UNIVERZA V LJUBLJANI BIOTEHNIŠKA FAKULTETA

Transcription

1 UNIVERZA V LJUBLJANI BIOTEHNIŠKA FAKULTETA ŽIVILSKA TEHNOLOGIJA KAVA* Mateja STRELEC, Nataša ŠENK, Katja ŠIFRER, Jože ŠMID (študentje tretjega letnika študija Živilske tehnologije) prof. dr. Peter Raspor in asist. dr. Maja Paš (mentorja) Ljubljana, 2002 * Seminarska naloga pri predmetu Biotehnologija

2 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, POVZETEK V seminarju je prikazana pot pridelave in predelave kave iz mikrobiološkega, biokemijskega, bioinženirskega, ekološkega in prehrambenega vidika. Kava se uporablja v humani prehrani najpogosteje kot pijača, ter kot dodatek pri raznih prehrambenih izdelkih. Odpadki kateri nastajajo pri pridelavi kave se lahko uporabijo za živalsko krmo in kot energetsko sredstvo (briketi). V samem bioprocesu sodelujejo mikroorganizmi. Med najpomembnejšimi so rodovi Aeromonas, Serratia, Enterobacter, Arthbacter in Aspergillus niger. Pri kavni pridelavi poznamo suh in moker postopek obdelave kavnih jagod. Osnova bioprocesa je fermentacija, ki je odločilnega pomena poleg kvalitetne osnovne surovine za kakovost kave. Glavni produkt fermentacije so mlečna, citronska in jantarjeva kislina ter ostale organske kisline. Glavne sestavine kave so beljakovine, maščobe, ogljikovi hidrati, minerali kisline, aromatične snovi in kofein. Največja pridelovalka kave je Brazilija. Najbolj zastopani sorti sta C. robusta in C. liberica.. SUMMARY The study illustrates methods and procedures of handling coffee from microbiological, biochemical, bioenginerical, ecological and nutritive point of view. In humane nutrition coffee is usually used as a drink and as a supplement to various provisions. The waste, which is left after handling coffee, can be used as food for animals and as energetic nutrient (briquette). In the bioprocess itself various microorganisms take part. Among the most important ones are those of Aeromonas, Serratia, Enterobacter, Arthbacter and Aspergillus niger species. There are two different procedures of handling coffee cherries, i.e. the dry and the wet process. The bioprocess is based on fermentation. Fermentation and quality basic raw material are of substantial importance for the quality of coffee. The main products of fermentation are lactic, citric and succinic acid, and other organic acids. The main components of coffee are albumen, fat, carbo-hydrate, minerals, acids, aromatic substances and caffeine. The major coffee producer is Brazil. The most represented coffee plants are C. robusta and C. liberica.

3 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, KAZALO POVZETEK...2 SUMMARY... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 1. UVOD ZGODOVINA BIOPROCESA STAREJŠA ZGODOVINA NOVEJŠA ZGODOVINA MIKROBIOLOŠKE OSNOVE BIOPROCESA POGOJI ZA FERMENTACIJO Temperatura Vodna aktivnost Koncentracija vodikovih ionov (ph) Kisik Hranila MIKROORGANIZMI Mlečnokislinske bakterije Rod Aeromonas Rod Serratia Rod Enterobacter Rod Arthbacter Rod Leuconostoc Aspergillus niger BIOKEMIJSKE OSNOVE BIOPROCESA : BIOKEMIJSKE SPREMEMBE MED FERMENTACIJO KAVE Mlečnokislinska fermentacija Pektinoliza KEMIJSKA SESTAVA KAVE Proteini Ogljikovi hidrati Lipidi Minerali Kisline Kofein Trigonelin-nikotinska kislina BIOINŽENIRSKE OSNOVE BIOPROCESA PRIPRAVLJALNI POSTOPKI POTEK BIOPROCESA Suh proces Moker proces Suha fermentacija...19

4 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Mokra fermentacija Načini pospešitve fermentacije...20 PROCENT VSEBNOSTI VLAGE ZAKLJUČNI POSTOPKI Praženje Mletje Razplinjenje Pakiranje Odvzem kofeina EKOLOŠKI ASPEKT BIOPROCESA VIRI ODPADKOV V PROIZVODNJI KAVE UPORABA IN OBDELAVA ODPADKOV UPORABA BIOPROIZVODOV V PREHRANI PSIHOFIZIČNI UČINKI KAVE NA ČLOVEŠKI ORGANIZEM IMPLIKACIJE DRUGIH TEHNOLOGIJ IN IMPLIKACIJE NA DRUGE TEHNOLOGIJE UPORABA KAVNIH LUŠČIN V BIOTEHNOLOGIJI IN ŽIVILSTVU REFERENCE...30

5 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, UVOD Pri nas in v svetu je kava priljubljen napitek zaradi njegovega poživljajočega učinka. Njen izvor sega daleč nazaj v zgodovino, saj je omenjena že v 9. stoletju našega štetja. Danes je njena potrošnja na prebivalca največja v skandinavskih deželah in sicer je na Švedskem 8-10 kg, v ZDA 7,5 kg, sledijo Avstrija, Švica, Nemčija, Italija in Španija, medtem, ko v Sloveniji porabimo približno 2,5 kg kave na prebivalca letno. Rastlina kavovec, ki rodi kavna zrna je iz rodu Coffea in družine Rubiaceae. To je zimzeleni grm ali drevo, ki izhaja iz Etiopije. Že stoletja se goji v Etiopiji, Arabiji, Indiji, Indoneziji, Afriki in Braziliji. Najbolj razširjene vrste so Caffea arabica, Caffea liberica in Caffea canaphora ali robusta. Robusta prihaja k nam v glavnem iz Afrike in Azije ter daje oster in rezek okus. Predvsem se jo uporablja v cenejših kavnih mešanicah. Bolj priljubljena je in bolj kakovostna je vrsta arabica. Uporablja se jo v kavnih mešanicah z robusto, ker se njuna okusa dobro dopolnjujeta. Kavna zrna se razvijejo iz oplojenih drobnih, nežnih, belih cvetov kavovca. Razvije zelene jagode, ki so zrele rdeče do temno rdeče barve. Vsak plod ima pri večini sortah dve semeni, ki sta z ravnima ploskvama obrnjena druga k drugi. To sta kavni zrni, ki sta zeleni in dolgi okoli 10 milimetrov ter težki cca. 0,15 g. Kavovec rodi dvakrat do trikrat na leto in da 2 do 3 kg plodov ali 50 do 80 dag zrn surove kave. Pomembno je, da so obrani plodovi primerno zreli. Tudi nadaljnji postopek predelave odločilno vpliva na kakovost kave. Obrani plodovi se oluščijo s postopkom fermentacije in sušenjem na soncu ali z umetnim sušenjem. Zelena zrna kave se nato sortira ter praži. Tako se zniža odstotek vlage in kislosti. Praženje je ravno tako zelo pomembna faza v predelavi surove kave, saj postopek precej vpliva na polnost okusa in aromatičnost. Poleg tega je pomembna izbira razmerja kavnih mešanic raznih sort in izvora kave, način embaliranja, hranjenja, način mletja in končno tudi postopek priprave napitka (

