Способ извлечения полезных компонентов из плодоягодного сырья и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к пищевой промышленности. Способ предусматривает извлечение полезных компонентов в два этапа. На первом извлечение производят из нераздробленного плодоягодного сырья водой в противотоке при температуре смеси 80-100°С в течение 1,0-4,0 ч с получением первого сока. На втором этапе полученное экстракт-сырье отделяют от экстрагента, после чего второй сок, полученный из экстракт-сырья, выделяют термомеханической обработкой путем воздействия на слой, имеющий исходную толщину 100-300 мм, температуру 90-100°С и давление 0,01-0,2 мПа в течение 0,3-5 мин. Устройство для осуществления способа состоит из мойки для подготовки плодоягодного сырья, диффузионного аппарата для извлечения первого сока из плодоягодного сырья, пресса для термомеханического отжатия второго сока из экстракт-сырья, фильтра для очистки первого сока, сборника для хранения отфильтрованного первого сока, вакуум-выпарного аппарата для сгущения первого сока, фильтра 8 для очистки второго сока, сборника для хранения отфильтрованного второго сока, аппарата для выработки желеобразных масс. Изобретение позволит наиболее полно извлечь полезные компоненты из плодоягодного сырья. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

В настоящее время в нашей стране плодоягодное сырье перерабатывается промышленным способом очень мало. Для получения соков в основном используют яблоки и виноград. Основная часть винограда уходит на вино. Что касается дикорастущего плодоягодного сырья, то о нем и вовсе забыли. Исчезли с прилавков магазинов сиропы из плодоягодного сырья, желе, джемы, высококачественные соки, напитки и др.

Это объясняется отсутствием эффективных способов переработки плодоягодного сырья как дикорастущего, так и в культуре.

Большие затруднения в получении соков и сиропов из плодоягодного сырья вызваны отсутствием четкого представления о связи влаги с сухим веществом плодоягодного сырья. Только часть плодов в культуре клеточный сок накапливает в вакуолях, а плодовая мякоть состоит из паренхимных клеток круглой или овальной формы.

Из подобных плодов сок легко отделяется прессованием мезги, а затем выжимку подвергают экстрагированию водой при температуре 50 - 65^oC. При этом сок получается довольно низкого качества, так как в него переходит много белков, пектинов, протопектинов, целлюлозы и др., которые впоследствии трудно отделяются от натурального сока. Имеют место процессы окисления.

Если такой способ дает возможность получить соки или сиропы из плодов в культуре, то из дикорастущего плодоягодного сырья получить натуральные соки или сиропы по этой технологии практически невозможно.

Это объясняется состоянием влаги в дикорастущем плодоягодном сырье (клюква, брусника, черника, морошка и др.). Исследования показали, что основная часть дикорастущего плодоягодного сырья не замерзает при понижении температуры ниже нуля градусов. Влага в нем не действует как растворитель на обычно растворимые в воде вещества. Например, клюква, брусника, морошка и др. выносят температуры (от -5 до -15^oC) без повреждений.

Это объясняется тем, что вода в них находится в гидратационном состоянии и не образует кристаллов льда, способных механически повредить структуру плода.

Часть воды в ягодах дикорастущих растений заключена между молекулами белков и пектинов, она не может отдельно вытечь при измельчении ягоды. Она выходит вместе с белками и пектинами в виде геля. Эта часть воды иммобильна и замерзает при температуре несколько ниже 0^oC. Она растворяет в ягоде сахара и другие вещества.

В плодах в культуре гидратационной и иммобильной воды или очень мало, или вовсе она отсутствует (это яблоки, груши, сливы и др.).

Следует отметить, что пектин в плодах в культуре находится в нерастворенном состоянии, а в дикорастущих плодах - в растворенном виде, в гидратационном геле. Дикорастущие ягоды практически не содержат белковых веществ. Гель большинства ягод дикорастущих растений способен связать при гидратации 6,5 частей воды на одну часть геля.

