Различные методы осветления плодовых соков могут быть разделены на следующие группы.
1. Физические методы, не связанные с изменением химического состава и коллоидных свойств жидкой фазы продукта. К этим методам относится грубое фильтрование, отстаивание, центрифугирование, электросепарирование и в известной мере обработка бентонитовыми глинами.
2. Ферментативные методы, при которых под действием природных или искусственно введенных в продукт ферментов происходят биохимические и физико-химические изменения сока, ведущие к седиментации. На этом основано осветление ферментными препаратами, полученными из плесневых грибов, и отчасти так называемое самоосветление сока.
3. Коллоидно-химические методы, направленные на разрушение коллоидной системы, — различные варианты «оклейки», осветление купажированием, термические методы обработки (мгновенный подогрев, замораживание и оттаивание), обработка коагулянтами (спиртом). В значительной степени изменением коллоидной системы сока объясняется осветляющее действие бентонитовых глин.
4. Химические методы, базирующиеся на взаимодействии природных веществ сока между собой или с добавленными химическими реагентами, — самоосветление сока, осветление купажированием, обработка ионообменными смолами.
Некоторые методы осветления сока носят комбинированный характер. Например, при самоосветлении, помимо действия ферментов, происходят химические реакции между дубильными и белковыми веществами сока, приводящие к седиментации. При обработке глиной адсорбция взвешенных в соке частиц сопровождается ионообменными реакциями и перераспределением зарядов коллоидных частиц сока.
Грубое фильтрование. Грубое фильтрование, применяемое для отделения крупных кусочков мякоти плодов, производят путем пропускания сока через сито из нержавеющей стали с отверстиями 0,75 мм или через полотно.
Отстаивание. Отстаивание используют для осаждения частиц, выпавших в результате осветления сока. Иногда его применяют и для обработки свежеотжатого неосветленного сока.
Отстаивание основано на действии силы тяжести. Если частица имеет нешарообразное или губчатое (не сплошное) строение, то в качестве величины принимают эквивалентный радиус, т. е. радиус шарообразной частицы такой же массы, движущейся с той же скоростью, что и данная частица.
Уравнение, выведенное Стоксом, целиком применимо только к монодисперсным системам. Однако оно позволяет сделать некоторые выводы о практическом использовании осаждения в производстве плодовых соков. Расчет показывает, что продолжительность оседания на глубину 1 см составляет при радиусе частицы 10-3 с. м 2,29 мин; 10-4 см — 3,82 ч; 10-5 см —16 суток. Для более мелких частиц (10-6 и 10-7 см) расчетное время оседания измеряется годами.
Таким образом, осаждением можно освободиться только от грубых и тонких взвесей дисперсностью не выше 10-4 см. Вместе с тем при выдержке свежеотжатого сока на холоду наряду с оседанием сравнительно крупных взвешенных частиц наблюдается разрушение коллоидной системы сока. После суточного отстаивания и декантации скорость фильтрования сока резко возрастает и продукт получается прозрачным. Это явление, по-видимому, объясняется действием природных ферментов сырья. Подогрев сока, инактивируя ферменты, задерживает осветление. Эффективное осветление дает отстаивание соков виноградного, вишневого и яблочного.
Центрифугирование. Отделение суспендированных в соке частиц может быть значительно ускорено путем центрифугирования.
Скорость отделения взвешенных частиц при центрифугировании рассчитывается по той же формуле, что и скорость осаждения.
Скорость вращения в центрифугах промышленного типа составляет 4500—7500 об/мин. Это значительно ускоряет отделение взвешенных в соке частиц. Количество же коллоидов и вязкость сока не изменяются даже при применении суперцентрифуги с числом оборотов до 40 000 в минуту. По внешнему виду свсжеотжатый сок после центрифугирования не содержит крупных взвешенных частиц мякоти, по представляет собой мутный опалесцирующий раствор.
Воздействие центрифугирования на коллоиды не исключено. Центрифугирование может вызвать местное увеличение концентрации дисперсной фазы, при котором ионы, уравновешивающие заряды коллоидов, вызывают коагуляцию. Однако в плодовых соках это не проявляется.
