 бар Растворимость
при 20 бар Растворимость при 10 бар 30 мас.% кофейный
раствор 4 °C 34,7 мг/г 24,6 мг/г 17,3 мг/г 30 мас.% кофейный
раствор 10 °C 29,8 мг/г 21 мг/г 15,8 мг/г

Фазовые диаграммы кофейного раствора-CO₂ и кофейного раствора-N₂

Фазовую диаграмму получения кофейного раствора / линию стабильности гидрата-жидкости-пара (H-L-V) CO₂ оценивали методом изохорного многоступенчатого нагрева/охлаждения и температурного цикла диссоциации в реакторе с мешалкой и сосудом высокого давления и методом дифференциальной сканирующей калориметрии высокого давления (DSC).

На Фиг. 3а показаны полученные точки равновесия для системы 30 мас.% кофейного раствора-CO₂. Полученные точки находятся между граничными зонами гидрата-жидкости-пара чистой воды и 25 мас.% раствора сахара, и это позволяет предположить, что хорошо описанный 25 мас.% раствор сахара является подходящей моделью для 30 мас.% кофейного раствора.

На Фиг. 3b представлена фазовая диаграмма смешанных гидратов с добавлением CO₂/N₂ в воде из источника (Kang, SP, et al., 2001. The Journal of Chemical Thermodynamics, 33(5), pp.513-521). Граничные линии гидрата-жидкости-пара представлены для различных композиций CO₂ между границами для одиночных гидратов CO₂ (2-значные значения давления в барах) и N₂ (3-значные значения давления в барах).

Реология кофейных растворов

Измеряли вязкость кофейных растворов 30, 40, 50 и 60 мас %. На Фиг. 4 показаны результаты реологических характеристик кофейных растворов.

Зависимость вязкости от скорости сдвига на Фиг. 4а была одинаковой при атмосферном давлении и при 30 бар. По шкале скорости сдвига от 10 до 1000 с⁻¹ материал можно отнести к ньютоновской жидкости. Для 60 мас.% концентрата кофе, который в основном используют на линии основного потока, вязкость составляла около 2,3 Па·с при 30 бар. Для 30 мас.% смеси, в основном используемой в реакторе генератора суспензии клатратного гидрата (CLAG) высокого давления, вязкость составляла от 14 до 16 мПа·с. Это соответствовало измерениям расходомера на реакторе CLAG высокого давления перед растворением CO₂. Во время растворения газа в реакторе CLAG высокого давления значения вязкости повышались до 30 мПа·с для 30 мас.% кофейных растворов при температуре около 5 °C и до 60 мПа·с при росте содержания гидратов. Повышение вязкости указывает на растворение газа и его попадание в клетки газовых гидратов.

На Фиг. 4b показана зависимость вязкости от температуры. Наблюдали тенденцию уменьшения вязкости с повышением температуры.

Пример 2. Производство суспензий кофе, содержащих газовые гидраты

Для получения суспензий кофе, содержащих газовые гидраты, несколько комбинаций типов и количеств газа испытывали в реакторе генератора суспензии клатратного гидрата (CLAG) высокого давления. Суспензии кофе с растворенным газом, не содержащие газовых гидратов, также испытывали для сравнения с системой газовых гидратов. Полный список экспериментов представлен в таблице 3.

Таблица 3. Основные экспериментальные условия и материалы, исследованные в реакторе генератора суспензии клатратного гидрата давления (CLAG).

Испытание Газ в реакторе CLAG Присутствие гидратов T в охладителе реактора CLAG Твердые вещества кофе в основном потоке Дисперсионная фаза в реакторе CLAG 1 CO₂ да 0°C 55 мас.% 10 мас.% кофейный р-р 2 CO₂ да 0°C 55 мас.% 20 мас.% кофейный р-р 3 CO₂ да 0°C 55, 60 мас.% 30 мас.% кофейный р-р 4 N₂ нет -5°C 60 мас.% 30 мас.% кофейный р-р 5 Смесь CO₂/N₂ да -5°C, -8°C 60, 63, 65 мас.% 30 мас.% кофейный р-р 6 CO₂ - -5°C - 50 мас.% кофейный р-р 7 CO₂ нет 7°C 55 мас.% 30 мас.% кофейный р-р

Суспензии кофе с гидратом CO₂

Типичный протокол для получения суспензии гидрата CO₂ из кофейного раствора в реакторе генератора суспензии клатратного гидрата (CLAG) высокого давления состоял из нескольких стадий. Реактор CLAG высокого давления заполняли 3 литрами 30 мас.% кофейного раствора. Одновременно в баллон с газовым резервуаром подавали определенное количество газа (50–400 г) (давление до 35 бар). Блок SSHE вращался со скоростью 800 об/мин, а насос — с частотой от 40 до 50 Гц (до 330 л·ч⁻¹). Весь реактор CLAG высокого давления охлаждали до температурной области внутри или за пределами зоны стабильности газовых гидратов в диапазоне от 7°C до -8°C. После этого в реакторе CLAG высокого давления создавали давление из газового резервуара. После достижения перенасыщения через определенное время образовывались газовые гидраты. Время первого появления газовых гидратов называется точкой индукции. Время до точки индукции называется временем индукции. После точки индукции газовые гидраты перешли в фазу роста.