Таким образом, наше изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к способам получения соков или сиропов из любого плодоягодного сырья, а также к устройствам для осуществления способа. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения соков из плодоягодного сырья, который заключается в выщелачивании водой полезных компонентов из предварительно раздробленной и отжатой массы плодоягодного сырья (А.М. Самсонова, В.Б. Ушева. Фруктовые и овощные соки. М.: ВО "Агропромиздат", 1990, стр. 51-63).

Выщелачивание (экстрагирование) осуществляют при температуре 50-65^oC при соотношении выжимок и воды 1 : 0,4-0,6. Способ экстрагирования характеризуется тем, что плодоягодное сырье сначала измельчают до образования мезги, затем мезгу прессуют, то есть отжимают из нее сок, а затем из выжимок экстрагируют водой остатки полезных компонентов. При экстрагировании полезных компонентов из яблочных выжимок воду нагревают до температуры 40-45^oC при соотношении выжимок и воды 1 : 0,8-0,6.

Устройство для осуществления способа включает соединенные последовательно технологическими трубопроводами мойку для подготовки плодоягодного сырья, пресс для отжима сока из мезги, фильтр для очистки сока, насосы для циркуляции жидкой фазы, сборники для сока и выжимок (А.М. Самсонова, В.Б. Ушева. Фруктовые и овощные соки. М.: ВО "Агропромиздат", 1990, стр. 119-138).

Способ характеризуется целым рядом существенных недостатков. Во-первых, при выщелачивании полезных компонентов водой или при прессовании измельченного сырья в сок переходит большинство сухих веществ, вплоть до мякоти, которые затем трудно отделяются от сока как такового. Во-вторых, температуру воды нельзя повысить более чем на 80^oC, что отрицательно отражается на процессе.

Таким образом, получить нормальные соки или сиропы при существующей технологии весьма трудно, а порой и невозможно, как, например, из ягод дикорастущих растений.

Необходимо отметить, что плодоягодное сырье содержит растворяющиеся в воде вещества (преимущественно сахара) с небольшим молекулярным весом, которые легко извлекаются из нераздробленного плодоягодного сырья и которые придают сокам соответствующий вкус и аромат, а также труднорастворяющиеся или гидролизующиеся вещества с большим молекулярным весом, которые при экстрагировании не переходят в воду, если сырье предварительно не раздроблено.

Как уже отмечалось выше, в большинстве дикорастущих ягод пектин находится в растворенном виде, в гидратационном геле, который также не извлекается водой из нераздробленного сырья.

Недостатком данного устройства является плохое качество сока и высокие потери полезных компонентов, так как при выщелачивании полезных компонентов водой или при прессовании измельченного сырья в сок переходит большинство сухих веществ, вплоть до мякоти, которые затем трудно отделяются от сока; а также длительность процесса, время которого затрачивается на разрушение ягодного сырья, на отстаивание мезги и на дальнейшую очистку жидкой фазы от посторонних компонентов (нерастворенных белков, протеинов и др.); также недостатком является то, что при извлечении остаточного количества полезных компонентов из выжимок водой расход воды составляет 40-55%.

Известно, что при смешивании соков, включающих полезные компоненты (сахара) с низким молекулярным весом и полезные (белки, пектины, протопектины и др.) с высоким молекулярным весом, качество соков или сиропов ухудшается.

Задачей настоящего изобретения является улучшение качества соков, наиболее полное извлечение полезных компонентов из плодоягодного сырья, упрощение и ускорение процесса.

Поставленная задача достигается тем, что в способе извлечения полезных компонентов из плодоягодного сырья, включающем измельчение сырья, удаление жидкой фазы из мезги прессованием, экстрагирование отжимок водой с температурой 50-65^oC при соотношении выжимок и воды 1 : 0,4 - 0,8, отличием является то, что извлечение полезных компонентов осуществляют в два этапа: на первом этапе извлечение производят из нераздробленного плодоягодного сырья водой в противотоке при температуре смеси 80 - 100^oC в течение 1,0 - 4,0 часов с получением первого сока, а на втором этапе полученное экстракт-сырье отделяют от экстрагента, после чего второй сок, полученный из экстракт-сырья, выделяют термомеханической обработкой путем воздействия на слой, имеющий толщину 100-300 мм, температурой 90-100^oC и давлении 0,01-0,2 мПа в течение 0,3-5 мин.

