Агротехника, защита растений от болезней и вредителей, способы размножения
Адаптивность — способность живых существ к приспособлению, приспособляемость к определённому разнообразию средовых факторов последовательности и степени их проявления. Она проявляется через обретение признаков (адаптивных) и приспособительных функций, способствующих приспособлению организмов к определённым условиям среды, формирующихся в процессе адаптеногенеза [Зыкин, 1986].
Под адаптацией принимается процесс или результат любых изменений в структуре и функциях организма, обеспечивающих способность к существованию в данной среде [Жученко, 2008]. Успех интродукции в первую очередь зависит от степени адаптации интродуцентов к новым экологическим условиям [Карпун, 2004; Петровская-Баранова, 1983].
Природные условия выращивания кофе аравийского. Для создания микроклимата при выращивании растений кофе и при разработке приемов ухода за ними в интерьере помещений необходимо учитывать природные факторы (климатические и экологические условия) генетически закрепленные.
Coffea arabica L.-в диком виде встречается в речных долинах Эфиопии, на высоте 1600-2000 метров над уровнем моря. Растение не выносят тропической жары преобладающей на высоте ниже 1200-1500 метров над уровнем моря. В нижних зонах его заменяет жароустойчивый вид С.
canephora Pierre (С. robusta Linden). Естественный ареал диких видов кофейного дерева расположен в тропи ческом поясе от 15 с. ш. до 12 ю. ш., ареал культурного кофе — между 20 с.ш. и 20 ю.ш., в Южной Америке (провинция Наталь) — до 30ю. ш. [Муравьева, 1983].
По другим данным, С. агаЫса L. произрастает в горах Эфиопии (6 — 9 с. ш.) под пологом леса, на высоте от 1400 до 1800 м над уровнем моря [Purseglove, 1984]. По П.М. Жуковскому (1971) верхний предел высоты, как и крайние широты мест возможного выращивания кофе, ограничиваются низкими температурами.
Оптимальная высота произрастания — 1350 м, в области вулканических пород [Вавилов, 1967; Моретт, 1951]. Пониженные участки высоких массивов, связанные базальтовыми и трахитовыми плато, покрыты глинистой и красной почвой, исключительно богатой органическими веществами и фосфорной кислотой.
Климат Эфиопии тропический пустынный и полупустынный на севере и востоке (осадков менее 50 мм в год), жаркий и сезонно-влажный в остальной части. Резко выражены климатическая поясность и экспозиционные различия. На севере и в центре Эфиопии, где произрастает кофе, осадки выпадают летом, на юге — весной и осенью, на восточных склонах нагорья бывают скудные зимние дожди.
В горах нижний пояс (до высоты 1700-1800 м) жаркий, на западных и юго-западных склонах влажный (до 2000 мм осадков); умеренный пояс (до 2400 м) со средними месячными температурами от 13 до 16-18С, менее влажный, поднимается до 4000 м, выше (холодный) с зимним снежным покровом на вершинах гор.
Почвы склонов Эфиопского нагорья в жарком поясе красно-бурые и горные тёмно-красные гумусные ферсиаллитные; на базальтовых плато широко распространены чёрные монтмориллонитовые почвы; в поясе Война-дега почвы гумусные тёмно-красные ферраллитные и ферсиаллитные, а также горные чернозёмовидные, гумусные и плодородные, давно распахиваемые.
В поясе Дега появляются чернозёмовидные выщелоченные почвы. На засушливых восточных и южных окраинах Эфиопии бурые и красно-бурые почвы, часто каменистые. Северную, восточную и южную части Эфиопии с сухим и жарким климатом занимают кустарниковые пустыни, полупустыни и опустыненные саванны, главным образом акациевые.
На западных и юго-западных склонах Эфиопского нагорья чётко выражена высотная поясность. В поясе колла с севера на юг сменяются опустыненные, типичные и влажные саванны, в долинах рек вечнозелёные леса. Вечнозелёные леса с кофейным деревом растут на очень влажных юго-западных склонах на высоте 1200-2000 м [Kazmin, 1975; Carl Troll, 1970; Suzuki Hideo, 1967].
Особенности роста и развития кофе в условиях оранжереи и интерьеров помещений.
Растение кофе в условиях интерьера начинает цвести и плодоносить на 3 — 4-м году жизни. Цветёт в течение 3 месяцев [Кузьмина-Медова, 1986]. В комнатных условиях с одного растения можно получить до 0,5 кг зёрен в год. На 6-й год наступает массовое плодоношение. Наибольшего плодоношения кофе в интерьере достигает на 10-15-й год и плодоносит довольно долго [Блейз, 2002].
Рост растений кофе в оранжереях в высоту идёт усиленно в первые три года (1 год — до 20 см, 2 года — до 50 см, 3 год — более 100 см) с одновременным утолщением штамба, усилением роста скелетных ветвей, образующих крону [Токарева, 1988]. Высота растений кофе в интерьерах закрытых помещений может достигать до 3,5 м [Кузьмина-Медова, 1986].
