本申请是申请日为2009年3月12日，申请号为200980117770.1，发明名称为“发泡咖啡组合物”的发明专利申请的分案申请。
本发明涉及发泡咖啡组合物并涉及其制备方法。更具体地讲，本发明涉及发泡速溶咖啡组合物，如冷冻干燥的或附聚的粒状速溶咖啡组合物，其当加入热水时可得到在其表面上具有泡沫的咖啡饮料。
速溶咖啡组合物是熟知的。在本质上，速溶咖啡是焙炒、磨碎咖啡的干燥的水提取物。用来生产速溶咖啡的豆如在普通咖啡的生产中那样进行掺合、焙炒和磨碎。为了生产速溶咖啡，然后将焙炒、磨碎咖啡装入到称为渗滤器的柱子中，将热水泵送通过柱子，得到浓缩的咖啡提取物。然后将提取物干燥，生产出最终咖啡组合物供出售给消费者。如果需要，该组合物还可与其他成分(ingredient)如牛奶制或非牛奶制的乳脂替代品(creamer)和/或甜味剂掺合。
浓缩的咖啡提取物通常通过喷雾干燥法或冷冻干燥法进行干燥。一般而言，冷冻干燥可提供优异的产品，其在外观上比喷雾干燥的速溶咖啡更有吸引力，且具有更好的风味，因为冷冻干燥没有让咖啡组合物经历喷雾干燥所需的高温。
在一些情况中，期望提供能发泡的速溶咖啡组合物，也就是说在其用热水重新溶解后在其表面上具有泡沫的速溶咖啡组合物。这种泡沫可例如或多或少地模拟由焙炒和磨碎的爱斯普利索(espresso)咖啡制备的爱斯普利索饮料上形成的泡沫，或者可仅仅是给消费者提供不同的口感或饮用体验。
在例如us-a-5,882,717中公开了喷雾干燥的粉末状发泡咖啡组合物。在该参考文献中描述的方法中，咖啡提取物是通过注入气体来发泡，发泡的提取物进行均化处理以减少气泡大小，然后将均化的提取物进行喷雾干燥，以获得其中掺入有气泡的粒子(particle)，大部分的气泡其大小在10微米或以下。该方法可提供喷雾干燥的发泡速溶咖啡组合物，但它不能用于冷冻干燥的咖啡组合物，因为喷雾干燥是保持气泡在咖啡组合物中的必需步骤。由于这种方式生产的喷雾干燥粉末是从气泡分散于连续液相中所成的乳液干燥的，而乳液是通过向液体中注入气体形成的，因此设想到液体中存在的某些表面活性化学物质由于其化学和物理特性，会在乳液形成过程中分布在液体和所包埋的气泡之间的界面处。
在咖啡的具体情况中，据认为这种化合物包括存在于焙炒咖啡豆的水溶性提取物中的多糖。通过注入气体形成的乳液随后通过喷雾干燥过程中水分的蒸发而干燥形成粉末状产品，因此设想到上述的化学物质会在一定程度上保留在干燥的粉末粒子内存在的封闭孔的表面处。当该粉末重新溶解时，粒子内部的包埋气体释放出来，从而在饮料的表面上形成泡沫层。设想到，在粒子内密封孔的内部表面处的相对较高浓度的上述表面活性化学物质，可有利于饮料表面上的泡沫层的形成和稳定，从而有助于得到增加体积的泡沫。
这种方式生产的喷雾干燥速溶咖啡粉末其堆密度通常在约0.12至约0.25g/cm3的范围内，平均粒度为约100-150μm，封闭孔体积最高达约1.0ml/g。这种粉末当用热水重新溶解时迅速溶解，在饮料表面上形成吸引人的泡沫层。
在冷冻干燥的可溶性咖啡颗粒(granule)中，只有一部分的内部孔是因为冷冻干燥前气泡包埋到可溶性咖啡提取物中而形成。冷冻干燥速溶咖啡颗粒中其余的孔是因为冷冻干燥过程中冰晶的升华而形成的。设想到，这种方式形成的孔在孔表面处所含的表面活性物质，其含量可能不会达到饮料重新溶解时为有利于泡沫形成和稳定所必需的水平，因此可能造成冷冻干燥咖啡颗粒与注入气体的喷雾干燥咖啡粉末相比泡沫性能较差。
ep-a-1,627,568提供了可通过喷雾干燥或冷冻干燥法生产的发泡咖啡组合物。根据该参考文献中描述的方法，将之前制备的可溶性咖啡组合物(可通过冷冻干燥或喷雾干燥制备)在足够的压力下加热，以迫使气体进入干燥的可溶性咖啡的内部空隙中，将经加热的干燥可溶性咖啡冷却，然后减压。由于该组合物在压力下加热的温度高于该组合物的玻璃化转变温度，因此在该组合物冷却和减压后所得的咖啡粒子其表面基本上没有空隙，气体保持被包埋在内部空隙中。通过这样的方法，冷却的咖啡粒子具有充满加压气体的内部空隙(也称封闭孔)。在冷冻干燥的可溶性咖啡颗粒的情况中，据认为额外的内部空隙是由于加热过程在粒子内部形成的。当该组合物加水时，它提供出发泡的咖啡饮料。但是，尽管这样的方法可使用冷冻干燥的咖啡作为原料，但最终的组合物具有与通常出售给消费者的冷冻干燥咖啡组合物不同的特性。具体地讲，该组合物不具有冷冻干燥组合物通常的吸引人的外观，因为它经历了上述的进一步加工条件，从而颜色黑暗得多。此外，该组合物的密度显著提高。例如，在ep-a-1,627,568的实施例8中，堆密度为0.24g/cm3的冷冻干燥咖啡组合物转变成堆密度为0.63g/cm3的发泡咖啡组合物。这种组合物作为待出售给消费者的速溶咖啡组合物可能不特别适合或者可接受。咖啡组合物理想地应具有0.16至0.45g/cm3，更优选0.16至0.30g/cm3，或者更优选0.19至0.25g/cm3的堆密度才能在商业上令人满意，因为标准的一茶匙将能提供具有消费者盼望的适当浓度的咖啡饮料。堆密度显著更高的咖啡组合物会提供出对普通消费者而言可能太浓的咖啡饮料。出于同样的原因，一些消费者偏好堆密度为0.16至0.30g/cm3的咖啡。
