Методы концентрирования
Концентрирование сока – это процесс удаления определенной части воды из фруктовых, ягодных, овощных и травяных соков. Концентрирование сока в основном осуществляется в следующих целях:
- снижение активности воды сока;
- минимизация затрат на упаковку;
- оптимизация хранения, транспортировки и обращения;
- стабилизация сока.
Методы концентрирования фруктовых соков требуют тщательного выбора и глубокого понимания соответствующих теорий или рациональности. Неправильный выбор условий процесса концентрирования может оказать неблагоприятное воздействие на органолептические и питательные свойства конечного продукта и/или привести к увеличению производственных затрат. Применяется широкий спектр методов концентрирования фруктовых соков, часто основанных на термическом испарении (выпаривании), сублимационной или вакуумно-импульсной сушке, мембранной фильтрации/дистилляции, прямом/обратном осмосе. Выбор способа концентрирования зависит исключительно от природы и состояния сока и степени концентрирования.
Выпарной котел
Это самые простые и самые старые типы испарителей, но они до сих пор часто используются для концентрирования соков, соусов, джемов и кондитерских изделий из-за их легкой установки, масштабируемости, технического обслуживания и меньших капитальных затрат. Эти испарители представляют собой полусферические корпуса (чаны, часто изготавливаемые из нержавеющей стали), которые нагреваются за счет пара или перегретой воды. Во время работы потоки пара движутся вокруг сосуда через пространство между внешней и внутренней чашами при несколько более высоком давлении, передавая тепло упариваемому соку. Температура фруктового сока повышается за счет теплопроводности, и вода испаряется. Концентрированные соки сбрасываются через выходное отверстие на дне чана; в противном случае его можно периодически наклонять для подачи концентрированного продукта в технологический поток. Несмотря на то, что с ними очень легко обращаться, такие испарители подходят только для выпаривания термически стабильных продуктов.
Вакуум-выпарной аппарат
Концентрация сока кипячением в вакууме для испарения определенной части природной воды является единственным методом, пригодным для промышленного производства концентратов фруктовых соков. Выпарные аппараты с мешалкой подходят для концентрирования фруктового сока или пюре для приготовления концентрата или пасты. Эти испарители часто изготавливаются в виде цилиндра с верхней и нижней полусферическими крышками из нержавеющей стали. Такие выпарные аппараты также комплектуются якорными и лопастными мешалками. В качестве теплоносителя используется пар или горячая воды, которые находятся в паровой рубашке нижнего кожуха. Пары воды, удаляемые из продукта, конденсируются в конденсаторе. Закрытые выпарные аппараты работают под вакуумом, поэтому вода из сока испаряется в диапазоне температур около 40-70°C. Как и открытые чанные выпарные аппараты, они имеют сравнительно небольшую производительность, но отлично подходят для малых и средних современных технологичных производств пищевой, косметической и фармацевтической промышленности.
Закрытый выпарной аппарат с мешалкой, работающий под вакуумом, поставляется в составе линии для производства водно-спиртовых экстрактов из лекарственного и плодово-ягодного сырья.
Выпарная установка
Вакуумно-выпарная установка (выпарная станция) – это оборудование для термического удаления части воды из фруктовых соков в условиях вакуума при температурах, ниже температуры кипения воды при атмосферном давлении.
Выпаривание можно проводить порциями или непрерывно для получения требуемых концентрированных жидкостей, поддающихся перекачиванию.
В однокорпусных термических испарителях теплоносителем обычно является пар или водяной пар, поэтому для испарения 1 кг/ч воды потребуется 1 кг/ч свежего пара. С другой стороны, многоступенчатые выпарные установки (испарители) используют соковые пары с предыдущей стадии в качестве теплоносителя для выпаривания воды из сока при более низкой температуре. (Эта архитектура зарубежом известна как «эффект»). Таким образом, «многоступенчатые» испарители были разработаны для эффективного использования тепловой энергии. В многокорпусном испарителе сок обрабатывается в несколько этапов, каждый из которых проходит при более низком давлении, чем предыдущий, или занимает большую площадь поверхности. Поскольку температура кипения воды уменьшается с уменьшением давления или скорость испарения увеличивается с увеличением площади поверхности, пары, выкипевшие на одной ступени, можно использовать для испарения на следующей.
В целом разница температур на каждый следующий «эффект» уменьшается. Следовательно, поверхности испарения подбираются и давления в отдельных «эффектах» регулируются для достижения требуемой скорости испарения. Поскольку фруктовые соки содержат деликатные питательные вещества, такие как термолабильные витамины и флавоноиды, испарители должны быть сконструированы таким образом, чтобы обеспечить желаемое испарение воды за счет минимальной термической обработки сока. Кипячение сока в условиях вакуума достигается при гораздо более низкой температуре, чем при нормальных атмосферных условиях.
