Пенообразование и взбивание

Сущность пенообразования и взбивания одинакова и близка к перемешиванию. Она заключается в насыщении жидкости пузырьками газа или воздуха.

Пенообразование в кухонных аппаратах применяется при изготовлении газонаполненных коктейлей и производится путем барботирования газа в жидкость. Взбивание находит применение при производстве многих видов кулинарных изделий, приготовлении кремов, суфле, мороженого, взбитых сливок и др.

Для получения устойчивой пены при приготовлении кулинарных изделий необходимо добавлять различные ПАВ – яичный и молочный белок, казеинат натрия.

Для характеристики пены используют два основных показателя:

газосодержание , где – объемы газовой фазы и пены соответственно; – количество пузырьков; – средний диаметр газового пузырька;

удельную поверхность фазового контакта .

Физико-химические свойства пены, такие, как плотность, вязкость, предопределяются размерами пузырьков газа. В свою очередь, размер пузырьков зависит от состава и концентрации ПАВ (рис. 19).

Рис. 19. Изменение показателей вспененной системы от концентрации ПАВ

 

Взбивание производится в открытом бачке, внутри которого помещен взбиватель (венчик). В результате захвата воздуха при вращении взбивателя происходит наполнение им массы продукта. Взбивание приводит к уменьшению плотности продукта и увеличению его объема в 1,5-3,0 раза. Совмещенное с взбиванием замораживание называется фризерованием и производится в мороженицах (фризерах).

2.3.3. Расчёт перемешивающих устройств

Для мешалок расчет заключается в определении основных параметров предварительно выбранного типа мешалки: интенсивности перемешивания, рабочего объема, мощности, частоты вращения.

При работе мешалки возникают токи жидкости. Если частота вращения не велика, то жидкость вращается в плоскости движения лопастей и не перемешивается с остальными слоями. Интенсивное перемешивание возникает только в результате образования вторичных потоков вихревого движения (рис. 20).

Рис. 20. Схема циркуляции жидкости в смесителе

 

Приняв циркуляцию жидкости в смесителе как течение в трубопроводе сложной формы [2], можно получить критериальное уравнение для расчета потребляемой мощности:

где - критерий подобия полейдавления (число Эйлера); - критерий режима движения жидкости (число Рейнольдса); - критерий гидравлического подобия (число Фруда); - параметрические критерии, характеризующие геометрические размеры мешалки и смесителя.

Влияние сил тяжести на движение жидкости в смесителе невелико, и им можно пренебречь. Тогда , где , , - средняя линейная скорость смеси; - определяющий линейный размер проходного сечения трубопровода; - плотность смеси; - динамическая вязкость смеси; - перепад давлений.

В качестве определяющего линейного размера принимается диаметр конца лопастей мешалки , а вместо линейной скорости жидкости в критерии подобия подставляется линейная скорость конца лопастей мешалки ( - частота вращения мешалки). Перепад давления между передней и задней плоскостями лопасти мешалки выражают через полезную мощность, затраченную на преодоление сопротивления жидкости:

.

Тогда связь между модифицированными критериями выразится уравнением

,

конкретный вид которого для каждого типа мешалки определяется экспериментально. В этом уравнении:

.

После преобразования получим упрощенное критериальное уравнение:

.

Значения коэффициента и показателей степени зависят от типа мешалки, конструкции смесителя, режима перемешивания и находятся экспериментально. Для упрощения расчетов экспериментальные данные представляют не в виде формулы, а в виде графической зависимости между модифицированными критериями Эйлера и Рейнольдса с учетом подобия условий входа и выхода жидкости из рабочей зоны.

Зависимости для нормализованных перемешивающих устройств [1, 2] разных типов (таблица 1, рис. 21) представлены на рис. 22.

Из установленных закономерностей следует, что мощность, потребляемая мешалкой, возрастает с увеличением частоты ее вращения и диаметра, а также с ростом плотности и вязкости перемешиваемой жидкости. На потребляемую мешалкой мощность, кроме того, влияют форма аппарата, расположение мешалки, наличие в смесителе перегородок.

Перемешивание механическими мешалками может происходить при ламинарном или турбулентном режиме. При ламинарном режиме () перемешиваются слои жидкости, которые непосредственно примыкают к лопастям мешалки. При имеет место турбулентный режим перемешивания. В области развитой турбулентности () число Эйлера практически не зависит от числа Рейнольдса. В этой области увеличение частоты вращения мешалки приводит к увеличению затрачиваемой мощности без достижения, желаемого эффекта.

Представленные на рис. 22 зависимости позволяют определить один из неизвестных параметров (, тип мешалки) при известных остальных.

Таблица 1

Характеристики перемешивающих устройств различных типов

Примечание. D - диаметр смесителя; H - высота слоя жидкости; S - шаг винта.

Рис. 21. Схемы мешалок

 

Рис. 22. Зависимость для различных типов мешалок

 

Например, для расчета мощности мешалки задаются ее типом, интенсивностью перемешивания, частотой вращения и диаметром лопастей. По формуле вычисляют значение . По графику (см. рис. 22) находят соответствующее числу Рейнольдса число Эйлера. Из найденного значения по формуле вычисляют мощность, забираемую мешалкой при данных условиях перемешивания. Затем по формуле рассчитывают мощность, необходимую для обеспечения заданной интенсивности перемешивания. Обе мощности сравниваются. Если они не равны, то проводят коррекцию параметров до тех пор, пока не будет получено совпадение мощностей.

Мощность двигателя определяют по уравнению:

,

где - КПД привода.

В пусковой период сила, действующая на лопасти перемешивающего устройства со стороны жидкости, увеличивается в 2-4,5 раза. Это необходимо учитывать при выборе пускового момента двигателя.