Центрифугирование применяют на следующих этапах обработки плодовых соков:
а) перед пастеризацией свежеотжатого сока в теплообменнике, предшествующей его закладке на длительное хранение (виноградный сок). Центрифугирование удаляет частицы ткани, предупреждая их пригорание на поверхности нагрева, и, кроме того, освобождает сок от большей части дрожжей и других микроорганизмов, которые удаляются вместе с осадком;
б) перед фильтрованием осветленного сока. При центрифугировании быстро отделяется большая часть выпавшего осадка, что резко повышает производительность фильтра, удлиняет срок службы фильтрующих материалов, а также снижает потери сока;
в) для извлечения сока из отстоя, остающегося после декантации.
Для обработки сока используют отстойные центрифуги (сепараторы) периодического действия типов ВСМ, «Де Лаваль», «Бертуцци», «Вестфалия».
При пуске сепаратор «Де Лаваль» сначала заполняют соком, а затем включают ротор, подавая сок под давлением 19,6—39,2 кн/м2 (0,2—0,4 ат). Для удаления осадка, отлагающегося во внутреннем цилиндре и кольцевых пространствах между тремя концентрически расположенными вращающимися цилиндрами, сепаратор периодически останавливают.
В сепараторе «Бертуцци» ротор снабжен двумя сменными приспособлениями — набором конических тарелок, которые устанавливают, если количество осадка в соке невелико, и «бабочкой», применяемой, если осадок в соке значительный. Осадок, остающийся в роторе, периодически удаляют под действием центробежной силы через круговую щель между верхней и нижней частями ротора.
В новых моделях сепаратора «Альфа Лаваль» осадок удаляется непрерывно. Камера такого аппарата герметизирована, что позволяет работать под вакуумом или в атмосфере инертного газа, предупреждая аэрацию сока.
Электросепарирование (электрофлотация). Этот метод, предложенный Молдавским НИИПП для обработки виноградного сока, основан на том, что при прохождении постоянного тока через сок происходит процесс электролиза. Выделяющиеся на электродах газовые пузырьки поднимаются на поверхность сока. При этом мельчайшие пузырьки газа адсорбируются на взвешенных в соке частицах и поднимают их на поверхность в виде «шапки», которую удаляют. В результате электросепарирования содержание осадка в соке снижается на 70—75%, а вкус и химический состав сока не меняются.
Самоосветление. При длительном хранении сок иногда самопроизвольно расслаивается на твердую и жидкую фазы, после чего поддается фильтрованию, давая прозрачный продукт. Так как при этом не применяется никаких специальных мер, то данный метод получил название самоосветления.
Самоосветление является следствием происходящих в соке ферментативных и химических процессов. Многие виды плодов и ягод, а следовательно, и отжатый из них сок содержат фермент пектазу (пектилгидролазу). Если сок не подвергается значительному подогреванию, то фермент сохраняет свою активность. Под его действием от пектинового комплекса отщепляются метоксильные группы. Разрушение пектина приводит к выпадению осадка.
Самоосветление может быть вызвано также химическими превращениями составных частей сока. Оно является следствием взаимодействия дубильных веществ и белков, в результате которого образуются нерастворимые танаты. Количество коллоидов в соке уменьшается при самоосветлении на 20—25%.
Длительность процесса самоосветления зависит от химического состава сока и активности фермента, составляя от нескольких недель до нескольких месяцев. Иногда самоосветление вообще не наступает и сок осветляют другими методами.
Самоосветление используют для виноградного сока, который чаще, чем соки из других плодов, сам по себе становится прозрачным. Виноградный сок обычно заготовляют в виде полуфабриката, который выдерживают 3—4 месяца. За это время выпадает винный камень и происходит самоосветление сока, после чего полуфабрикат обрабатывают, получая готовый продукт.
Яблочный сок плохо поддается самоосветлению.