因此，需要提供这样的速溶咖啡组合物，其具有标准的冷冻干燥咖啡组合物的外观和近似堆密度，但在加入热水时还能提供发泡效果。本发明提供这种组合物和制备所述组合物的方法。
本发明提供包含堆密度为0.16至0.45g/cm3的粒子的发泡速溶咖啡组合物，所述粒子包含连续相和非连续相，连续相包含速溶咖啡基质，非连续相包含含有气体的可发泡组分的粒子。
在第一个实施方案中，本发明提供包含堆密度为0.16至0.45g/cm3的粒子的发泡冷冻干燥速溶咖啡组合物，所述粒子包含连续相和非连续相，连续相包含冷冻干燥速溶咖啡基质，基质中包埋有包含含有气体的可发泡组分的粒子的非连续相。优选，该可发泡组分具有含有气体的封闭孔和/或包含含有气体的包合物。优选，该可发泡组分具有封闭孔，且该组合物粒子具有至少0.10cm3/g的封闭孔体积。
在第二个实施方案中，本发明提供包含堆密度为0.16至0.45g/cm3的粒子的发泡速溶咖啡组合物，所述粒子包含连续相和非连续相，连续相包含附聚的速溶咖啡粒子，非连续相包含含有气体的可发泡组分的粒子。优选，该可发泡组分具有含有气体的封闭孔和/或包含含有气体的包合物。优选，该可发泡组分具有封闭孔，且该组合物粒子具有至少0.10cm3/g的封闭孔体积。
本发明还提供制备如上定义的组合物，特别是第一实施方案的组合物的方法，其包括：
i.将可发泡组分的粒子与含水咖啡提取物混合，以形成咖啡混合物；
ii在可发泡组分的粒子溶解之前，将该咖啡混合物冷冻；
iii.将该冷冻的咖啡混合物进行造粒；和
iv.通过升华除去水分形成冷冻干燥的咖啡组合物。
本发明还提供制备如上定义的组合物，特别是第二实施方案的组合物的方法，其包括：
i.将可发泡组分的粒子与速溶咖啡粒子混合；
ii将速溶咖啡粒子和可发泡组分的粒子的混合物进行附聚，以形成附聚粒子，该附聚粒子具有包含该速溶咖啡粒子的连续相和包含该可发泡组分的粒子的非连续相；和
iii.将该附聚粒子干燥。
本发明还提供制备咖啡饮料的方法，其包括将热水加到如上定义的组合物中。
本发明的组合物具有0.16至0.45g/cm3的堆密度，这是出售给普通消费者的咖啡组合物的适当堆密度。该咖啡组合物还具有与冷冻干燥速溶咖啡组合物相关的通常特性，如相同或基本相同的视觉特性和味觉特性。另外，该组合物具有能发泡的优点。
可用简单的试验方法来测量本发明组合物在重新溶解时产生的泡沫量，下文称为定量挂杯泡沫试验。该方法基于以下操作：用直径25mm和高度250mm的100cm3玻璃量筒，称取1.8g咖啡放入量筒，然后在约5秒钟时间里通过放在量筒顶部的漏斗从烧杯向量筒倒入70cm3的80℃水。所用的漏斗由锥形部分和管状部分组成，锥形部分的底座对径为50mm，高度为40mm，锥形部分连接至管状部分，管状部分的内径为5mm，长度为50mm。漏斗的目的是控制用来重新溶解组合物的水的加入。在1分钟和10分钟时间间隔，记录组合物重新溶解后所产生的泡沫体积。所有测量均一式两份进行。
典型的结果在下表1中显示。
表1
本发明的组合物特别是第一实施方案的组合物，可通过制备冷冻干燥咖啡组合物的标准程序的改进方法进行制备。在这样的方法中，例如通过注入气体如氮气和在(例如)高剪切混合机中进行混合，使含水咖啡提取物，例如含有20至60wt％，优选40至50wt％咖啡固形物的含水咖啡提取物发泡。可通过在冷冻之前改变发泡的咖啡提取物的堆密度，通过增加或减少注入提取物中的气体的体积，来控制冷冻干燥咖啡成品的堆密度。接着将此组合物进行厚片冷冻(slab-frozen)，然后进行造粒。然后通过在真空或部分真空中升华基本上除去水分来对颗粒进行冷冻干燥，得到冷冻干燥的咖啡组合物。这种组合物不能保持任何显著的发泡能力，因为极少有或者没有含有气体的内部封闭孔体积。保持在粒子中的孔基本上对空气开放，因为在冷冻干燥过程中水分是从这些孔移除到空气的。
已发现，常规的冷冻干燥咖啡组合物通常具有小于约0.1cm3/g、常常小于约0.05cm3/g的封闭孔体积。下表2列出了一些常规市售的冷冻干燥咖啡组合物的封闭孔体积。与之相比，喷雾干燥的发泡咖啡组合物，如us-a-5,882,717中描述的那些，通常具有最高达约1.0cm3/g的封闭孔体积。
表2