Для расчета мощности шнековых мешалок используется уравнение:

или .

Коэффициент определяется как функция типа геометрических соотношений перемешивающего устройства.

 

Процессы получения соков

Для получения соков из различных видов фруктов: семечковых, косточковых, ягод и винограда применяются многочисленные, иногда очень отличающиеся друг от друга технические решения. Большинство из них основано на известном с давних времен способе извлечения сока посредством прессования. Традиционные пакетные прессы (пакпрессы) вследствие бурных темпов технического прогресса в 1950–х гг. в настоящее время уже устарели, но появились принципиально новые технические решения – например, технологии получения сока с помощью вибрации, центрифугирования, экстракции (диффузии) и ферментативного разжижения.

С самого начала освоения промышленных способов производства фруктовых соков, с конца XIX в. и по настоящее время, производители уделяют особое внимание сохранению в соках характерных свойств фруктов, постоянно совершенствуя для этого технологию производства. Важнейшим условием сохранения ценных качеств исходного сырья является быстрое проведение процесса извлечения сока в целях максимального подавления многочисленных ферментативных реакций и окислительных процессов, оказывающих негативное влияние на цвет, запах и вкус, а также на физико–химический состав конечных продуктов.

Технология получения фруктового сока (особенно используемые при этом способы, технологические средства, а также условия хранения) определяет химический состав получаемого продукта и количественные соотношения компонентов. При производстве как осветленных, так и неосветленных соков растворимые в воде вещества (сахара, кислоты, свободные аминокислоты, аскорбиновая кислота и витамины группы , а также значительная часть минеральных и фенольных веществ) практически полностью переходят в продукт, а нерастворимые или плохо растворимые в воде вещества (полисахариды, за исключением растворимых пектинов, липидов и каротиноидов) практически полностью остаются в плодовых выжимках. Кроме того, на состав соков оказывают влияние ферментная и/или тепловая обработка и последующее хранение готового продукта. При этом наряду с превращениями отдельных веществ или групп веществ имеет место исчезновение одних или появление новых соединений. Последствиями тепловой обработки (например, пастеризации) могут являться изменение органолептических свойств (цвета, вкуса, запаха) или понижение питательной ценности продукта (снижение содержания витамина С), поскольку ферменты взаимодействуют в основном с белками, пектинами, ароматобразующими и фенольными веществами и аскорбиновой кислотой.

Типичный пример проявления процесса окисления – потемнение мезги и сока при переработке яблок. Взаимодействие фенольных веществ с окислительными ферментами (фенолоксидазами и некоторыми пероксидазами) сопровождается так называемым ферментативным потемнением мякоти фруктов и соков. Его можно избежать путем быстрой инактивации ферментов путем нагревания перед тепловой обработкой сока.

Во время хранения может иметь место неферментативное потемнение (вследствие реакции Майяра), в котором участвуют в первую очередь редуцирующие сахара и аминокислоты, уроновые кислоты, аскорбиновая кислота, амины и другие вещества.

Реакция потемнения, связанная с выделением , особенно интенсивно протекает в присутствии кислорода воздуха, но в соках она может протекать без участия в ней кислорода (хотя и значительно медленнее) и в большой степени зависит от степени и длительности тепловой обработки, а также от температуры и продолжительности хранения. Особенно подвержены неферментативному потемнению концентрированные фруктовые соки, так как оно усиливается с увеличением содержания растворимых сухих веществ. С потемнением связаны ухудшение вкуса и запаха, а также снижение питательной ценности (например, снижение содержания витамина С).

Изменение цвета, вызываемое реакцией фенольных веществ с солями тяжелых металлов, при низких значениях рН соков не играет большой роли. Однако она может изменить состав красных и синих антоцианинов (антоцианидингликозидов). Большое влияние на преобразование антоцианинов наряду с температурой в процессе получения соков оказывает температурный режим при хранении и его продолжительность.

Относительно того, как кислород воздуха влияет на химические и биохимические процессы, протекающие при переработке фруктов, существуют противоречивые мнения. Так, несколько лет назад появилась гипотеза, что, например, при переработке белых сортов винограда или яблок специальное целенаправленное окисление мезги приводит впоследствии к получению слабоокрашенных соков, отличающихся стабильным цветом. Сильное окисление нежелательно при производстве соков из красных сортов винограда и других окрашенных соков, поскольку оно негативно сказывается на стабильности цвета.

Другой признак качества продукта, хотя и не такой заметный, но от этого не менее важный, относится к аромату и его стабильности. На основании обоснованных выводов научных исследований можно утверждать, что аромат большинства фруктовых соков не идентичен аромату натуральных фруктов. Напротив, ряд типичных ароматов соков формируется из натуральных фруктовых ароматобразующих веществ (так называемых «первичных» соединений) лишь после разрушения тканей, происходящего при измельчении плодов, перемешивании, прессовании и других подобных процессов. При разрушении клеточных структур ферменты и субстраты вступают в реакции взаимодействия, которые протекают с поразительно высокой скоростью. При этом гидролазы приводят к значительному преобразованию сложных эфиров фруктов в кислоты и спирты. Окисление в присутствии кислорода воздуха приводит к появлению помимо прочих новообразований –альдегидов с очень интенсивным вкусом и запахом, а также соответствующих алкалоидов. Эти новые вещества называются вторичными ароматобразующими веществами.

Содержащиеся во фруктах ферменты могут вызвать образование свободных нелетучих гликозидных (то есть связанных с сахаром) ароматобразующих веществ (и их предшественников), возникающих в цикле обмена жирных кислот, фенилпропанов и терпеновых веществ и в значительных количествах содержащихся в важнейших видах фруктов (например, в яблоках, косточковых фруктах и винограде).