У растений кофе на молодых растениях в условиях оранжереи ежегодно появляются до 11 побегов длиной до 30 см, суммарный прирост которых в среднем составляет от 1 м до 2 м. При этом, может наблюдаться усыхание нижних веток и замена их новыми, вырастающими из спящих почек [Токарева, 1988].
Экологические факторы, влияющие на рост и развитие растений кофе в закрытых помещениях. Важным условием выращивания кофейного дерева в интерьере является подбор путём мониторинга окружающей среды комфортных мест и зон в здании. Они должны соответствовать комплексу требований, предъявляемых круглый год растениями кофе к интенсивности освещения и качеству спектру света, длине светового дня, к оптимальной температуре и относительной влажности воздуха, скорости воздушных потоков, адаптивному аллелопатическому и декоративному межвидовому сочета нию (конкуренции за свет, влагу, питание и углекислоту) в фитокомпозициях с другими декоративными видами растений, включая их разные жизненные формы — травы, кустарники, деревья и лианы.
Физиологические процессы в растительных организмах (дыхание, фотосинтез, передвижение воды и питательных веществ и т.д.) протекают только при оптимальных параметрах факторов среды. Повышение температуры воздуха вызывает снижение интенсивности роста. Низкая освещенность, высокая температура и низкая относительная влажность воздуха, скорость воздушных потоков и связанное с этим испарение губительно действуют на растения [Кулик, 1966].
Влияние световых факторов на рост и развитие растений кофе. Световые факторы — интенсивность света, длина светового дня и изменения фотопериода в течение года — имеет важное значение при интродукции тропических и субтропических растений в интерьеры закрытых помещений.
Фотопериодическая реакция растений является уникальным звеном экологического контроля их жизнедеятельности. В ее основе лежит принцип опережающего отражения действительности, определяющий в зависимости от сезонных изменений длины дня на той или иной географической широте временную и пространственную организацию процессов роста и развития в стратегии адаптации вида, популяции, биотипа, индивида [Тараканов, 1996].
По данным систематиков [Скрипчинский, 1975], большинство покрытосемянных растений — около 180 тыс.— тропические и субтропические виды выходцы из областей короткого дня.
В Москве интенсивность освещения существенно меняется в зависимости от сезона: от высокой интенсивности света летом (80-100 тыс. лк) до очень низкой, порой недостаточной даже для теневыносливых и тенелюбивых растений в зимний период (0,5-0,8 тыс. лк).
Нормальный рост и развитие тенелюбивых и теневыносливых растений зависят от их вида [Леман, 1976]. Таким образом, в течение четырех месяцев в условиях Москвы и Московской области (с октября по январь) растения не получают даже того минимума освещённости, который им требуется для поддержания своего существования.
Однако еще до реального ухудшения световых условий в развивающемся сезоне у растений начинается заблаговременное усиленное развитие светособи-рающего аппарата, затрагивающее морфологию листьев, адаптационные изменения пигментного комплекса, вытягивание побегов у растений со стратегией ком-петиторов или уход в состояние покоя у стресс-толерантов [Tarakanov, 2006].
Свет начинает действовать только после его поглощения определённой системой пигментов [Физиология плодовых растений, 1983]. При низком уровне освещенности интенсивность фотосинтеза снижается. С ростом освещенности наступает компенсационная точка, когда количество углекислого газа, выделяемого при дыхании, сравнимо с его объёмом, потребляемым для фотосинтеза.
Дальнейший рост освещенности повышает интенсивность фотосинтеза. У светолюбивых растений баланс наступает при более высокой освещенности, у теневых — более низкой. При 8-часовом дне и естественной освещённости около 1 тыс. лк многие высшие растения находятся на границе положительного баланса фотосинтеза [Соколова, 2006].
Исследование кофе оптическими методами физико-химического анализа
научный журнал (scientific journal)
http://www. bulletennauki. com
№11 (ноябрь) 2022 г.
УДК 543.4
ИССЛЕДОВАНИЕ КОФЕ ОПТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
COFFEE RESEARCH USING OPTICAL METHODS OF PHYSICAL AND CHEMICAL ANALYSIS
©Тихонов Б. Б.
канд. хим. наук
Тверской государственный технический университет г. Тверь, Россия, tiboris@yandex.ru ©Tikhonov B.
Ph.D., Tver State Technical University Tver, Russia, tiboris@yandex.ru ©Кузнецов В. В.
БунаКофе, г. Тверь, Россия, viktor@bunacoffee.ru
©Kuznetsov V.
