本发明涉及用于制备咖啡提取物的工艺，该工艺将原始的挥发性成分保留在该提取物中。
背景技术：
速溶咖啡的生产仅仅将咖啡植物的豆转化为易溶于热水中的粒状产品。将樱桃的果浆和外壳除去，仅留下种子或豆，然后将该种子或豆干燥以产生生咖啡豆(green coffee bean)。而所有的生咖啡豆被加工时，使用的方法不同并且可以对烘焙和冲泡的咖啡的香味具有显著影响。
生咖啡豆是相对稳定的，并且从生产咖啡的国家运输至世界各地的消费者。在用于提取的工业场所，生咖啡豆被加工以生产提取物和/或速溶咖啡。生咖啡豆经历烘焙。烘焙将生咖啡豆的化学性质和物理性质转变至烘焙的咖啡豆中。烘焙过程是产生咖啡的特有风味的过程。在同一过程中，咖啡豆膨胀并且改变颜色和密度。
在工业中通常使用的烘焙设备是容纳生豆和热燃烧气体的旋转圆筒。当豆温度通常达到165℃-200℃时烘焙开始，伴随着与由爆米花产生的声音类似的爆裂声。取决于初始水分和需要的最终颜色，这些批次的圆筒需要约8分钟-15分钟来完成烘焙。使用流化床的咖啡烘焙也通常被使用。
然后，烘焙的豆被研磨以增强利用水的提取。取决于提取工艺，研磨将豆减小至0.2mm-5.0mm。传统上，烘焙的豆通过干磨来研磨。干磨导致特有气味的逸出，这阐释了芳香组分从烘焙的咖啡豆的逸出。这些逸出的芳香组分已经在最终的速溶咖啡产品的生产的该第一步骤中将被丢失。
现有技术已经提出了保持咖啡香味成分的某些方式。因此，GB1,200,700公开了另外的水溶性咖啡胶用于保持油和咖啡香味成分的用途。可溶性干咖啡胶优选在研磨烘焙的咖啡之前与其掺合。在掺合期间并且特别在掺合物的研磨期间，干可溶性胶颗粒充当对于油和咖啡香味成分的吸收剂。
EP1844661公开了生产可溶性咖啡提取物的方法，所述方法包括：(1)精细地湿磨烘焙的咖啡固体以形成包含咖啡固体的咖啡浆料；(2)在足以水解咖啡固体以形成可溶性咖啡提取物材料的温度和时间下，利用有效量的以稳定化的酶组合物的形式的酶处理咖啡浆料，其中稳定化的酶组合物包含酶和用于使酶稳定化的有效量的咖啡衍生材料；以及(3)将可溶性咖啡提取物材料分离成渗余物和渗透物，其中渗透物包括可溶性咖啡提取物。
基于膜的方法已经在现有技术中被提出以除去异味比如5-羟甲基糠醛(5-HMF)。5-HMF被认为具有类似葡萄酒或干草的味道。EP1745702还涉及基于膜的方法，其中咖啡提取物通过利用水解酶、优选碳水化物酶或蛋白酶例如葡聚糖酶和甘露聚糖酶或其混合物来精细地湿磨咖啡豆或磨碎的咖啡或预提取的咖啡粉来生产，该混合物优选包括甘露聚糖酶、纤维素酶和蛋白酶，并且其中酶通过使用膜装置被保留在反应区中，使得制成的提取物基本上没有酶、油或颗粒，并且酶可以最终被重复使用。该工艺产生了反应区，在该反应区中仅仅少量的5-羟甲基糠醛(5-HMF)存在，因为5-HMF渗透膜并且因此不抑制酶活性。
本发明提供了用于将咖啡芳香保留在咖啡提取物中或用于在咖啡加工中的可选用途的工艺。特别地，挥发性咖啡芳香组分被保留。在咖啡提取物中的芳香组分的保持改进了最终产品的品质。品质改进包括当速溶咖啡颗粒被热水润湿时，由于挥发性芳香组分的蒸发而引起的感觉(味道、气味、视觉印象等)体验。
发明简述
本发明涉及用于制备咖啡提取物的方法，包括以下步骤：提供烘焙的咖啡豆和水的混合物，在加压室中研磨烘焙的咖啡豆和水的混合物，以及将碾磨的混合物分离成液体咖啡提取物和用过的咖啡渣，例如通过渗滤。
在碾磨期间将烘焙的豆浸没在水中导致大量的挥发性芳香组分被溶解在水中，并且出现在提取物中而不是被释放到环境空气中。另外，封闭的加压室确保了挥发性的水溶性芳香组分的溶解度被增大，并且挥发性组分被保持在同一隔室中而不逸出到周围环境。此外，氧化被避免。