Отличием является также то, что первый сок фильтруют, после чего сгущают до получения сиропа и/или отправляют на выработку напитков, а также то, что второй сок фильтруют, после чего добавляют в него 65-70% сахара для выработки желеобразных масс, а также то, что сок из семечковых плодов выделяют термомеханической обработкой измельченного сырья путем воздействия на слой, имеющий толщину 25-100 мм, при температуре 110-180^oC и давлении 0,1-1,4 мПа в течение 2-8 минут.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для извлечения полезных компонентов из плодоягодного сырья, включающем соединенные последовательно технологическими трубопроводами мойку для подготовки плодоягодного сырья, пресс для отжима сока из мезги, фильтр для очистки сока, насосы для циркуляции жидкой фазы, сборники для сока и выжимок; отличием является то, что оно снабжено диффузионным аппаратом для получения первого сока, содержащего растворенные в воде вещества, патрубок для отвода первого сока которого подключен к фильтру для очистки первого сока, вакуум-выпарным аппаратом для сгущения первого сока, входной патрубок которого подключен к сборнику отфильтрованного первого сока, прессом для термомеханического отжатия второго сока из неразрушенного экстракт-сырья, загрузочный бункер которого соединен с разгрузочным желобом диффузионного аппарата, а патрубок для отвода второго сока - с фильтром, аппаратом для выработки желеобразных масс, загрузочный патрубок которого соединен со сборником отфильтрованного второго сока. Извлечение полезных компонентов из плодоягодного сырья в 2 этапа обусловлено тем, что улучшается качество, ускоряется процесс извлечения и сокращается расход воды. Воздействие температуры от 80^oC до 100^oC обуславливается необходимостью извлечения сахаров (глюкоза, фруктоза, сахароза) из межклеточного пространства плодоягодного сырья, кроме того, внутренняя сторона кожицы ягод покрыта более плотным желеобразным веществом, препятствующим выходу любых веществ из ягод в окружающую среду. При воздействии температуры происходит денатурация веществ и создаются условия для осмотических эффектов, т.е. вода проникает внутрь ягоды, а из ягоды удаляются только сахара. В течение 1-4 часов в зависимости от плодоягодного сырья происходит извлечение веществ с маломолекулярным весом, т.е. сахаров. Первый этап заканчивается извлечением из плодоягодного сырья полезных компонентов с малым молекулярным весом. Для извлечения оставшихся полезных компонентов экстрагент не нужен, и поэтому происходит его отделение. Что касается толщины слоя, то, если он будет 100 мм, резко падает производительность оборудования, а при толщине более 300 мм полезные компоненты защемляются в середине слоя; при температуре от 90 до 100^oC происходит наиболее интенсивное отделение полезных компонентов; при давлении менее 0,01 мПа время отделения полезных компонентов увеличивается, а при давлении более 0,2 мПа не отмечается ускорение выхода.

Необходимость добавления 65-70% сахара обуславливается тем, что при этом количестве сахара образуется желеобразная масса.

Что касается выделения термомеханической обработкой измельченного сырья из семечковых плодов, то при толщине менее 25 мм уменьшается производительность оборудования, при толщине более 100 мм происходит защемление полезных компонентов в середине слоя; температура прессующего органа должна быть минимум 110^oC, это связано с тем, что семечковые плоды содержат большое количество пектинов и белков, которые не должны попадать в сок, при этой температуре пектины и белки свертываются и остаются в слое, при температуре выше 180^oС никаких улучшений не происходит; при давлении менее 0,1 мПа время отделения полезных компонентов увеличивается, а при давлении более 1,4 мПа не отмечается ускорение выхода.

Из плодоягодного сырья дикорастущих растений полезные компоненты извлекаются преимущественно отжатием, при этом в жидкую фазу переходят все составные компоненты, а также твердые частицы и посторонние вещества, качество жидкой фазы при этом резко ухудшается. Предложенное устройство позволяет извлечь из плодоягодного сырья сначала полезные компоненты с небольшим молекулярным весом, к которым относятся преимущественно сахара, а затем гелеобразные вещества с большим молекулярным весом, что позволяет улучшить качество как первой, так и второй жидкой фазы. Сгущать жидкую фазу, полученную традиционным способом, с целью получения натуральных сиропов невозможно, т. к. в ней содержатся гелеобразные вещества, в предложенном устройстве включен аппарат, позволяющий сгущать жидкую фазу, полученную указанным диффузионным аппаратом, и тем самым получить натуральные высококачественные сиропы.