Таким образом, в большинстве случаев типичные вещества аромата фруктов четко отличаются от ароматобразующих веществ фруктовых соков. В процессе получения фруктовых соков могут образовываться компоненты, отсутствующие в природной клеточной структуре или присутствующие в ней лишь в незначительных количествах, причем содержание других ароматобразующих веществ в большей или меньшей степени снижается. Так, в яблоках зачастую в избытке содержатся сложные эфиры, так что соки, получаемые из этих яблок, частично содержат спирты, образующиеся при расщеплении сложных эфиров гидролазами на кислоты и спирты.

Если яблочную мезгу подвергнуть кратковременному нагреву, образование вторичных ароматобразующих веществ можно подавить примерно на 80% и соки будут содержать в аромате больше натуральных сложных эфиров фруктов и фенольных веществ.

С точки зрения физиологии питания при получении и хранении соков важной задачей является предотвращение потери основных витаминов – например, аскорбиновой кислоты (витамина С). Тиамин при низких значениях рН фруктовых соков достаточно стабилен. В ходе получения и хранения незначительно изменяется содержание каротина, рибофлавина и ниацина.

Потери витамина С особенно ощутимы, в частности, для соков из цитрусовых, нектаров из черной смородины и земляники, в то время как в яблочных и виноградных соках аскорбиновая кислота и так практически отсутствует. В числе прочего потери зависят от выбранной технологии обработки и условий хранения. В присутствии кислорода и/или солей тяжелых металлов (меди и железа) содержание аскорбиновой кислоты снижается, в связи с чем следует избегать какого–либо контакта сырья и материалов с воздухом и солями тяжелых металлов. С другой стороны, содержащиеся во фруктовых соках флавонолы способствуют защите витамина С (например, в соке из черной смородины). Кроме того, сильным стабилизатором аскорбиновой кислоты является природная смесь апельсиновых флавоноидов.

Минеральные вещества фруктов характеризуются различной растворимость в воде. Так, содержание калия в соке хорошо коррелирует с выходом сока, а для магния это верно лишь в случае некоторых видов фруктов. Фосфаты и кальций переходят в сок лишь в небольшом количестве, так что значительная часть общего количества фосфора, магния и кальция остается в плодовых выжимках. С повышением давления при отжиме содержание минеральных веществ повышается, а при использовании диффузионной технологии получения сока оно становится еще выше.

С точки зрения потребителя оборудование, применяемое для получения сока, должно обеспечивать высокую производительность, непрерывный режим работы или, по крайней мере, рациональность и надежность при эксплуатации. Кроме того, оно должно обеспечивать максимальный выход сока. К сожалению, в настоящее время не существует установок для получения сока, которые можно было бы назвать идеальными, но степень соответствия вышеуказанным требованиям у разных типов оборудования может существенно различаться.

Уже на основании огромного количества предлагаемых технических решений можно с уверенностью утверждать, что процесс получения сока не может быть конструктивно приведен к общему знаменателю. Простое перечисление видов перерабатываемых фруктов еще очевиднее показывает, насколько различны технические требования, выдвигаемые при их переработке. Спелые или перезрелые яблоки, твердая айва или косточковые (вишня, с одной стороны, или виноград, черная смородина, земляника/клубника и малина, с другой), или же тропические фрукты (манго, папайя, авокадо и др.) – все эти фрукты обладают совершенно разными физическими и химическими свойствами. Понятно, что никакое современное оборудование не может служить примером идеального решения, подходящим для всех видов фруктов.

Рассмотрим основные принципы получения сока . Большинство современных исследователей рассматривают прессование как процесс разделения фаз, при котором происходит физическое вытеснение твердых, жидких или газообразных веществ «из пространства между движущимися навстречу друг другу поверхностями пресса». Следует, однако, констатировать, что дальше первых, хотя и успешных, шагов исследователи до сих пор не продвинулись. Поэтому не будем более останавливаться на этой теме и отошлем читателей к первоисточникам.

Различия могут существовать даже для одного вида фруктов, и они становятся все более заметными при сравнении способов получения сока. Большое количество переменных (некоторых из них мы рассмотрим ниже) затрудняет или делает невозможным достоверное описание процесса. Для иллюстрации этого укажем лишь на то, что при прессовании наряду с вытеснением сока (из разрушенных во время предварительной обработки клеток) повреждается еще примерно 20–25% клеток. В результате высвобождается еще некоторое дополнительное количество сока. При извлечении сока из винограда доля повреждаемых во время прессования клеток доходит даже до 55%.

Все это, в связи с теоретическими соображениями о процессе прессования, указывает на то, что предположение о равномерном перемещении и сдвиге твердых и жидких частиц между движущимися прессующими поверхностями едва ли соответствует действительности. На примере сырной массы было доказано, что в зависимости от ширины и высоты прессуемого слоя в краевых зонах и в нижней части имеют место разные условия течения и отделения воды.

Этот пример призван проиллюстрировать, как трудно составить математическую модель процесса прессования и что такая модель, как бы она ни была удобна, может использоваться для расчета прессов пока лишь в очень ограниченных рамках. Первые конструкции прессов были разработаны на основе эмпирических знаний. Полученные при эксплуатации этих прессов результаты исследователи пробовали описать математически. Так, можно сделать вывод, что время прессования пропорционально квадрату толщины слоя, что подтверждают точные эксперименты.

Доминирующее влияние давления на результат прессования исследователи признали уже давно. Еще в 1959 г. в «Настольной книге производителя соков» в качестве предпочтительного значения давления прессования был указан интервал от 24 до 27 бар (1 бар = 1,0197 ат = 1,0197 = 9,999841–101 ).