6 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, ZGODOVINA BIOPROCESA 2.1 Starejša zgodovina Izvor kave sega daleč nazaj v zgodovino saj jo omenjajo že v 9. stoletju našega štetja, ko naj bi jo odkrili afriški domorodci na področju današnje Etiopije med iskanjem hrane za preživetje. Kavna zrna so sprva samo žvečili zaradi poživljajočega učinka, kasneje pa so jih pričeli surove jesti. Mnoga afriška plemena pa so uporabljala kavo tudi kot zdravilo ter v verske namene. Prvi korak je bil narejen, ko so zrna pričeli sušiti. S tem so jih zaščitili pred propadom in jih pripravili za skladiščenje. Šele kasneje je zrno prišlo v stik z ognjem, kar je dalo kavi nov vonj in okus. Način kako so začeli zrna pražiti je bil enak kot pri mesu. Skopali so luknjo, zakurili ogenj, vrgli noter zrna in jih pokrili. Tudi zmleli so jih na zelo preprost a učinkovit način.to so storili tako, da so zrna položili med dvema kamnoma in zdrobili.takšno prepraženo in zmleto kavo so uporabljali pri peki, šele mnogo kasneje pa so jo prelili z vročo vodo in dobili prvi kavni napitek (Rothfos, 1985). 2.2 Novejša zgodovina V 13.stoletju je bilo pridelovanje, praženje in mletje za pridobivanje močno dišečega napitka razširjeno že po vsem arabskem svetu. Najstarejši podatki o gojenju in uporabi kave izvirajo iz Jemna, kjer so bile plantaže kave narejene po terasah v obliki amfiteatra razprostrenih na vlažnih in senčnih legah. Ko so plodovi dozoreli, so pod drevesi razprostrli rogoznice, da so se odpadli zreli plodovi posušili na njih. Posušene jagode so zdrobili z lesenimi ali kamnitimi valji. Ko so zrna očistili lupin so jih ponovno sušili na soncu in prečistili z veliko velnico. Taka zrna so bila potem pripravljena za nadaljno predelavo. Arabci so hoteli obdržati monopol nad trgovino s kavo, zato se je drugod po svetu gojenje razširilo šele 16. stoletja, komercialno praženje pa tako v 19. stoletju. Prvi pražilniki so bili železni, podobni ponvam s pokrovom. Rezultat takega postopka so bila neenakomerno pražena zrna, ki so zadrževala preveč vlage in olj in tako postala preizsušena. Za mletje so v začetkih uporabljali domača orodja. Sprva so kavna zrna drobili v prah v možnarjih in sicer tako, da so jih stolkli z lesenim tolkačem, kasneje pa so pričeli uporabljati ročne mlinčke namenjene tudi mletju začimb. Včasih kave niso pakirali, temveč shranjevali v večjih posodah za kratko skladiščenje. Kasneje so sicer pričeli pakirat, vendar v navadne papirnate vrečke, ki so bile še ročno zlepljene. Le te niso bile zaščitene pred svetlobo, zrakom in vlago. Taka kava je zelo hitro izgubljala okus in jo je bilo tako potrebno hitro uporabiti. Komercialno praženje pa je že zahtevalo pakiranje v mehansko proizvedene papirnate vrečke. Postopek predelave se do današnjih dni ni bistveno spremenil, izboljšala se je samo tehnologija strojev in naprav namenjenih predelavi kave (Jezernik, 1999).

7 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, MIKROBIOLOŠKE OSNOVE BIOPROCESA Iz mikrobiološkega stališča je pri proizvodnji kave najpomembnejša fermentacija. Ugotovljeno je, da pri tem procesu sodelujejo različne mikrobne združbe, kot so bakterije (Lactobacillus, Serratia, Aeromonas, Klebisella..), filamentozne glive (Aspergillus niger, Fusarium, Penicillium ), kvasovke (Arxula adeninivorans, Pichia lynferdi, Auringiensis..). Mikrobna rast nastopi med fermentacijo, vendar je omejena zaradi prisotnosti in delovanja proteaz. Mikrobna populacija zajema Enterobakterije, različne vrste Enterokokov in mlečnokislinskih bakterij, ki prispevajo k zniževanju ph iz 6,8 na 4,3. Nižje ph vrednosti inhibirajo aktivnost pektinolitičnih encimov in hkrati preprečujejo rast različnim neželenim mikroorganizmom, ki povzročajo kvar.vloga mikroorganizmov v tvorbi želenih senzoričnih lastnosti med fermentacijo še ni pojasnjena, medtem ko preobširna rast zagotovo vodi do neželjenih komponent. Zaradi velike pestrosti mikroorganizmov, ki sodelujejo pri fermentaciji, še do danes ni natančno ugotovljena vloga in pomen posameznega mikroorganizma. Z gotovostjo, pa je dognano, da lahko prisotne mikroorganizme, ki sodelujejo pri fermentaciji, razdelimo glede na produkcijo različnih snovi: 1. produkcija pektolitičnih encimov, ki razgrajujejo sladkorje in jih pretvorijo v etanol, mlečno kislino, jantarno kislino in druge organske kisline. 2. produkcija encimov, ki razgrajujejo stržen in rastlinsko sluz, nastalo med fermentacijo. 3. mikroorganizmi, ki povzročajo mikrobiološki kvar. 4. Produkcija mikotoksinov. 3.1 Pogoji za fermentacijo Glede optimalnega ph rasti se mikroorganizmi močno razlikujejo. Večina bakterij najbolje uspeva pri nevtralni ph vrednosti. Določene bakterije, ki so acidotolerantne tako preživijo precej nizke ph vrednosti.glavna rodova pri fermentaciji sta Lactobacillus in Streptococcus. Od vrste do vrste pa variira tudi zahteva po kisiku. Tako so mlečnokislinske bakterije opisane kot mikroaerofilne, saj povzročajo sporoščanje kisika iz reakcij Temperatura Optimalna temperatura za rast večine bakterij je med 20 in 30 C. Medtem, ko termofilne bakterije najbolje uspevajo pri višjih temperaturah (50 do 55 C) pa uspevajo tudi take z nižjo optimalno temperaturo rasti (15 do 20 C). Optimalna temperatura za rod Leuconostoc je od C, za Lactobacillus pa okrog 22 C.