使用加压室用于碾磨烘焙的咖啡豆和水的混合物还降低起泡的趋势。可能由于来自CO2释放的气体和豆中的按重量计约10％的蛋白质含量，湿研磨过程可能导致在碾磨期间的泡沫的积聚。泡沫形成可能导致过程停止和随后的设备的费力清洁。高于环境的压力防止CO2气泡释放，并且因此减少泡沫形成。用于减少泡沫的可选方法是泡沫控制装置和赋形剂。
此外，在单一工艺步骤中，碾磨和第一次提取的组合降低整个工艺的复杂性。
传统的家用咖啡冲泡是在沸点即100℃附近的水温下进行。在工业设备中，提取温度是较高的，例如180℃，以获得更高的收率。而本发明可以在通常用于提取咖啡的任何温度下进行，优选的是，将水加热，然后与烘焙的咖啡豆混合以得到80℃或更低的混合物。相对冷的水的使用防止挥发性芳香化合物降解。许多芳香组分倾向于降解或与氧气、水或在含水混合物中的化合物反应。反应产物产生不确定性质的感觉体验。
在某些实施方案中，任选地包括中间体蒸汽爆裂的80℃或更低的低温提取，其本身产生了多至50％的令人吃惊的高收率。此类方法还可能发现其在家庭咖啡制作以及半专业和专业咖啡冲泡中的用途(咖啡设备和自动操作)。该方法将产生即饮提取物，其在可以处理所需的粒度、压力等的装置中被制作。相对于普通的家用咖啡机，一种此类消费装置将为用户提供较高的收率和品质。这将导致咖啡豆的较少消耗以及导致节能，因为水温为80℃或更低。衍生的益处将是消费者降低灼伤风险。
在其它实施方案中，将水加热，然后与烘焙的咖啡豆混合以得到95℃或更低、比如90℃或更低的混合物。在其它实施方案中，水的较低温度被使用，比如在60℃或低于60℃的温度，合适地低于50℃以获得对于芳香组分的反应的降低趋势以及挥发性组分的更低的蒸气压。在某一实施方案中，烘焙的咖啡豆和水的混合物的温度处于或低于大部分蛋白质变性的温度。通常，实质的蛋白质变性在40℃-90℃或低于40℃-90℃发生。为了避免在混合之前加热水，温度可以是自来水的温度。可选择地，将水稍微加热至室温附近。
使用低温导致5-HMF和具有不愉悦味道的其它分解产物的产生减少。而提取优选在低于80℃的温度下进行，通常提取步骤在10℃-80℃的范围内的温度下进行。优选地，提取在15℃至45℃下、最优选在室温下进行，以防止水的温度有助于分解产物的产生。
第一次提取通常需要在分离之前将碾磨的混合物保持在加压室中持续5分钟至2小时或更长时间，以获得足够的可溶性组分的提取。用于提取的具体时间取决于许多因素，包括温度、烘焙的豆的粒度、水与豆的比率、水流速率等。
烘焙的豆和水的混合以及该混合物的碾磨可以在分开的隔室中且在不同的压力下发生。在本发明的一个方面中，混合在环境压力下进行，而碾磨在加压室中进行。然而，在优选的实施方案中，烘焙的咖啡豆和水的混合以及碾磨都是在加压室中发生。混合室和研磨室的压力可以不同，但合适地以大体上相同的水平。在本发明的一个方面中，在研磨步骤期间的压力为0.5barg或更高，优选1barg或更高。
烘焙的咖啡豆和水的混合可以作为顺序工艺步骤发生，然后立即地进行混合物的碾磨。顺序混合确保了有效的处理和短的工艺时间。可选择地，这可以在分批工艺中进行。
在本发明的混合和碾磨步骤期间，CO2被释放。释放的CO2可以从混合室或碾磨室中排出。然而，在某一方面中，优选的是，在混合和/或碾磨工艺步骤期间从烘焙的咖啡豆释放的CO2的主要量与烘焙的咖啡和水提取物的混合物保持在一起。在优选的方面中，在碾磨过程期间，基本上全部量的CO2被保持在碾磨室中。在碾磨程序之后，碾磨的混合物的压力被降低。合适地，压力被降低至环境压力。通过压力降低，CO2和其它挥发性组分可以被收集或排放到周围环境中。在某一实施方案中，使通过压力的降低而释放的气体通过冷冻阱以收集挥发性芳香组分。如果需要，则压力的降低可以在温度降低之前、同时或之后进行。如果需要，则温度可以在分离步骤之前被降低至0℃与30℃之间。