Рис. 23 иллюстрирует зависимость давления и выхода сока. Оба параметра прямо пропорциональны друг другу только при определенных условиях (например, при грубом измельчении яблок) и в ограниченном интервале. Давление при прессовании яблок и груш находятся в интервале от 5 до 20 бар по данным, полученным на практике. При определении оптимальной величины давления исходили из известного факта, что выход сока зависит от доли поврежденных клеток мезги (до 25% для яблок и до 55% для винограда) и что процесс прессования представляет собой в основном вытеснение и отделение сока от твердых компонентов плодов. Результаты экспериментов позволили сделать вывод о том, что как для яблок, так и для винограда давление прессования не должно превышать 10–15 бар. Повышение давление на 10–50 бар не оказывает никакого практического влияния на количество разрушенных клеток, а, следовательно, и на выход сока. И увеличение времени выдержки мезги под определенным давлением не оказывает положительного влияния на выход сока.

Рис. 23. Зависимость между давлением и выходом яблочного сока

 

Изучая опубликованные результаты исследований, можно установить, что разные авторы по–разному оценивают роль давления при прессовании. Это связано с тем, что результаты получены в различных условиях. В дальнейшем покажем, в какой мере такие факторы, как подготовка сырья, толщина слоя мезги или скорость прессования связаны с давлением.

В работе зарубежных исследователей убедительно доказано, что выход сока в значительной мере зависит от правильной динамики изменения давления при прессовании. Ступенчатое увеличение давления прессования через определенные интервалы времени благоприятно сказывается на выходе сока.

В исследовании прессования яблок наблюдали, что для крупно измельченных яблок сорта Granny–Smith выход сока зависит, как это показано на рис. 24, от величины максимального давления (прирост выхода сока составляет около 35% при давлении 3,5 бар и около 64% – при давлении 21 бар). К лучшим результатам в этих условиях приводят высокие скорость и давление прессования. Медленное повышение давления в этих экспериментах приводило к ухудшению выхода сока. Для тонко измельченных яблок этого же сорта для получения оптимального выхода сока достаточно было минимального давления в 6 бар (рис. 25). Выход сока составил вследствие большего количества поврежденных клеток существенную величину, равную 74%. При медленном нарастании давления при 6 бар получался даже больший выход, чем при давлении в 11 бар, а именно около 80%.. Разные размеры частиц были получены с помощью изменения параметров настройки терочной дробилки пакпресса типа Bucher TPZ 7. Средний размер частиц равен среднему размеру ячейки сита, полученному путем расчета средневзвешенного значения исходя из результатов структурного анализа (см. рис. 34) для четырех партий (I– IV) мезги.

Рис. 24. Влияние давления и скорости прессования на выход сока

для грубоизмельченных яблок сорта Granny–Smith

 

Рис. 25. Влияние размера частиц на выход сока при прессовании.

 

 

Степень измельчения непосредственно взаимосвязана с долей поврежденных клеток, а от степени измельчения, в свою очередь, зависит выход сока. То, что 100%–ное разрушение клеток должно привести к максимальному выходу сока, очевидно. Так же очевидно и то, что такую мезгу уже невозможно отжать с помощью пресса. Если мы все же остаемся привержены прессованию, то следует искать компромисс. В мезге должна оставаться та минимальная пространственная структура, которая обеспечит отделение сока.

Структуру мезги метко сравнивают со структурой губки. Во время прессования ее внутреннее строение в значительной степени сохраняется, несмотря на деформацию, и сок вытекает через ее каналы. Если вследствие увеличения степени измельчения разрушается и пространственная структура, то вытекание сока возможно только непосредственно из краевых зон. Процесс прессования в случае мелкоизмельченной мезги рекомендуется проводить медленно и очень осторожно, что приводит, как показано на рис. 26, к лучшим результатам. В этих условиях результат прессования не зависит от давления. Влияние скорости прессования (ход поршня в минуту) становится более заметным в области максимальных значений выхода сока.

Рис. 26. Зависимость выхода сока от давления и скорости прессования для мелкоизмельченных яблок сорта Granny–Smith.

 

Можно сказать, что наука в этой области до сих пор далеко не продвинулась, вынуждая практиков решать многие вопросы самостоятельно. Хорошо еще, что большинство машин для измельчения можно регулировать в некотором диапазоне, но когда и как должна быть изменена степень измельчения, производственники решают на основании лишь своего опыта и интуиции.

При прессовании яблочной мезги для получения оптимального результата доля мелкодисперсной фракции (с размером частиц менее 0,8 мм) должна быть как можно меньше (рис. 34), чтобы предотвратить закупорку дренажных каналов и повышенное содержание твердых частиц в отжатом соке. За счет хорошей предварительной обработки мезги можно добиться разрушения как можно большего количества клеток. Чтобы улучшить дренажные свойства доля крупнодисперсной фракции (частицы размеров от 3 до 8 мм) в мезге должна составлять при мерно 20%. Чем тверже консистенция плодов тем меньше должен быть средний размер частиц, чтобы получить хорошую проницаемость мезги.

Зависимость результата прессования мезги от размера частиц представлена на рис. 25. Оба изученных сорта яблок (Glockenapfe и Golden Delicious) в исследованном диапазоне показали прямо пропорциональную зависимость полученного выхода сока от среднего размера частиц мезги. При дальнейшем уменьшении размера частиц следует ожидать уменьшения выхода сока вследствие ухудшения дренажных свойств мезги. Из этого следует, что для каждого вида фруктов существует некоторый оптимальный размер частиц мезги, обеспечивающий максимальный выход сока.