8 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Vodna aktivnost Za preživetje bakterije zahtevajo precej visoko vodno aktivnost, ki je 0,9 ali celo več. Obstajajo pa tudi vrste, ki dopuščajo nižjo vodno aktivnost čeprav so to običajno kvasovke in plesni Koncentracija vodikovih ionov (ph) Optimalna ph vrednost za večino bakterij je blizu nevtralne točke, vendar bi preživele še tako nizek ph saj so acidotolerantne Kisik Nekatere bakterije so anaerobne, medtem ko druge zahtevajo prisotnost kisika za svoj metabolizem. Laktobacili so mikroaerofilni, kar pomeni da rastejo v prisotnosti nižjih količin atmosferskega kisika Hranila Prisotnost hranil za svoj metabolizem zahtevajo vse bakterije. Fermentirajoče bakterije izkoriščajo ogljikove hidrate: to so preprosti (glukoza, fruktoza) pa tudi kompleksni sladkorji (škrob,celuloza). Če jim količino substrata, ki je na voljo omejimo lahko to zelo vpliva na njihovo rast. 3.2 Mikroorganizmi Mlečnokislinske bakterije Mlečnokislinske bakterije so skupina organizmov z različno metabolno aktivnostjo. To jim omogoča zmožnost velike prilagoditve na vrsto različnih pogojev ter s tem uspešno fermentiranje. Kot vir energije izkoriščajo kompleksne ogljikove hidrate. Delijo se na homofermentativne in heterofermentativne mlečnokislinske bakterije. Prve pretvarjajo ogljikove hidrate samo v mlečno kislino, medtem ko heterofermentativne pretvarjajo substrat povečini v 50 % mlečne kisline, 25 % ocetne kisline in etilnega alkohola ter 25 % ogljikovega dioksida. Nekatere vrste heterofermentirajočih laktobacilov, poleg naštetih produktov fermentacije, proizvajajo tudi manitol in dekstrin. Navedene komponente prispevajo k okusu in aromi končnega produkta. Vse mlečnokislinske bakterije so negibljive, gram pozitivne in mikroaerofilne, kar pomeni, da pri svojem delovanju tolerirajo manjše količine kisika. Največjo količino kislin proizvedejo homofermentativne vrste rodu Lactobacillus, medtem ko je vrste rodov Streptococcus in Leuconostoc proizvedejo najmanj ( Rod Aeromonas Spada v družino Vibrionacae je po gramu negativna, fakultativno anaerobna, kemoorganotrofna, ravna paličasta kokoidna bakterija z zaokroženimi konci z polarnim

9 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, bičkom ali pa brez njega. Optimalna temperatura rasti je ο C, na gojišču raste posamezno, v parih ali pa kot verižica ( Holt, 1994 ) Rod Serratia Je po gramu negativna, fakultativno anaerobna, kemoorganotrofna bakterija. Je iz družine Enterobacteriaceae, kolonije so rdečkaste do rdeče barve. Najbolje rastejo pri temperaturi ο C, zraven tega presnavljajo D-glukozo, produkt metabolizma pa sta kislina in plin. Nahaja se v okolju in sicer v vodi in zemlji ter na rastlinah. Nekatere vrste so patogene S. marcescens ( Holt, 1994 ) Rod Enterobacter Je po gramu negativna, fakultativno anaerobna, kemoorganotrofna bakterija. Ima respiratorni in fermentativni metabolizem. Presnavlja večino sladkorjev, proizvaja kisline in plin. Optimalna rast je pri temperaturi ο C, najdemo jo v okolju (voda, rastline, zemlja) (Holt, 1994 ) Rod Arthbacter Je gram pozitivna, fakultativno anaerobna negibljiva paličasta bakterija. Raste skoraj na vseh gojiščih, rabi le biotin. Presnavlja skoraj vse sladkorje ter proizvaja kisline in plin. Optimalna temperatura rast je ο C Na gojišču so celice okrogle oblike in rastejo posamezno ali tvorijo skupke ( Holt, 1994 ) Rod Leuconostoc Bakterija Leuconostoc mesenteroides je tipična za fermentacijo obranih plodov. Od ostalih mlečnokislinskih bakterij se razlikuje v tem, da lahko tolerira relativno visoke koncentracije soli in sladkorjev (višje od 50 % ). Je obligatno heterofermentativna, gram pozitivna, negibljiva bakterija, ki kljub različnim temperaturnim območjem relativno hitro raste. Proizvaja ogljikov dioksid, etanol in kisline (mlečna, ocetna, citronska), ki znižujejo ph. Ogljikov dioksid, kot produkt fermentacije, nadomešča kisik in s tem zagotavlja anaerobno okolje, ki je ugodno za rast ostalih laktobacilov. Poleg tega anaerobnost stabilizira prisotnost askorbinske kisline ( Aspergillus niger Je eden izmed najpomembnejših mikroorganizmov, ki sodelujejo pri fermentaciji. Sicer pa je Aspergillus niger filamentozna gliva, ki se prehranjuje z absorbcijo, spada med prave glive (Eumycetes) in v kraljestvo Fungi. Aspergillus niger sodeluje pri fermentaciji kave, in sicer pri ciklu trikarboksilnih kislin, kot so jabolčna, citronska in oksalna. Za svojo rast potrebuje dokaj visoko koncentracijo ogljika, fosfate, nitrate, ustrezen ph gojišča in kisik ( Holt, 1994 ).

10 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, BIOKEMIJSKE OSNOVE BIOPROCESA : 4. 1 Biokemijske spremembe med fermentacijo kave Po obiranju kavinih plodov je potrebno zrela zrna z mokrim ali suhim postopkom oddvojiti od mesnatega dela. Mehansko odstranjevanje praviloma ni popolno,zato med mokrim postopkom poteka fermentacija, katera odstrani preostali del mesa ter sluzasti, lepljivi ovoj, ki obdaja kavina zrna. V prvih urah po obiranju fermentirajoči mikroorganizmi dosežejo največjo aktivnost. Vrši se mlečnokislinska fermentacija ter pektinoliza Mlečnokislinska fermentacija HOMOLAKTIČNA FERMENTACIJA C 6 H 12 O 6 > 2CH 3 CHOHCOOH Pretvorba enega mola glukoze v dva mola mlečne kisline HETEROLAKTIČNA FERMENTACIJA C 6 H 12 O 6 > CH 3 CHOHCOOH + C 2 H 5 OH + CO 2 Pretvorba mola glukoze v mol mlečne kisline, etanol in ogljikov dioksid Pektinoliza Rastlinska sluz je sestavljena iz protopektina (33 %), reducirajočih sladkorjev, kot sta glukoza in fruktoza (30 %), nereducirajočih sladkorjev, kot je saharoza (20 %), celuloze in mineralov (17 %). Protopektin je nevodotopen prekurzor pektina, ki v fermentirajočih bazenih pod vplivom naravno prisotnih hidrolitičnih encimov hidrolizira v pektin in pektinsko kislino. Slednja produkta pomenita ugoden substrat za pektinolitične encime. Med najbolj pomembnimi sta pektin in pektat liaza, ki katalizirata transeliminacijske reakcije, kjer pride do tvorbe oligosaharidov ( cazy/cazy/pl.html) Kemijska sestava kave Kavna zrna vsebujejo veliko sestavin (domnevno 2.000) in več kot polovico jih še vedno ne poznamo. Sestava surove kave je odvisna od vrste, porekla in agroklimatskih pogojev. Nadaljnji procesi obdelave (suhi in mokri postopek, praženje, mletje,...) pa to prvotno sestavo močno spreminjajo.