BunaCoffee, Tver, Russia, viktor@bunacoffee.ru
Аннотация. В работе рассмотрены аспекты применения оптических методов физико-химического анализа для установления идентичности экстракции функциональных групп веществ при разных способах приготовления кофе. Для проведения исследований были использованы методы инфракрасной спектроскопии диффузионного отражения, спектрофотометрии и рефрактометрии. Было проведено сравнение способов приготовления кофе в каппинге и аэропрессе Aerobie Aeropress Coffee Maker. В качестве варьируемых параметров были выбраны температура воды, используемой для заваривания, и скорость продавливания жидкости поршнем аэропресса. По результатам исследований коэффициент преломления всех образцов практически одинаков, а TDS несколько отличается, при этом в оптимальном диапазоне (1,15-1,35%) находится TDS только образцов, приготовленных при температуре воды 96 °С. По инфракрасным спектрам образцов, было выявлено, что, что наиболее полное извлечение кофеина, теобромина, теофиллина, тригонеллина и хлорогеновых кислот из кофейного зерна наблюдается при температуре воды 96 °С (при данной температуре спектры поглощения образцов из каппинга и аэропресса практически идентичны). В спектрах образцов в ультрафиолетовой области наблюдаются типичные для кофе пики кофеина, теобромина, теофиллина и тригонеллина (диапазон 270-275 нм), причем они наиболее ярко выражены в каппинге. Органолептический анализ образцов кофе показал, что оптимальным вкусом обладают образцы, приготовленные в каппинге (96 °С) и в аэропрессе (96 °С, продавливание в течение 5 секунд), при этом их вкус практически идентичен, что подтверждает данные инфракрасной спектроскопии. Полученные результаты свидетельствуют о высокой перспективности использования оптических методов физико-химического анализа для исследования качества и идентичности образцов кофе.
Abstract. The paper discusses aspects of application of optical methods of physical and chemical analysis to determine the identity of the functional groups of substances extraction at different ways of making coffee. Infrared spectroscopy, diffusion reflectance spectrophotometry and refractometry methods were used for the researches.
A comparison of coffee preparation methods was conducted in cupping and aeropresse Aerobie Aeropress Coffee Maker. Temperature of the water used to brew, and the punching speed of liquid by aeropressa piston were selected as variable parameters.
научный журнал (scientific journal)
http://www. bulletennauki. com
№11 (ноябрь) 2022 г.
According to the research data the refractive index of all the samples is almost identical, but TDS is slightly different, and only TDS of samples prepared at a water temperature of 96 °C lies in the optimal range (1,15-1,35%).
According to the infrared spectra of the samples the most complete recovery of caffeine, theobromine, theophylline, trigonelline and chlorogenic acid from the coffee beans is observed at a water temperature of 96 °C (at this temperature the absorption spectra of samples from cupping and aeropressa are almost identical).
Typical for coffee peaks of caffeine, theobromine, theophylline and trigonelline (in the range of 270-275 nm) are observed in spectra of samples in the ultraviolet region, and they are most pronounced for the cupping. Sensory analysis of coffee samples showed that the samples prepared in cupping (96 °C) and aeropresse (96 °C, punching for 5 seconds) have optimal flavor, and their taste is practically identical, which is confirmed by the infrared spectroscopy data. The results show high prospects of using of optical methods of physical and chemical analysis to the quality and the identity of the coffee samples researches.
Ключевые слова: кофе, инфракрасная спектроскопия, спектрофотометрия, рефрактометрия.
Keywords: coffee, infrared spectroscopy, spectrophotometry, refractometry.
Кофе относится к наиболее значимым для повседневного человека пищевкусовым продуктам. Россия входит в число десяти самых потребляющих кофе стран [1, с. 15]. Объемы потребления этого напитка возрастают с каждым годом и за последние 15 лет увеличилось более чем на 50% (БизнесСтат: http://businesstat.ru). Популярность кофе обусловлена прежде всего его составом. Обжаренное кофейное зерно содержит более 200 различных ароматических, вкусовых и биологически активных веществ [2, с. 5]. Аромат и вкус кофе, играющий важную роль при оценке его качества, прежде всего, обусловлен наличием определенного комплекса вкусовых и летучих соединений, к наиболее важным из которых относятся алкалоиды — кофеин, теобромин и теофиллин, а также дубильные вещества (танин, катехины и др.) и хлорогеновые кислоты [3, с. 35]. Кроме этого, в кофе содержится большое число ароматических компонентов, состоящих из соединений разных классов органических веществ — альдегидов, кетонов, дикетонов, кислот, сернистых и азотистых соединений, фенолов, производных фуранов [2, с. 96].
Так как процесс заваривания кофе представляет собой экстракцию, то органолептические и физико-химические свойства, а также качество напитка определяется прежде всего полнотой экстракции, то есть степенью извлечения основных компонентов кофейного зерна (прежде всего — кофеина, теобромина, тригонеллина и хлорогеновых кислот) (Bunn: http://www.bunn.com/sites/default/files/brochure/coffee_basics_scae_russian.pdf). В настоящее время разработаны и применяются несколько различных способов приготовления кофейного напитка, отличающихся как своим физическим смыслом, так и эффективностью [4, c. 3]. Наиболее полную экстракцию функциональных и ароматических веществ кофейного зерна обеспечивает метод каппинга — свободного заваривания непосредственно в бразильской чашке (от англ. to cup — профессионально дегустировать кофе; профессиональный термин, обозначающий дегустацию кофе, в ходе которой определяются характеристики его вкуса и запаха) (Интернет-магазин кофе Torrefacto: https://www.torrefacto.ru/blog/cupping). Однако кофе, заваренный этим методом, неудобен для употребления клиентом, прежде всего, из-за большого количества взвешенных частиц. Большинство существующих альтернативных способов заваривания (аэропресс, воронка Харио, кемекс, сифон и т. д.) характеризуются меньшей эффективностью извлечения веществ кофейного зерна [4, с. 6]. Основными факторами, влияющими на эффективность заваривания кофе, являются свойства используемой воды, степень измельчения кофейных
научный журнал (scientific journal)
http://www. bulletennauki. com
№11 (ноябрь) 2022 г.