封闭孔体积可通过以下方法测量。首先，有必要通过用氦比重瓶(micromeriticsaccupyc1330)测量粉末或颗粒称重量的体积，并将重量除以体积，来测量材料的骨架密度(g/cm3)。骨架密度是这样的密度的度量，该密度包括粒子中存在的任何对大气密封的空隙的体积，不包括粒子之间的间隙体积和粒子中存在的任何对大气开放的空隙的体积。密封空隙的体积——本文称为封闭孔体积——也是通过在用研钵和研杵研磨粉末或颗粒以将所有内部空隙除去或对大气开放后测量粉末或颗粒的骨架密度来得到。这个类型的骨架密度，本文中称为真密度(g/cm3)，是包含粉末或颗粒的单独固体物质的真实密度。封闭孔体积(cm3/g)是通过将倒易骨架密度(reciprocalskeletaldensity)(cm3/g)减去倒易真密度(reciprocaltruedensity)(cm3/g)来确定。任选，封闭孔体积还可表示为包含粉末或颗粒的粒子中所含的封闭孔体积的体积百分数。封闭孔体积百分数是通过将倒易骨架密度(cm3/g)减去倒易真密度(cm3/g)，然后将差值乘以骨架密度和100％来确定。
在本发明的第一个方法中，含水咖啡提取物按与制备冷冻干燥咖啡组合物的标准程序相同或相似的方式形成。因此，用热水提取焙炒、磨碎的咖啡以制备咖啡提取物。如果需要，这种咖啡提取物可进一步浓缩或者用水稀释。含水咖啡提取物优选包含20至60wt％咖啡固形物，更优选40至50wt％咖啡固形物。含水咖啡提取物可例如仅仅包含提取的咖啡和水，或者可加入另外的组分，如非牛奶制的乳脂替代品、牛奶制的乳脂替代品或者天然或人造甜味剂。还可以将一种或多种调味剂加到提取物。优选在含水咖啡提取物中使用高浓度的咖啡固形物，例如大于40％wt％咖啡固形物，因为在该高固形物浓度下，可供溶解可发泡组分的水将较少。使用咖啡固形物重量百分比高的含水咖啡提取物，还将会提高含水咖啡提取物的粘度，这将会降低咖啡提取物使可发泡组分湿润和溶解的倾向。
使用咖啡固形物重量百分比低的咖啡提取物，会增加提取物中冰晶的总体积，从而增加冷冻干燥咖啡颗粒的开放孔体积，但不增加封闭孔体积。
含水咖啡提取物可在可发泡组分混合至其中之前进行冷却。例如，可将含水咖啡提取物冷却至5℃或更低、0℃或更低、-5℃或更低、-10℃或更低、-15℃或更低或者-20℃或更低的温度。将含水咖啡提取物冷却是合乎需要的，目的是降低可发泡组分溶解于其中的倾向或者防止可发泡组分溶解于其中。冷却含水咖啡提取物可提高粘度，而冷却到冰开始在提取物中形成的点以下，将会随着冰晶的形成提高含水咖啡提取物的液体部分的有效固形物浓度。这两种作用都可降低可发泡组分溶解的倾向，因此可发泡组分在混合到提取物中和随后冷冻干燥后仍保持较高程度的结构和发泡特性。理想地，含水咖啡提取物先注入气体如氮气并进行混合，然后再按常规方式加入可发泡组分。向组合物中注入气体可产生空隙，空隙有利于最终的冷冻干燥过程和有助于在重新溶解时赋予颗粒可接受的溶解度。在冷冻前先将气体注入和分散到含水咖啡提取物中，这也可用于本领域技术人员对咖啡进行冷冻干燥的标准方法中，以控制冷冻干燥咖啡产品的堆密度。优选堆密度为约0.16至约0.45g/cm3，更优选堆密度为约0.16至约0.30g/cm3，甚至更优选堆密度为约0.19至约0.25g/cm3。
将可发泡组分与含水咖啡提取物混合以形成咖啡混合物。重要的是，可发泡组分不完全溶解，否则将不能保持发泡特性。但是有可能发生一定的溶解，只要所制备的最终组合物仍能发泡。为了防止可发泡组分溶解于含水咖啡提取物中，理想的是可发泡组分的粒子在加入到含水咖啡提取物之前先进行冷却。理想地，可发泡组分的粒子冷却到5℃或以下、更优选0℃或以下、甚至更优选-20℃或以下、还进一步优选-40℃或以下、最优选-60℃或以下的温度。可例如通过将可发泡组分的粒子放在冷却气体或液体如液氮中来对其进行冷却。
为了确保可发泡组分的粒子不会完全溶解，混合步骤理想地进行较短的时间，例如两分钟或更短，优选一分钟或更短。适用于将可发泡组分与含水咖啡提取物进行混合的设备包括例如以下机器：如ikaworks公司(美国)的mhd系列的粉末/液体混合机，或者tetra-pakhoyera/s公司(丹麦)的hoyeraddusff系列的投料和混合设备。设想到，连续在线混合后紧接着进行冷冻，可限制在冷冻前可供湿润可发泡组分的粒子的时间，从而提高可发泡组分的粒子保持其结构，从而保持其发泡特性(包括气体包埋在封闭孔或包合物晶体中)的机会，并因此提高随后的冷冻干燥饮料组合物在重新溶解时的发泡性能。
然后使咖啡混合物进行冷冻干燥过程。这可以是用于制备冷冻干燥速溶咖啡的那种类型的常规冷冻干燥过程。因此，咖啡混合物可例如在冷冻隧道中进行厚片冷冻。随后，将冷冻的咖啡混合物造粒并在真空或部分真空中升华除去水分。