Заявленная поэтапность осуществления способа, временные и температурные интервалы процесса, а также установка и выполнение аппаратов, входящих в устройство, способствуют достижению поставленной задачи. Это позволяет сделать вывод о том, что заявленные изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Способ осуществляется следующим образом. Перед извлечением полезных компонентов плодоягодное сырье сортируют и моют. Как показано на чертеже, плодоягодное сырье из мойки 1 подают в диффузионный аппарат 2, в который противотоком поступает нагретая до температуры 80-100^oC вода. В диффузионном аппарате 2 при температуре 80-100^oC извлекаются из плодоягодного сырья только растворяющиеся в воде вещества при соответствующей температуре. Как правило, на этом этапе извлекаются диффузионным способом только вещества с небольшим молекулярным весом, как, например, глюкоза, фруктоза, сахароза, красящие вещества могут проходить через кожицу плодоягодного сырья. В зависимости от вида сырья продолжительность извлечения составляет 1-4 часа.

Полученный первый сок насосом 3 направляют на фильтрацию для отделения механических примесей. Фильтруется сок через фильтр 9, который затем направляется в сборник 16. Первый очищенный сок может быть использован в производстве различных безалкогольных (прохладительных) напитков или направлен на сгущение в вакуум-выпарной аппарат 10, в котором получают сгущенный сок, то есть сироп. Насос 11 служит при этом для подачи сока в вакуум-выпарной аппарат или в реализацию через трехходовой кран "а". Отвод сиропа из вакуум-выпарного аппарата производят насосом 12 через трехходовой кран "б".

В верхней части аппарата 2 экстракт-сырье отделяется от экстрагента (воды) и направляется в пресс 4 для термомеханического прессования. Экстракт-сырье также в нераздробленном виде заполняет пространство между греющим барабаном 5 и фильтрующей бесконечной лентой 6. Эта лента установлена с возможностью регулирования размера пространства в зоне загрузки. При вращении ленты 6 и барабана 5, нагретого до температуры 90-180^oC, пространство уменьшается (по спирали Архимеда). При уменьшении пространства из экстракт-сырья отделяется жидкая фаза, которая стекает в нижнюю часть "в" пресса и имеет температуру в пределах 40-60^oC. В процессе отжатия второго сока от барабана 5 тепло передается экстракт-сырью. При нагревании и одновременном воздействии давлением гелеобразная жидкая фаза легко отделяется от твердой массы выжимок, так как уменьшается вязкость и увеличивается ее текучесть. Время нахождения экстракт-сырья в прессовом пространстве регулируется скоростью вращения барабана 5 и ленты 6 и может находиться от 0,3 до 5 минут под непрерывным давлением от 0,01 до 0,2 мПа. Отделившийся второй сок насосом 7 направляется на фильтрацию для отделения механических примесей. Фильтрование второго сока происходит в фильтре 8, откуда поступает в резервуар-накопитель 15.

Так как второй сок содержит простые белки (протеины), растворенный пектин, гидратационную и иммобильную воду, он может быть использован для выработки различного вида желе, стабилизаторов, джемов и других желеобразных продуктов. Для этого он направляется насосом 13 в аппарат для желеобразных масс 14.

В связи с тем, что предлагаемый способ исключает контакт раздробленной мякоти сырья с воздухом, следовательно, исключаются и любые процессы окисления. При осуществлении данного способа не применяются никакие ферментные препараты. Это существенно позволило улучшить качество соков.

Одновременное воздействие температуры и давления на экстракт-сырье дало возможность практически исключить потери полезных компонентов в выжимках. Кроме того, отпала необходимость в операциях сепарирования, осветления, отстоя и др. За счет сокращения этих операций ускорился процесс производства сока.