зерен, температура и время заваривания, а также дополнительные механические воздействия (Bunn: http://www.bunn.com/sites/default/files/brochure/coffee_basics_scae_russian.pdf). В связи с этим основной задачей специалистов является варьирование данных факторов с целью приближения метода заваривания к каппинговому методу (как по глубине экстракции веществ, так и по вкусу и аромату кофе.
Оптические методы физико-химического анализа очень часто используются для анализа свойств кофейных зерен, молотого кофе и кофейного напитка. Важнейшим показателем качества кофейного напитка является TDS (Total Dissolved Solids) — «общее количество растворенных (в напитке) твердых веществ». Этот параметр характеризует степень крепости кофе и измеряется при помощи специального рефрактометра (Expert-CM.ru: http://expert-cm.ru/stati/poisk-idealnogo-vkusa-s-pomoschyu-nauki-extractmojo-i-
refraktometr.html). Стандартным методом для определения содержания кофеина в кофе является фотометрический метод [5, с. 3], также он может определяться спектрофотометрически [6, с. 6]. Для определения содержания кофеина в обжаренном кофейном зерне и для оценки степени его окрашивания применен метод спектроскопии в ближней ИК-области спектра [7, с. 7480]. Таким образом, использование оптических методов анализа позволяет получить достаточно полную информацию о составе и свойствах кофе.
Целью данного исследования было установление идентичности экстракции функциональных групп веществ при разных способах приготовления кофе с помощью оптических методов физико-химического анализа.
Материалы и методики
В работе использовались следующие материалы:
— измельченные кофейные зерна кооператива Агути (урожай 2022 года, регион Ньери, станция обработки Гититу, Кения, 1700-1800 м над уровнем моря), обжаренные в течение 8 минут;
— минеральная вода «SPA Reine» (Бельгия) с рН=6,0 и уровнем минерализации 33 мг/л (состав, мг/л: кальций — 4,5; магний — 1,3; натрий — 3; калий — 0,5; гидрокарбонат — 15; хлор — 5; сульфат — 4; кремний — 7; нитраты — 1,9).
Заваривание проводилось в стандартной бразильской чашке и аэропрессе Aerobie Aeropress Coffee Maker (США).
Анализ инфракрасных спектров образцов проводился с помощью инфракрасного спектрофотометра с преобразованием Фурье и приставкой диффузионного отражения IRPrestige-21 («Shimadzu», Япония).
Анализ спектров образцов в видимой и ультрафиолетовой области проводился с помощью спектрофотометра СФ-2000 (ОКБ «Спектр», Россия).
В качестве фона для анализа спектров использовалась вода «SPA Reine».
Измерение показателей преломления образцов проводился с помощью рефрактометров ИРФ-454 Б2М (коэффициент преломления) и PAL-Coffee (TDS — общее количество растворенных частиц, % масс.).
Кофе приготавливался 2 способами:
1. каппинг — 11 г измельченных кофейных зерен вносили в чашку и заливали 200 мл воды, оставляли для заваривания в течение 4 минут, после чего разбивали образующуюся на поверхности кофе «шапку» ложечкой, в результате чего частицы кофейных зерен осаждались на дно чашки;
2. аэропресс — 11 г измельченных кофейных зерен вносили в аэропресс и заливали 200 мл воды (во избежание неуправляемой турбулентности при переворачивании аэропресса, воду заливали непосредственно на фильтр, а не на поршень аэропресса), оставляли для заваривания в течение 2 минут, после чего разбивали образующуюся на поверхности кофе «шапку» ложечкой и продавливали кофе через фильтр аэропресса в бразильскую чашку.
научный журнал (scientific journal)
http://www. bulletennauki. com
№11 (ноябрь) 2022 г.
Меньшее время заваривания, по сравнению с каппингом, компенсировалось увеличением скорости экстракции за счет давления поршня аэропресса и столба воздуха под ним на кофе.
В качестве варьируемых параметров были выбраны температура воды, используемой для заваривания, и скорость продавливания жидкости поршнем аэропресса.
Результаты и их обсуждение Был проведен ряд экспериментов по варьированию температуры заваривания и скорости продавливания жидкости поршнем аэропресса.
В Таблице представлены результаты измерения коэффициента преломления и TDS различных образцов.
Таблица.
ПОКАЗАТЕЛИ ПРЕЛОМЛЕНИЯ И TDS ОБРАЗЦОВ КОФЕ_
Метод Время продавливания, сек Температура воды, °С TDS, % масс. Коэффициент преломления
Каппинг — 93 1,42 1,3355
Каппинг — 96 1,46 1,3353
Аэропресс 5 85 1,39 1,3346
Аэропресс 5 93 1,48 1,3355
Аэропресс 5 96 1,28 1,3350
Аэропресс (2 фильтра) 5 96 1,29 1,3350
Аэропресс 15 96 1,45 1,3351
Аэропресс 20 96 1,28 1,3350
Как видно из Таблицы, во всех образцах коэффициент преломления был очень схожим, а TDS несколько отличается. Как известно из практики, оптимальный диапазон значений TDS (согласно требованиям нормативных документов) — 1,15-1,35%. В данном диапазоне находится TDS только 3 образцов, приготовленных при температуре воды 96 °С, в связи с чем эту температуру можно признать оптимальной.