После измельчения плодов из них высвобождается некоторая часть сока, существенно зависящая от вида фруктов. Если предусмотреть соответствующие конструктивные меры, то можно значительно повысить выход сока и пропускную способность прессов. Преимущества предварительного отделения сока особенно заметны при переработке винограда и ягод, легко отдающих до 60% сока (для яблок эта величина составляет 10–40%). После предварительного отделения сока формируется лучшая структура прессуемой мезги, что приводит к образованию оптимальной дренажной структуры и более легкому истечению оставшегося сока.

Чтобы получить удовлетворительный выход сока из некоторых видов ягод и косточковых фруктов, а иногда и из семечковых фруктов, перед отжимом сока необходимо осуществить ферментативный гидролиз пектинов. Для экономии времени эта фаза технологического процесса проводится при повышенной температуре, что достигается применением теплообменников (трубчатых, спиральных, теплообменников с вращающимися лопастями), использующих в качестве теплоносителя, как правило, пар. Общим в конструкции таких теплообменников является передача тепла через нагревательную поверхность, отделяющую продукт от теплоносителя (непрямой нагрев). Это вызывает образование на поверхности теплообмена пленки жидкости, уменьшающей теплопередачу.

КПД теплообменников при этом в значительной степени зависит от того, в какой мере удается предотвращать образование жидкостной пленки и формировать турбулентный поток. На практике для этого имеются две возможности: высокая скорость потока и применение средств для механического разрушения потока.

К теплообменникам для нагревания мезги предъявляются следующие требования: непрерывность работы, возможно большая турбулентность потока, возможность быстрой сборки и разборки аппарата (для его очистки), а также малые габариты.

Как уже отмечалось выше, толщина слоя мезги также оказывает значительное влияние на результат прессования. Приводимые ниже цифры (таблица 2) были получены в результате практических экспериментов.

Таблица 2

Зависимость между толщиной слоя мезги и выходом сока

Фрукты	Давление прессования, бар	Выход сока при различной толщине слоя,%	Суммарное увеличение выхода сока, %
12,5 см	8,5 см	5,0 см
Яблоки		73,8	76,1	77,8
Груши		78,6	82,6	84,6

 

Рассматривая влияние толщины слоя на выход сока, можно показать, что конечный результат прессования мезги зависит от взаимодействия многих факторов. Каждый из них в отдельности может оказывать значительное влияние на выход сока, и фактор толщины слоя можно рассматривать изолированно еще в меньшей степени, чем давление и степень измельчения (вне связи с другими факторами, такими как давление, структура (капиллярность), вязкость (температура) и время воздействия).

Это обстоятельство можно проиллюстрировать следующими простыми соображениями. При увеличении толщины слоя путь выхода сока из камеры пресса за счет увеличения времени, необходимого для его вытеснения, удлиняется (практически это сказывается на производительности пакпрессов или ленточных прессов). Если при этом используется высокое давление, то капилляры сужаются, и за единицу времени вытекает меньше сока. При этих условиях результат прессования получается тем хуже, чем выше вязкость сырья (содержание пектинов) и чем ниже температура.

Отсюда следует, что требования к ведению прессования должны предусматривать размещение мезги в тонком слое.

Анализ извлечения сока прессованием с использованием существующего в настоящее время оборудования позволяет сделать вывод о наличии в процессах, протекающих при прессовании, сложных взаимосвязей. Понятно, что математическое описание этих взаимосвязей возможно только для некоторых ограниченных областей, но не для всего процесса. Даже сегодня прессы не могут быть оптимизированы на одной лишь расчетной основе.

Предметом проводившихся дискуссий были зависимости, характерные для прессования «идеальных» или спелых «средних» яблок, однако на практике условия прессования, к сожалению, значительно сложнее и не могут быть приведены к общему знаменателю.

При получении сока производитель имеет дело с натуральными продуктами. Их физические и химические свойства существенно различаются не только в зависимости от рода (земляника/клубника–смородина–виноград–айва–яблоки–апельсины), но и в зависимости от вида, например, яблоки (Malm sylvestris или domestica)–вишня (Prunus avium) – абрикосы (Prunus armeniaca) – персики (Prunus persica).

При отжиме сока различия проявляют себя у разных сортов (Granny–Smith–Golden Delicious). Если же учитывать, что свойства отдельных плодов могут значительно меняться в зависимости от степени их зрелости, то становится ясно, что создать пресс, который бы соответствовал такому большому количеству постоянно меняющихся требований и параметров, невозможно, и практики давно пришли к осознанию этой истины. Основываясь на эмпирическом опыте о существовании зависимости между выходом сока и степенью предварительного разрушения клеток, дренажными свойствами мезги и ее вязкостью, исследователи разработали способы, позволившие сделать извлечение сока прессованием более привлекательным. Частично эти знания удалось применить при разработке новых конструкций прессов, и здесь следует отметить последнюю разработку фирмы Bucher–Guyer AG – прессы модели HPXi, в которых контрольно–измерительная система автоматически учитывает изменяющиеся параметры сырья.

Метод широко применялся в виноделии для предварительного извлечения сока из винограда. Способом вибрационного воздействия на виброситах можно эффективно извлекать сок из фруктов, которые после раздавливания или измельчения легко отдают сок.

Подобные вибросита неоднократно применяют также после ленточных прессов для отделения крупнодисперсных фракций мутной взвеси или для первичного разделения твердой и жидкой фаз после разжижения мезги. В качестве примера подобного устройства можно привести сепаратор фирмы Boulton, изображенный на рис. 27. Несколько сит с отверстиями различных размеров размещаются друг над другом и разделяют частицы мутной взвеси по фракциям.