Очень важным является то, что не только минусовая температура не разрушает плод дикорастущих растений, но и температура в пределах 100^oC. Например, спелый, недеградированный плод клюквы, брусники и др., не разрушается даже при длительном кипении.

Эти свойства плодоягодного сырья не снижают органолептические качества и не оказывают влияние на цвет сырья. Внутри плода дикорастущих растений в процессе извлечения полезных компонентов на первом этапе денатурации подвергаются всего лишь 0,5-1,1% простых белков (протеинов) от объема второго сока, отжатого на втором этапе. Эти протеины без особого труда отделяются при фильтрации.

Примеры конкретного выполнения способа приведены в таблице 1. Пункты 1, 2, 3, 4, 5 относятся к ягодам, плоды которых включают семена, находящиеся в гелеобразной мякоти, пункты 6 и 7 относятся к семечковым плодам. Пункт 8 также относится к семечковым плодам, однако из него получают два вида соков (это исключение).

Устройство для осуществления способа (см. чертеж) состоит из мойки 1, предназначенной для подготовки плодоягодного сырья, диффузионного аппарата 2 для извлечения первого сока из плодоягодного сырья, пресса 4 для термомеханического отжатая второго сока из экстракт-сырья, фильтра 9 для очистки первого сока, сборника 16 для хранения отфильтрованного первого сока, вакуум-выпарного аппарата 10 для сгущения первого сока, фильтра 8 для очистки второго сока, сборника 15 для хранения отфильтрованного второго сока, аппарата 14 для выработки желеобразных масс. Все аппараты соединены между собой соответствующими технологическими трубопроводами с арматурой. Для циркуляции жидкой фазы на соответствующих магистралях трубопроводов включены насосы 3, 7, 11, 12, 13, 17.

Использование предлагаемого способа и устройства позволит увеличить выход полезных компонентов или полностью сократить их потери, уменьшить общее количество воды для извлечения полезных компонентов, увеличить производительность извлечения полезных компонентов, улучшить качество конечного продукта.

Формула изобретения

1. Способ извлечения полезных компонентов из плодоягодного сырья, включающий измельчение сырья, удаление жидкой фазы из мезги прессованием, экстрагирование выжимок водой, отличающийся тем, что извлечение полезных компонентов осуществляют в два этапа: на первом этапе извлечение производят из нераздробленного плодоягодного сырья водой в противотоке при температуре смеси 80 - 100^oC в течение 1,0 - 4,0 ч с получением первого сока, а на втором этапе полученное экстракт-сырье отделяют от экстрагента, после чего второй сок, полученный из экстракт-сырья, выделяют термомеханической обработкой путем воздействия на слой, имеющий исходную толщину 100 - 300 мм, температуру 90 - 100^oC и давление 0,01 - 0,2 мПа, в течение 0,3 - 5 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый сок фильтруют, после чего сгущают до получения сиропа и/или отправляют на выработку напитков.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что второй сок фильтруют, после чего добавляют в него 65 - 70% сахара для выработки желеобразных масс.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что сок из семечковых плодов выделяют термомеханической обработкой измельченного сырья путем воздействия на слой, имеющий исходную толщину 25 - 100 мм, при температуре 110-180^oC и давлении 0,1 - 1,4 мПа в течение 2 - 8 мин.

5. Устройство для извлечения полезных компонентов из плодоягодного сырья, включающее соединенные последовательно технологическими трубопроводами мойку для подготовки плодоягодного сырья, пресс для отжима сока из мезги, фильтр для очистки сока, насосы для циркуляции жидкой фазы, сборники для сока и выжимок, отличающееся тем, что оно снабжено диффузионным аппаратом для получения первого сока, содержащего растворенные в воде вещества, патрубок для отвода сока которого подключен к фильтру для очистки первого сока, вакуум-выпарным аппаратом для сгущения первого сока, входной патрубок которого подключен к сборнику отфильтрованного первого сока, прессом для термомеханического отжатия второго сока из неразрушенного экстракт-сырья, загрузочный бункер которого соединен с разгрузочным желобом диффузионного аппарата, а патрубок для отвода второго сока - с фильтром, аппаратом для выработки желеобразных масс, загрузочный патрубок которого соединен со сборником отфильтрованного второго сока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3