11 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Tabela 1: Kemijska sestava surove in pražene kave (% suhe snovi) (Illy in Viani, 1998). SESTAVINA ARABICA ROBUSTA pražena pražena surova surova Kofein 1,2 1,3 2,2 2,4 Trigonelin 1,0 1,0 0,7 0,7 Proteini in aminokisline Proteini Aminokisline 9,8 0,5 7,5 0,0 9,5 0,8 7,5 0,0 Ogljikovi hidrati Saharoza Reducirajoči sladkorji Ostali sladkorji Polisaharidi Kisline Alifatske Kinske 8,0 0,1 1,0 49,8 1,1 0,4 6,5 0,0 0,3 neznano 38,0 1,6 0,8 2,5 4,0 0,4 2,0 54,4 1,2 0,4 10,0 0,0 0,3 neznano 42,0 Klorogenske Lipidi 16,2 17,0 10,0 11,0 Produkti karamelizacije in kondenzacije 25,4 25,9 Hlapljive komponente (arome) v sledovih 0,1 v sledovih 0,1 Minerali 4,2 4,5 4,4 4,7 voda ,6 1,0 3, Proteini Proteini imajo velik vpliv na aromo in vonj kave. Med praženjem so ob prisotnosti ogljikovih hidratov izpostavljeni velikim spremembam, ki pridejo do izraza v aminokislinskih spojinah kislinskih hidrolizatov. Celoten delež aminokislin, ki se nahajajo v kislinskem hidrolizatu, pade za približno 30 %. Arginin, asparaginska kislina, cistin, histidin, lizin, serin, treonin in metionin so še posebej reaktivne aminokisline in se v praženi kavi bolj ali manj opazno zmanjšajo, medtem ko stabilnejše aminokisline, posebno alanin, glutamin in leucin, relativno narastejo. Te spremembe so očitnejše pri praženi kot pri surovi kavi. Proste aminokisline se nahajajo v praženi kavi samo v sledovih (Belitz in Grosch, 1999) Ogljikovi hidrati Večino netopnih ogljikovih hidratov predstavljajo celuloza in polisaharidi sestavljeni iz manoze, galaktoze in arabinoze. Med praženjem se del polisaharidov razgradi v vodotopne fragmente. Monosaharidi in saharoza se tako pretežno nahajajo v surovi kavi, medtem ko jih v praženi komajda zasledimo (Belitz in Grosch, 1999).

12 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Lipidi Lipidna frakcija je med praženjem zelo stabilna in med samim postopkom utrpi zelo majhne spremembe. Njena sestava je navedena v Tabeli Najbolj zastopani maščobni kislini sta palmitinska in linolejska kislina. Tabela 2: Sestava lipidne frakcije (Belitz in Grosch, 1999). Sestavina Količina % Triacilgliceroli 78,8 Diterpen estri 15,0 Diterpeni 0,12 Triterpen estri 1,8 Triterpeni (steroli) 0,34 Neznane sestavine 4,0 Poleg zgoraj navedenih so pomembni tudi tokoferoli, ki imajo antioksidativne lastnosti ter voski, prisotni v zunanji ovojni plasti surovega kavinega zrna, ki predstavljajo zaščito Minerali V kavinem pepelu prevladuje kalij (1,1 %), sledita mu kalcij (0,2 %) ter magnezij (0,2 %). Med anioni pa dominirata fosfat (0,2 %) in sulfat (0,1 %). Ostali elementi so prisotni le v sledovih Kisline Med hlapnimi kislinami prevladujeta mravljična in ocetna kislina, med nehlapnimi kislinami pa mlečna, vinska, pirogrozdova in citronska kislina. Višje maščobne kisline, kot so malonska, glutarna in jabolčna, se nahajajo v zelo majhnih količinah. Pirogrozdno kislino najdemo samo v praženi kavi. Daje ji dražeč vonj. Kvantitativni parameter kislin v kavi je klorogenska kislina, ki jo je pri normalnem praženju proste približno 30 %, pri močnejšem praženju pa 70 %. Poleg teh so v kavi še majhne količine proste kavne kisline, kumarinske in kinske kisline Kofein Zaradi različnih psiholoških učinkov na človeški organize je kofein najbolj raziskana sestavina kave. Kemično je 1, 3, 7-trimetilksantin.V vodi kristalizira v bele, svilnate iglice, katere se topijo pri 236,5 º C, pri 178 ºC pa sublimirajo. Ima zelo šibek grenak okus. Kofein s klorogensko kislino tvori hidrofoben kompleks v molarnem razmerju 1:1,kar pomeni, da z lahkoto prehaja skozi biološke membrane. Med postopkom praženja se količina kofeina le za malenkost zmanjša. Pridobivanje kofeina poteka s procesom dekofeinizacije in sintetično iz

13 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, metiliranega ksantina sintetiziranega iz sečne kisline in formamida. Na tak način se ga uporablja v farmaciji in industriji brezalkoholnih pijač (Belitz in Grosch, 1999) Hlapljive aromatične snovi Aromatičnost praženi kavi daje 655 do zdaj ugotovljenih hlapnih komponent. Med njimi je največ furanov, pirazinov, ketonov in diketonov, pirolov in hidrokarbonov. Slika 1: Formula kofeina (zgoraj), formula trigonelina (levo spodaj) in formula 5-hidroksitriptamida (desno spodaj) (Varnam in Sutherland, 1994) Trigonelin-nikotinska kislina V surovi kavi se trigonelin, kemično N-metil nikotinska kislina, nahaja v 0,6 %. Med praženjem takoj razpade na nikotinsko kislino, piridin, 3- metil piridin, metil ester nikotinske kisline in vrsto drugih sestavin.

14 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Slika 2: Pretvorba trigonelina v nikotinsko kislino in ostale produkte, (Macrae, Robinson in Sadler, 1987) Slika 3: Klorogenska kislina (levo), (kofeinska kislina (desno) (Varnam in Sutherland, 19994).

15 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, BIOINŽENIRSKE OSNOVE BIOPROCESA 5.1 Pripravljalni postopki Med pripravljalne postopke štejemo vse procese, ki se izvajajo pred potekom samega bioprocesa. Pot do kvalitetnega in zdravega kavnega zrna je dolga in zapletena. Ves proces se začne s pripravo sadik in plantaže, sajenjem sadik, ter končno vzgojo dreves. Pri suhem procesu se uporablja stroj za luščenje posušenih delov kavne jagode, pri mokrem procesu pa stroj za mehčanje in odstranjevanje sadnega mesa. Za moker proces je ključnega pomena tudi dobro zgrajen pralni sistem in vrhunska kakovost vode. Pri obeh procesih pa se uporablja tudi sušilnik. Pomembno je, da so vsi stroji, sušilni platoji oziroma terase in fermentacijski bazeni dobro očiščeni, da ne pride do kontaminacije z nezaželenimi mikroorganizmi, kateri bi lahko povzročili kvar ali poslabšali kakovost kave (Willson, 1999 in Rothfos, 1985). Slika 4: Prečni prerez kavne jagode.1-popek; 2-kožica (eksokarp); 3-sadno meso (mezokarp); 4-luščina, pergament (endokarp); 5-srebrna kožica; 6-zrno; 7-kalček (Willson, 1999). 5.2 Potek bioprocesa Suhi proces Ta metoda je starejša in se uporablja v Braziliji. Imenujemo jo lahko tudi naravni postopek. Uporablja se za kavo C. arabica in v veliki meri tudi za kavo C.robusta. Plodovi se poberejo iz dreves ko je zadosten delež jagod primerno zrel. Nezrele kavne jagode se ponavadi odstrani z rešetom in s pranjem pod tekočo vodo, pri čemer se odstranijo nekakovostne jagode. Med

