EnglishGermanItalianRussian

Установка ультрафильтрации соков и винДля осветления, стабилизации и концентрирования соков, безалкогольных напитков и вин используют процессы обратного осмоса, ультрафильтрации и электродиализа. Мембранные процессы особенно целесообразно использовать в случаях, когда разделяемая смесь содержит лабильные легкоразрушающиеся вещества. Такими являются чаще всего жидкие пищевые среды, например, соки, экстракты, белковые растворы и т.д. Разработка мембранных процессов их разделения дает возможность создавать принципиально новые технологические схемы и оборудование, для комплексной переработки растительного сырья, снизить загрязнение окружающей среды за счет применения безотходных технологий, а также получать пищевые продукты с новыми функциональными свойствами и высокой пищевой ценностью.
Мембранные процессы в технологии производства фруктовых соков в настоящее время используются в основном для их осветления и концентрирования.
Свежеотжатый плодовый сок представляет собой сложную коллоидную систему, образованную частицами растительной ткани размером 1*10-6 – 1*10-7 см, нерастворимыми в воде. Кроме частиц плодовой ткани и мякоти, соки содержат дрожжевые клетки, балластные примеси, которые являются причиной образования помутнений и осадков. Такие частицы в процессе хранения соков агрегируют и выпадают в осадок. Устойчивость гетерогенной системе придают стабилизаторы, образующие на поверхности частиц ионный или молекулярный адсорбционный слой. Наличие одноименного электрического заряда, а также гидратных оболочек препятствует агрегированию частиц, что затрудняет процесс самоосветления. Кроме того, в соках содержатся высокомолекулярные соединения сложного химического строения, например, пектиновые и белковые, полифенольные и красящие, которые также участвуют в образовании коллоидов. Так как поверхность раздела фаз в этом случае отсутствует, то молекулярно-дисперсные системы, образованные этими биополимерами, отличаются повышенной устойчивостью и обратимостью.
Осветление плодовых, спиртованных соков и вин связано не только с удалением взвешенных частиц, но и частичным разрушением коллоидной системы, неустойчивости при температурных колебаниях и при длительном хранении. Коллоидную систему необходимо разрушить лишь в такой мере, чтобы обеспечить быструю седиментацию взвешенных частиц, хорошую фильтруемость сока и достаточную устойчивость отфильтрованного сока при его дальнейшем хранении.
Осветление должно вызывать коагуляцию необратимых коллоидов и в минимальной степени влиять на обратимые гидрофильные коллоиды. Таким образом, в осветленном соке должна оставаться большая часть природных соединений, в частности, полифенолов, белков, витаминов, минеральных веществ, образующих коллоидную систему и определяющих во многом пищевую и биологическую ценность продукта.
Для удаления из соков нерастворимых взвешенных веществ, включая бактерии, грибы и дрожжи, весьма эффективно использование микрофильтрации, при которой задерживаются частицы вплоть до размеров 1*10 -7 нм, поскольку микрофильтрационные мембраны имеют высокую производительность (3,6 — 20 м3/м2*ч), причем процесс фильтрации протекает при малых давлениях (0,01 — 0,05 МПа). Поскольку микрофильтрационные мембраны задерживают бактерии, дрожжи и плесневые грибы, то микрофильтрацию используют для холодной стерилизации пива, соков и других жидких пищевых сред, а также в микробиологическом контроле пищевых продуктов.
В отличие от микрофильтрации ультрафильтрационная обработка соков, пива, вин и других пищевых коллоидно-дисперсных сред позволяет устранять из них не только нерастворимые, но и растворимые вещества, в частности, пектин, крахмал, белки, конденсированные формы полифенолов. Ультрафильтрационное осветление соков более полное и эффективное, поэтому находит широкое применение в промышленности для осветления и стабилизации качества яблочного, виноградного, вишневого, лимонного, апельсинового и других соков.
При ультрафильтрации из яблочного сока удаляется 19 — 32 % пектиновых, 9,5 — 18,4% белковых соединений, 38,5 — 45 % коллоидов. Удаление из яблочного сока высокомолекулярных веществ в обозначаемых количествах позволяет получать осветленный сок с высокими органолептическими и пищевыми качествами.