Также для определения идентичности данных образцов между собой были получены инфракрасные спектры, позволяющие оценить наличие функциональных групп и компонентов, типичных для кофе (Рисунок 1).
В инфракрасных спектрах образцов, приготовленных при 93 °С, наблюдаются типичные для кофе пики кофеина, теобромина, теофиллина и тригонеллина (диапазон 670 см-1, 745-760 см-1), однако в аэропрессе они выражены более ярко, что свидетельствует о существенных различиях в свойствах 2 образцов. В ИК-спектрах образцов, приготовленных при 96 °С, также наблюдаются типичные для кофе пики кофеина, теобромина, теофиллина и тригонеллина (диапазон 670 см-1, 745-760 см-1), причем они наиболее ярко выражены в каппинге и образце из аэропресса (5 сек.). Таким образом, наиболее близким к каппингу в данной области спектра является образец из аэропресса (5 сек.), что подтверждается и данными в области спектра 1800-1200 см-1(Рисунок 2), где спектры каппинга и аэропресса (5 сек.) практически идентичны. При этом в этих 2 образцах ярко выражены пики кофеина, теобромина, теофиллина и тригонеллина (1710-1717 см-1, 1690-1695 см-1, 1645-1658 см-1, 1548-1550 см-1), которые незаметны в образцах из аэропресса (20 и 10 сек.). Менее выражены в образцах из каппинга и аэропресса (5 сек.) пики хлорогеновых кислот и их производных (1625-1630 см-1, 1390-1440 см-1, 1210-1320 см-1, что подтверждает их невысокое влияние на вкус продукта. Напротив, спектры каппинга и аэропресса (5 сек.) при 93°С в данном диапазоне существенно отличаются (в образце из аэропресса (5 сек.) более ярко выражены пики кофеина, теобромина, теофиллина и тригонеллина (1710-1717 см-1, 1690-1695 см-1, 1645-1658 см-1, 1548-1550 см-1), хлорогеновых кислот и их производных
научный журнал (scientific journal) http://www. bulletennauki. com
№11 (ноябрь) 2022 г.
(1625-1630 см 1, 1390-1440 см 1, 1210-1320 см 1, которые практически незаметны в каппинге).
а)
б)
Рисунок 1. Инфракрасные спектры образцов кофе в диапазоне 800-600 см а) при температуре заваривания 93 °С; б) при температуре заваривания 96 °С.
Таким образом, анализируя инфракрасные спектры образцов, можно сделать вывод о том, что температуры заваривания 93°С недостаточно для полной экстракции кофеина, теобромина, теофиллина, тригонеллина и хлорогеновых кислот, что отрицательно сказывается на вкусе образцов, а при 96°С наблюдается более полное их извлечение.
Кроме того, очевидно, что более медленное продавливание аэропресса и, соответственно, меньшее давление поршня на кофе, существенно ухудшает качество напитка, снижая эффективность экстракции вкусовых и ароматических веществ.
Далее были получены спектры образцов в видимой и ультрафиолетовой области (Рисунок 3).
научный журнал (scientific journal) http://www. bulletennauki. com
№11 (ноябрь) 2022 г.
а)
б)
Рисунок 2. Инфракрасные спектры образцов кофе в диапазоне 1800-1200 см а) при температуре заваривания 93 °С; б) при температуре заваривания 96 °С
В данных спектрах наблюдаются типичные для кофе пики кофеина, теобромина, теофиллина и тригонеллина (диапазон 270-275 нм), причем они наиболее ярко выражены в каппинге (пик в этом диапазоне у каппинга более четкий, в отличие от сглаженных пиков для образцов из аэропресса). Также во всех образцах наблюдаются менее выраженные пики хлорогеновых кислот (диапазон 300-330 нм), причем они также наиболее сильно выражены в каппинге. С ускорением продавливания существенно снижается интенсивность пиков как в диапазоне 270-275 нм, так и в диапазоне 300-330 нм. Наиболее близким по форме спектра к каппингу является образец, полученный при медленном продавливании аэропресса (20 секунд). Однако сделать вывод о том, что эти образцы идентичны, нельзя, так как интенсивность пиков в каппинге может быть несколько завышена за счет мешающего влияния взвешенных частиц.
При снижении температуры до 93 °С как в каппинге, так и в аэропрессе происходит существенное увеличение количества взвешенных и окрашенных частиц, что приводит к существенному повышению оптической плотности во всем диапазоне длин волн (что подтверждают также повышенные значения TDS для этих образцов).
БЮЛЛЕТЕНЬ НАУКИ И ПРАКТИКИ — BULLETIN OF SCIENCE AND PRACTICE
научный журнал (scientific journal) №11 (ноябрь) 2022 г.
http://www. bulletennauki. com
Рисунок 3. Спектры образцов кофе в видимой и ультрафиолетовой областях.