16 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, opranimi kavnimi jagodami pa so lahko prisotne tudi prezrele in premalo zrele jagode. Te je potrebno razprostreti na platoje oziroma terase v tankih plasteh in jih izpostaviti soncu. Včasih je jagode potrebno še dodatno posušiti v sušilnikih. Suhe jagode je potem potrebno oluščiti v luščilnikih. Postopek je podoben odstranjevanju pergamenta pri mokrem procesu, vendar je tukaj potrebno odstraniti luščino, pergament in v čim večji meri še srebrno kožico. Ko so zelena kavna zrna oluščena pa jih je potrebno še spolirati (Willson, 1999). Pogosto je v uporabi tudi metoda pri kateri se sveže kavne jagode ne izpostavijo soncu v tankih plasteh na platojih ampak se jih pusti v velikih kupih 3-4 dni. Ob pomoči lastne toplote se prične vršiti fermentacija sadnega. Postopek se nadaljuje kot pri mokrem procesu. Na koncu dobimo zelena neoprana kavna zrna (Belitz in Grosch, 1999). Slika 5: Razporejanje kavnih jagod za sušenje (suhi proces) (Willson, 1999) Mokri proces Pri tem procesu dobimo boljšo končno kakovost kave. Moker proces se uporablja za kavo C.arabica v srednji Ameriki, Kolumbiji in Afriki. Sveže obrane jagode je potrebno med vrtečimi cilindri zmehčati zmehča se sadno meso katerega se odstrani s trgalnim strojem (pulper). Pri tem se zrna kave ne poškodujejo, kajti loči se koža in sadno meso od zrn. Zrna so obdana s srebrno kožico, pergamentom in rastlinsko sluzjo. Odpadki, katere dobimo pri ločevanju, se lahko uporabijo tudi kot gnojilo. S tako obdelanimi kavnimi zrni se potem napolnijo bazeni v katerih poteka fermentacija. Bazeni so leseni ali betonski in napolnjeni z

17 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, vodo. Fermentacija se prične, ko se iz bazenov postopoma odstranjuje voda. Zrna se fermentirajo od ur (Belitz in Grosch, 1999 ), oziroma od 6-72 ur (Wood, 1985). Med fermentacijo se plast rastlinske sluzi, ki je sestavljena iz 84,2% vode, 8.9% proteinov, 4.1% sladkorjev, 0.91% pektolitičnih snovi in 0.7% pepela, hidrolizira s pomočjo encimov. Ti so prisotni v kavnem zrnu, oziroma jih proizvajajo mikroorganizmi prisotni v kožici sadeža. Plast rastlinske sluzi se med fermentacijo stanjša toliko, da se jo potem lahko odstrani z vodnim curkom. Po zaključeni fermentaciji je potrebno zrna razvrstiti in posušiti na soncu ali pa v sušilnikih z vročim zrakom (65-85C o ). Zrna obdaja še pergament katerega se odstrani v posebnih strojih - luščilnikih. Dobimo zelena kavna zrna. Kavna zrna je potrebno še spolirati do gladke površine in pri tem se odstrani tudi srebrna koža (Belitz in Grosch, 1999). Slika 6: Bazeni za fermentacijo kavnih jagod (mokri proces) (Willson, 1999).

18 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, SUHI PROCES Pobrana kavna zrna MOKRI PROCES SPREJEM FLOTACIJSKO ČIŠČENJE Kamenje/ umazanija MEHČANJE Sadno meso FERMENTACIJA PRANJE Rastlinska sluz SUŠENJE SUŠENJE Posušene kavne jagode Suho kavno zrno s pergamentom ČIŠČENJE luščine LUŠČENJE pergament prevelika RAZVRŠČANJE PO VELIKOSTI prevelika razsipavanje SORTIRANJE razsipavanje Zelena kava (ploščata in zlomljena zrna) SKLADIŠČENJE Slika 7: Shematski prikaz faz za mokri in suhi proces predelave kavnih jagod (Macrae s sod., 1993).

19 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Suha fermentacija Suha fermentacija ni povsem pravilen izraz. Uporablja se zato, ker pri tej fermentaciji voda ni prisotna. Kavna zrna pa niso suha in tudi ne smejo biti suha. Zrna so obdana z vlažno rastlinsko sluzjo in ta način fermentacije bi lahko imenovali tudi odprta fermentacija. Pri tem procesu voda ne pokrije zrna, tako da kava ni zračno izolirana. Ko je sloj kavnih zrn v bazenih zadosten, se začne fermentacija, čeprav je lahko celotna količina kave majhna. Voda lahko upočasni celoten proces, vendar pa ga ne ustavi, zato je potrebno začeti zrna tresti, že ko spravljamo kavo v bazen in še potem, ko je bazen napolnjen, je potrebno zrna temeljito mešati najmanj enkrat na dan. Samo tako lahko zagotovimo, da bodo vsa zrna enakomerno fermentirana. Zaradi višje koncentracije sluzi na dnu bazena se lahko zgodi, da bodo zrna na dnu prekomerno fermentirana. Koncentracija rastlinske sluzi na dnu se veča zaradi ločevanja od zrn in se počasi pomika proti dnu. Lahko pa se tudi zgodi, da so zrna premalo fermentirana, če voda, s katero je kava tekla v bazen, ne more dovolj hitro odtekati. V tem primeru je prisotna podvodna fermentacija na tleh in ta proces poteka počasneje. Tu se zrna počasneje fermentirajo. Z mešanjem tako preprečujemo, ne samo nevarnost prekomerne fermentacije, ampak tudi zagotavljamo, da se zgornja plast zrn ne posuši. Če se rastlinska sluz med procesom fermentacije posuši, se le-ta prekine. Taka zrna se lahko nadalje fermentirajo le, če jih ponovno zmočimo ali pa niso povsem suha. V obeh primerih pa se barva takih zrn razlikuje od barve ostalih zrn. Fermentacija rastlinske sluzi je odvisna od koncentracije encimov in temperature zraka, ki jo obdaja in ta tudi pospešije biokemijske procese. Proces fermentacije se izvaja tako dolgo, dokler ni ostanek rastlinske sluzi utekočinjen in raztopljen. Pri tem procesu temperatura zrn rahlo naraste, prav tako tudi koncentracija kislin v rastlinski sluzi. Pri nadaljnjem procesu razkroja sluzi se zmanjša tudi ph vrednost. Kislina postane vidna šele po določenem času. Posledica tega je močno znižanje in končna nevtralizacija učinkov encimov. Zaradi tega se mora fermentacija nadaljevati pri taki hitrosti, da se rastlinska sluz popolnoma razkroji, preden bi ostanek kisline utegnil preprečiti nadaljevanje procesa. Trajanje fermentacije je odvisno od gostote rastlinske sluzi, koncentracije encimov, temeprature in včasih tudi od mikro-organskih pogojev v bazenu, kot so npr.: čistoča, nečistoča, prva fementacija v sezoni, daljša obdobja nefermentiranja, nenehne fermentacije. Zato ne moremo določiti povprečenga časa trajanja procesa. Čas trajanja fermentacije lahko spremeni že to ali se fermentacija začne zjutraj (otoplitev) ali zvečer (ohlajanje). Le-ta varira v razmiku 12 ur. Načeloma drži, da je fermentacija C. robusta pri stabilnih zunanjih pogojih krajša kot pri C. liberica in C. excelsa. Pri teh dveh sortah traja fermentacija bistveno dlje časa.. Nefermentirana zrna so na dotik sluzasto spolzka. To poskusimo tako, da jih stisnemo med prsti in le-ta zdrsnejo. Fermentirana zrna pa so hrapava in ne drsijo. Če fermentirano kavo drgnemo med dlanmi, je občutek kot pri vlažnem produ. Po končani fermentaciji je potrebno kavo takoj dalje obdelati. Za to obstaja več načinov. Izbira načina pa je odvisna od rezultata, ki ga želimo doseči ter od količine in kakovosti vode, ki je na razpolago (Rothofs, 1985).