所获得的咖啡组合物包含这样的形式的冷冻干燥速溶咖啡，即咖啡基质中包埋有可发泡组分的粒子，而该粒子具有含有气体的封闭孔或包合物。冷冻干燥的基质(连续相)不会含有大量的封闭孔。组合物的发泡效果由可发泡组分的不连续粒子提供。当使用可发泡组分时——其构成具有含有气体的封闭孔的粒子——最终组合物的封闭孔体积占组合物的至少0.1cm3/g，以提供可接受的发泡质量。优选为至少0.2cm3/g，更优选大于0.3cm3/g。
在本发明方法的第二个实施方案中，使用水(优选蒸汽)附聚方法。在这个实施方案中，该方法包括：
i.将可发泡组分的粒子与速溶咖啡粒子混合；
ii将速溶咖啡粒子进行附聚，以形成具有连续相和非连续相的附聚粒子，其中连续相包含速溶咖啡粒子，非连续相包含可发泡组分的粒子；和
iii.将附聚的粒子干燥。
速溶咖啡粒子可例如是喷雾干燥的、冷冻干燥的、挤出的或烘箱干燥的咖啡粒子。可将粒子研磨以降低初级粒度。因此，例如粒子的大小可小于200μm，例如小于100μm，或者小于50μm，或者小于20μm。
速溶咖啡粒子的用量相对于可发泡组分的粒子而言过量，以确保速溶咖啡粒子能提供连续相。
附聚可例如用液体如水或另一种粘合剂，ep-a-1,280,412中描述的非再润湿(non-re-wet)方法或者通过热和/或压力来进行。如果使用水，水可以为液体的形式，但优选为蒸汽的形式。可使用任何已知的水或蒸汽附聚方法，但优选使用蒸汽喷射类型的附聚方法。在该方法中，让粒子的混合物通过网栅下落，并受到蒸汽流的冲击。蒸汽的温度可在100℃以上，例如105℃以上或110℃以上。
然后，例如用温度在100℃以上、例如105℃以上的热空气对附聚粒子进行干燥，尽管空气的温度和流量可由本领域技术人员调节以增加或降低干燥时间。最终组合物的水分含量理想地低于10wt％，更优选低于5wt％。
可以通过适当选择让粒子混合物下落的网栅孔隙尺寸，来确保附聚的粒子类似于常规的冷冻干燥咖啡颗粒。例如，具有边长2.5cm的正方形孔隙的网栅所得到的附聚颗粒，其一般外观和堆密度与标准的冷冻干燥咖啡颗粒相同。使用具有较小的孔隙大小的网栅，例如具有边长1.5cm的正方形孔隙的网栅，所得到的附聚颗粒其堆密度比标准的冷冻干燥颗粒高，例如大于约0.3g/cm3。但是，由于可发泡组分的存在，这些颗粒当用热水重新溶解时仍能产生泡沫层。
具有含有气体的封闭孔的可发泡组分可呈多种形式。因此，它可例如为咖啡组合物，如速溶咖啡组合物，例如喷雾干燥的速溶咖啡组合物，特别是喷雾干燥的速溶咖啡粉末。它还可以是含有极少咖啡或不含咖啡的组合物，如碳水化合物基组合物，例如喷雾干燥的碳水化合物基组合物，如喷雾干燥的碳水化合物基粉末。可发泡组分还可包含碳水化合物、蛋白质和/或它们的混合物。可发泡组分除了包含碳水化合物和/或蛋白质外，还可任选包含分散的脂肪。
合适的碳水化合物包括例如糖类(如葡萄糖、果糖、蔗糖、乳糖、甘露糖和麦芽糖)、多元醇(如甘油、丙二醇、聚甘油和聚乙二醇)、糖醇(如山梨糖醇、甘露糖醇、麦芽糖醇、乳糖醇、赤藓糖醇和木糖醇)、寡糖、多糖、淀粉水解产物(如麦芽糖糊精、葡萄糖糖浆、玉米糖浆、高麦芽糖糖浆和高果糖糖浆)、胶(如黄原胶、藻酸盐、卡拉胶、瓜尔胶、结冷胶、刺槐豆胶和水解胶)。可溶性纤维(如菊粉、水解瓜尔胶和聚右旋糖)、改性淀粉(如可溶于水或可分散于水的物理或化学改性淀粉)、改性纤维素(如甲基纤维素、羧甲基纤维素和羟丙基甲基纤维素)和/或它们的混合物。
合适的蛋白质包括例如乳蛋白、大豆蛋白、蛋品蛋白、明胶、胶原、小麦蛋白、水解蛋白质(如水解明胶、水解胶原、水解酪蛋白、水解乳清蛋白、水解乳蛋白、水解大豆蛋白、水解蛋品蛋白、水解小麦蛋白和氨基酸)和/或它们的混合物。
合适的脂肪包括例如衍生自植物、乳品或动物来源的脂肪、油、氢化油、酯交换油、磷脂和脂肪酸以及它们的馏分或混合物。脂肪还可选自蜡、甾醇、甾烷醇、萜烯以及它们的馏分或混合物。
任选，可发泡组分可基本上无碳水化合物和/或基本上无蛋白质(如可溶性咖啡粉末)。优选的基本上无碳水化合物和/或基本上无蛋白质的可发泡组分包括美国专利申请公开号2006/0040033、2006/0040034和2006/0040038中描述的那些。这类可发泡组分的实例在下表3中给出，同时给出它们各自的估计玻璃化转变温度。如本文使用，用于本发明的无碳水化合物的可发泡组分优选包含小于约1wt％、优选小于约0.5wt％、更优选小于0.1wt％的碳水化合物。本发明的特别优选的无碳水化合物的组合物是不含碳水化合物的。本发明的无蛋白质的可发泡组分包含小于约1wt％、优选小于约0.5wt％、更优选小于约0.1wt％的蛋白质。本发明的特别优选的无蛋白质的可发泡组分是不含蛋白质的。
表3