 

Рис. 27. Сепаратор фирмы Boulton (для вибрационного извлечения сока).

В любом случае следует отметить существующую опасность окисления полученных таким способом соков. Кроме того, следует учитывать, что соки, богатые пектинами или другими гидроколлоидными веществами, легко могут привести к закупорке отверстий в ситах. Необходимо также иметь в виду, что в вибраторах имеют место большие нагрузки на конструкционные материалы, в связи с чем они быстро изнашиваются и требуют периодических восстановительных операций для обеспечения дальнейшей работы.

Исследования по извлечению сока из яблок (с помощью декантера) показали, что удовлетворительный выход (80%) можно получить только при условии соответствующей ферментативной обработки мезги. Вопрос абсолютной величины выхода сока зависит, как и при прессовании, от таких дополнительных технологических операций, как ферментативная обработка мезги, ее разжижения или последующей водной экстракции сока из выжимок. При переработке лежалых яблок в целях предотвращения увеличения в соке доли мутной взвеси, пропускную способность декантера следует уменьшить на соответствующую величину.

Благодаря быстрому и непрерывному извлечению сока в герметичной системе его окисление, а также естественную активность содержащихся в нем ферментов сведено до минимума. Кроме того, в таких системах легче поддерживать на должном уровне санитарно–гигиеническую безопасность. При использовании декантеров достигается более высокая степень измельчения плодов с помощью интенсивного предварительного дробления, что позволяет лучше экстрагировать ценные соединения состава фруктов и овощей (например, Р–каротин при переработке моркови). В целях повышения стабильности мутной взвеси декантерная технология позволяет переводить в сок заданные количества мякоти или дополнительные количества пектинов и сухих веществ. Этот аспект может играть решающую роль прежде всего при производстве специальных продуктов из яблок (соков с мякотью), разнообразных овощей, ягод и тропических фруктов.

Декантеры представляют собой горизонтальную шнековую центрифугу с цилиндрическо–коническим закрытым вращающимся барабаном для непрерывного отделения жидкой и твердой фазы суспензий. Внутри барабана находится шнек, вращающийся с большей скоростью. Разность числа оборотов барабана и шнека называется дифференциальным числом оборотов, которое можно ступенчато изменять в определенных пределах. Дифференциальное число оборотов определяет скорость выгрузки и время пребывания продукта в декантере. В зависимости от пропускной способности декантера и свойств продукта существует некоторое оптимальное значение дифференциального числа оборотов, которое обеспечивает минимальные остаточные количества сока в выжимках и мутной взвеси в соке. Вместе с тем слишком большое дифференциальное число оборотов уменьшает время пребывания выжимок в зоне разделения фаз и уже осажденные твердые частицы под действием центробежной силы снова переходят во взвешенное состояние. Содержание взвеси в соке и его прозрачность сразу же ухудшаются, что может быть измерено соответствующими приборами. Благодаря точному измерению центробежного момента и применению систем электронного регулирования современные декантеры могут длительное время работать при оптимальном значении дифференциального числа оборотов.

При переработке лежалых фруктов (особенно без использования ферментов) выход сока уменьшается по сравнению с переработкой свежих фруктов примерно на 5%, причем в первую очередь уменьшается пропускная способность оборудования.

Способ извлечения сока применяется в случае достижения доли поврежденных клеток в мезге при интенсивном измельчении на коллоидных дробилках такой степени, что прессование становится невозможным. После добавления воды более или менее текучая мезга нагревается в прямоточном нагревателе и подвергается ферментативной обработке. После этого из мезги выделяют ароматобразующие вещества с одновременным подавлением активности микроорганизмов и ферментов (оксидаз). Еще в теплом состоянии мелкоизмельченная мезга фильтруется через вакуумный фильтр с предварительным фильтрованием через намывной слой кизельгура или перлита (рис. 28).

Полученный таким образом осветленный сок можно подвергать концентрированию. Эта технология может применяться для переработки вишни (после удаления косточек) и для получения различных ягодных соков.

 

Рис. 28. Схема вращающегося вакуумного фильтра Seitz c намывным фильтрующим слоем

 

Наилучшие результаты достигаются при переработке ягод, богатых ароматобразующими веществами (например, черной смородины). Не допускается интенсивное дробление ягод, так как сильное измельчение может отрицательно сказаться на качестве конечного продукта. Орошение поверхности фильтра слабыми струями теплой воды позволяет свести потери до минимума.

Производительность вращающегося вакуумного фильтра зависит от содержания мутной взвеси и ее вида. График, приведенный на рис. 29 можно использовать для определения исходной точки при выборе параметров процесса фильтрования, однако следует учесть, что на результаты могут оказывать влияние и способ осветления, и свойства мутной взвеси.

Рис. 29. Зависимость между содержанием мутной взвеси и производительностью вращающегося вакуумного фильтра

Рис. 3.49

 

Вращающиеся вакуумные фильтры непрерывного действия имеют высокую производительность и большие габариты (площадь фильтрования до 50 ). Они успешно применяются во всем мире, в том числе для фильтрования сточных вод.

Извлечение сока (диффузией) – способ не новый. Особенно широко он был распространен в конце XIX в. и использовался для переработки яблок и груш. Первоначально фрукты или частично отпрессованный сырьевой материал (например, мезга) выдерживались некоторое время в теплой или холодной воде, а затем из них отжимали сок.