烘焙的咖啡豆可以被碾磨至适合于提取的任何尺寸。通常，烘焙的咖啡豆被碾磨至1000μm或更小的平均粒度。
在某些方面中，本发明的咖啡提取物在随后的过程中被未改性地使用。在其它方面中，液体咖啡提取物被进一步分离成含水咖啡提取物和咖啡油。
通过本发明产生的液体咖啡提取物本身可以被使用或被进一步加工。如果液体咖啡提取物被进一步加工，则它可以被干燥成速溶咖啡产品，任选地在与其它咖啡提取物掺合之后。干燥可以通过常规喷雾干燥或冷冻干燥或包括特定芳香回收特征和再引入特征的组合过程来发生。
用过的咖啡渣可以被丢弃或用于二次提取。
详细说明
通常，能够湿磨至所需的粒度范围的任何设备都是可接受的，并且该设备可以包括转子-定子装置、包含研磨介质的介质碾磨机、锥形碾磨机或其它剪切装置比如超声装置和空化装置的组合。此外，对于给定的设备类型，性能和所得到的咖啡粒度可以通过操作参数而变化，比如转速、咖啡的通过速率、介质的尺寸和形状(例如在微型碾磨机中)以及在转子/定子或类似的剪切装置中的筛孔尺寸。转子/定子碾磨机，例如Admix Boston ShearmillTM或Ross Model ME-430XS-6(Charles Ross&Sons，Hauppage NY，美国)可以被用于碾磨步骤，尽管其它碾磨机，例如胶体磨比如Charlotte SD-2(Bradman-Lake，Charlotte NC，美国)或Dispx DRS-2000-5(IKAUSA)也是合适的。
提取物从固体组分中的分离可以通过任何合适的装置进行，包括离心分离器、膜过滤或带过滤。优选的离心分离器是两相沉降式离心机。合适的沉降式离心机可以从GEA Westfalia等获得。
当生咖啡豆被烘焙时，产生了具有典型的令人愉悦的咖啡芳香的分子，其不存在于新鲜的生咖啡中。
如果对用过的咖啡渣进行二次提取，则可以使用各种方法。因此，用过的咖啡渣可以被加入以产生水性悬浮液。该悬浮液可以使用水解酶来水解以产生第二提取物和用过的残留物。第二提取物可以被添加到本发明的第一提取物中，任选地在第二提取物的浓缩和/或干燥之后，以获得组合的提取物。组合的提取物可以被干燥以获得速溶咖啡产品。
所使用的水解酶能够分解用过的咖啡渣的各种化学组分中的一种或更多种，比如碳水化合物，例如纤维素、半纤维素、木聚糖和淀粉；木质素；蛋白质；脂类；核酸；等。分解产物优选地可溶于水。根据优选的方面，水解酶选自碳水化合物水解酶或羧酸酯水解酶或此类酶的任何组合。
用于酶促水解反应的条件可以取决于所使用的酶的类型和活性、反应介质的温度、pH等而变化。在优选的实施方案中，水解步骤c)是在40℃-80℃的范围内的温度下、以pH 4-7、在1小时-16小时的时间范围内针对用过的咖啡渣的水性悬浮液进行。
为了辅助酶促反应，在水解步骤c)期间存在辅助剂可能是合适的。辅助剂的实例包括酸度控制剂、表面活性剂、螯合剂、辅助因子等。在本发明的某一方面中，辅助剂是表面活性剂。表面活性剂显著改进收率，并且它甚至可以衍生自咖啡。
咖啡衍生的表面活性剂可以通过化学方法产生，比如在US 8,603,562中公开的，其技术内容通过引用被并入本文。在一个优选的方面中，咖啡衍生的表面活性剂通过以下步骤是可获得的：
i.用碳水化合物水解酶使用过的咖啡渣消化以获得碳水化合
物碎片，以及
ii.在允许酯交换的条件下向碳水化合物碎片添加咖啡油和羧
酸酯水解酶。
碳水化合物水解酶可以选自大量的市售酶。在本发明的一个实施方案中，碳水化合物水解酶选自包括纤维素酶、木聚糖酶、半纤维素酶或这些酶的任何组合的组。
类似地，羧酸酯水解酶可以选自大量的市售酶。在本发明的一个实施方案中，羧酸酯水解酶选自酯酶、脂肪酶或其任何组合。
用于制备咖啡衍生的表面活性剂的咖啡油可以固有地存在于磨碎的咖啡豆中，或者咖啡油可以被添加。如果添加，则咖啡油衍生自生咖啡豆、烘焙和磨碎的咖啡、或用过的咖啡渣提取物。