*组合物以％干重表示；ss＝糖浆固形物；各成分组分的准确比例可变化；tg可变动很大，且为组成和水分水平的函数；物理特性可变动很大，由用来制备各成分的加工方法和条件决定，本实例列表是非限制性的。
优选，可发泡组分包含所选的成分或成分混合物，使得可发泡组分的结构足够强，以在超大气压下保持所包埋的气体。
可发泡组分还可以是粒子状成分，其具有许多含有包埋的超临界流体(例如临界温度至少10℃)的内部空隙。这种组分可这样制备：使临界温度至少10℃的超临界流体与粒子状成分接触，所述粒子状成分如咖啡或碳水化合物或任何上述组分，在高于该粒子状成分的玻璃化转变温度的温度下具有高于环境温度的玻璃化转变温度，其中该粒子状成分包含许多内部空隙；将该粒子状成分保持在高于该粒子状成分的玻璃化转变温度的温度下保持一段时间，该段时间能有效地让该超临界流体转移到该粒子状成分的许多内部空隙中；和将温度下降到该粒子状成分的玻璃化转变温度以下，从而使至少一部分超临界流体被包埋在该粒子状成分中。
可发泡组分还可以是包合物，其为包含不同化学组成的一种或多种气体分子的晶体固体或分子晶体。实例在us-a-5,589,590及日本专利号62039602和63148938中描述。特别优选的是α-环糊精-气体包合物，其中气体选自n2o、co2、n2或o2。可通过在合适的温度和压力条件下，使固体如α-环糊精的溶液与气体接触，来制备包合物。
另外任选的成分包括例如人造甜味剂、乳化剂、稳定剂、增稠剂、流化剂、着色剂、矫味剂、香味剂等。合适的人造甜味剂包括糖精、环拉酸盐、安赛蜜、l-天冬氨酰基甜味剂如阿斯帕坦以及这些甜味剂的混合物。合适的乳化剂包括甘油单酯、甘油二酯、卵磷脂、二乙酰酒石酸的甘油单酯-甘油二酯(datem)、硬脂酰乳酸酯、食品级改性淀粉、聚山梨醇酯、pga、蔗糖酯以及它们的混合物。合适的稳定剂包括磷酸二钾和柠檬酸钠。合适的流化剂(flowingagent)包括例如硅铝酸钠、二氧化硅和磷酸三钙。
可发泡组分理想地通过ep-a-1,627,568中公开的方法制备。按该方法，将组分(优选为干燥的可溶性咖啡组分)在足够的压力下加热，以迫使气体进入其内部空隙，将经加热的干燥组合物冷却然后减压，其中经减压的冷却组合物具有充满加压气体的空隙。理想地，将组合物加热到玻璃化转变温度以上，以促进这个过程。玻璃化转变温度(tg)标志着二级相变，其特征是粉末组合物从刚性玻璃样粒子状固体状态转变至软化的橡胶样粒子状固体状态。该软化的橡胶样粒子状固体状态与液化的熔化状态(其中所有受热粒子会联结成均匀的粘稠流体)区别明显。一般而言，于tg下或tg以上，气体在材料中的溶解度和扩散速度较高。tg依赖于化学组成和水分水平，一般而言较低的平均分子量和/或较高的水分会使tg降低。可简单地用本领域技术人员已知的任何合适方法，分别降低或提高粉末的水分含量，来有意地提高或降低tg。可用确立的差示扫描量热法或热机械分析技术来测量tg。合适的温度为20至150℃，优选40至130℃。合适的压力为20至3000psi，优选100至2000psi。用来填充组合物的空隙的气体可例如为空气，但理想地为氮气。可发泡组分还可在内部空隙当中含有与气相处于平衡状态的液体，或者所处温度和压力高于该流体的热力学临界点的超临界流体。任何包埋的流体可任选含有可溶于流体的添加剂，如矫味剂。可发泡组分理想地为咖啡组合物，如喷雾干燥的咖啡、注入气体的喷雾干燥的咖啡、注入气体的挤出的咖啡或冷冻干燥的咖啡。最优选，它为喷雾干燥的咖啡。
一般而言，最终组合物包含10至50wt％的可发泡组分，优选15至50wt％、更优选20至30wt％的可发泡组分。已发现，组合物中即使有该数量的可发泡组分，组合物仍具有常规的冷冻干燥咖啡组合物的外观和一般味道。为提供可接受的发泡质量而需要的可发泡组分的量将取决于可发泡组分的性能和物理特性，如粒度和形状。例如，对于当通过与水接触而湿润时(例如在与含水咖啡提取物混合过程中或者在与蒸汽接触过程中)发生完全溶解的倾向较低的可发泡组分，它在干燥后将保持更多的发泡特性，从而得出具有增强的发泡质量的产品。
最终组合物的堆密度为0.16至0.45g/cm3，优选0.16至0.30g/cm3，更优选0.19至0.25g/cm3，甚至更优选0.20至0.24g/cm3。振实堆密度通常为0.17至0.32g/cm3，优选0.20至0.26g/cm3。这与标准的冷冻干燥咖啡组合物大约相同。因此，消费者可简单地按与常规冷冻干燥组合物通常用量相同的数量使用该组合物。
虽然，最终组合物的堆密度和振实密度与标准的冷冻干燥咖啡组合物大约相同，但最终组合物的骨架密度通常低于标准的冷冻干燥咖啡组合物，因为存在着密度比周围的咖啡基质低的充气封闭孔，所述充气封闭孔是通过使可发泡组分的粒子包埋在咖啡基质当中而形成。最终组合物的骨架密度通常低于约1.3g/cm3，而冷冻干燥咖啡颗粒的骨架密度通常高于约1.4g/cm3。可溶性咖啡的真密度通常为约1.5g/cm3。
