Для сохранения натуральных свойств соков выпаривание проводят при возможно более низких температурах и в течение короткого времени.
Некоторые виды соков, например цитрусовые, особенно чувствительны к нагреванию, другие, такие как яблочный и вишневый, могут выдержать кратковременное нагревание при 45-55°С без заметного изменения натуральных свойств. Большое значение для качества продукта имеет также разность температур между выпариваемым соком и греющей средой. При большой разности температур легко возникают местные перегревы, приводящие к пригоранию продукта и карамелизации сахаров. Существенными факторами при этом являются скорость движения жидкости по поверхности нагрева и скорость, с которой теплота может пройти через слой продукта.
Отрицательное воздействие теплоты на концентрируемый продукт сказывается прежде всего на его цвете. Потемнение вызывается промежуточным продуктом - оксиметилфурфуролом, образующимся в присутствии сахаров и кислоты, и его дальнейшими превращениями до темных продуктов конденсации. В связи с этим количество образовавшегося оксиметилфурфурола часто является одним из критериев качества плодово-ягодных соков и концентратов. Высокие количества его свидетельствуют о чрезмерности тепловой обработки.
Потемнение овощных соков может быть вызвано реакцией сахаров с аминокислотами (меланоидинообразование), встречающимися в овощных соках в больших количествах.
Современная техника и технология производства концентрированных соков предусматривают получение соков на том или ином оборудовании, очистку их от взвесей, затем улавливание ароматических веществ, осветление и фильтрование деароматизированных соков и уваривание их до конечного содержания сухих веществ.
Последовательное осуществление этих операций более удобно при наличии отдельной установки для улавливания ароматических веществ, что позволяет выпаривать разные количества пара с ароматическими веществами в зависимости от. вида перерабатываемого сока, отгонять ароматические вещества из всего объема перерабатываемого сока с минимальным изменением их состава.
В комбинированных установках регламентировано количество отбираемого пара с ароматическими веществами и часто для создания непрерывного процесса выпаривания и из-за экономии топлива осветление и фильтрование соков ведут до улавливания ароматических веществ, что ухудшает их качество.
Установки для улавливания ароматических веществ
Ароматические вещества определяют характерный аромат плодов и овощей и соков из них. Они имеют важное значение для качества соков и оказывают физиологическое воздействие - вызывают аппетит и способствуют секреции желудочного сока.
Различают специфические (типичные) и неспецифические для сорта компоненты ароматических веществ. Первые включают типичные для определенного вида плодов и овощей компоненты, ко вторым относятся характерные для вида компоненты, отсутствие которых ощущается сенсорно. В плодах, овощах и их соках ароматические вещества содержатся в незначительных количествах (тысячные доли процента), однако в их состав входит много разных веществ - спирты, эфиры, альдегиды, кислоты, кетоны, карбонильные соединения и др.
Количество, растворимость и точка кипения ароматических веществ в соках разных видов различны. Легколетучие ароматические вещества, содержащиеся в яблоках, грушах, айве, при выпаривании полностью отделяются. Труднолетучие вещества ананасов, винограда и др. отделяются только при выпаривании больших количеств сока.
Для разных соков установлены следующие оптимальные количества воды, которые должны быть выпарены для выделения ароматических веществ плодов (в % к объему сока):
Яблочный сок - 15-20
Грушевый, айвовый, черносмородиновый - 45-50
Сливовый, абрикосовый, персиковый - 65-70
Земляничный, малиновый, ежевичный - 80-85
Однако на практике из яблочного сока обычно отгоняется 15% воды, из других соков - не более 30%. Отогнанные с водяным паром ароматические вещества концентрируются в ректификационных колоннах в 100-200 раз.
В стократном концентрате содержится около 1 % ароматических веществ, а остальные 99 % составляют вода и этиловый спирт. Чем больше спирта содержит сок, тем выше его концентрация в ароматическом концентрате, поэтому в стандартах разных стран содержание этилового спирта в концентратах ароматических веществ ограничивается в пределах от 5 до 20 % в зависимости от вида сока.
Концентраты ароматических веществ могут сразу возвращаться в концентрированный сок или храниться отдельно до использования. Последнее более целесообразно, так как при этом ароматические вещества лучше сохраняются. Обычно их хранят отдельно в герметически закрытой стеклянной таре при температуре около 0°С.
Установки для улавливания ароматических веществ могут работать при атмосферном давлении или под вакуумом. Первые более просты в техническом отношении, обеспечивают улавливание ароматических веществ с меньшими потерями и стоимость их ниже, однако сок в них подвергается действию высокой температуры, что связано с ухудшением качества. В связи с этим улавливание ароматических веществ большей частью ведут при атмосферном давлении, а выпаривание - под вакуумом.
Установки для улавливания ароматических веществ оснащены подогревателем, испарителем пленочного типа с сепаратором, ректификационной колонной и системой конденсаторов и охладителей. Для снижения потерь ароматических веществ с неконденсирующимися газами устанавливают также абсорбционные колонны, где неконденсирующиеся газы промываются потоком холодной жидкости.
Выпарные аппараты
Для выпаривания соков применяют разные типы выпарных аппаратов. Выбор типа выпарного аппарата зависит прежде всего от вида сока и его свойств.
При выпаривании осветленных соков и других невязких жидкостей лучшие результаты получены при использовании тонкопленочных выпарных аппаратов, в которых достигается высокая скорость движения выпариваемой жидкости. Концентрируемая жидкость течет в них в виде тонкой пленки сверху вниз (с падающей пленкой) или снизу вверх (с поднимающейся пленкой) по обогреваемой поверхности. Пар, образующийся при выпаривании жидкости, действует как движущая сила и проталкивает продукт через аппарат. Увеличивающаяся при этом скорость движения пара содействует преодолению повышающейся вязкости продукта.