фильтрация соков и винПосле ультрафильтрации соков остается некоторое количество осадков, содержащих выжимки и часть сока, но процентное их содержание очень незначительное по сравнению с количествами, получаемыми при классическом процессе обработки. Так, на 1 т сока при классическом процессе образуется 468 дм3 осадка, а при ультрафильтрационном осветлении — только 25 дм3. Сравнение качества готовой продукции, полученной при этих двух процессах обработки, дает возможность утверждать, что при ультрафильтрации содержание полезных веществ в осветленном соке повышается в среднем на 10%. Прозрачность осветленного сока увеличивается более чем в 10 раз. Немаловажным положительным фактором ультрафильтрационного осветления является и то, что минеральный состав осветленного сока богаче по сравнению с изготовленным по традиционной технологии.
Аналогичные результаты получены и при осветлении ультрафильтрацией виноградного сока. При этом установлено, что коллоидная система виноградного сока разрушается при более значительном осветлении, чем яблочного. Это объясняется тем, что в яблочном соке больше пектиновых веществ, образующих относительно стабильную коллоидную систему, и меньше белковых, полифенольных и красящих, которые уменьшают ее стойкость.
При ультрафильтрационном осветлении мандаринового и апельсинового сока наибольшее изменение претерпели каратиноиды, пектиновые и белковые вещества. Очевидно, именно в связи с этим наблюдается частичное уменьшение плотности и вязкости осветленного сока. Следует отметить, что при ультрафильтрации, независимо от типа мембраны, в соке практически разрушается коллоидная система, состоящая из быстро меняющихся форм полифенолов, белково-пектиновых частиц компонентов и взвешенных частиц мякоти, что гарантирует стабильность мандаринового сока в процессе хранения. Стабильными остаются и основные химические показатели сока: сахар, титруемая кислотность, рН и концентрация аскорбиновой кислоты.
Потеря при ультрафильтрации 30 % веществ ароматического комплекса, около 20% флавоноидов и 50% каротиноидов, а также некоторых аминокислот связано с потерей их в виде отфильтрованных осадков за счет механических включений и адсорбции на коллоидных частицах осадков.
При фильтрации апельсинового и мандаринового соков, наблюдается, что практически все аминокислоты сока, находящиеся в свободном состоянии, количественно сохраняются при ультрафильтрационном осветлении.
Таким образом, ультрафильтрационный процесс осветления мандаринового сока не снижает его пищевой ценности, поэтому при его изготовлении можно рекомендовать мембранную технологию взамен процесса осветления пектолитическими ферментами, тепловой обработкой и сепарированием.
Мембранная ультрафильтрация практически не изменяет количественного содержания спирта, сахара, летучих кислот, минеральных веществ, а также титруемую кислотность и рН среды. В то же время снижается содержание таких компонентов, как фенольные и азотистые вещества, что приводит к стабильности вин к белковым, обратимым и необратимым коллоидным помутнениям.
Заслуживает внимания влияние ультрафильтрационного процесса на регулирование содержания антоцианов и других полифенолов при получении из красных сортов винограда вин с требуемой интенсивностью окраски.
Следует отметить, что применение ультрафильтрации в виноделии позволяет не только упростить некоторые традиционные технологические процессы, но и исключить использование оклеивающих материалов, обеспечивая при этом холодную стерилизацию виноматериалов.
В процессе ультрафильтрации вина из него удаляются также и частицы растительных тканей, дрожжи и грибы, что приводит к достаточно быстрому засорению пор в мембранах и, естественно, к снижению их производительности. Поэтому в настоящее время, взамен тупиковой фильтрации на фильтр-прессах, используется тангенциальная фильтрация, когда поток фильтрующейся жидкости подается параллельно мембране со скоростью 1,3-2,3 м/с, обеспечивая самоочистку ее поверхности, и тем самым сохраняя производительность процесса на исходном уровне. Тангенциальная фильтрация дает возможность интенсифицировать процессы осветления соков и вин при использовании полимерных полупроницаемых мембран.
Французская фирма «Имека-Гетеви» впервые с целью осветления соков и вин применила неорганические мембраны для тангенциальной фильтрации. Использование их при осветлении яблочного сока снижает его себестоимость почти в 3 раза по сравнению с осветлением классическим способом.