冷冻干燥的发泡咖啡组合物可按常规方式用热水稀释，以形成在其上表面上具有泡沫的咖啡饮料。已发现即使当搅拌咖啡饮料时，该泡沫也能保持。
现将通过以下实施例进一步描述本发明。
实施例
实施例1
本实施例证明本发明在用200cm3热水(85℃)，于内径65mm的250cm3烧杯中重新溶解的冷冻干燥速溶可溶性咖啡中的益处。
冷冻干燥的速溶可溶性咖啡按以下程序制备。首先，将240g水分含量约为2重量％的冷冻干燥的速溶咖啡颗粒溶于等量的热水中，得到含水咖啡提取物。然后，将该含水咖啡提取物冷却到约5℃的温度。然后，通过将冷却的含水咖啡提取物在引入氮气的同时，在高剪切水平下进行混合，使包埋的气泡均匀分散在其中，来使冷却的含水咖啡提取物发泡成约0.8g/cm3的密度。然后可将发泡的含水咖啡提取物进一步冷却到约-10℃的温度，并进一步混合以确保均匀。
可发泡组分按以下程序制备。首先，将一定量的含有许多封闭孔的多孔喷雾干燥可溶性咖啡粉末(由激光衍射测出平均粒度(d50)为约200μm，0％＞500μm)装入压力容器中。该可溶性咖啡粉末的玻璃化转变温度(tg)为约60℃，封闭孔体积为约0.75cm3/g。压力容器用氮气加压到约40巴(压力计)的压力。
然后，通过外部加热夹套将容器加热到超过90℃的温度，这高于可溶性咖啡的玻璃化转变温度。让容器和内容物保持在该温度下约10分钟的时间。然后将容器冷却到约30℃的温度，这低于可溶性咖啡的玻璃化转变温度，从而在超大气压下将一部分氮气捕获在喷雾干燥的可溶性咖啡粉末的封闭孔内。将容器减压，卸出可溶性咖啡粉末。当如上所述，将含有超大气压下的包埋氮气的3g此可溶性咖啡粉末重新溶解时，泡沫的高度(在液体表面和泡沫顶部之间测量)超过10mm。相比之下，在没有加入加压粉末的情况下所产生的泡沫的高度为约1.5mm。用关于泡沫密度和递增泡沫体积的知识估计发泡剂所释放的气体的量(针对室温和压力加以校正)，在环境温度(25℃)下为至少约15cm3/g粉末。
将可发泡组分冷却至约-65℃的温度，手工(用茶匙)将160g的可发泡组分混合到冷却的发泡含水咖啡提取物中。该混合过程进行约2分钟时间。然后，为了形成固体厚片，通过使固体厚片通过ces线型冷冻隧道，来使所得的混合物进一步冷却到低于约-30℃的温度。冷冻隧道利用液氮的蒸发，一方面产生冷却空气流，通过一系列风扇鼓向该厚片，另一方面通过液氮在冷冻隧道内的产品表面上的蒸发直接冷却产品。将冷冻隧道设定成在-70℃的内部空气温度下操作，厚片在隧道中的停留时间设定为大约4分钟。使厚片经过隧道三次，以确保完全冷冻。冷冻后，将固体厚片在温度约-65℃的冷冻库中储藏过夜，然后用位于约-40℃的冷室内的造粒机进行造粒。然后通过用标准的冷冻干燥方法，在部分真空下将冰升华成水汽，从所得的颗粒除去水分。
然后将所得的冷冻干燥咖啡产品进行筛分，以使任何500μm以下的粒子与冷冻干燥的咖啡颗粒分离开来，该颗粒非常类似于标准的市售冷冻干燥咖啡颗粒。该颗粒的堆密度为0.228g/cm3，振实堆密度为0.237g/cm3，骨架密度为1.06g/cm3，封闭孔体积为0.29cm3/g。当如上所述，将3g的这些咖啡颗粒重新溶解时，观察到饮料表面上的泡沫量显著大于市售的冷冻干燥咖啡颗粒，并观察到即使饮料被搅拌过后，泡沫层也完全覆盖饮料表面。经定量挂杯泡沫试验测量，重新溶解后泡沫体积在1分钟后为3cm3，在10分钟后为1cm3。
注意，当如上所述进行重新溶解时，大小在500μm以下的冷冻干燥粒子产生出极大量的泡沫。设想到，这些外观与喷雾干燥咖啡粉末相似的微细粒子，部分上是由可发泡组分的粒子所组成，这些可发泡组分未充分分散到含水咖啡提取物中，以至于在冷冻厚片进行造粒后保持包埋在颗粒中。据认为，这些粒子即使在冷冻干燥过程后，也保持了其处于超大气压下的包埋气体的大部分。
下表4总结了另外的实验的结果，进行这些实验是为了说明本发明的一些特征。本实施例中所有封闭孔体积是相对于该可溶性咖啡的真密度(经测量为1.53g/cm3)计算的。
表4
*颗粒外观一般为球状，不像标准的冷冻干燥咖啡颗粒
实施例2
以下实施例证明本发明在用200cm3热水(85℃)，于内径65mm的250cm3烧杯中重新溶解的冷冻干燥速溶可溶性咖啡组合物中的益处。
用喷雾干燥的麦芽糖糊精基可发泡组分取代实施例1的喷雾干燥的可溶性咖啡可发泡组分，按实施例1的方法制备冷冻干燥的速溶可溶性咖啡组合物。