在咖啡衍生的表面活性剂可以被单独地产生时，在本发明的某一实施方案中，在水解步骤期间通过将羧酸酯水解酶和任选的咖啡油添加到水性悬浮液而原位(in-situ)获得咖啡衍生的表面活性剂也是可能的。羧酸酯水解酶将进行酯交换，其中来自咖啡油的亲脂基团被添加碳水化合物组分。
在第一次提取之后但在第二次提取之前，用过的咖啡渣可以在酶促水解之前被预处理。预处理可以被进行以使酶更容易接近它们的底物。预处理可以包括暴露植物细胞的内部和/或从纤维素中松解木质素。在优选的实施方案中，预处理包括：
·向用过的咖啡渣添加水，
·蒸汽爆裂用过的咖啡渣，以及
·分离成中间体提取物和预处理的用过的咖啡渣。
来自蒸汽爆裂程序的中间体提取物可以被用于最终产物中、被纯化、或者如果其包含太多的异味的话则可以被丢弃或用于另一应用。然而，通常地，蒸汽爆裂程序被控制使得中间体提取物要么被浓缩和/或干燥，要么被添加至组合的提取物。
如果仅仅进行“温和”温度蒸汽爆裂，则异味的量通常是低的且可接受的。因此，中间体提取物可以被添加到组合的提取物。用于蒸汽爆裂的优选条件包括蒸汽爆裂是在50℃-170℃的温度范围内、在0.1barg至10barg的压力下进行持续0.1小时至5小时。
蒸汽爆裂的可选方法可以包括冷冻或均化。
为了松解木质纤维素的结构并且部分地分解半纤维素的结构，可以有利地使用某一温度方案用于预处理。温度方案可以以任何顺序包括：
·在25℃至150℃的温度范围内持续1分钟至24小时的低温处理周期，以及
·在100℃至200℃的温度范围内持续1分钟至24小时的高温处理周期。
蒸汽爆裂可以被单独进行或者可以被整合在温度方案中。在本发明的优选方面中，蒸汽爆裂在高温处理周期期间进行。
在蒸汽爆裂和酶促处理步骤之间，洗涤程序是有益的，因为它们将增大酶的效率。此类程序除去酶抑制剂并增强该过程。洗涤水可以被加入到组合的提取物。
在酶促水解之后，第二提取物可以通过以下任一来后处理：
·在足以使酶失活的时间内加热至高于70℃的温度，通常120℃持续10分钟-30分钟，并且可能地除去凝结的酶，或
·膜过滤以除去酶，其任选地在步骤(c)中被重复使用。
在随后的酶促水解步骤中，用过的咖啡渣可以被进一步分成更小的颗粒以方便酶的接近。在优选的方面中，用过的咖啡渣在酶处理之前被细分成在2μm-1000μm的范围内的平均粒度，优选地细分成10μm-500μm的范围内的平均粒度。磨碎的咖啡豆可以在两个或更多个阶段中被碾磨。第二次碾磨可以在酶促水解之前作为用过的咖啡渣的湿碾磨进行。第二次湿碾磨可以取决于情况而在蒸汽爆裂之前或之后发生。湿碾磨至10μm至250μm的平均粒度是优选的。湿碾磨的用过的咖啡渣的累积粒度分布包括约90％或更多的低于150μm、优选低于100μm并且在某些情况下低于50μm的颗粒。
本发明通过生产第一提取物、中间体提取物和第二提取物提供了高芳香和固体收率。在优选的方面中，基于烘焙的咖啡豆和磨碎的咖啡豆的量，在速溶咖啡产品中的总固体的收率按重量计为65％、70％或75％或更多。
组合的提取物或第一提取物、中间体提取物和第二提取物中的一种或更多种可以例如通过膜过滤进行浓缩，然后进行随后的喷雾干燥或冷冻干燥。在本发明的一个方面中，提取物被膜过滤以再循环含水渗透物，其可以是微酸的，用于在该工艺中重复使用。由于第一提取物包含挥发性芳香组分，通常希望第一提取物以芳香保留方式被浓缩，例如冷冻浓缩。
实施例
实施例1
保留芳香的湿研磨工艺
在测试装置中，以下步骤在5巴的稍微加压的设备中连续地进行，以使得挥发性芳香化合物的损失最小化：
1)水和豆的混合，
2)将豆和水碾磨成浆料，以及
3)泵送浆料以填充提取柱。