20 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Mokra fermentacija Postopek se razlikuje od suhe fermentacije. S to metodo dobimo izvrstne rezultate, ki pa jih je težko kontrolirati Postopek zahteva tudi vrhunsko kvaliteto vode. Na začetku se zmehča kavno meso in spušča v bazene. Kava v bazenih mora biti popolnoma prekrita s svežo vodo, katera mora biti popolnoma čista in ne sme vsebovati vidnih organskih in neorganskih delcev. Voda ne sme izvirati iz izvirov, kamor priteka onesnažena voda, ki vsebuje sadno meso ali ostanke kave. Mokra fermentacija traja dalj časa kot odprta, lahko tudi več kot 72 ur. Do razgradnje rastlinske sluzi pride bistveno kasneje kot pri odprti fermentaciji, enako pa velja tudi za nastanek kisline. Zaradi pomanjkanja atmosferskega kisika pride do minimalonega nastajanja oksidacijskih substnc. Med procesom fermentacije je voda nekoliko ogreta, drobni mehurčki plina se dvignejo in voda postane motna. Pomembno je tudi, da se zrna občasno premešajo. Proces je treba pozorno nadzorovati, pri čemer spremljamo kdaj se rastlinska sluz, ki obdaja pergament, razkroji. Takrat se lahko fermentacija ustavi. Drugače lahko to negativno vpliva na sama zrna, katerega posledica so neprijetne vonjave. Po drugi strani pa se je potrebno tudi izogniti podvodni fermentaciji, saj lahko prizadene ne samo posamezna zrna, temveč tudi celotno količino zrn v bazenu. Zaključek procesa podvodne fermentacije se preveri z drgnjenjem zrn med prsti. Če se zrna občutijo kot grušč, je potrebno vodo takoj izčrpati. Zrna kave je potrebno s pomočjo sveže vode voditi v pralni kanal in pustiti zrna v bazenu od 16 do 20 ur. Če je proces fermentacije natančno nadzorovan, je boljše,da se le-tega podaljša. Tako zagotovimo, da se celotna vsebina bazena enakomerno prefermentira. Nepopolno fermentirana zrna bi začela gniti, ker rastlinska sluz ne bi bila v celoti odstranjena. Pred ponovnim polnjenjem je potrebno temeljito čiščenje bazenov. To je zelo pomembno pri obeh načinih fermentacije. Če ostanejo ostanki prejšnje fermentacije npr. kavna zrna, ostanki zmehčanega kavnega mesa ali rastlinske sluzi, se tvorijo skupki, zaradi česar je potem nova fermentacija z novimi zrni nepopolna. Nevarnost nastanka takih skupkov lahko zmanjšamo, če so bazeni narejeni brez vogalov na straneh, kjer kava odteka (Rothfos, 1985) Načini pospešitve fermentacije Mokra fermentacija se lahko pospeši tako, da se ostanke zmehčanega sadnega mesa doda vodi, s katero se napolni bazen. S tem povečamo delež encimov. Vendar pa je to metodo težko nadzorovati. Zraven tega je tudi tvegana in nenatančna. Zato jo je boljše pospešiti z naravnimi pektolitičnimi encimi. V primeru, če je mokra fermentacija predolga, jih dodamo vodi. Po dolgoletnih izkušnjah pektinazne preparate zamenjuje uporaba NaOH (0,1 M), ki je efektivnejši zaradi hitrejšega odstranjevanja sluzastega ovoja okrog kavnih zrn. Pripravki za pospeševanje fermentacije se lahko uporabljajo tudi pri suhi fermentaciji, vendar redko (Rothfos, 1985).

21 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Tabela 3: Prikaz zrelosti kavnih jagod, vsebnosti vlage v posamezni stopnji zrelosti in čas trajanja sušenja za posamezno stopnjo zrelosti kavnih jagod (Rothfos, 1985). JAGODE PROCENT VSEBNOSTI VLAGE TRAJANJE SUŠENJA V URAH (PRI 40 O C) nezrele, zelene srednje zrele, rumene rdeče-zrele prekomerno zrele malo izsušene, temno sive do rjavkaste izsušene, temno sive do rjavkaste Zaključni postopki Praženje Praženje je zelo pomembna faza v predelavi kave in jo navadno opravijo kupci. Le ti dobijo surovo, ne praženo kavo, ki je pakirana v značilnih šestdeset kilogramskih vrečah iz jute. Pri praženju se pomeša več (do šest) kavnih sort, ker bi imela ena sama sorta zaradi raznovrstnosti pridelka preveč neenoten okus. Postopek se vrši v območju C. Gre za neprestano mešanje v zaprtem cilindričnem stroju, da ne izhlapijo aromatične snovi, ki nastajajo pri praženju. V toku praženja pride v samem zrnu do številnih sprememb v strukturi, barvi in aromi. Volumen se poveča za 20-50% (zrno nabrekne), teža se zmanjša za približno 20%, pade tudi specifična teža od tod tudi razlog, zakaj pražena zrna plavajo na vodi, surova pa tonejo (Illy in Viani, 1998). Intenziteta barve je v povezavi s temperaturo. Višja kot je temnejša so zrna. Pražena kava dobi čokoladno barvo (karamelizacija sladkorja), masten otip in sijaj (izločanje maščob na

22 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, površini). Pri praženju pride do zmanjšanja kislosti. Razvije pa se tudi aromatičnost, ki da kavi značilen vonj in okus. V sami kemični sestavi glede na surovo in praženo kavo ni bistvenih razlik. Do velike spremembe pa pride v koncentraciji saharoze, klorogenske kisline in beljakovin. Proces praženja V samem procesu ločimo 4 faze: - sušenje: med tem postopkom, ki je endotermen in traja polovica celotnega cikla se začneta vonj zrna in barva počasi spreminjati. Prva sprememba nastopi pri 50 C, beljakovine koagulirajo, voda izhlapeva. - razvoj: tu pride že do termičnega razkrajanja organskih snovi in porjavitve zrna. Pojavijo se plinasti produkti (CO2, vodna para), ki povzročijo nabrekanje zrna. Pri 160 C je na začetku proces eksotermen. - razkroj: pri C nastopi razkrojna faza. Zrna popokajo in tvori se plin, ki je sprva modrikast kasneje sivkast. - popolno praženje: temperatura naraste na 220 C. Z naraščanjem temperature temnijo zrna. Končna temperatura, ki jo praženje doseže je okrog 250 C (za zelo temna praženja). Pri višjih, nad 250 C kava poogleni in tvori neprijetno aromo. Prenizke temperature pa ne zagotovijo zaželjene arome. Praženje v pražilnikih poteka šaržno. Temperatura in čas (približno 12 minut) sta avtomatsko vodena. Danes poteka praženje pri visokih temperaturah in čim krajšem času. Kajti daljše doprinese k bolj grenki in manj aromatični kavi. Po praženju je potrebno kavo hitro ohladiti, da se razpoke na površini zrn zaprejo in s tem ne izgubi preveč eteričnih olj. Hladimo lahko z zrakom ali vodo. V prvem primeru gre za velike količine mrzlega zraka v kratkem času (400 m³/100kg v razponu 5. minut). Količina vode je natančno določena in razpršena po zrnih. Pri zračnem hlajenju obstajajo določene pomanjkljivosti in sicer pride do izgub arom (zaradi izgube hlapljivih substanc). CO 2 je ujet znotraj zrn in vpliva na proces pakiranja. Ena od pomanjkljivosti je tudi emisija hlapov z organskimi substancami, kljub uporabi katalizatorjev. Proti koncu praženja lahko kavo tudi aromatizirajo ( ingver, cimet, ). Na koncu gre kava v zbiralnik za praženo kavo, od tam pa na mletje ali takojšnje embaliranje (Illy in Viani, 1998).