该麦芽糖糊精基可发泡组分按照以下程序制备。将一定量的、由92％麦芽糖糊精和8％食品级改性淀粉组成的含有许多封闭孔的多孔喷雾干燥粉末(由激光衍射测量平均粒度(d50)为约130μm，0％的粒子＞500μm)装入压力容器中。该麦芽糖糊精基粉末的玻璃化转变温度(tg)为约100℃，封闭孔体积为约0.9cm3/g。压力容器用氮气加压到约40巴(压力计)的压力。然后通过外部加热夹套将容器加热到超过145℃的温度，这高于麦芽糖糊精基粉末的玻璃化转变温度。让容器和内容物保持在该温度下约10分钟的时间。然后将容器冷却到约50℃的温度，这低于麦芽糖糊精基粉末的玻璃化转变温度，从而将一部分超大气压下的氮气包埋在麦芽糖糊精基粉末的封闭孔内。将容器减压，卸出麦芽糖糊精基粉末。当将3g的此含有超大气压下的包埋氮气的麦芽糖糊精基粉末加到11.5g的由可溶性咖啡、常规发泡乳脂替代品粉末和糖组成的速溶卡普契诺咖啡(cappuccino)混合物，并如上所述重新溶解时，泡沫的高度(在液体表面和泡沫顶部之间测量)超过30mm。相比之下，在没有加入加压粉末的情况下所产生的泡沫的高度为约10mm。用关于泡沫密度和递增泡沫体积的知识估计发泡剂所释放的气体的量(针对室温和压力加以校正)，在环境温度(25℃)下为至少约15cm3/g粉末。
将麦芽糖糊精基可发泡组分冷却并混合到咖啡提取物中，并通过实施例1的方法进行冷冻、造粒、冷冻干燥和筛分，以产生颗粒状的发泡速溶冷冻干燥咖啡组合物。颗粒的颜色基本上为褐色，在颗粒基质当中明显可见嵌着颜色较浅的喷雾干燥粉末的粒子。也可见以下粒子：这些粒子由通过较深色咖啡基质结合的浅色喷雾干燥粒子的附聚物组成。
该颗粒的堆密度为0.206g/cm3，振实堆密度为0.216g/cm3，骨架密度为1.19g/cm3，封闭孔体积为0.18cm3/g。
当如上所述将3g的这些颗粒重新溶解时，观察到即使饮料被搅拌过后，饮料表面上的泡沫量也完全覆盖饮料表面，并的确持续到在重新溶解后5分钟还基本上覆盖饮料表面。经定量挂杯泡沫试验测量，重新溶解后泡沫体积在1分钟后为4cm3，在10分钟后为1.75cm3。
还通过实施例2的方法，但加入到咖啡提取物之前，于环境温度(大约20℃)下，用可发泡组分制备组合物。所得的发泡冷冻干燥咖啡组合物的堆密度为0.233g/cm3，振实堆密度为0.245g/cm3，骨架密度为1.17g/cm3，封闭孔体积为0.19cm3/g。当如上所述重新溶解时，形成了即使在饮料被搅拌过后也完全覆盖饮料表面的泡沫层。经定量挂杯泡沫试验测量，重新溶解后泡沫体积在1分钟后为4cm3，在10分钟后为1.5cm3。
本实施例中所有封闭孔体积是相对于该咖啡组合物的真密度(经测量为1.51g/cm3)计算的。
实施例3
以下实施例说明通过对速溶可溶性咖啡粉末和可发泡组分的粒子进行蒸汽附聚来制备颗粒状发泡速溶咖啡组合物。
将一定量的喷雾干燥速溶可溶性咖啡粉末研磨，从而破坏所有的封闭孔，然后与实施例2的可发泡组分进行掺合，使得可发泡组分占掺合的粉末组合物的25wt％。
用意大利maranello市的icfindustriecibecs.p.a公司供应的蒸汽附聚装置(已知为并在下文称为速溶化设备)，将此掺合的组合物成形为颗粒。使掺合的组合物通过孔隙大小为2.5cm的网栅下落，并被蒸汽流冲击。一部分此蒸汽凝结在粒子表面上，造成粒子互相粘附，从而形成附聚粒子，这些附聚粒子包含含有可发泡组分的包埋粒子的速溶咖啡基质。然后使这些附聚粒子经过转鼓干燥室，其中用大约110℃温度的热空气将水分从附聚粒子除去，使得最终组合物的水分含量低于约5wt％。
然后将最终组合物筛分，以除去粒度在500μm以下的任何微细或未附聚的粒子。
网栅的尺寸、产品和蒸汽流速和干燥温度可容易地由本领域技术人员调节，以形成所需形状和一般外观的颗粒。发现通过使用下表5中所示参数，可有利地使附聚粒子类似于标准的冷冻干燥速溶咖啡的形状和一般外观，并具有与标准的冷冻干燥速溶咖啡相似的堆密度，所述附聚粒子包含其中包埋有可发泡组分的粒子的速溶咖啡基质。另外发现，包埋在所述附聚粒子当中的可发泡组分的结构基本上得以保持，使得附聚粒子具有0.10cm3/g的封闭孔体积，这些封闭孔含有包埋气体。
当将3g的最终组合物用200cm3的热水(85℃)，在65mm内径的250cm3烧杯中进行重新溶解时，观察到即使饮料被搅拌过后泡沫层也完全覆盖饮料表面，并的确持续到在重新溶解后5分钟还基本上覆盖饮料表面。
表5
实施例4
将冷冻干燥咖啡颗粒用等量的热水重新溶解，以产生固形物浓度大约为50％的咖啡提取物。将此咖啡提取物冷却至大约5℃，并通过加入氮气进行发泡，以得到发泡提取物密度为810g/l的提取物。然后将咖啡提取物进一步冷却至大约-5℃。
向40g的该咖啡提取物混合入10g的α-环糊精-co2包合物晶体。将所得的混合物冷冻至低于-40℃的温度并进行冷冻干燥。在干燥后将冷冻干燥过的产品手工造粒，并筛分除去尺寸小于500μm的细粒。