Рекомпрессия пара
Испарители на основе термической рекомпрессии пара являются энергоэффективными. Они откачивают пары первого «эффекта» (термокомпрессии) для повторного использования для нагревания. Эти испарители редко используются для концентрирования фруктового сока и в основном применяются для опреснения воды. Основным преимуществом парокомпрессионных испарителей является то, что они работают с более высокой экономией пара, т.е. двухступенчатый испаритель будет потреблять на 33% меньше пара, чем обычный испаритель. На практике лишь небольшая часть паров из испарителя сжимается в термокомпрессоре, а остальные конденсируются в следующем корпусе или конденсаторе. Термокомпрессор обычно применяется в однокорпусном испарителе или во время первого такта двух- или трехкорпусного испарителя для снижения расхода энергии. По сравнению с механической рекомпрессией испарители с термической рекомпрессией более применимы к жидкостям с низким повышением температуры кипения и низкими и умеренными перепадами температур в теплообменнике для минимизации степени сжатия.
Выпарной аппарат с восходящей или падающей пленкой
В пластинчатых испарителях с поднимающейся или падающей пленкой тонкие пленки фруктового сока поднимаются или спускаются по пластинами, что позволяет процессу испарения происходить быстрее при более низких температурах. Эти типы испарителей в основном используются там, где выпариваемый фруктовый сок не может выдерживать длительное воздействие повышенных температур. Последняя форма этих испарителей состоит из трубчатого теплообменника с латерально или концентрически расположенным центробежным сепаратором. Во время работы сок подается на верхнюю часть нагревательных трубок и непрерывно распределяется тонкими пленками, падая вниз. Пленки, падающие вниз, быстро испаряются и, наконец, отделяются в центробежном каплеуловителе на дне. Следует следить за тем, чтобы все трубки были равномерно сбрызнуты соком, иначе на тонкой пленке образуются сгустки и пятна (пригары). Этот тип выпарного аппарата используется для переработки сока, где требуется малое время пребывания и температура ниже 90°C.
Есть несколько модификаций пленочных испарителей. Например, пластинчатые испарители обеспечивают более высокую скорость испарения при более коротком времени пребывания и широко используются для термочувствительных продуктов. Скребковые испарители часто используются для концентрирования высоковязких продуктов, таких как томатное пюре.
Криоконцентрирование (криоконцентрация)
Концентрирование фруктового сока — это способ уменьшить объем сока, чтобы избежать затрат на транспортировку и хранение. Считается, что криоконцентрация является эффективным способом обезвоживания биологических материалов без нарушения их целостности. Этот метод включает удаление чистой воды в виде кристаллов льда при температуре ниже нуля и особенно подходит для концентрирования или разделения термочувствительных биологических соединений, таких как витамины, белки, антоцианы и другие полифенолы, ликопин и ароматические соединения.
Одноступенчатая установка концентрирования состоит из кристаллизатора и промывной колонны. Кристаллизатор представляет собой большой сосуд с поверхностными теплообменниками, часто заключенными в капсулу с охлаждающими змеевиками или циркулирующим хладагентом. Внешние стенки охлаждаются циркулирующим хладагентом для образования льда и роста кристаллов, происходящих внутри кристаллизатора. Обеспечивая достаточное время пребывания, кристаллы льда растут до оптимальных размеров для эффективного разделения. В промывной колонне концентрированная жидкость эффективно отделяется от кристаллов льда. Слой спрессованных кристаллов льда промывают растворяющимся льдом для удаления всех следов концентрированной жидкости. Криоконцентрация гарантирует, что в концентрате останутся все исходные характеристики исходного сырья. В отличие от термического испарения, криоконцентрация практически не влияет на вкус, аромат, цвет или питательные вещества сокосодержащих продуктов. Кроме того, уровень концентрации, который может быть достигнут при замораживании, выше, чем при обратном осмосе, но ниже, чем при кипячении в вакууме. Однако из-за очень высоких капитальных затрат, сложного контроля роста кристаллов льда в течение длительного времени (ограничение производительности), большого потребления энергии из-за безостановочного вращения скребковых лезвий и потерь твердых частиц из-за того, что сок «цепляется» за кристаллы льда, популярность криоконцентрирования мала. Этот метод обычно применяется для ценных соков или экстрактов.
Установка мембранной фильтрации
Продолжающийся в настоящее время энергетический кризис во всем мире побудил промышленников и ученых-пищевиков пересмотреть методы обезвоживания и придумать энергоэффективную технологию концентрирования, известную как технология мембранной фильтрации. Она вызывает относительно меньшую потерю питательных свойств, особенно витаминов и фитонутриентов.
Одной из многообещающих альтернатив мембранной технологии является обратный осмос, но он не может удовлетворить концентрации, обычно превышающую 25—30° по шкале Брикса. Вторым недостатком является малый срок службы мембран. Мембраны приходится часто подвергать мойке от загрязнений продуктом, из-за чего они быстро выходят из строя. Третий, самый существенный недостаток – высокая стоимость мембранных элементов.