Высоковязкие исходные кофейные растворы были желательны для уменьшения количества воды для конкретных применений вспенивания. Однако суспензии с более высокой вязкостью (0,3 Па·с) было трудно перекачивать. Таким образом, для экспериментов по переносу был выбран 30 мас.% кофейный раствор.

Суспензии кофе с гидратами CO₂ : N₂

В контексте испытаний, в которых газовые гидраты получали из CO₂ и N₂, испытывали соотношения СО₂ : N₂ до 0,64. Соотношения CO₂ от 0,47 до 0,54 имели однородный профиль потока после образования газового гидрата, и с ними было легко работать. После образования небольшого количества газовых гидратов в кофейном растворе с CO₂ при давлении около 20 бар N₂ добавляли путем повышения давления до 35 бар с предположением, что незанятые клетки с водородными связями могут быть дополнительно заполнены молекулами N₂ меньшего размера.

Условия реактора CLAG высокого давления для испытаний передачи

На Фиг. 5 и в таблице 4 показаны тенденции уменьшения плотности и увеличения вязкости при испытаниях реактора CLAG высокого давления после появления газового гидрата в суспензиях кофе, содержащих гидраты CO₂ и CO₂ : N₂.

Таблица 4. Сравнение 30 мас.% суспензий кофе газового гидрата. Давление и температура в последней строке даны для условий перед перекачкой суспензии газового гидрата в линию основного потока EGLI. Давление в реакторе CLAG высокого давления для экспериментов с CO₂/N₂ до закачки азота было около 19 бар. H обозначает гидрат, p — давление, T — температуру.

Система 30 мас.% кофейный раствор CO₂ 30 мас.% кофейный раствор CO₂/N₂ = 0,54 η при атм. д., при 500 с^–1 14,5 мПа·с при 7°C 14,5 мПа·с при 7°C р-р η CO₂ 29,7 ±7 мПа·с 14 ±1 мПа·с р-р ρ CO₂ 0,94 кг/л 1,034 кг/л η с CO₂ H 59,8 ±6,5 мПа·с 14,6 ±1,6 мПа·с ρ с CO₂ H 0,819 кг/л 1,034 кг/л η с CO₂/N₂ H - 24 ±3 мПа·с ρ с CO₂/N₂ H - 0,913 кг/л при p, T 30 бар, 5,5°C 35 бар, 2,8°C время индукции 1800 ±300 с 3400 ±300 с

Увеличение вязкости и уменьшение плотности при растворении газа было менее выраженным для испытаний, в которых не было гидратов, что указывает на меньшее потребление газа. В определенной степени плотность и вязкость могут свидетельствовать об увеличении содержания клатратного вещества в суспензии.

Чтобы получить оценку газораспределения при испытаниях суспензии кофе, кофе в системе не принимали во внимание, а заполняемость, коэффициент гидратации и объемные доли присутствующих фаз рассчитывали только для воды в системе с использованием шахтной школы Колорадо, программное обеспечение CSMGEM для газовых гидратов (Sloan, ED and C. A. Koh: Clathrate Hydrates of Natural Gases. p. 752, 2007). Для 30 мас.% кофейного раствора с CO₂ использовали 50%-ное заполнение и коэффициент гидратации 11,5, которые брали в качестве оценки нижнего диапазона относительно заполнения ячейки (см. Teng, H, et al., Chemical Engineering Science, 50 (4): 559–564, 1995). По наблюдениям Kang et al. (Kang, S.P., et al., 2001. The Journal of Chemical Thermodynamics, 33 (5), pp.513–521) и фазовой диаграмме также можно было оценить количество CO₂/N₂ в гидрате в условиях процесса. Из-за низкого давления и заданной нагрузки CO₂/N₂ захват в гидрате составлял около 2% азота, остальное — диоксид углерода. Результаты представлены в таблице 5.

Таблица 5. Пример распределения газов СО₂ и N₂ в 3 л суспензии кофе, полученной из 30 мас.% кофейного раствора для гидратных и негидратных условий в реакторе CLAG высокого давления. Фазовые фракции являются объемными, L — жидкость, т. е. вода, H — гидрат. Показаны рабочие условия давления и температуры для данных случаев. *В этом случае жидкость рассматривается как кофейный раствор (с учетом термодинамической модели).