Органолептический анализ образцов кофе показал, что оптимальным вкусом обладают образцы, приготовленные в каппинге (96 °С) и в аэропрессе (96 °С, продавливание в течение 5 секунд), при этом их вкус практически идентичен, что подтверждает данные инфракрасной спектроскопии. Образцы имеют легкий вкус сладких сушеных ягод, сдержанную кислотность, ноты черного чая, чая из шиповника, спелого фейхоа; в послевкусии обнаруживаются ноты сушеной черники, какао и черного китайского чая.
Кроме того, было выявлено, что температура кофе после экстракции в аэропрессе при 96 °С — 65-70 °С (эквивалентно температуре каппинга через 7 минут), что комфортно для мгновенного употребления.
Таким образом, с помощью варьирования параметров заваривания кофе в аэропрессе, с использованием оптических методов физико-химического анализа (спектрофотометрия, инфракрасная спектроскопия, рефрактометрия) было проведено максимальное приближение данного метода заваривания к каппинговому методу — наиболее эффективному методу экстракции вкусовых и ароматических веществ из молотых кофейных зерен.
Выводы
Исследованы образцы кофе, заваренные разными способами: в бразильской чашке (каппинг) и аэропрессе. С использованием оптических методов физико-химического анализа проведено максимальное приближение заваривания в аэропрессе к каппинговому методу и выбраны оптимальные условия заваривания, при которых достигается наибольшая эффективность экстракции ароматических и вкусовых веществ кофейного зерна: температура воды — 96 °С, время продавливания — 5 секунд.
Список литературы:
1. Кудрин А. Л. Обзор российского рынка кофе // Экономика России: XXI век. 2022. №16. С. 14-25.
2. Татарченко И. А. Разработка новых видов чайной и кофейной продукции и совершенствование оценки их качества: дис. … канд. техн. наук. Краснодар, 2022. 200 с.
научный журнал (scientific journal)
http://www. bulletennauki. com
№11 (ноябрь) 2022 г.
3. Татарченко И. И. Научное обоснование и разработка комплексных методов оценки качества пищевкусовых продуктов (табака, чая, кофе): дис. … д-ра техн. наук. Краснодар, 2003. 400 с.
4. Варламов А., Балестрино Д. Физика приготовления кофе // Квант. 2001. №4. С. 3-7.
5. Киракосов Ю. М., Даниленко И. А. Метод определения кофеина в чае, кофе и других кофеинсодержащих продуктах // Изв. вузов. Пищ. технология. Краснодар. 1993. 11 с.
6. Минаева Н. Н., Смирнова А. В., Мирошник З. А. Спектральные методы анализа кофеина в кофепродуктах // Вестн. ЛГТУ. 2006. №1. C. 5-8.
7. Pizarro C., Esteban-Diez I., Gonzalez-Saiz J.-M., Forina M. Use of near-infrared spectroscopy and feature selection techniques for predicting the caffeine content and roasting color in roasted coffees. J. Agr. and Food Chem, 2007, v. 55, no.18, pp. 7477-7488.
References:
1. Kudrin A. L. Obzor rossiiskogo rynka kofe. Ekonomika Rossii: KhKhI vek, 2022, no. 16, pp. 14-25.
2. Tatarchenko I. A. Razrabotka novykh vidov chainoi i kofeinoi produktsii i sovershenstvovanie otsenki ikh kachestva: diss. … kand. tekhn. nauk. Krasnodar, 2022, 200 p.
3. Tatarchenko I. I. Nauchnoe obosnovanie i razrabotka kompleksnykh metodov otsenki
kachestva pishchevkusovykh produktov (tabaka, chaya, kofe): dis…..dok. tekhn. nauk. Krasnodar,
2003, 400 p.
4. Varlamov A., Balestrino D. Fizika prigotovleniya kofe. Kvant, 2001, no. 4, pp. 3-7.
5. Kirakosov Yu. M., Danilenko I. A. Metod opredeleniya kofeina v chae, kofe i drugikh kofeinsoderzhashchikh produktakh. Izv. vuzov. Pishch. Tekhnologiya, Krasnodar, 1993, 11 p.
6. Minaeva N. N., Smirnova A. V., Miroshnik Z. A. Spektralnye metody analiza kofeina v kofeproduktakh. Vestn. LGTU, 2006, no. 1, pp. 5-8.
7. Pizarro Consuelo, Esteban-Diez Isabel, Gonzalez-Saiz Jose-Maria, Forina Michele. Use of near-infrared spectroscopy and feature selection techniques for predicting the caffeine content and roasting color in roasted coffees. J. Agr. and Food Chem, 2007, v. 55, no. 18, pp. 7477-7488.
Работа поступила Принята к публикации
в редакцию 19.10.2022 г. 21.10.2022 г.