После того, как в производстве яблочных соков широкое распространение получили ленточные прессы и декантеры, дополнительное экстрагирование выжимок превратилось в 1990–х гг. в обязательную операцию в общем технологическом процессе, без которой получить рентабельный выход сока просто невозможно. Продукт, получаемый экстрагированием цельноизмельченного сырья, называется диффузионным соком (см. Изменение №1 ГОСТ Р 51398–99 «Консервы, соки, нектары и сокосодержащие напитки. Термины и определения»).

При экстрагировании сок, содержащийся в связанном виде внутри клеток, должен перейти в экстрагирующую среду (горячую или холодную воду). В отличие от процесса прессования, основанного на механическом принципе, горячая экстракция и связанная с ней диффузия основываются на вымывании веществ из клеток при одновременном действии температурных факторов. В качестве экстрагента (растворителя) используется вода. Плодовая ткань образует твердую фазу, внутри которой в отдельных клетках содержится сок. Под наружной клеточной оболочкой находится цитоплазменная мембрана, которая в естественном состоянии участвует в обмене веществ клетки.

Чтобы вызвать переход – диффузию веществ клетки через ее стенки, необходимо нарушить полупроницаемость цитоплазменной мембраны. Это достигается с помощью теплового воздействия (выдержки при температуре 60–65 в течение 10 мин). В ходе противоточной экстракции вещества, входящие в состав сока, переходят через ставшую проницаемой цитоплазменную мембрану, клеточную оболочку и межклеточное пространство плодовой ткани в жидкую фазу – экстрагент. На заключительном этапе жидкая фаза отделяется от твердой.

При непрерывной работе экстрактора между твердой и жидкой фазами постоянно поддерживается разность концентраций растворенных веществ, вследствие чего осуществляется разделение фаз. При этом обе фазы двигаются противотоком навстречу друг другу. Жидкая фаза течет свободно, проходя через мезгу без принудительного воздействия (рис. 30).

 

Рис. 30. Принцип горячего экстрагирования диффузионного сока из яблочной мезги

в противоточном шнековом экстракторе

 

Одним из решающих факторов в технологии экстрагирования является соответствующая подготовка сырья. При извлечении сока из яблок и груш горячей экстракции для измельчения плодов используют дробилку фирмы Urschel–Slicer, которая позволяет точно регулировать как форму, так и толщину кусочков мезги. В целях обеспечения физической твердости мезги и для улучшения дренажа при дроблении кусочкам придают волнообразную форму. Толщина кусочков зависит от механической твердости плодов (спелые или лежалые) и составляет обычно от 1,8 до 4,5 мм.

Процесс горячего экстрагирования сока по системе DDS схематически изображен на рис. 31. Выход сока при переработке яблок обычно составляет около 95%.

Рис. 31. Схематическое изображение процесса извлечения сока с помощью экстрактора (диффузора), работающего по системе DDS

 

Побочным результатом экстрагирования является разбавление сока. Степень разбавления зависит от характера управления экстрагированием (от действий оператора) и потери сухих веществ могут составлять несколько процентов. С помощью данной технологии можно получать продукты высшего качества (при условии хорошего качества исходного фруктового сырья).

Для развития технологии непрерывного горячего экстрагирования была разработана комбинированная технология извлечения сока, основанная на отжиме сока на прессе с последующим холодным экстрагированием выжимок. При этом прессование осуществлялось по обычной технологии и по окончании прессования выжимки, находящиеся в прессовочной камере, автоматически смешивались с заданным количеством воды (в общем случае оно составляло 10–20% от массы выжимок). Для перемешивания прессовочный модуль приводился во вращение, и затем производился повторный отжим. Этот процесс может повторяться любое количество раз, но на практике экстракцию выжимок обычно проводят не более трех раз.

Основное преимущество проводимого после предварительного отжима сока экстрагирования состоит в максимальном увеличении его выхода по сравнению с одноступенчатым прессованием. Увеличение выхода сока основано на экстрагирующем эффекте подводимой воды.

По химическому составу водный продукт экстракции, полученный экстрагированием выжимок холодной водой, и сок, полученный способом диффузии, очень похожи. Они отличаются более низким содержанием общего сахара, более высоким содержанием экстракта без сахаров и повышенным содержанием минеральных веществ по сравнению с соком, полученным отжимом на прессе. Кроме того, сок, полученный диффузией, содержит больше фенолов.

Самое низкое содержание ароматобразующих веществ установлено для сока, полученного экстрагированием, а самое высокое – в водном продукте экстракции, полученном обработкой выжимок холодной водой. Сок, экстрагированный с помощью холодной воды из выжимок, обладает почти такими же показателями качества, как и сок, полученный отжимом на прессе.

Комбинированная технология отжима с последующим экстрагированием выжимок имеет то преимущество, что более 80% сока извлекается из плодов в неизмененном виде и без добавления воды, а оставшиеся 10–15% приходятся на экстракт, полученный холодным способом. В результате этого влияние последнего на органолептические свойства и химический состав конечного продукта крайне незначительно.

 

Вернемся к способам плодов, так как степень измельчения плодов оказывают решающее влияние на эффективность отжима сока, в том числе на его продолжительность, выход сока, содержание веществ, обусловливающих помутнение сока и т. д. Чем больше степень измельчения, тем больше количество повреждаемых клеток, что способствует увеличению выхода сока. С другой стороны, с увеличением степени измельчения значительно усложняется отделение сока от мякоти, а высокое содержание взвеси приводит в конечном итоге к дополнительным затратам при осветлении сока. Если для ягод и косточковых фруктов при использовании свежего, не замороженного сырья длительность сезонной переработки составляет в зависимости от вида фруктов лишь несколько недель в году, то переработка семечковых фруктов (прежде всего яблок) производится практически круглогодично. Во всех случаях следует стараться достичь по возможности единой степени измельчения.

