Соки натуральные сухие: пасты, гранулы, порошки

А. А. Емельянов
Орловский государственный технический университет

Предприятия соковой отрасли работают с соками трех видов: прямого отжима, консервированным и восстановленным. Сок прямого отжима с массовой долей растворимых сухих веществ ~ 10 % получают в результате механического воздействия из свежих спелых фруктов, ягод и овощей. Концентрированный сок с массовой долей растворимых сухих веществ не более 70 % – результат удаления влаги из сока прямого отжима путем выпаривания, вымораживания или продавливания через мембрану. Концентрированный сок используют для получения восстановленного сока. Концентрация сока, так же как и восстановление, сопровождается потерей биологически активных веществ. Дополнительные тепловые воздействия, вызванные необходимостью консервирования концентрированного сока, усиливают эти потери. С уменьшением влажности срок хранения продукта возрастает и для концентрированного сока достигает 3 месяцев при температуре  ○С.

Потери биологически активных веществ можно свести к минимуму, уменьшив тепловое воздействие на сок прямого отжима. Минимизация теплового воздействия возможна при условии мягкого выпаривания сока при пониженных температурах. Выпаривание при температурах  ○С позволяет максимально сохранять биологическую активность концентрированного сока. В результате полного удаления свободной влаги и частичного – связанной концентрированный пастообразный продукт может быть досушен на атмосфере при  ○С с получением сухого сока, массовая доля растворимых сухих веществ в котором превысит 70 %. При низкой влажности ~ 10 % продукт будет обладать и повышенным сроком хранения. Сухой сок, полученный выпариванием при низких температурах, является натуральным продуктом и максимально сохраняет биологически активные вещества, концентрация которых может существенно превышать концентрацию в исходном сырье.

Целью настоящей работы являлась разработка низкотемпературной технологии получения натуральных сухих соков с массовой долей растворимых сухих веществ более 70 %, максимально сохраняющих биологически активные вещества и обладающих повышенным сроком хранения.

Для выполнения исследований разработана малогабаритная вакуумная выпарная установка, включающая испаритель, конденсатор, сборник конденсата и форвакуумный насос [1].  Насос создает разрежение в системе  Па и позволяет достигать высокую производительность по выпариваемой влаге при температурах не более 50 ○С. Исследования выполнены, в основном, на сырье, произрастающем в Орловской области.
Производительность установки по выпаренной влаги исследована при дистилляции водопроводной воды. Температурные зависимости производительности w, которая оценивалась по массе G выпаренной влаги, приведенной к массе G0 загруженной в испаритель жидкости, при разных значениях мощности нагрева представлены на рис. 1.

Из кривых   следует, что начальная температура выпаривания не зависит от мощности нагрева, определяется остаточным давлением в камере испарителя и при разрежении  Па составляет ○С. По температуре и таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара [2] определено давление в испарителе. Начальное давление испарения составляло  кПа. Начальная производительность выпаривания определяется подведенной мощностью и при шестикратном увеличении мощности возрастала в 5 раз от 4 %∙час–1 до 19 %∙час–1.

По мере разгона процесса температура, давление и скорость выпаривания возрастали. В конечном установившемся режиме значения этих параметров определяются удельной мощностью нагрева и при ее шестикратном увеличении от  Вт/кг до  Вт/кг возрастали: температура – в 1,8 раза от 32 ○С до 59 ○С; давление – в 3,6 раза от 5 кПа до 18 кПа; производительность – в шесть раз от 10 %∙час–1 до       0,61 %∙час–1.

Однако с изменением мощности производительность меняется немонотонно. Для сравнения эффективности установившихся режимов выпаривания из кривых   определена удельная производительность  , отнесенная к подведенной мощности, и построена ее зависимость от удельной мощности нагрева  . Удельная производительность по выпаренной влаге как функция удельной мощности нагрева представлена  на рис. 2.

Из кривой   следует, что с ростом мощности нагрева в диапазоне  Вт/кг производительность, изменяясь, проходит через максимум. Максимальная производительность   достигается при  Вт/кг. Рост производительности при увеличении мощности нагрева до оптимального значения 270 Вт/кг обеспечивается эффективным использованием подведенной мощности. Снижение производительности при  Вт/кг вызвано ростом потерь в окружающую среду.