Система Фракция H Фракция L Моль CO₂ в гидратной фазе Моль CO₂ в жидкой фазе Моль N₂ в гидратной фазе Моль N₂ в жидкой фазе CO₂ H, 30 бар, 5°C* 0,25 0,75 3,3 1,4 - - CO₂ H, 30 бар, 5°C 0,34 0,66 3,7 1,1 CO₂/N₂ H, 35 
бар, 3°C 0,12 0,88 1,8 1 0,05 0,09 Растворенный CO₂ - 1 - 2,1 - - Растворенный N₂ - 1 - - - 0,14

Пример 3. Производство быстрорастворимого порошкообразного кофе

Подача суспензии кофе в линии EGLI основного потока

Если в суспензии кофе находились газовые гидраты и система пребывала в равновесии или если система была полностью насыщена газом, суспензию перемещали в линию EGLI основного потока с настройками, приведенными в таблице 6. Основной поток состоял из модифицированной экспериментальной маргариновой установки EGLI (EGLI AG) с отдельными блоками скребкового теплообменника (SSHE). На линию основного потока подавали концентраты с содержанием до 65 мас.%.

Таблица 6. Средние настройки линии EGLI основного потока, используемые во время испытаний кофе. H обозначает гидрат, diss — растворенный.

Вспенивание с использованием p на выходе EGLI T на входе EGLI T после 1-го блока T на выходе EGLI Интервал дозирования SSHE 1 SSHE 2 CO₂ H 27,1 бар 7,1°C 0,9°C -6°C 10–120 с 240 
об/мин 180 
об/мин CO₂/N₂ H 31,8 бар 5,5°C 0,9°C -4,5°C 10–120 с 240 
об/мин 180 
об/мин N₂ diss 21,6 бар 7,6°C 5,2°C -2,2°C 10 с 750 
об/мин 600 
об/мин CO₂ diss 26,4 бар 6,2°C 0°C -5,2°C 10 с 300 
об/мин 200 
об/мин

Средняя скорость дозирования для переноса составила 15,3 см³ каждые 5–30 с в случае N₂ и каждые 60–100 с для суспензий газового гидрата. Открытие клапана обычно составляло 1 с. Без труда достигали уровня взбитости даже 500%. Стандартная взбитость находилась в диапазоне от 100 до 200% для всех используемых вспенивающихся сред. Большинство экспериментов проводили с 60 мас.% кофейным раствором на линии основного потока.

Типичный перенос суспензии газового гидрата показан на Фиг. 6а и сравнивается со случаем дозирования растворенного N₂ в кофе (Фиг. 6b).

В испытании с N₂ раствор приходилось часто дозировать, и поэтому смесь в реакторе CLAG высокого давления истощалась быстрее в процессе дозирования. В случае растворов, не содержащих газовых гидратов и содержащих только растворенный газ в реакторе CLAG высокого давления, в целом было труднее регулировать противодавление на линии основного потока, поскольку давление в реакторе CLAG колебалось, и требовалось дозировать больше газифицированного кофейного раствора. Для суспензий кофе с растворенным газом потребовались более высокие дозы (более высокая частота дозирования или более длительное открытие клапана) из реактора CLAG высокого давления и более высокие скорости скребков на скребковых теплообменниках EGLI по сравнению с суспензиями, содержащими газовый гидрат, см. также таблицу 6.

Стабилизация при быстрой заморозке

В результате испытаний получали вспененную суспензию кофе, которая была стабилизирована для сохранения ее пористости и газоудержания до стадии сублимационной сушки. Предпочтительной является стабилизация с быстрым замораживанием, предотвращающая дальнейшее расширение пузырьков газа или их коалесценцию за пределами расширительного клапана EGLI. Для стабилизации применяли следующие подходы:

• улавливание продукта на твердых пеллетах CO₂ при -78,5°C со стабилизацией микроструктуры пены;

• улавливание продукта непосредственно в жидкий азот при -195,79°C с учетом гасящего эффекта;

• улавливание продукта при повышенном давлении от 15 до 20 бар в сосуде объемом 1 л от Kisag (Беллах, Швейцария), который предварительно подвергали повышению давления и предварительно охлаждали, и быстрое охлаждение его содержимого с помощью сухого льда или жидкого азота; предполагается частичное расширение продукта с учетом того факта, что условия давления/температуры в линии основного потока в некоторой степени сохраняются; таким образом можно было сохранить газовые гидраты;

• улавливание продукта на алюминиевой пластине толщиной 1 см, предварительно погруженной в жидкий азот; предполагается более медленная теплопередача по сравнению с прямой закалкой жидким азотом;

• сначала отжиг в две стадии при -25°C и при температурах, близких к понижению точки замерзания 60 мас.% кофейного раствора (-16°C), а затем хранение образцов при -60°C для обеспечения мягкого профиля замораживания, вызывающего рост кристаллов льда, который может играть роль в сублимационной сушке образца; отжиг проводили в морозильной камере в течение одного часа, затем медленно доводили до температуры около точки плавления в охлаждающей камере от Vebabox (г. Уден, Нидерланды) перед хранением при -60°C.