При самоосветлении в сок не вводят посторонних веществ, в связи с чем он сохраняет природные вкусовые качества. Недостатком этого метода является потребность в значительных емкостях тары и складов для хранения сока, необходимость консервирования полуфабриката. При самоосветлении выпадает мелкий осадок, затрудняющий фильтрование. По объему выпадающий осадок такой же, как и при других методах осветления-
Осветление ферментными препаратами. Ферментный препарат плесневых грибов (аваморин) используют не только для обработки мезги, но и с целью осветления соков, особенно трудно поддающихся осветлению,— таких, как яблочный и сливовый. Хорошо осветляются также ягодные соки — земляничный, черносмородиновый, малиновый, виноградный.
Осветляющий эффект ферментных препаратов, полученных из плесневых грибов, объясняется прежде всего их пектолитическим действием. Содержащийся в препаратах фермент пектиназа (полигалактуронид — гликаногидролаза) расщепляет пектин до растворимых соединений. Однако полного распада пектина при этом не происходит. После ферментного осветления в виноградном соке сохраняется свыше 75%, а в яблочном соке — свыше 55% от исходного содержания пектина. В осветленном соке большая часть природных коллоидов сохраняется.
Ферментные препараты содержат и протеолитические ферменты: количество белков в соке после осветления уменьшается на 15% в виноградном соке и на 25% в яблочном. Таким образом, действие ферментных препаратов является комплексным.
Осветление проводят при помощи сухих ферментных препаратов в виде порошка, добавляя его в количестве 2—4 кг/т сока. Можно также использовать вытяжку из препарата, для получения которой препарат заливают 4—5-кратным количеством сока, выдерживают 3—4 ч при 40—42° С и фильтруют.
Для осветления сок помещают в чаны, подогревают до 40—45° С и добавляют сухой препарат или вытяжку. Осветление длится 3—6 ч, после чего для прекращения деятельности ферментов сок подогревают до 65—70° С.
В начальной стадии ферментного осветления резко снижается вязкость сока в связи с дестабилизацией коллоидной системы. Затем начинается распад полигалактуроновой кислоты по месту глюкозидных связей. При этом в результате образования моногалактуроновой кислоты возрастает количество редуцирующих веществ. После разрушения пектинового комплекса наступает седиментация.
Вкусовые качества осветленного ферментными препаратами сока в значительной мере определяются культурой гриба, условиями его выращивания и степенью очистки препарата. Плохо очищенный препарат может придать продукту нежелательный привкус.
При обработке ферментными препаратами вязкость сока снижается значительнее, чем при других методах осветления. Размеры частиц выпадающего осадка крупнее, чем при самоосветлении сока, и примерно такие же, как при оклейке.
Оклейка. Оклейкой называется осветление путем добавления коллоидных растворов, которые, нейтрализуя природные коллоиды сока, вызывают седиментацию. К оклеивающим материалам относятся желатин, рыбий клей, агар, жмыхи или семена горчицы, натриевая соль альгиновой кислоты, полимерные основания типа полиэтиленимида и пр. Для осветления натуральных плодовых соков применяют желатин с предварительным внесением в продукт танина.
Молекулы желатина в растворе несут на себе положительный заряд. Так как пектиновые коллоиды плодовых соков заряжены отрицательно, то они нейтрализуются желатином, что ведет к укрупнению частиц и седиментации.
Растворы желатина вызывают коагуляцию также одноименно заряженных белковых коллоидов сока. Объясняется это тем, что при добавлении желатина происходит перестройка зарядов. Так как коллоидная система в целом нейтральна, то перераспределение противоионов может вызвать нейтрализацию потенциалобразующих ионов и потерю коллоидной частицей ее заряда. Следствием этого является седиментация.
Осветляющее действие оклейки связано также с образованием нерастворимых соединений белков с дубильными веществами.
Добавление желатина иногда не дает нужного эффекта, так как водная оболочка коллоидов препятствует коагуляции. В этом случае перед введением желатина к соку добавляют раствор танина. Молекулы танина имеют гидрофильную глюкозную и гидрофобную ароматическую группы. Танин концентрируется вокруг коллоидов сока, обращаясь своими гидрофильными группами в сторону коллоидов и образуя вокруг них гидрофобную поверхность, что способствует нарушению коллоидной системы под действием желатина.