Выпаривание сока прямого отжима включает испарение свободной и связанной влаги. На этапе испарения свободной влаги температура кипения, как и скорость выпаривания, определяются давлением в испарителе и при фиксированной мощности нагрева остаются неизменными. Связанная влага испаряется с падающей скоростью, при этом температура в испарителе поддерживалась на уровне  ○С регулированием подведенной мощности. В ходе эксперимента измерялась масса влаги Gвл, содержавшейся в соке, и определялась влажность по отношению к массе Gc сухих веществ  .

Кривая сушки сока черной смородины приведена на рис. 3.

Из кривой   следует, что через некоторое время запаздывания, необходимое для прогрева продукта, испарения, конденсации и движения пара и конденсата, начинается удаление свободной влаги. Выпаривание происходило при  ○С. Начальная влажность, определенная по содержанию сухих веществ в исходном продукте   [3] и составлявшая , соответствовала содержанию растворимых сухих веществ 10 %. При достижении первой критической влажности  процесс сушки из этапа удаления свободной влаги перешел в этап удаления связанной влаги, на котором скорость выпаривания уменьшалась во времени. При влажности  конденсация прекратилась. После окончания конденсации осуществлено перемешивание продукта. Перемешивание привело к дополнительной кратковременной конденсации, снизив влажность до второй критической величины . В процессе вакуумного выпаривания, продолжавшегося 3,5 часа, содержание растворимых сухих веществ в концентрированном соке увеличилось в 3,6 раза, составив 36 %.

Кривая скорости сушки, полученная в результате графического дифференцирования кривой сушки  , приведена на рис. 4.

Из зависимости   следует, что после прогрева сока (участок АВ) удаление свободной влаги (участок ВС) происходило с постоянной скоростью час–1. Участок СD с падающей скоростью соответствует удалению связанной влаги. Перемешивание продукта сопровождалось скачкообразным возрастанием скорости выпаривания с последующим ее уменьшением до нуля при второй критической влажности  .

По окончании вакуумного выпаривания были получены концентрированный продукт и конденсат, объем которого составлял 2/3 от объема загруженного в испаритель сока. Конденсат представлял из себя чистую питьевую воду с ароматом черной смородины. Разбавление концентрированного сока конденсатом в соотношении один к двум позволяло восстанавливать его до исходного натурального сока прямого отжима.

В течение недели пастообразный концентрированный сок досушивался в конвективной сушилке при атмосферном давлении и температурах до 50 ○С (участок DE на кривой скорости сушки). В процессе сушки паста была пропущена через экструдер с получением гранул. По завершению сушки были исследованы физико-химические свойства сухого сока. В результате лабораторных исследований установлено, что массовая доля растворимых сухих веществ в гранулированном соке черной смородины влажностью 11 % достигла 78 %, при этом кратность превышения относительно исходного продукта составила . Содержание органических кислот, приведенное к яблочной кислоте, достигло 68 %, превысив содержание в ягоде в 28 раз. Пищевые волокна при кратности   составляли 13,4 %. Содержание витамина С в гранулированном соке в 1,5 раза превысило содержание в ягоде, составив  300 мг / 100 г.

Физико-химические свойства натуральных сухих гранулированных и пастообразных соков с указанием кратности относительно исходного продукта приведены в таблице 1.

Из таблицы следует, что массовая доля растворимых сухих веществ в натуральных гранулированных и пастообразных сухих соках влажностью     ~ 10 % лежит в диапазоне от 73 % у тыквы до 90 % у боярышника. Сухие соки богаты биологически активными веществами и являются источником органических кислот (до 80,4 % у клюквы), богаты пищевыми волокнами (до 14,1 % у тыквы) и витамином С (до 300 мг / 100 г у черной смородины). Высокая концентрация биологически активных веществ превращает натуральные сухие соки в продукт с явно выраженным фармакологическим действием, что требует тщательного изучения их состава и свойств.

Кроме указанных в табл. 1 продуктов эксперименты выполнены и с другими фруктовыми, ягодными и овощными соками прямого отжима, в общем составившими 23 наименования. В зависимости от свойств исходного продукта натуральные сухие соки принимали вид паст или гранул. Пастообразный вид имели соки:
•    фруктовые – виноградный, вишневый, грушевый, яблочный;
•    ягодные – арбузный, боярышниковый, крыжовниковый, рябиновый (обыкновенная и черноплодная), красно смородиновый;
•    овощные – огуречный.

Гранулированный вид принимали соки:
•    фруктовые – сливовый;
•    ягодные – земляничный (полевая и садовая), калиновый, клюквенный, малиновый, черно смородиновый, черничный;
•    овощные – свекольный, томатный, тыквенный.