步骤1：将全部的烘焙的咖啡豆与25℃的水以约1:5的比率混合，并且然后被直接供给到湿磨机中。豆-水混合通过紧接在湿磨机上游的联机混合器完成。水量可以变化，然而，应当考虑到，低量的水可能产生难以泵送的浆料，并且大量的水可能产生关于水和能源使用是浪费的过程。
步骤2：湿磨机是高剪切碾磨机，Admix Boston ShearmillTM。在湿磨机中，豆被湿磨至约400μm的平均粒度，以提供可泵送的浆料。
步骤3：可泵送的浆料随后被直接泵送到在末端安装有合适的过滤器的提取柱中。当提取柱被充满时，大约等于咖啡研磨浆料的体积的水的量被推进穿过咖啡粉，以提取任何易溶的固体，包括咖啡芳香组分。水的温度为约25℃。从开始湿磨至收集芳香提取物的总提取时间为12分钟。
湿磨、短提取时间(通过小粒度可行的)以及低温的组合确保了最大量的咖啡芳香组分被保留在芳香提取物中。
在提取芳香化合物之后，芳香提取物被保持在10℃。然后用过的研磨豆可以通过其它技术被进一步提取，比如在下文实施例2中提出的。如果需要，芳香提取物可以以温和的方式被浓缩或干燥-例如使用冷冻浓缩技术或具有任选的芳香回收的喷雾干燥、或冷冻干燥。
实施例2
二次提取
来自先前提取的滤饼被转移到能够维持高压和高温的容器中。容器的底部阀门安装有连接至旋风分离器的金属管，使得容器内的高压可以被释放到旋风分离器中。水(2000mL)被添加至咖啡粉中，容器被密封，并且在浆料被搅拌的同时温度被升高至140℃。在140℃下持续90分钟之后，底部阀门被打开以允许浆料逸出到旋风分离器中。压力的突然下降引起蒸汽爆裂，这破坏了在咖啡粉中的纤维，使得它们更适合于下一个提取步骤。浆料在布氏漏斗上被再次过滤，并且滤饼用水(500mL)洗涤。组合的提取物被称为提取物2。
来自先前提取的用过的渣在Turrex T18高剪切均化器上以全速被均化持续60分钟。然后酶的混合物即10.75g编号51的GEA酶被加入(小样品可以根据需要被回收)，并且浆料被加热至60℃，同时搅拌持续16小时。然后浆料在布氏漏斗上被过滤，滤饼用水(500mL)洗涤。组合的提取物被称为提取物3。
将实施例1的提取物、提取物2和提取物3组合，并且经历喷雾干燥。可选择地，只有提取物2和提取物3被组合并且经历喷雾干燥，而来自实施例1的提取物通过冷冻干燥、膜过滤或类似技术被温和地处理，以保存挥发性组分。来自提取物2和提取物3的干燥产品以及来自实施例1的提取物的干燥产品可以被组合成速溶咖啡产品。
实施例3
以下的实施例示出如何在相对低的温度下可以获得相对高的提取收率。
烘焙的咖啡豆(400g，TS 95.05％，380g干重)在市售的咖啡研磨机上被研磨至400μm的平均粒度。然后，烘焙和研磨的咖啡豆与1000mL水(25℃)被一起转移到容器中，并且容器被密封并抽真空以除去在烘焙和研磨的咖啡内部捕获的任何的过量CO2。浆料被充分混合，并且然后真空被除去。
在两分钟之后，浆料被转移至在一端安装有300μm过滤器的提取柱。通过泵送水(25℃)通过柱从豆中提取可溶性固体，直到流出物的Brix为0.5。收集的体积为2777mL，并且溶解的固体的量为3.56％，对应于98.86g或26％的收率。
然后咖啡粉被从柱中除去，并且与水(2000mL)一起转移至能够维持高压和高温的容器中。容器的底部阀门安装有连接至旋风分离器的金属管，使得容器内的高压可以被释放到旋风分离器中。容器被密封，并且在浆料被搅拌的同时温度被升高至140℃。在140℃下持续60分钟之后，底部阀门被打开以允许浆料逸出到旋风分离器中。压力的突然下降引起蒸汽爆裂，其破坏了在咖啡粉中的细胞并且似乎改进了收率。
然后咖啡粉用水(65℃)提取，直到流出物的Brix为0.1。在该步骤中的提取物的收集体积为5283mL，并且溶解固体的量为1.33％，对应于70.3g的收率。两个组合提取步骤的总提取收率为169g或44％。这是相当令人惊讶的，并且在高于通常预期的50％的范围内。