После стабилизации образцов их хранили в морозильной камере при -60°C.

Сублимационная сушка

Затем образцы сушили сублимационной сушкой. В таблице 7 представлен типичный профиль сублимационной сушки, проводимой в сублимационной сушилке Millrock Technology (г. Кингстон, США). Сублимационную сушку намеренно проводили с длительным, тщательно продуманным процессом сушки, чтобы избежать быстрой сублимации воды в системе, вызывающей слияние небольших газовых карманов.

Таблица 7. Стадии профиля сублимационной сушки и их температурные профили для сушки замороженных вспененных кофейных продуктов в процессе клатратного переноса

Стадия сублимационной сушки Описание стадии Начальная темп., °C Конечная темп., °C Скорость сушки, °C/ч Время, ч Заморозка Уравновешивание до начальной темп. -40 -40 0 14 Первичная сушка 1-й нагрев с линейным изменением температуры -40 -20 1 20 2-й нагрев с линейным изменением температуры -20 0 1 20 3-й нагрев с линейным изменением температуры 0 40 4 10 Вторичная сушка 40 25 5 3

Пример 4. Характеристика образцов кофе после глубокой заморозки и сублимационной сушки

Образование крема

На Фиг. 7 показаны примеры растворенных прошедших сублимационную сушку образцов и их характеристики образования крема. Для этого 1,6 г образца гранул растворимого кофе (около 3 мм) растворяли в 150 мл воды при 85°C.

Общая пористость образцов составляла 78% ± 9 и была сопоставима с эталонным быстрорастворимым кофейным продуктом, который имел пористость 72,7%.

Закрытая пористость более информативна, поскольку дает информацию об образовании крема. Закрытые небольшие поры, содержащие воздух, образовались после сублимационной сушки стабилизированного вспененного кофейного раствора. Они высвобождаются, когда пористый быстрорастворимый порошкообразный кофе растворяют горячей водой. Эталонный быстрорастворимый кофейный продукт имел закрытую пористость 61,2% со всеми закрытыми порами в диапазоне от < 5 до 20 мкм с образованием слоя крема. Обычный быстрорастворимый кофейный продукт в сравнении имеет закрытую пористость 6,2% и не образует крема. Таким образом, образцы быстрорастворимого порошкообразного кофе в данном испытании значительно способствовали улучшению образования крема из быстрорастворимого порошкообразного кофе.

Самая высокая закрытая пористость у быстрорастворимого кофейного продукта, произведенного с использованием суспензии гидрата CO₂, составляла 18,9%, см. Фиг. 7а. Лучшая крема появлялась (у быстрорастворимого кофейного продукта, произведенного с использованием суспензии гидрата CO₂) с закрытой пористостью 15,7% и высокой взбитостью 164%.

Азот вводили для уменьшения размера пор. Все образцы с использованием N₂ обладали более высокой закрытой пористостью, чем суспензии гидрата CO₂. Самый успешный в смысле образования крема быстрорастворимый кофейный продукт, произведенный с использованием суспензии смеси гидратов СО₂/N₂, имел закрытую пористость 32%.

Из приведенных примеров можно сделать вывод, что для образования крема лучше всего подходят высокая взбитость, высокие уровни пористости (например, высокая общая, пенообразующая и/или закрытая пористость) и маленькие закрытые поры (благодаря содержанию азота в смешанных газовых гидратах, например CO₂/N₂ > 0,54).

Распределение пор

На Фиг. 8 показан лучший образец в отношении крема из представленных на Фиг. 7b со взбитостью 218% из гидрата СО₂/N₂.

Изображения СЭМ показывают бимодальное распределение пор, где меньшие поры < 20 мкм, а бóльшие — ~50 мкм. Небольшие, в основном закрытые поры напоминают эталонное изображение, сформированное только с использованием N₂, и их появление связывают с выделением N₂ из гидратной структуры. С другой стороны, более крупные поры связывали с CO₂, и они полезны с точки зрения легкости растворения образца, что делает кофе доступным для проникновения воды. Таким образом, хотя закрытая пористость была в два раза ниже, чем у эталона, образец по-прежнему давал слой крема.