23 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Mletje Z mletjem povečamo površino kavnih zrn-celice zrna odpremo in tako se sprostijo arome, olja in plini.voda tako zlahka prehaja v celice in pore, ter ustvarja ustrezno aromo, barvo in okus. Glaven cilj mletja je tako porast specifičnega izvlečka. Cela zrna ob stiku z vodo dajo največ rumeno barvo, zato jih je potrebno zdrobiti. Po mletju dobimo kavno moko obstojno 10 tednov(haupt, 1994). Uporablja se za pripravo poparka. Lahko jo vakuumsko pakirajo ali predelajo v hitro topljive vrste kave. Zmleta kava hitro izgublja aromo in prične se proces oksidacije. Drobno zmleta kava ohrani aromo dlje časa saj je med gosto maso delcev manj zraka, ki bi povzročal oksidacijo in izgubo arome. Danes se za mletje uporabljajo različni mlini, s katerimi dobimo različno fine stopnje mletja.v industriji se običajno uporabljajo mlini na valje, ki so vodno hlajeni. Tako ne pride do pregretja kave in izgube arome. Gre za vrtenje dveh valjev v različni smeri in z različno hitrostjo. Spuščanje zrn je časovno določeno zato, da se reže med valji ne zamašijo. Njihova edina pomanjkljivost je, da se kožice slabo zmeljejo, ker so tanjše od reže nad valji. Pri mletju se sprosti del plina (CO 2,CO), del olja in del hlapljivih substanc, ki so esencialne za tipično aromo kave. Premer zrn pri mletju izražamo v milimetrih. Vrednosti so različne glede na namen uporabe (turška kava, filter, ekspres ) Razplinjenje Pred vakuumskim pakiranjem je razplinjenje nujno potrebno, ker bi se sicer zavitki s kavo zaradi CO 2 lahko napihnili ali celo počili Pakiranje Cilj pakiranja je podaljšanje uporabnosti in ohranitev arome, ki je nastala med praženjem. S pakiranjem preprečimo mokroto tuje arome in dostop kisika. Surova kava ostane sveža nekaj let, medtem ko pražena izgublja na kvaliteti še posebno če je ta mleta. Če pustimo mleto kavo nekaj mesecev v stikus kisikom in svetlobo bo napitek še vedno varen, vendar dobi okus po tobaku, zato je pakiranje nujno potrebno. Cela zrna običajno pakirajo v embalaži, ki prepušča pline. Mleto pa v različne materiale (aluminijaste folije,polietilenske ), ki naj bi bili poceni praktični, prijazni okolju, zaščiteni pred svetlobo, kisikom,vlago. Material naj bi bil prepusten za CO 2, kemično inerten, higienično varen. Danes se vedno več uporablja vakuumsko pakiranje. To je pakiranje v embalažni material, ki mu odstranijo zrak ga termično zlepijo in zaščitijo pred stikom z vodno paro in plini.vse to nam podaljša dobo trajanja na 1 leto (pakirana v običajni vrečki ostane sveža le 2-3 mesece). Takoj, ko pa zavitek odpremo, se aroma že po enem tednu precej izgubi. S shranjevanjem v zamrzovalniku se aroma ohrani dvakrat dlje časa (Haupt, 1994) Odvzem kofeina Po odvzemu kofeina ostane v taki kavi le še 0,08% te snovi (Haupt, 1994). Kavi lahko odvzamemo kofein na tri načine:

24 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, z ekstrakcijo različnih topil (dikloreten ali trikloreten) - z namakanjem zrn v vodi - z uporabo ogljikovega dioksida. Najboljša metoda naj bi bila z ogljikovim dioksidom, saj le-ta ne vpliva na aromo in ne pušča usedlin. Kava, ki ustreza pogojem brezkofeinske kave mora vsebovati manj kot 0,9 odstotkov suhe teže kofeina. Take kave nosijo oznako "blaga kava" in so slabšega okusa. Skodelica s 150ml brezkofeinske kave vsebuje približno 3mg kofeina, v filtrirani ga je 115mg, v ekspres kavi je 80mg in 65mg v instant kavi (Ortiz, 1993).

25 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, EKOLOŠKI ASPEKT BIOPROCESA 6.1 Viri odpadkov v proizvodnji kave Na svetu je veliko območij, kjer se goji, predeluje in uporablja kava v različne namene. Kot pri vsaki proizvodnji smo poleg željenega produkta soočeni še z nastankom stranskih produktov (odpadkov). Ena izmed večjih pridelovalk kave na svetu je Kenija, ki na leto proizvede 100,000 ton in je ena izmed večjih onesneževalk okolja. Ponavadi se v kavni jagodi nahajata dve kavni zrni, ki sta vsaka posebej obdani s tesno prilegajočim se slojem imenovanim srebrna kožica. Zunanjo stran vsakega kavnega zrna pa obdaja rumena zunanja ovojnica. Vmesni prostor med kavnim zrnoma in lupino je stržen, ki predstavlja jedro vsake kavne jagode. Zelena kavna zrna predstavljajo okoli 50% - 55% suhe snovi vsake zrele kavne jagode. Ostali odstotek snovi variira in je odvisen od vrste kave same in stopnje zrelosti. Na vsaki stopnji biotehnološkega procesa nastanejo odpadki, te stopnje so suho, mokro sušenje, fermentacija, luščen, pranje surovine itd. Pri suhem procesu se obrane kavne jagode sušijo, da se jim zaradi visoke vsebnosti vode. Po sušenju se kavna zrna luščijo na luščilnikih, kjer se ločijo od zunanje ovojnice, stržena in srebrne kožice, ti predstavljajo odpadni del. Pri mokrem procesu, pa kavnih jagod ni potrebno predhodno sušiti, ampak se jim najprej mehansko odstrani stržen in zunanja ovojnica. Po odstranitvi zunanje ovojnice in stržena se kavna zrna fermentirajo, kjer se odstrani preostali stržen s pomočjo pektolitičnih encimov. Po fermentaciji sledi sušenje in nato luščenje, kjer se odstrani pergament. Pergament in srebrna kožica skupaj predstavljata odpadno luščino. V povprečju za vsako tono čistega obdelanega kavnega zrna nastane približno 0,28 ton lupine, 2 toni stržena in 22,73 ton odpadne vode (Sagner, 2001). 6.2 Uporaba in obdelava odpadkov Po letu 1970 so pričeli v Keniji in po svetu množično uporabljati kavni odpadki za proizvodnjo briketov. Postopek pridobivanja kavnih briketov kot vir energije se imenuje briketiranje. Briketiranje je postopek, kjer v žgalni peči kavne luščine izpostavijo visokim temperaturam in se le te karbonizirajo in nato vlivajo v kalupe. Ugotovili so da imajo kavni briketi boljše gorilne sposobnosti, kakor lesni. Zaradi teh lastnosti so večino kavnih odpadkov preusmerili v proizvodnjo briketov in le majhen delež 30% v druge namene, kot je na primer kompostiranje, krma živalim, gnojilo in podobno. Čeprav imajo kavni briketi dobre gorilne lastnosti pa je na drugi strani energijski izkoristek zelo majhen. Problem je v pomanjkanju znanja v kemijski sestavi luščin. Predvsem velik problem predstavljajo lahko hlapni plini, ki pri sežiganju predčasno izpariji in ostanejo neizgorljivi. S spoznavanjem natančne sestave in merjenjem količine bioplina (na tono komposta se ga proizvede 131 m 3 ), lažje določimo naravo odpadka. V te namene uporabljamo Plavajoči nivo pilotnega bioreaktorja (FBC). Od celotnega vzorca vzamemo reprezentativen vzorec približno 200 kilogramov in ga vodimo v kolono. Na dnu kolone je odpadno blato in z dovajanjem propana se le ta vname in sežge. Pri sežigu nastane odpadni pepel in različni plini ( CO2, CO, NO, N 2O ), ki jih merimo z infrardečim absorbcijskim spektrofotometrom. Na osnovi rezultatov se odločimo ali bomo kavne luščine uporabili kot gnojilo ali pa v energijske namene ( Sagner, 2001).