Существует два основных типа пленочных выпарных аппаратов - трубчатые и пластинчатые. Эти аппараты в основном применяют при выпаривании осветленных соков. Для выпаривания вязких жидкостей они малопригодны, так как толщина пленки на поверхности нагрева становится неравномерной и нормальный ход выпаривания нарушается. Во избежание этого применяют выпарные аппараты с принудительной циркуляцией, обусловливающей равномерное распределение продукта на греющей поверхности. К ним относятся однопроходные аппараты, состоящие из вертикальной трубы, в которой вращающиеся лопасти отбрасывают продукт в виде пленки на стенки трубы и перемешивают его, и аппараты с вращающимися греющими поверхностями. Существуют и другие типы таких аппаратов.
Выпарные аппараты бывают одноступенчатыми, в которых греющий пар используется один раз и расход его составляет примерно 1,1 кг/кг испаренной воды, и многоступенчатыми, в которых используется теплота вторичного (сокового) пара.
Многоступенчатые аппараты имеют разное число ступеней, которое определяет расход в них греющего пара. Так, в двухступенчатых выпарных установках расход пара 0,7 кг/кг, в трехступенчатых - 0,5 кг/кг и т. д. В последние годы большое распространение получили четырехступенчатые выпарные аппараты, расход пара в которых составляет 0,22 кг/кг испаренной влаги.
Теплота, подводимая к продукту, расходуется на парообразование и нагревание жидкости до точки кипения при данном давлении. На нагревание требуется большой расход теплоты, так как теплоемкость сока равна примерно 3,36 кДж/(кг-К), поэтому для повышения экономичности выпарной установки необходимо предварительное нагревание сока до температуры кипения при данном разрежении в установке. При этом теплота, подводимая к поверхности нагрева установки, будет расходоваться только на выпаривание воды, и производительность аппарата увеличится.
Для нагревания сока перед поступлением в выпарной аппарат применяют подогреватели, в которых в качестве греющей среды используют вторичный, или острый, пар или конденсат. В последних моделях выпарных многокорпусных установок в качестве нагревателей служат змеевики, расположенные в паровом пространстве трубчатых выпарных аппаратов.
Вторичные пары, образовавшиеся при выпаривании сока в первом корпусе, используются в качестве греющей среды во втором. При этом разрежение во втором корпусе должно быть соответственно увеличено, чтобы температура выпаривания была более низкой, чем температура греющего пара. Вторичные пары из второго корпуса таким же образом используются в третьем и т. д.
Снизить расход теплоты в целях повышения экономичности выпарного аппарата можно не только путем прямого использования вторичного пара в качестве греющего в последующих корпусах установки, но и путем термокомпрессии, т. е. повышения температуры и давления вторичного пара путем сжатия.
Вторичный пар при этом можно использовать в том же аппарате, где он образовался, если повысить его давление до давления греющего пара. Сжатие осуществляют с помощью пароструйных эжекторов, в которых используют острый пар более высокого давления, или механически - турбокомпрессорами.
Турбокомпрессорные установки используют в низкотемпературных выпарных аппаратах, работающих на аммиаке или фреоне и предназначенных для концентрирования термолабильных соков, таких, как цитрусовые.
Тонкопленочный вакуум-испаритель однократного прямоточного действия с турбулентной пленкой представляет собой вертикальную трубу, окруженную паровой рубашкой, которая разделена на несколько частей для равномерного распределения пара. В верхней части трубы размещен сепаратор. Внутри трубы по всей ее длине установлен ротор, который имеет лопасти, не доходящие на 0,8 мм до обогреваемых стенок аппарата. Сок подается в верхнюю часть аппарата и растекается по стенкам трубы, где подхватывается вращающимися лопастями и распределяется ими тонкой пленкой по греющей поверхности с большим завихрением. Образующийся соковый пар поднимается в сепаратор, а концентрированный сок стекает вниз по стенкам. В испарителях такого типа возможно быстрое (за 20-30 с) концентрирование сока при низкой температуре, что обеспечивает хорошее качество концентрата.
Пленочный аппарат трубчатого типа состоит из горизонтальных трубчатых испарителей со встроенными в них подогревателями. В корпусе испарителей размещены предсепараторы для удаления сжатого воздуха из соковых паров. Кроме того, каждый корпус испарителя соединен с сепаратором для улавливания увлеченных соковыми парами капель продукта.
Для очистки поступающего на выпаривание сока от посторонних примесей перед каждым испарителем установлен фильтр.
Пластинчатые выпарные аппараты получили широкое распространение благодаря развитию производства концентрированных осветленных соков.
Кассетный выпарной аппарат в своей конструкции имеет особенность - это паровая кассета, которая состоит из двух спаренных вместе пластин, аналогичных таковым в пластинчатом теплообменнике. Несколько кассет зажимаются вместе, как в пластинчатом теплообменнике, а пространства между ними герметизируются резиновыми уплотнениями. Эти пространства образуют широкие плоские каналы, внутри которых происходит выпаривание, в них отсутствуют препятствия для свободного прохождения пленки концентрированного продукта.
На основе кассетного выпарного аппарата создана многоступенчатая выпарная установка.
Комбинированные выпарные установки получили наибольшее распространение. В них улавливание ароматических веществ и концентрирование соков производится в одном многокорпусном аппарате.
Четырехкорпусная вакуум-выпарная установка предназначена для концентрирования осветленных соков, преимущественно яблочного.
Концентрированные соки большей частью выпускают на комплектных поточных линиях, на которых обеспечиваются необходимая обработка сока перед концентрированием и высокое качество концентратов.