На Фиг. 9 проиллюстрированы образцы, которые проанализировали с использованием крио-СЭМ после извлечения из линии EGLI основного потока и стабилизации. Первый образец с растворенным N₂ имеет низкую степень взбитости 43%, но поры очень маленькие и закрытые. Другое изображение, соответствующее отношению газов СО₂/N₂ 0,55, имеет долю очень мелких закрытых пор и более высокую взбитость 151%.

Последние два примера на Фиг. 9 были примерами с 250-кратным увеличением и высокой нагрузкой CO₂ без вовлечения N₂. Один образец представлял собой вспененный 60 мас.% концентрат, а другой — 55 мас.% концентрат. 55 мас.% концентрат кофе, вспененный CO₂, образовывал пену с порами несколько большего размера, чем образец 60 мас.% концентрата кофе. Не наблюдали никакого влияния на тип стабилизации вспененного кофейного раствора в отношении образования крема.

Эти результаты показывают, что в идеале концентрат кофе должен быть вспенен гидратами азота, однако для этого требуется высокое давление (до 300 бар).

Для устойчивого процесса при более низком давлении гидраты CO₂ или смесь гидратов CO₂/N₂ являются хорошей альтернативой для производства быстрорастворимых кофейных продуктов с возможностью образования слоя крема. При применении гидратов CO₂ или смеси гидратов CO₂/N₂ можно получить гибкий и быстрый температурный профиль сублимационной сушки, необходимый для промышленного применения, что позволяет снизить рабочее давление по сравнению с чистыми гидратами азота.

Кроме того, молекулярно внедренный азот в смеси гидратов CO₂/N₂, по-видимому, создает структуру, аналогичную растворенному азоту при высоких давлениях (> 150 бар), как видно из эталонного образца. Долю азота в смеси гидратов можно увеличить путем смещения рабочих условий в сторону более высоких давлений и более низких температур, увеличивая закрытую пористость в продуктах, которые подвергали сублимационной сушке, получаемых с использованием N₂.

Преимущество применения газовых гидратов по сравнению со способом, в котором используют растворенный газ (т. е. способом, используемым для получения эталонного образца), состоит в том, что для производства быстрорастворимого кофейного продукта с возможностью образования слоя крема требуется меньшее количество газа. Кроме того, время получения гидратов при умеренном давлении (от 35 до 50 бар) находится в диапазоне минут по сравнению с часами, требуемыми для растворения газообразного азота.

Пример 5. Способы

Дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC)

Измерения методом DSC высокого давления для определения границы раздела гидрата-жидкости-пара для гидратов CO₂, образованных из кофейных растворов. Используемое устройство представляло собой микро-DSC VII (1–7721–3) от Setaram (г. Калюир, Франция), и измерения проводили для 30 и 50 мас.% кофейных растворов при атмосферном давлении, 10, 30 и 50 бар. Температуру образца и сапфирового эталона регистрировали в печи. Предполагалось, что давление остается постоянным на протяжении всех измерений. Образцы размером < 100 мкг загружали в специализированные ячейки высокого давления и обеспечивали заданное давление. После этого применяли температурный профиль из приведенной ниже таблицы, который повторяли в трех циклах. Идентифицировали эндотермические пики плавления для диссоциации газовых гидратов, и начальная температура была принята как точка равновесия гидрата CO₂.

Сегмент T в °C Расход 1 10 Постоянный в течение 1 часа 2 от 10 до -40 0,2°C·мин^–1 3 -40 Постоянный в течение 1 часа 4 от -40 до 10 0,2°C·мин^–1 5 10 Постоянный в течение 1 часа

Измерения DSC при атмосферном давлении для определения понижения точки замерзания и молекулярной массы. Дифференциальную сканирующую калориметрию использовали для определения понижения точки замерзания кофейных растворов и их молекулярной массы. Образцы 30 и 60 мас.% кофейных растворов в трех экземплярах измеряли на калориметре Mettler Toledo (штат Огайо, США) DSC 822e. Понижение точки замерзания оценивали как начало эндотермического события плавления в программном обеспечении STARe, также предоставленном Mettler Toledo. Затем рассчитывали молекулярную массу с использованием константы понижения точки замерзания для водного растворителя, которая равна -1,86°C·м^–1 (на количество водного растворителя). Молекулярная масса порошка кофе составила 186 г·моль^–1. Соответствующее понижение точки замерзания составляло -4,4°C для 30 мас.% кофейного раствора и -15,5°C для 60 мас.% кофейного раствора.