Методы интеллектуального управления процессами обжарки кофе
Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВЇСА ЗАДАЧИ
Особенности управления технологическим процессом обжарки кофе 10
Проблема выбора критериев качества управления 20
Анализ методов управления, применимых в условиях информационной неопределенности 29
Область применения нечетких систем управления 45
Анализ программно-технических средств для реализации систем управления обжаркой кофе 49
Выводы по первой главе 56
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ РОБАСТНОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБЖАРКОЙ КОФЕ
Этапы обжарки кофе 59
Идентификация ростера, как объекта управления теплообменными процессами 63
Робастное управление температурой воздуха в ростере
с использованием интегрального квадратичного критерия 64
2.4. Расчет параметров настройки регуляторов в системах
с неточно заданными параметрами объекта 72
2.5. Выводы по второй главе 87
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ НЕЧЕТКОГО УПРАВЛЕНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИИ
СИСТЕМ ДЛЯ ОБЖАРКИ КОФЕ
3.1. Влияние режимов обжаривания на физико-химические
показатели кофе 89
Идентификация функциональных зависимостей с помощью нечеткого логического вывода 95
Модели нечеткого логического вывода 96
Идентификация на основе нечеткого вывода 101
Нечеткая идентификация в системе MATLAB 102
Нечеткое управление температурными режимами
обжарки кофе 111
Парадигмы управления в условиях информационной неопределенности 121
Выводы по третьей главе 123
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОБЖАРКОЙ КОФЕ
Коррекция управления по отношению к задающим воздействиям 125
Коррекция управления по отношению к возмущающим воздействиям 130
Внедрение методов управления обжаркой кофе 139
Выводы по четвертой главе 145
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 146
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 147
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Общепринятые сокращения для значений
основных термов лингвистических переменных в системах
нечеткого вывода 162
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Внедрение научных разработок 163
Введение к работе
В России кофе — второй по популярности после чая напиток. Его пьют 83% россиян, в основном — в крупных городах (на долю Москвы и Санкт-Петербурга приходится до 30% всех продаж кофе в России). Так, в Москве потребление кофе в год составляет 8-12 тыс. тонн (т.е. около 1 кг в год), а в среднем по России на душу населения приходится около 0,6 кг. По данным социологических исследований, Россия занимает четвертое место в мире по потреблению кофе на душу населения — 0,6 кг в год после Финляндии (11,8 кг.), США (3,9 кг.) и Англии (2,4 кг.).
Рынок кофе начал складываться в России в начале 90-х годов, когда с открытием границ страну захлестнул поток импортных товаров. До этого времени россияне предпочитали кофе в зернах (лишь потому, что у них просто не было другого выбора: именно этот вид кофе можно было приобрести в. магазинах), а также бразильский растворимый, приобрести который удавалось далеко не каждому. С появлением на прилавках магазинов разнообразной продукции изменились и кофейные пристрастия россиян, которые начали отдавать предпочтения растворимым сортам кофе.
К 1995 г. кофейный рынок был окончательно поделен между крупными иностранными поставщиками, сформировалась сеть дистрибьюторских компаний, лидирующее место на рынке заняли несколько марок кофе, набирало обороты и производство на отечественных фабриках (естественно, из импортного сырья). К 1996 г. объем кофейного рынка достиг, по разным оценкам, 35-80 тыс. тонн (см. табл. В1), причем, растворимый кофе оставался лидером продаж, что характерно для «чаепотребляющих» стран.
Кофе в Россию поступает более чем из 50 стран. Основными поставщиками кофе в Россию являются Индия, Бразилия и Колумбия.
Россия не только импортирует, но и экспортирует кофе, но в объемах, не идущих ни в какое сравнение с объемами импорта. Экспортируется кофе в Германию, Италию, Польшу, Румынию, Словению, США, а также в страны ближнего зарубежья — в Грузию, на Украину, в Казахстан, Узбекистан, Кир- гизию, в страны Прибалтики.
Таблица В1. Объем рынка кофе в России. *Данные за 1 полугодие 2006 г.
При переработке кофе важное значение имеет его обжарка, представляющая собой сложнейший процесс, в котором отсутствует определенная стандартная технология производства и, следовательно, требуются глубокие практические знания и умения специалистов.
В процессе обжарки необходимо весьма точно поддерживать заданную температуру воздуха в обжарочной машине и выдерживать определенную длительность данного процесса.
Поэтому целесообразно разработать методы высокоточного управления температурой обжарки кофе, эффективные при отсутствии достоверной информации о действующих на объект возмущениях, а также уточнить в процессе обжарки каждой партии кофе ее оптимальные температуру и длительность, с целью достижения наилучших показателей качества готового продукта.
Различные методы идентификации и управления технологическими процессами представлены в работах отечественных и зарубежных ученых [1 — 5, 8 — 19, 21, 31 — 34, 37,38, 44 — 52, 55 — 58, 61, 65 — 76, 79 — 82, 86 — 89, 91 -101,103,105-148,150].
Однако, не решенной до конца, остается проблема разработки методов идентификации и управления, не утрачивающих своей эффективности в характерных для процессов обжарки кофе условиях информационной неопределенности, т.е. неполноте информации о статистических характеристиках возмущающих воздействий, влияющих на контролируемые параметры данного технологического процесса, а также об оптимальных режимах обжарки. Таким образом, разработка методов и программно-технических средств для управления теплообменными процессами при обжарке кофе в условиях информационной неопределенности является актуальной задачей.