26 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Slika 8: Plavajoči nivo pilotnega bioreaktorja (Sagner, 2001). Drugi način obdelave kavnih luščin je hidroliza. Hidroliza je postopek, kjer z uporabo različnih kislin in vodne pare, razgradimo polisaharide v monosaharide. Po Urbaneju ( 1996 ), ki je pri hidrolizi uporabil žvepleno kislino, in dobil različne monosaharide kot so ksiloza, arabinoza, fruktoza, maltoza, ter glukozo. Pri 64 % izkoristljivosti za celokupne in 67 % izkoriščenosti reakcije za reducirajoče sladkorje je dobil največ glukoze in nato arabinoze. Največji izkoristek hidrolize je dobil Woiciechowski ( 1999 ), ki je uporabil kombinacijo soli anorganskih kislin in vodno paro. Zmes je segreval pri C 15 minut ter dobil 48, 18 g/l reduričajočih sladkorjev.

27 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, UPORABA BIOPROIZVODOV V PREHRANI Med najbolj uporabljenimi vrstami v proizvodnji sta C. robusta in C. arabica. Prva daje oster in rezek okus in se uporablja v cenejših kavnih mešanicah. Bolj priljubljena in bolj kakovostna je vrsta C.arabica. Največ se kava uporablja pri pripravi kavnega napitka.za napitek lahko uporabimo mleto kavo, instant kavo v prahu ter granulat. Kuhano kavo pripravljamo na različne načine. Posebno znana je»turška kava«(fino zmleto kavo polijemo z vrelo vodo) in ekspres kava (skozi grobo zmleto kavo uvajamo paro) Manj poznane pa so tako imenovane aromatizirane kave. To so kave obogatene z različnimi aromami, kot so: cimet, muškatni orešček, suhe fige, ingver, nageljnove žbice.kava se dodaja tudi v razne brezalkoholne in alkoholne pijače (liker). Najdemo jo tudi v bombonih, čokoladah, piškotih, desertih, sladoledih, jogurtih... V Nigeriji obstaja veliko naravnih virov prehranjevanja, tako naprimer s kavnimi zrni krmijo tudi živino. Gre za predelavo kavinega mesa v moko, ki je naraven in bogat vir rastlinskih proteinov. Taka moka je bogata s saponini, lektini, tanini, tripsinskimi inhibitorji in cianogenimi glukozidi. Tabela 4: Energijska vrednost surove in pražene kave na 100g (Scherz in Senser, 2000). Sestavine Surova kava Surova kava Pražena kava Pražena kava (kj) (kcal) (kj) (kcal) Beljakovine Maščobe Ogljikovi hidrati Celotna energ. vrednost Tabela 5: Proizvodnja za leto 1996 (Willson, 1999). Države Proizvodnja (1000t) Etiopija 230 Uganda 257 AFRIKA (skupaj) 1150 Gvatemala 207 Mehika 325 S in OSREDNJA AMERIKA (skupaj) 1111 Brazilija 1290 Kolumbija 822 J AMERIKA (skupaj) 2489 Indonezija 431 AZIJA (skupaj) 1122 Nova Gvineja 60 OCEANIJA (skupaj) 60 SVET (skupaj) 5932

28 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Tabela 6: Poraba kave na prebivalca za leto 1996 ( Država Poraba (kg) Švedska 11,5 Finska 10,6 Danska 9,9 Nemčija 6,9 Italija 5,0 ZDA 4,1 Slovenija 3,0 Avstralija 2,5 J Koreja 1,2 Turčija 0,2 Na svetu je več kot petdeset držav izvoznic kave. Največje so Brazilija, Kolumbija in Indonezija. 7.1 Psihofizični učinki kave na človeški organizem Po zaužitju kave se kofein hitro resorbira v kri in doseže polno učinkovitost po 15 do 30 minutah. Njegov razkroj se začne po treh urah in pol, konča se po šestih urah, ko preneha tudi njegov učinek na psiho. Iz telesa se izloči po 24 urah, v večjem delu pa se ga izloči nerazgrajenega z urinom. Skodelica kave ali dve povzročata budnost, boljšo koncentracijo, večjo zmogljivost za fizično in umsko delo ter zmanjšuje utrujenost. Ugotovljeno je, da kofein lahko zmanjšuje glavobol, oža krvne žile, v preveliki količini pa povzroča živčnost, razdražljivost, tresoče roke, nespečnost in celo diarejo. Kofein vpliva tudi na srce in ožilje, kar je opaznejše pri ljudeh, ki ga niso vajeni, ker dviga krvni pritisk in pospešuje srčni utrip. Vendar vseh stimulativnih učinkov, ki jih povzroča kava, ne smemo pripisovati samo kofeinu, ampak še drugim hlapljivim substancam (

29 Kava, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, IMPLIKACIJE DRUGIH TEHNOLOGIJ IN IMPLIKACIJE NA DRUGE TEHNOLOGIJE 8.1 Uporaba kavnih luščin v biotehnologiji in živilstvu Že od nekdaj so se kavne luščine izključno uporabljale, kot gnojilo, krma za živali ali pa za kompostiranje. Z napredovanjem tehnike se odpirajo nove možnosti v uporabi kavnih luščin.danes se uvajajo v različnih bioprocesih kavne luščine, kot substrat za gojenje mikroorganizmov, ki s svojim delovanjem proizvajajo različne koristne snovi, kot so encimi, organske kisline, aromatske komponente, produkcija citronske kisline, giberlinske kisline (Machado, 1999).