 
Полученные сухие соки легко восстанавливаются и при использовании выпаренной из них влаги с ароматом исходного сырья позволяют получать натуральные восстановленные соки с нужным содержанием растворимых сухих веществ.

При необходимости гранулированный сок может быть размельчен в порошок. Однако размельчение целесообразно проводить непосредственно перед использованием, так как мелкодисперсные порошкообразные соки, обладая большой поверхностью взаимодействия с кислородом воздуха, имеют недостаточно продолжительный срок хранения.

Сухие соки в виде паст и порошков исследованы на продолжительность хранения при ○С. В ходе эксперимента контролировалось содержание витамина С, как одного из наиболее лабильных элементов.

На рис. 5 приведены графики изменения в процессе длительного хранения содержания витамина С в пастах и порошках, нормированного по начальному значению.

Как следует из приведенных кривых в результате хранения при комнатной температуре за три месяца содержание витамина С в порошках уменьшилось на 40 %, тогда как в пастах практически осталось неизменным. За 6 месяцев хранения при  ○С содержание витамина С в пастах уменьшилось лишь на 5 %.

Внешний вид сухих пастообразных соков арбуза, боярышника и груши, а также гранул и порошков сока черной смородины после 6 и 18 месяцев хранения приведен на рис. 6 – 9.

Порошок из пастеризованного сока черной смородины (80 ○С, 20 мин) уступает порошку из сока прямого отжима не только по внешнему виду (Рис. 9в), но и по биологической активности. Содержание витамина С в нем оказалось в 5,7 раза меньше, составив            53 мг / 100 г.

Приведенные результаты позволяют сделать следующие выводы. Разрабротана низкотемпературная (t < 50 ○C) технология получения сухих натуральных соков в вакууме и определены оптимальные режимы выпаривания.

Показано, что в результате вакуумного выпаривания получается пастообразный продукт. Пастообразный сок легко восстанавливается и при использовании собственного конденсата, представляющего собой чистую питьевую воду с ароматом исходного сырья, позволяет получать натуральный восстановленный сок с заданным содержанием растворимых сухих веществ.

В результате дополнительной сушки пастообразного сока на атмосфере при t < 50 ○C получен натуральный сухой сок.

В зависимости от свойств исходного продукта сухой сок принимает вид пасты или гранул. При необходимости гранулированный сок может быть размельчен в порошок.

Получено более двадцати наименований натуральных сухих фруктовых, ягодных и овощных соков влажностью          ~ 10 % с массовой долей растворимых сухих веществ от 73 % у тыквы до     90 % у боярышника.

Показано, что сухие соки содержат биологически активные вещества: органические кислоты до 80 % (клюква); пищевые волокна до 14 % (тыква); аскорбиновую кислоту до 300 мг / 100 г (черная смородина). Исследовано влияние длительного хранения при комнатной температуре на содержание витамина С в порошках и пастах.

Однако в результате длительного хранения при  ○С биологическая активность сухих соков в виде порошков уменьшается. Сухие пастообразные соки не изменяют своих свойств в результате длительного хранения. Убыль витамина С за 6 месяцев составила ~ 5 %. Возможность хранения при комнатной температуре в течение 6 месяцев и более дает существенные преимущества натуральным сухим сокам. Сухие соки, как и пастообразные концентрированные, восстанавливаются и при использовании собственного конденсата позволяют получать натуральный восстановленный сок с заданным содержанием растворимых сухих веществ.

Высокая концентрация биологически активных веществ превращает натуральные сухие соки в продукт с явно выраженным фармакологическим действием и требует тщательного изучения их свойств. Высокая концентрация биологически активных веществ в сочетании с возможностью длительного хранения в обычных условиях при комнатной температуре открывает большие перспективы перед сухими фруктовыми, ягодными и овощными соками в плане разработки новых продуктов для детского, диетического и специального питания. Разработанная технология может составить основу нового направления развития предприятий соковой отрасли.


ЛИТЕРАТУРА
1.    Емельянов А.А., Золотарев А.Г., Емельянов К.А. Малогабаритная установка для концентрирования и сушки пищевых продуктов в вакууме // Пищевая промышленность. 2007. N 12. C. 52.
2.    Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. – М.: Энергия, 1980. – 423 с.
3.    Химический состав пищевых продуктов. Черная смородина. http://www.sunduk.ru/receipts/prods/p10337.htm.

Статья опубликована в журнале "Пиво и напитки" 2008, N2, С. 36-39