Хорошие результаты для осветления концентратов соков получают и при использовании ультрафильтрации с мембранами различной конфигурации (пластины, полые и трубчастые волокна). Высокая производительность процесса сохраняется до содержания в концентрате 35 — 55 % сухих веществ. Если оно выше 55% на фильтрацию оказывают влияние неблагоприятные реологические свойства концентратов, в частности, легкость выпадения осадков на поверхности мембран.
В настоящее время и в России и за рубежом резко увеличивается потребление концентрированных соков, характеризующихся химической и микробиологической стабильностью. Они — хорошее сырье для производства разнообразных восстановленных фруктовых, овощных соков и смесей, а так же безалкогольных напитков. Концентрирование фруктовых и овощных соков во многих отношениях гораздо сложнее, чем других жидких продуктов, поскольку качество концентрата определяется не только физическими, химическими и биохимическими показателями, но и органолептическими.
Необходимо учитывать высокую чувствительность фруктовых соков и к термической обработке.
Даже умеренные (40 — 50 С) температуры могут вызвать необратимые изменения компонентов сока. Качество концентрированного сока определяется, главным образом, его вкусом и запахом, однако все ароматические вещества его — летучие соединения и в процессе выпаривания могут утеряться. Поэтому при технологической переработке соков их высокие вкусовые качества будут сохраняться лишь при соблюдении следующих условий: низкая температура и кратковременное пребывание сока во всех технологических аппаратах; избирательное удаление воды, то есть все компоненты за исключением воды должны сохраняться в концентрированном соке.
Эти условия соблюдаются и выполняются при концентрировании соков методом обратного осмоса. Использование для этих целей мембранного процесса предпочтительнее, чем выпаривание или вымораживание, поскольку процесс протекает при комнатной температуре, что резко снижает эксплуатационные расходы, а также сводит до минимума тепловую и окислительную деградацию продуктов, сохраняя при этом полный спектр веществ аромата сока.
Так как осмотическое давление фруктовых соков довольно высокое, в частности, при содержании сухих веществ 10 — 12 % оно составляет 1,4-1,6 МПа, то обратноосмотическое концентрирование необходимо проводить при высоком рабочем давлении (6 — 12 МПа).
Потери инвертного сахара и органических кислот с фильтратом не превышают 6,5 % по сравнению с исходным соком и, следовательно, метод обратноосмотического концентрирования весьма эффективен для фруктовых соков.
Этот вывод подтверждается и при получении виноградного меда обратноосмотическим концентрированием виноградного сусла. Для этой цели могут быть использованы ацетатцеллюлозные и полисульфонамидные мембраны, селективность которых дает возможность на 80 — 90 % сконцентрировать ароматические вещества виноградной ягоды. Поскольку перед концентрированием необходимо очистить виноградное сусло от различных взвесей, коллоидов, дрожжевых клеток, а также от биополимерных молекул и полифенольных соединений, на этой стадии целесообразно использование ультрафильтрации. Схема двухступенчатого концентрирования позволяет осуществлять процессы сгущения соков с высокой производительностью до содержания сухих веществ 30 — 40 %.
мембраны для осветления соковЗаслуживает внимания так же и совершенствование технологии очистки и концентрирования овощных соков с использованием мембранных методов, в частности, ультрафильтрации и обратного осмоса, позволяющих до минимума сократить тепловое воздействие на сырье и получить широкий набор овощных соковых полуфабрикатов, в том числе и концентратов. Для сокового производства были использованы томаты, кабачки, перец сладкий, капуста, ревень, сельдерей, тыква, шпинат и другие овощи, которые обрабатывали по стандартной технологической схеме, принятой для отдельных видов овощей. В результате этих процессов получался овощной гомогенат или овощной сок с наличием большого количества взвешенных частиц мякоти.
Дальнейшая обработка этих полуфабрикатов включала ультрафильтрацию или ультрафильтрацию с последующим обратноосмотическим концентрированием.