Реология

Вязкость 30, 40, 50 и 60 мас.% кофейных растворов измеряли в реометре MRC 302 (Anton Paar, г. Грац, Австрия) при давлении 30 бар и атмосферном давлении с использованием цилиндра геометрии Куэтта типа «чашка-поплавок». Кофейные растворы с содержанием более 60 мас.% не поддавались хорошим измерениям в реометре.

Зависимость вязкости от скорости сдвига и температуры измеряли при линейном изменении скорости сдвига от 1 до 1000 с⁻¹ при постоянной температуре 7°C (исключая присутствие гидрата). Затем измерение повторяли под давлением 30 бар. Изменения вязкости в зависимости от температуры проводили в диапазоне от 10°C до 0°C с линейным градиентом температуры, затем выдерживали при 0°C в течение 5 минут и снова увеличивали до 10°C с той же скоростью 2°C·мин⁻¹.

Измеренные данные подгоняли с использованием уравнения:

Характеристика продуктов, которые подвергали сублимационной сушке

Продукты, которые подвергали сублимационной сушке, измельчали и просеивали с получением типичных гранул (3 мм), соответствующих обычному растворимому кофе. В ходе испытаний определяли плотность, открытую и закрытую пористость и характеристики образования крема.

Измерения плотности кофе, который подвергали сублимационной сушке. Плотность матрицы измеряли прибором DMA 4500 M (Anton Paar, Switzerland AG). Образец помещали в U-образную трубку из боросиликатного стекла, в которой возбуждали вибрации с частотой, зависящей от образца. Плотность определяли на основе конкретных колебательных характеристик. Точность прибора составила 5,10⁻⁵ г·см3 для плотности и 0,03°C для температуры.

Измерения пористости кофе, который подвергали сублимационной сушке. Видимую плотность гранулированного кофе измеряли пикнометром Accupyc 1330 (Micrometrics Instrument Corporation, США). Этот прибор определяет плотность и объем, измеряя изменение давления гелия в калиброванном объеме с точностью показаний до 0,03% плюс 0,03% номинального объема камеры с полноразмерной ячейкой. Открытую пористость затем вычисляли по плотности матрицы и видимой плотности с помощью следующего уравнения:

Закрытую пористость измеряли объемными методами, аналогично открытой пористости. Образец, который подвергали сублимационной сушке, анализировали на приборе Geopyc 1360 (Micromeritics, г. Норкросс, США). Плотность оболочки измеряли пикнометром на основе метода смещения, когда образец помещали в матрицу мелких твердых частиц с высокой степенью текучести. Текущие сферы вокруг образца (с известной массой) определяют открытую пористость, поскольку они достигают открытых пор, но не закрытых пор.

Сканирующая электронная микроскопия стабилизированных замороженных пористых образцов кофе (крио-СЭМ). Микроструктуру и размер пор дополнительно анализировали с помощью крио-СЭМ стабилизированных замороженных пористых образцов кофе. Для этого стабилизированные образцы хранили в жидком азоте. После этого образцы разбивали скальпелем, а затем репрезентативный кусок приклеивали к держателю образца с использованием 60% раствора сахара. Процесс проводили в жидком азоте. Держатель образца вставляли в рычаг челночного манипулятора вакуумной камеры, используемый для переноса образца в замораживающую фракцию для получения крио-СЭМ BAF060 и станцию травления (Leica Microsystems, г. Вецлар, Германия), предварительно охлажденную до температуры ниже
-150°C. На станции BAF образцы ломали для получения свежей поверхности, которую затем протравливали путем сублимации поверхностных слоев льда в вакууме, чтобы обнажить некоторые части, которые могли быть скрыты из-за длительной подготовки образцов. Протравливание проводили при -110°C в течение 1,5 минуты. Затем образец покрывали смесью углерод-металл со слоем 3 нм с помощью управляемой электронно-лучевой пушки при напряжении 2 кВ. После этого образец переносили с помощью челнока для криовакуумного держателя Gatan в микроскоп СЭМ и загружали на столик. Стигматизм и апертуру настраивали в микроскопе и получали изображения при разном увеличении.

Сканирующая электронная микроскопия пористых образцов кофе, которые подвергали сублимационной сушке, (СЭМ). Для сканирующей электронной микроскопии образцов, которые подвергали сублимационной сушке, для исследования пористости образцы наклеивали на металлический стержень для образцов, снабженный двусторонней проводящей лентой. При необходимости образцы впоследствии ломали с помощью лезвия бритвы, чтобы выявить их внутреннюю структуру. Образцы были покрыты золотым слоем 10 нм с использованием устройства для ионного напыления Leica SCD500, а затем получали изображения в режиме высокого/низкого вакуума с использованием сканирующего электронного микроскопа Quanta F200 от Thermo Fischer Scientific (г. Уолтем, США)

Все публикации, указанные в описании выше, включены в настоящий документ путем ссылки. Специалисту в данной области будут очевидны различные модификации и вариации описанных способов, композиций и вариантов применения без выхода за рамки сущности и объема изобретения. Хотя изобретение было описано в связи с конкретными предпочтительными вариантами осуществления, следует понимать, что заявляемое изобретение не должно чрезмерно ограничиваться такими конкретными вариантами осуществления. Фактически подразумевается, что в объем приведенной далее формулы изобретения входят различные модификации описанных вариантов осуществления изобретения, которые очевидны для специалистов в данной области.