Кроме того, танин даёт с белками нерастворимые соединения, выпадающие в осадок. При этом сок лишается стабилизатора, поддерживающего во взвешенном состоянии крупные частицы, которые также оседают.
Танин и желатин используют в виде 1%-ных растворов на осветленном соке или на воде. Танин растворяют на холоду, желатин — при подогревании до 50—70° С.
Для того чтобы осветление было полным и вместе с тем избыток желатина не привел к помутнению сока, необходима точная дозировка осветляющих материалов. Для этой цели производят пробную оклейку каждой партии сока.
Для пробной оклейки в пробирки наливают одинаковое количество (10 мл) сока. Ставят три ряда пробирок по 10 в каждом ряду. Сок в пробирках первого ряда осветляют без добавления танина. Во все пробирки второго ряда вносят 0,1 мл танина, а в пробирки третьего ряда — 0,2 мл. Сок с танином взбалтывают, а затем добавляют раствор желатина — 0,1 мл в первую пробирку каждого ряда, 0,2 —во вторую и т. д. до 1,0 мл (в десятую).
Дозу оклеивающих материалов устанавливают по пробирке, в которой произошло наиболее полное выпадение хлопьевидного осадка.
Промышленная оклейка, которую следует вести при температуре 10—12° С, длится 6—10 ч. На 1 т сока в среднем расходуется 100 г танина и 200 г желатина.
Оклейка танином и желатином является одним из наиболее эффективных методов осветления плодовых соков, хотя и очень длительным. Для его ускорения танин может быть заменен высушенными виноградными семенами. В этом случае виноградный сок осветляется за 5—10 мин. Быстро проходит и осветление яблочного сока.
Осветление горчицей. Некоторые предприятия пользуются для осветления и консервирования плодовых соков горчицей в порошке. При осветлении горчицей продукт полной прозрачности не приобретает и сильно опалесцирует.
Бактерицидное действие горчицы недостаточно для сохранения сока при комнатных температурах и к нему добавляют в качестве консерванта бензойнокислый натрий.
В продукте, обработанном горчицей, ощущается неприятный привкус аллилового масла. В связи с этим ее применение в производстве натуральных плодовых соков нецелесообразно.
Осветление мгновенным подогревом. При быстрочередующемся подогреве и охлаждении сока изменяется структура белковых молекул, происходит коагуляция белков и седиментация.
При нагревании развертываются полипептидные цепи и повышается асимметричность молекулы белка. Молекулы денатурированного белка соединяются между собой, образуя крупные нерастворимые частицы. Термическая деструкция вызывает отщепление некоторых элементов белковой молекулы. При этом уменьшается водосвязывающая способность белков и коллоидная система, образованная ими, превращается из гидрофильной в гидрофобную.
При быстром подогреве общее содержание коллоидов в соке снижается. Однако подогрев в течение нескольких минут приводит к увеличению их количества, так как при нагревании параллельно протекают как процессы разрушения природных коллоидов сока, так и новообразование коллоидов. Для того чтобы избежать новообразования коллоидов, среди которых могут быть меланоидины, процесс подогрева должен проводиться «мгновенно» и сейчас же сменяться охлаждением.
Осветление мгновенным подогревом применяют для яблочного, виноградного, вишневого и других соков. Продолжительность подогрева и охлаждения должна составлять по 10 сек. Температура подогрева 80° С для яблочного сока и 75° С — для виноградного. Температура охлаждения 15—20° С. В результате мгновенного подогрева полная прозрачность продукта не всегда достигается (яблочный сок), но основная масса взвешенных в соке частиц оседает.
Быстро чередующиеся подогрев и охлаждение сока могут быть проведены в трубчатых или пластинчатых теплообменниках непрерывного действия, включенных последовательно. Сок перекачивается через теплообменники насосом. В первом теплообменнике производится подогрев сока паром или горячей водой, во втором — охлаждение холодной водой или рассолом. Для эффективности процесса сок должен протекать тонкой пленкой.
С этой целью желательно, чтобы трубки теплообменника были сплющены.
Мгновенный подогрев в отличие от большинства других методов позволяет вести процесс осветления сока непрерывно.