Ультрафильтрация как конечная стадия технологического процесса особенно эффективна при получении ревеневого, капустного, свекольного, сельдереевого и других соков, а также практически для всех овощных соков, получаемых методом молочнокислого брожения. В ходе ультрафильтрации этих овощных полупродуктов происходит стабилизация их коллоидных систем, уменьшение растворимых пектиновых и белковых веществ, а также резкое снижение в 15 — 20 раз микрофлоры, что позволяет достигать не только необходимой степени прозрачности, но и стабильности соков при хранении. Поскольку в составе осветленных ультрафильтрацией овощных соков в полной мере сохраняется их исходный витаминный, минеральный, полифенольный и ароматический комплексы, то они отличаются натуральным вкусом, присущим исходному овощному сырью.
Использование двухступенчатой схемы ультрафильтрация — обратный осмос, дает возможность получать не только концентрированные овощные соки с высокими органолептическими и пищевыми показателями, но и различные пюреобразные овощные продукты. Реализуя в промышленных условиях двухступенчатую схему мембранной обработки овощного сырья, можно получать концентрированные томатные продукты (пасту, соки и т. д.), баклажанную и кабачковую икру, перцовый, капустный, свекловичный концентраты с содержанием 25 — 40% водорастворимых сухих веществ. Полученные продукты отличаются высокими рганолептическими и пищевыми показателями.
Производительность обратноосмотических мембранных установок при концентрировании соков (томатного, яблочного, виноградного, апельсинового и др.) находится в пределах 30—500 л/м2*ч и во многом определяется условиями предварительной очистки соков. Существует очень тесная зависимость между концентрацией исходного сока и проницаемостью мембраны. Проницаемость мембраны почти линейно снижается с увеличением концентрации соков. Поэтому, в ряде случаев, концентрирование деминерализованного сока, например свекловичного, до 25 — 35 % является максимальным, дальнейшее же концентрирование сока экономически выгодно проводить комбинацией процессов обратного осмоса и выпаривания.
Двухэтапный режим концентрирования соков позволяет достигать 60 — 70 %-ной концентрации сухих веществ, однако с увеличением степени концентрирования в соке теряются некоторые ароматические вещества, которые можно улавливать установками регенерации и возвращать в готовый продукт.
В некоторых случаях для регулирования ионного состава жидких пищевых продуктов (вин, напитков, соков) оказывается наиболее эффективным электродиализный процесс. Так, электродиализная обработка белых столовых вин не только снижает их кислотность, но и предупреждает кристаллические помутнения, что в большинстве случаев благоприятно влияет на качество вин.
Другой пример успешного применения электродиализа в пищевой промышленности — снижение кислотности цитрусовых соков .
Для понижения кислотности апельсинового сока использовали электродиализную установку, состоящую только из одних анионообменных мембран. В этой схеме ионы цитрата, присутствующие в соке, проходят через анионообменные мембраны по направлению к аноду в камеру с раствором щелочи, а эквивалентные количества гидроксильных ионов движутся из этой камеры в камеру с соком и нейтрализуют водородные ионы. Таким образом, происходит реакция, при которой удаляется лимонная кислота. Однако при организации такой схемы электродиализной обработки апельсинового сока теряются его ценные питательные компоненты, в частности, аскорбиновой кислоты — 43 % и многих свободных аминокислот (37 — 61 %), что резко снижает пищевую ценность сока.
Нами была предложена и отработана диализная схема понижения кислотности апельсинового сока с использованием полиароматических нанофильтрационных мембран. Это дает возможность снижать концентрацию лимонной кислоты в апельсиновом соке при исходной величине рН 3,3 — 3,5 и практически полностью исключить потери аминокислот, аскорбиновой кислоты и других питательных веществ. Исследования также показали, что для достижения гармоничного вкуса апельсинового сока необходимо удалить свыше 50% лимонной кислоты при ее исходном содержании в соке 0,9 — 1,3 г/100 г.
Следует отметить, что в установке полупромышленного типа для электродиализной обработки апельсинового сока появляется возможность одновременно с процессом понижения кислотности сока осуществлять и процесс получения чистой лимонной кислоты порядка 0,5—2,0 кг при пропускания 300—1000 л апельсинового сока, в зависимости от заданного остаточного содержания лимонной кислоты.