Группа изобретений относится к пищевой промышленности, в частности к получению быстрорастворимого порошкообразного кофе. Раскрыт способ получения суспензии кофе, содержащей газовые гидраты, включающий: обеспечение первого кофейного раствора; охлаждение первого кофейного раствора; и приложение давления к первому кофейному раствору с помощью газа для получения суспензии кофе, содержащей газовые гидраты, причём газ содержит диоксид углерода и/или азот, при этом суспензия кофе имеет отношение газа во фракции гидрата к газу в жидкой фракции (H:L) от 1:1 до 5:1. Также описаны суспензия кофе, содержащая газовые гидраты, способ получения быстрорастворимого порошкообразного кофе с использованием указанной суспензии и быстрорастворимый порошкообразный кофе, полученный указанным способом, в котором порошок имеет закрытую пористость от 15 до 50%, пористость вспенивания от 25 до 34%, и при этом порошок имеет бимодальное распределение пор. Группа изобретений позволяет получить напитки с улучшенной вспениваемостью с использованием меньших порций газа и более короткого времени дозирования газа. 4 н. и 20 з.п. ф-лы, 10 ил., 7 табл., 5 пр.

1. Способ получения суспензии кофе, содержащей газовые гидраты, включающий:

(а) обеспечение первого кофейного раствора;

(b) охлаждение первого кофейного раствора; и

(c) приложение давления к первому кофейному раствору с помощью газа для получения суспензии кофе, содержащей газовые гидраты, причём газ содержит диоксид углерода и/или азот,

при этом суспензия кофе имеет отношение газа во фракции гидрата к газу в жидкой фракции (H:L) от 1:1 до 5:1.

2. Способ по п. 1, причём суспензия кофе имеет отношение газа во фракции гидрата к газу в жидкой фракции (H:L) от 2:1 до 3:1.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором первый кофейный раствор охлаждают до температуры от -10 до 10°C, или от -8 до 7°C, или от -5 до 5°C, или до температуры не ниже около -5°C и/или давление газа составляет от 10 до 300 бар, или от 10 до 150 бар, или от 10 до 100 бар, или от 10 до 50 бар, или от 15 до 40 бар, или от 15 до 35 бар, или от 15 до 30 бар.

4. Способ по любому из пп. 1-3, включающий охлаждение первого кофейного раствора до температуры от 0 до 5°C или до около 3°C; и приложение давления к первому кофейному раствору с помощью диоксида углерода предпочтительно при 15–25 бар или около 20 бар перед приложением давления к первому кофейному раствору с использованием азота предпочтительно при 30–300 бар, 30–150 бар, 30–100 бар, 30–50 бар, 30–40 бар или около 35 бар.

5. Способ по любому из пп. 1-4, дополнительно включающий стадию распределения газового гидрата в суспензии кофе.

6. Суспензия кофе, содержащая газовые гидраты, в которой газ содержит диоксид углерода и/или азот, и при этом суспензия кофе имеет отношение газа во фракции гидрата к газу в жидкой фракции (H:L) от 1:1 до 5:1.

7. Суспензия кофе по п. 6, которая имеет отношение газа во фракции гидрата к газу в жидкой фракции (H:L) от 2:1 до 3:1.

8. Способ по любому из пп. 1-5, причём суспензия кофе содержит диоксид углерода предпочтительно в количестве 0,5–5 моль/л, 1–5 моль/л, 1–2 моль/л, около 1 моль/л или около 1,6 моль/л; и/или азот предпочтительно в количестве 0,01–0,5 моль/л, 0,02–0,1 моль/л или около 0,05 моль/л.

9. Суспензия кофе по п. 6 или 7, которая содержит диоксид углерода предпочтительно в количестве 0,5–5 моль/л, 1–5 моль/л, 1–2 моль/л, около 1 моль/л или около 1,6 моль/л; и/или азот предпочтительно в количестве 0,01–0,5 моль/л, 0,02–0,1 моль/л или около 0,05 моль/л.

10. Способ по любому из пп. 1-5, 8, причём суспензия кофе содержит от 10 до 50 мас.%, от 20 до 40 мас.% или около 30 мас.% твёрдых веществ кофе.