还通过相同的方法，但不加入包合物晶体产生了对照样品。
含有包合物的样品与对照样品相比在干燥过程中稍微膨胀，堆密度为0.18g/cm3。该样品的骨架密度为1.29g/cm3，真密度为1.49g/cm3，得出0.10cm3/g的封闭孔体积。该样品具有标准的冷冻干燥咖啡颗粒的一般外观，但其中包埋有一些白色晶体。发现含有包合物晶体的样品一旦用热水进行重新溶解并搅拌，在刚搅拌后和搅拌5分钟后提供显著更多的发泡。由定量挂杯泡沫试验测量，重新溶解后泡沫体积在1分钟后为2.75cm3，在10分钟后为1.5cm3。对照样品(在干燥前不加入可发泡组分)没有泡沫。
实施例5
本实施例涉及用200cm3热水(85℃)，于内径65mm的250cm3烧杯中重新溶解的冷冻干燥速溶可溶性咖啡。
冷冻干燥的速溶可溶性咖啡按以下程序制备。首先，将水分含量约为2重量％的冷冻干燥的速溶咖啡颗粒溶于等量的热水中，制备出含水咖啡提取物。然后，将该含水咖啡提取物冷却到约5℃的温度。然后，通过将冷却的含水咖啡提取物在引入氮气的同时，在高剪切水平下进行混合，使包埋的气泡均匀分散在其中，来使冷却的含水咖啡提取物发泡成约0.8g/cm3的密度。然后将发泡的含水咖啡提取物进一步冷却到约-10℃的温度，并进一步混合以确保均匀。
可发泡组分按以下程序制备。首先，将一定量的包含尺寸在约500微米至约3mm的粒子的冷冻干燥可溶性咖啡颗粒装入压力容器中。该可溶性咖啡的玻璃化转变温度(tg，由差示扫描量热法(dsc)测量)为约60℃，堆密度为约0.24g/cm3，封闭孔体积为约0.02cm3/g。压力容器用氮气加压到约40巴(压力计)的压力。
然后通过外部加热夹套将容器加热到超过90℃的温度，这高于可溶性咖啡的玻璃化转变温度。让容器和内容物保持在该温度下约10分钟的时间。然后将容器冷却到约30℃的温度，这低于可溶性咖啡的玻璃化转变温度。将容器减压，卸出可溶性咖啡。
所得的可溶性咖啡颗粒堆密度为0.62g/cm3，骨架密度为1.17g/cm3，封闭孔体积为0.20cm3/g。
由于上述的压力处理，冷冻干燥可溶性咖啡颗粒的封闭孔体积显著增加，这可能是由于封闭住了一些开放的孔所造成和/或由于加热过程中熔融颗粒之间产生一些新的封闭孔所造成。
当如上所述将含有超大气压下的包埋氮气的3g这些可溶性咖啡颗粒重新溶解时，泡沫的高度(在液体表面和泡沫顶部之间测量)超过21mm。相比之下，压力处理前的颗粒如上所述进行重新溶解时所产生的泡沫的高度太小，以至于几乎不可测量，即＜1mm。用关于泡沫密度和递增泡沫体积的知识估计可发泡组分所释放的气体的量(针对室温和压力加以校正)，在环境温度(25℃)下为至少约15cm3/g粉末。
手工(用茶匙)将一定量的可发泡组分混合到冷却的发泡含水咖啡提取物中。该混合过程进行约2分钟时间。可发泡组分在混合前没有进行冷却，因此可发泡组分在混合前的温度为约20℃。然后，为了形成固体厚片，通过使固体厚片通过ces线型冷冻隧道，来使所得的混合物冷却到低于约-30℃的温度。冷冻隧道利用液氮的蒸发，一方面产生冷却空气流，通过一系列风扇鼓向该厚片，另一方面通过液氮在冷冻隧道内的产品表面上的蒸发直接冷却产品。将冷冻隧道设定成在-70℃的内部空气温度下操作，厚片在隧道中的停留时间设定为大约4分钟。使厚片经过隧道三次以确保完全冷冻。冷冻后，将固体厚片在温度约-65℃的冷冻库中储藏过夜，然后用位于约-40℃的冷室内的造粒机进行造粒。然后通过用标准的冷冻干燥方法，在部分真空下将冰升华成水汽，从所得的颗粒除去水分。
然后将所得的冷冻干燥咖啡产品进行筛分，以使任何500μm以下的粒子与冷冻干燥的咖啡颗粒分离开来，该颗粒非常类似于标准的市售冷冻干燥咖啡颗粒，尽管在仔细进行目视检查时，可见嵌入咖啡颗粒中的可发泡组分的粒子。颗粒的堆密度、振实堆密度、骨架密度和封闭孔体积如下表6所示。当如上所述将3g的这些咖啡颗粒重新溶解时，观察到饮料表面上的泡沫量显著多过市售的冷冻干燥咖啡颗粒，并观察到即使饮料被搅拌过后，泡沫层也完全覆盖饮料表面。经定量挂杯泡沫试验测量的重新溶解后泡沫体积在下表6中显示。
注意，通过实施例5的方法制备的冷冻干燥咖啡粒子在用热水进行重新溶解时，产生出值得注意的破裂声，这表明在嵌入冷冻干燥颗粒基质当中的可发泡组分的封闭孔内存在加压气体。
与使用喷雾干燥的可发泡组分相比，当用冷冻干燥的可发泡组分时所产生的泡沫体积稍大些，这可能是由于冷冻干燥的可发泡组分与喷雾干燥的可发泡组分相比，在冷冻的含水咖啡提取物中溶解的倾向减少。
本实施例中所有封闭孔体积是相对于该可溶性咖啡的真密度(经测量为1.53g/cm3)计算的。
表6