Установка мембранной дистилляции
Мембранная дистилляция — это недавно внедренный процесс, в котором используется микропористая гидрофобная мембрана для разделения двух водных растворов, поддерживаемых при разных температурах. В этом методе поток чистой воды движется из раствора с более высокой температурой в раствор с более низкой температурой. Ключевой особенностью этого потока является то, что он протекает при атмосферном давлении и продолжается при температурах, значительно более низких, чем точки кипения обоих растворов. Мембраны обычно состоят из политетрафторэтилена, поливинилдифторида и полипропилена. Тонкие мембраны с большей пористостью, выполненные в виде спиральной намотки или полого волокна, обеспечивают более высокую скорость потока. Поскольку мембранная дистилляция происходит при обычном давлении и температуре, значительно более низких, чем при обычном выпаривании, эта методология может быть эффективно применена для концентрированных соков, чувствительных к высокой температуре и высокому осмотическому давлению. Концентрация фруктового сока, рабочая температура, скорость потока и вязкость сока влияют на поток пермеата. Использование мембран с открытой волокнистой структурой обеспечивает относительно хорошее удержание летучих ароматизаторов в сравнении с мембранами с дискретными порами.
Концентрирование прямым осмосом
Концентрация прямым осмосом является еще одним популярным дополнением к мембранному процессу, который работает при низкой температуре и давлении и способен сохранять первоначальный вкус и органолептические характеристики фруктовых соков. При концентрировании прямым осомосом градиент осмотического давления устанавливается между фруктовым соком и раствором осмотического агента, поддерживаемого через полупроницаемую мембрану, поэтому вода перетекает из сока в гигроскопичный, нетоксичный, инертный осмотический агент (раствор высокого осмотического давления), не влияющий на вкус, цвет, или запах сока. Как правило, твердые вещества с меньшей молекулярной массой, когда они присутствуют в более высоких концентрациях, обеспечивают более высокое осмотическое давление. В этом контексте в качестве осмотических агентов часто используются хлорид натрия, тростниковая патока, кукурузный сироп, сахароза или глицерин. На практике растворы осмотических агентов должны обеспечивать осмотическое давление выше, чем концентрированный фруктовый сок. Например, кукурузный сироп на основе фруктозы/глюкозы (примерно 74° по шкале Брикса) часто используется в качестве осмотического агента для быстрого турбулентного потока без слишком большого перепада давления и поляризации концентрации, а также с относительно более длинной зоной контакта с мембраной без загрязнения.
Повышение температуры сырья ускоряет трансмембранный поток. Технология эффективно применялся для концентрирования ананасового сока до 60°Brix при комнатной температуре.
Концентрация обратным осмосом
Явление естественного течения растворителя из раствора с низкой концентрацией растворенного вещества в раствор с высокой концентрацией через полупроницаемую мембрану, препятствующую прохождению растворенных веществ, но позволяющую растворителю проходить сквозь нее, называется осмосом. Когда давление, действующее на раствор с высоким значением Брикса, превышает осмотическое давление, растворитель движется в обратном направлении через полупроницаемую мембрану. Точно так же, когда давление, приложенное к соку значительно превышает осмотическое давление, вода, содержащаяся в соке, движется в противоположном направлении через полупроницаемую мембрану. Удаление воды из сока приводит к концентрированию сока. С механистической точки зрения для переноса растворенных веществ и воды через мембрану обратного осмоса приняты две теории, т. е. теория преимущественной сорбции и диффузии раствора. Согласно первой теории растворенное вещество и растворитель проходят через мембрану путем диффузии, тогда как вторая теория предполагает, что растворенное вещество и растворитель сначала адсорбируются на поверхности мембраны, прежде чем пройти через мембрану. В целом, по мере удаления воды и отторжения растворенного вещества и накопления его на поверхности мембран поток воды падает из-за увеличения осмотического давления сырья и концентрационного поляризационного воздействия. Они считаются основными факторами, вызывающими ухудшение потока. Эти препятствия могут быть устранены путем изменения рабочих условий, таких как давление подачи, концентрация, температура, скорость поперечного потока, а также путем создания турбулентности, обратной промывки/промывки и импульсного потока.
Примеры концентрирования
Фруктовые соки, такие как яблочный и виноградный, жидкие по своей природе, и их можно концентрировать в пять-семь раз. Приблизительно из 100 кг сока прямого отжима можно получить 15–20 кг концентрированного сока. Фруктовые соки, содержащие больше пектиновых соединений и клетчатки, по своей природе вязкие, и их можно концентрировать только в два-три раза.
Яблочный сок очень чувствителен к теплу, поэтому для концентрирования сока в основном используются методы многоступенчатого выпаривания или криоконцентрации с системами извлечения эссенции. В многокорпусном испарителе яблочный сок с 10—12 °Bx выпаривают до 20—25 °Bx при температуре около 90°С и извлекают аромат методом фракционной перегонки. Концентрат с 25 °Bx далее упаривают до 40—45 °Bx, повышая температуру до 100°С. На третьем этапе концентрат с 45 °Bx доводят до 45°C и упаривают до 50—60 °Bx при пониженном давлении. Наконец, концентрат дополнительно упаривают до 70—71° по шкале Брикса, поддерживая сок при температуре 45°С. Конечный продукт охлаждают до 5°C и стандартизируют до 70° Bx перед окончательной упаковкой.