11. Суспензия кофе по пп. 6, 7 или 9, которая содержит от 10 до 50 мас.%, от 20 до 40 мас.% или около 30 мас.% твёрдых веществ кофе.

12. Способ по любому из пп. 1-5, 8 и 10, причём суспензия кофе имеет вязкость от 10 до 100 мПа⋅с, или от 20 до 100 мПа⋅с, или от 30 до 65 мПа⋅с, или около 30 мПа⋅с или более, и/или около 100 мПа⋅с или менее, причём предпочтительно вязкость суспензии кофе больше, чем первый кофейный раствор.

13. Суспензия кофе по пп. 6, 7, 9 или 11, которая имеет вязкость от 10 до 100 мПа⋅с, или от 20 до 100 мПа⋅с, или от 30 до 65 мПа⋅с, или около 30 мПа⋅с или более, и/или около 100 мПа⋅с или менее, причём предпочтительно вязкость суспензии кофе больше, чем первый кофейный раствор.

14. Способ производства быстрорастворимого порошкообразного кофе, включающий:

(а) смешивание суспензии кофе, содержащей газовые гидраты, со вторым кофейным раствором с получением смеси суспензия кофе/кофейный раствор, причём количество добавляемой суспензии кофе достаточно для обеспечения подачи газа от 0,001 до 1 моль/мин или от 0,02 до 0,1 моль/мин во второй кофейный раствор, и при этом суспензия кофе, содержащая газовые гидраты, получена способом по п. 1;

(b) снижение давления и/или повышение температуры смеси суспензия кофе/кофейный раствор с получением вспененного кофейного раствора;

(c) сушку вспененного кофейного раствора предпочтительно сублимационной сушкой с получением высушенного кофе; и

(d) измельчение высушенного кофе с получением быстрорастворимого порошкообразного кофе.

15. Способ по п. 14, в котором суспензию кофе получают способом по любому из пп. 1-5, 8, 10 и 12 или суспензия представляет собой суспензию кофе, содержащую газовые гидраты, по любому из пп. 6, 7, 9, 11 и 13.

16. Способ по п. 14 или 15, в котором суспензия кофе содержит диоксид углерода предпочтительно в количестве 0,5–5 моль/л, 1–5 моль/л, 1–2 моль/л, около 1 моль/л или около 1,6 моль/л; и/или азот предпочтительно в количестве 0,01–0,5 моль/л, 0,02–0,1 моль/л или около 0,05 моль/л.

17. Способ по пп. 14-16, в котором второй кофейный раствор содержит от 10 до 70 мас.%, от 30 до 70 мас.%, от 50 до 70 мас.%, от 55 до 65 мас.%, от 60 до 65 мас.% или около 60 мас.% твёрдых веществ кофе.

18. Способ по любому из пп. 14-17, в котором суспензию кофе добавляют ко второму кофейному раствору в приблизительно изобарно-изотермических условиях, причём предпочтительно приблизительно изобарно-изотермические условия представляют собой температуру от -10 до 10°C, или от -8 до 7°C, или от -5 до 5°C, или не ниже около -5°C и/или давление газа от 10 до 300 бар, или от 10 до 150 бар, или от 10 до 100 бар, или от 10 до 50 бар, или от 15 до 40 бар, или от 15 до 35 бар, или от 15 до 30 бар.

19. Способ по любому из пп. 14-18, в котором вспененный кофейный раствор достигает взбитости от 50 до 500%, или от 200 до 400%, или от 250 до 350%, или около 300%.

20. Способ по любому из пп. 14-19, в котором на стадии снижения давления и/или повышения температуры смеси суспензия кофе/кофейный раствор давление сбрасывают до значений от 1 до 10 бар или от 5 до 10 бар и/или температуру смеси суспензия кофе/кофейный раствор повышают до значений от -5 до 10°C, или до 0°C или выше, или около 5°C, или 10°C и выше.

21. Способ по любому из пп. 14-20, включающий дополнительную стадию быстрой заморозки вспененного кофейного раствора перед сушкой вспененного кофейного раствора.

22. Быстрорастворимый порошкообразный кофе, получаемый способом по пп. 14-21, в котором порошок имеет закрытую пористость от 15 до 50%, пористость вспенивания от 25 до 34%, и при этом порошок имеет бимодальное распределение пор.

23. Быстрорастворимый порошкообразный кофе по п. 22, в котором порошок имеет закрытую пористость от 20 до 35%, или от 25 до 34%, или от 30 до 34%, или около 30%.

24. Быстрорастворимый порошкообразный кофе по п. 22 или 23, в котором порошок имеет пористость вспенивания от 30 до 34%, или около 30%.