Диссертационная работа посвящена решению изложенных выше актуальных проблем и задач. Ее результаты отражены в публикациях [158 — 166]. Они нашли практическое применение:
1. При управлении обжаркой кофе на действующем оборудовании предприятия пищевой промышленности ООО «КАФФА ИНДАСТРИЗ», г. Москва.
2. В учебном процессе, методических пособиях, лабораторных работах и лекциях для студентов Российского государственного аграрного заочного университета (РГАЗУ).
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований по теме диссертации доложены, обсуждены и одобрены на: Всероссийской научно-практической конференции «Интеллект. Инновации. Информация. Инвестиции. Инфраструктура», г. Москва, 2022 г.; II Ежегодной Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий», г. Новосибирск, 2022 г.
Основное содержание диссертационной работы представлено в четырех главах.
В первой главе анализируются литературные источники, рассматриваются особенности управления обжаркой кофе в ростерах фирмы «Пробат». В результате установлено, что актуальна разработка методов, обеспечивающих высокое качество управления при возможных изменениях статистических характеристик аддитивных возмущающих воздействий в широких пределах. Анализируется эффективность существующих методов управления, применимых при неполноте и даже отсутствии информации о статистических характеристиках возмущающих воздействий и динамических характеристи- ках каналов управления объектов. Рассматриваются также критерии управления и ограничения при их оптимизации. Представлен обзор программного обеспечения SCADA, предназначенного для создания программируемых систем отображения информации о технологических процессах в реальном масштабе времени. В заключение главы даны выводы, определяющие конкретные задачи диссертационной работы.
Во второй главе рассматриваются три этапа обжарки кофе в ростерах. Выполнены также экспериментальные исследования, позволившие определить передаточную функцию управляемого объекта. Разработан высокоэффективный метод робастного управления обжаркой кофе на основе оптимизации интегрального квадратичного критерия в условиях статистической неопределенности. Разработан метод расчета параметров настройки регуляторов с учетом имеющихся погрешностей значений параметров объекта управления.
Третья глава посвящена разработке методов нечеткой идентификации систем управления обжаркой кофе, применение которых позволяет в процессе обжарки оптимизировать ее режимы. При этом на основании анализа экспериментальных исследований установлено существенное влияние продолжительности процесса обжарки кофе и температуры, при которой она производится, на физико-химические показатели готового продукта, такие как, влажность, значение рН, потеря массы кофейных зерен. Причем зависимость этих показателей от продолжительности и температуры обжарки недостаточна изучена. Для оптимизации режимов обжарки с целью повышения качества выпускаемой продукции использован метод идентификации зависимости показателя рН от продолжительности и температуры обжарки зерен кофе с помощью нечеткого логического вывода. При этом для установления в процессе идентификации взаимосвязи между входными и выходной переменной использовались модели Мамдани и Сугэно, а для выполнения численных расчетов применялся пакет прикладных программ MatLab. В результате были созданы нечеткие базы знаний в моделях Мамдани и Сугэно, а также найдены опти- мальные функции принадлежности нечетких термов. Выполненные расчеты свидетельствуют, что при малых обучающих выборках качество идентификации существенно выше для модели типа Мамдани. Анализ эффективности идентификации системы управления обжаркой кофе показал, что ошибка идентификации для нечетких моделей значительно меньше, чем для традиционных полиномиальных. Разработан метод синтеза нечетких регуляторов с учетом существующих технических и технологических ограничений. Установлены четыре парадигмы управления в условиях информационной неопределенности и их взаимосвязь.
В четвертой главе рассматриваются разработанные диссертантом методы коррекции управления температурой внутренней среды ростера по отношению к задающим и возмущающим воздействиям. Применение этих методов позволяет повысить качество управления при изменении сигнала задания в системе управления температурой внутренней среды ростера, а также при изменениях температуры в цехе обжарки кофе. Указана структура АСУТП обжарки кофе, а также используемые технические и программные средства управления.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Разработан метод робастного управления теплообменными процессами в ростере с использованием интегрального квадратичного критерия, эффективный в условиях информационной неопределенности относительно статистических характеристик возмущающих воздействий.
Разработаны методы коррекции управления по отношению к задающим и контролируемым возмущающим воздействиям.
Разработан метод расчета параметров настройки регуляторов в системах с неточно заданными параметрами объекта.
Разработан метод идентификации систем управления обжаркой кофе на основе нечеткого логического вывода с использованием моделей Мамдани и Сугэно.
Разработан метод синтеза нечетких регуляторов с учетом сущест- вующих технических и технологических ограничений.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Метод робастного управления температурой внутренней среды машины для обжарки кофе (ростера).
Методы коррекции управления по отношению к задающим и контролируемым возмущающим воздействиям.
Метод синтеза нечетких ПИД-регуляторов с учетом существующих технических и технологических ограничений.
Метод идентификации систем управления обжаркой кофе на основе нечеткого логического вывода.
Диссертация выполнена на кафедре электрооборудования и автоматики Российского государственного аграрного заочного университета (РГАЗУ).