При измельчении семечковых фруктов необходимо получить мезгу определенной грануляции, но из–за неоднородности сырья (осенью свежесобранные плоды твердые, а весной после хранения – большей частью мягкие, в зависимости от времени года заметно различие по сортам) это возможно лишь иногда (путем постоянного изменения степени измельчения плодов). Фрукты с высокими текстурными показателями должны подвергаться более интенсивному измельчению.

Измельчение плодов может производиться механическим способом (в дробилках), тепловым (способом теплового удара или замораживанием), ферментным (ферментной обработкой мезги) или нетрадиционными способами (ультразвуковым, электроплазмолитическим). При переработке некоторых сортов фруктов могут применяться комбинированные методы.

К механическим способам измельчения относится измельчение с помощью дробилок различных типов.

Вальцовая дробилка с рифлеными валками применяется преимущественно для измельчения (давления) винограда. Дробилка состоит из двух вращающихся навстречу друг другу рифленых валков, зазор между которыми можно регулировать. Таким образом, при необходимости согласуются настройки машины с видом перерабатываемого сырья. Давильные валки изготавливают из нержавеющей стали или выполняют в виде обрезиненного металлического сердечника.

Вальцовая дробилка применяется для измельчения ягод и косточковых фруктов. Измельчаемый продукт подается на два вращающихся навстречу друг другу валка с различным диаметром и рифленой поверхностью. Разность скоростей вращения валков вызывает не только раздавливание плодов, но и их разрыв.

Терочную дробилку (рис. 32) применяют прежде всего для измельчения семечковых фруктов. В дробилке плод отбрасывается многолопастным ротором к стенке цилиндрической зоны измельчения и перемещается вдоль боковой поверхности корпуса дробилки.

Рис. 32. Принципиальная схема терочной дробилки:

1 – корпус; 2– шнековый питатель; 3 – ротор; 4 – терочный нож; 5 – привод

 

С помощью зубчатых ножей, изготовленных из хромоникелевой стали и расположенных в осевом направлении в нижней части камеры измельчения, плоды измельчаются и выпадают из рабочей зоны дробилки через прорези (рис. 33).

Рис. 33. Схема процесса измельчения

 

Быстровращающийся ротор (1) на большой скорости отбрасывает яблоко (2), которое под действием центробежной силы попадает на терочные ножи (3). Мезга (4) выводится из дробильной камеры через прорези (5).

В зависимости от требуемой степени измельчения применяются ножи с различным чередованием и размерами зубьев. Чтобы избежать повреждения ножей посторонними предметами (например, камнями), на валу предусмотрено защитное устройство (блокирующий предохранитель). Конструкция терочных дробилок позволяет при необходимости прозвести быструю замену установленных зубчатых ножей другими, с более или менее часто расположенными зубьями. Таким образом можно обеспечить оптимальную настройку машины на требуемую степень измельчения: твердые семечковые фрукты измельчаются со средней или мелкой степенью измельчения, мягкие – грубо.

Чтобы получить оптимальный результат отжима (высокий выход сока, низкое содержание мутной взвеси) и улучшить отдачи сока при отжиме, к фракционному составу частиц мезги устанавливаются определенные требования: возможно малая доля мелких частиц (менее 0,8 мм), равномерная степень размягчения перерабатываемой массы и большая доля крупных частиц (более 3,0 мм). Этому требованию, как видно из рис. 34, соответствует мезга, получаемая с помощью терочной дробилки. В общем случае справедливо правило: чем крупнее текстура перерабатываемых яблок, тем меньше должны быть средний размер частиц и доля крупных частиц.

Рис. 34. Структурный анализ яблочной мезги, полученной с помощью терочной дробилки.

 

Центробежная терочная дробилка также используется в основном для семечковых фруктов. Аналогично терочным дробилкам, в центробежных дробилках измельчаемый продукт транспортируется многолопастным ротором вдоль обечайки рабочей камеры. Обечайка состоит из листа из нержавеющей стали с вогнутыми внутрь оболочки ножевидными перфорированными лепестками, которыми выносится измельченный продукт. В дробилках горизонтального исполнения перфорированными лепестками оснащена, как правило, лишь нижняя половина оболочки камеры измельчения, а в машинах вертикального исполнения – вся поверхность оболочки. Защита дробилки от повреждения посторонними предметами обычно осуществляется с помощью фрикционной муфты.

Для семечковых фруктов применяют также молотковую дробилку, которая оснащена качающимися на валу отражателями (молотками), принимающими под действием центробежной силы горизонтальное положение, или расположенными в несколько рядов на роторе молотками, проталкивающими измельчаемый продукт через цилиндрическое сито. Степень измельчения, как и в центробежных дробилках, в значительной мере зависит от размера отверстий сита.

Тепловые способы измельчения – это способ теплового удара и замораживание.

При нагреве плодов (примерно до 80 °С) происходит денатурирование протоплазмы полупроницаемой в нативном состоянии оболочки клетки, благодаря чему проницаемость тканей значительно повышается и облегчается выход сока. В качестве нагревателей обычно используются теплообменники непрерывного действия, в которых продукт подается в рабочую камеру с помощью одного или двух шнеков. Подвод тепла осуществляется непосредственно острым паром или непрямым образом. При этом необходимо учитывать, что при прямом подводе тепла, когда пар вводится непосредственно в мезгу, значительное количество водяного конденсата (от 10 до 15% от общего объема сока) остается в мезге.

При медленном (менее 0,2 см/ч) замораживании плодов до температуры менее происходит образование относительно крупных кристаллов льда, которые вызывают механическое повреждение клеточных оболочек. Благодаря этому после размораживания плодов выход сока из них значительно облегчается.