Замораживание и оттаивание. Замораживание и оттаивание могут вызвать разрушение коллоидной системы. Объясняется это тем, что при кристаллизации растворителя (воды) происходит перераспределение ионов и изменяется электрический заряд, обусловливающий стойкость золя. Иногда коагуляция в результате замораживания не наступает.
Многие авторы называют замораживание и оттаивание в качестве одного из методов осветления плодовых соков. Исследования, проведенные на виноградном и яблочном соках, этого не подтвердили. Вызываемое замораживанием и оттаиванием снижение количества коллоидов на 5—15% и вязкости сока на 5—10% недостаточно для достижения прозрачности сока.
Осветление глинами. Для осветления плодовых соков могут быть применены бентониты и суббентониты, являющиеся глинами вулканического происхождения. Основной частью бентонита является минерал монтмориллонит. Формула монтмориллонита может иметь и другие модификации. В состав бентонита входят также галлозит, биотит, полевые шпаты и в очень незначительных количествах кварц, гранит и рудные материалы.
В СССР существует ряд месторождений осветляющих глин: огланлинский бентонит (Туркменская ССР), бентонит Шор-су, ангренская серая и гимионская красная глины (Узбекская ССР), озургетские глины (Грузия), пыжевскин бентонит и крымский кил (Украина), тираспольская глина (Молдавия) и пр. Для осветления плодовых соков пригодна одесская зеленая глина.
Осветляющее действие глин объясняется следующими факторами:
а) способностью глины нейтрализовать заряды коллоидов сока. В водных суспензиях бентонит образует гидрофильный коллоидный раствор с отрицательным зарядом частиц, которые вызывают перераспределение зарядов коллоидов сока;
б) способностью суспендированных частиц глины в кислой среде агрегатироваться и выпадать в осадок, увлекая за собой взвешенные в соке частицы;
в) ионообменными свойствами глины;
г) большой адсорбирующей способностью глины, которая проявляется особенно активно при фильтровании сока через слой глины.
Для осветления сока к нему добавляют бентонит в количестве 0,1—0,2 и до 2% к массе сока и после размешивания выдерживают от нескольких часов до нескольких суток, а затем фильтруют. Для виноградного сока, коллоидная система которого частично нарушена мгновенным подогревом, процессы осветления и фильтрования при помощи глины могут быть совмещены. В этом случае к соку добавляют глину в количестве 125 г на 1 м2 фильтрующей поверхности и, не выдерживая, подают на фильтрование. Последующие партии сока фильтруют через слой, отложившийся на перегородке фильтра, без дополнительного добавления глины.
Осветление коагулянтами. Коагуляция коллоидов сока может быть вызвана этиловым спиртом, который, отнимая влагу, вызывает денатурацию белков.
В натуральных соках содержание спирта строго нормируется, поэтому данный метод осветления для таких соков неприменим. Вместе с тем спирт иногда используют для консервирования соков — полуфабрикатов, которые при этом осветляются.
Осветление купажированием. Осветление может быть достигнуто смешиванием (купажированием) соков разных плодов, отличающихся друг от друга по химическому составу. Если подлежащий осветлению сок содержит белковые коллоиды, то при добавлении к нему сока, богатого дубильными веществами, происходит образование танатов, которые, выпадая в осадок, вызывают осветление сока.
Осветление купажированием в промышленности не применяют, так как оно является громоздким, требует пробного купажа для каждой отдельной партии сока и не гарантирует хорошего качества осветления.
Обработка ионитами. Содержащиеся в растворе ионы иногда придают стабильность коллоидной системе, а в некоторых случаях вызывают седиментацию. Поэтому, регулируя состав ионов, можно вызвать осветление плодовых соков.
Те или иные ионы могут быть удалены из продукта при помощи ионообменных смол. Анионит АБ-17 придает яблочному соку неприятный вкус. Катиониты КУ-1 и КУ-2 не влияют на вкус сока, но изменяют его минеральный состав.
Метод обработки плодовых соков ионитами с целью осветления еще недостаточно разработан и в практике пока не используется.