Klärung von Fruchtsaft mit Membranen

2024-12-03

Einführung

Laut dem Fruit Juice Market Report ist das weltweite Geschäftsvolumen mit Fruchtsäften im Jahr 2022 auf 147,5 Milliarden Dollar angewachsen und wird in den darauffolgenden Jahren expandieren und bis 2028 fast 190 Milliarden Dollar erreichen [1].

Es wird von Kampagnen angetrieben, die einen gesunden Lebensstil fördern und mit einem wachsenden Bewusstsein der Menschen einhergehen, die häufiger wertvolle und nahrhafte Getränke anstelle von Softdrinks mit hohem Zucker- und Koffeingehalt wählen. Jüngste Untersuchungen zeigen, dass während und nach der COVID-19-Pandemie ein deutlicher Anstieg des Fruchtsaftkonsums zu verzeichnen war [2-4], um Vitamin C zu ergänzen und das Immunsystem zu unterstützen. Verbraucher, die zunehmend auf ihre Ernährung achten, wählen Fruchtsäfte, weil sie von Natur aus gesundheitsfördernde NÄHRSTOFFE wie Mineralien, Vitamine, Ballaststoffe und Antioxidantien enthalten.

Den größten Anteil am Weltmarkt in Bezug auf den Umsatz hat Nordamerika. Obwohl der Markt in Europa und Asien größer ist, weist Lateinamerika in den nächsten Jahren das größte Wachstumspotenzial auf.

Die Fruchtsaftproduktion erfolgte traditionell unter Anwendung einer Wärmebehandlung, um das Wachstum von Mikroorganismen zu verhindern und so die Haltbarkeit des Produkts zu verlängern. Die Konzentration durch Verdampfung wurde traditionell eingesetzt, um das Saftvolumen durch Wasserverdampfung zu minimieren, den Lagerraum zu reduzieren und den Transport durch Senkung der Kosten zu erleichtern. Der Hauptnachteil dieser Technologie besteht neben dem hohen Energieverbrauch darin, dass durch das Erhitzen der Früchte die meisten Wirkstoffe wie Vitamine, phenolische Verbindungen, Anthocyane, Carotinoide oder sogar das Aroma aufgrund ihrer Instabilität und ihres Abbaus bei erhöhten Temperaturen verloren gehen [5,6].

Warum ist die Saftklärung wichtig?

Der Klärungsprozess gilt als einer der wichtigsten Schritte bei der Verarbeitung von Fruchtsäften für die industrielle Produktion. Ziel dieser Behandlung ist es, möglichst viele Trübungsbestandteile wie Pektin, Zellulose, Stärke, Proteine ​​und Metalle zu entfernen. Durch die Entfernung dieser Stoffe wird die Reinheit des Saftes deutlich verbessert und seine Viskosität verringert, was sich positiv auf sein Aussehen und seinen Geschmack auswirkt.

Die Klärung kann durch einen mechanischen, chemischen und/oder enzymatischen Prozess erfolgen. Die Membranbehandlung ist ein effizientes, kostengünstiges mechanisches Trennverfahren mit niedrigen Temperaturen, das häufig zur Saftklärung eingesetzt wird.

Vorteile der Saftklärung mit Membranen

Da die Membrantechnik weniger Arbeit erfordert, geringere Betriebskosten verursacht und bei niedrigen Temperaturen arbeitet, hat sie herkömmliche Saftklärungs- und -konzentrationsverfahren ersetzt. Dabei bleiben die Nährwerte, organoleptischen und sensorischen Eigenschaften des Safts fast vollständig erhalten. Membrantechniken zur Saftklärung haben gegenüber herkömmlichen Verfahren eine Reihe von Vorteilen, darunter geringere Produktschäden durch Hitze, bessere Aroma- und Farbbeständigkeit, geringerer Energieverbrauch und niedrigere Gerätekosten.

Schrittweiser Saftklärungsprozess mit Membranen

Vor der Saftherstellung werden die Früchte mehreren Prozessen unterzogen. Nach der Ernte werden die Früchte von Verunreinigungen wie Schmutz, Steinen, Blättern usw. gereinigt und nach Größe sortiert. Der nächste Schritt ist die Maischeaufbereitung, die das Entsteinen, Zerkleinern oder Zerdrücken umfassen kann. Danach folgt die Saftgewinnung, die normalerweise durch Pressen oder Auspressen erfolgt, gefolgt von Dekantieren. Die Art der Saftgewinnung hängt auch von der Art der verarbeiteten Frucht ab. Ab diesem Moment variiert die weitere Behandlung je nach der Art des gewünschten Endprodukts. Die Herstellung von trübem Saft erfordert weniger Behandlung und führt zu Produkten mit Pektin, Zellulose, Tanninen, Fruchtfleisch und Fasern. Normalerweise beschränkt sich die Behandlung nur auf das Zentrifugieren und Entfernen der größten festen Teile. Nach der Pasteurisierung, die durchgeführt wird, um Mikroorganismen im Saft abzutöten, folgt der letzte Schritt, nämlich das Abfüllen und Lagern [7].

Bei klaren Säften wird die nach der Extraktion durch Pressen entstandene flüssige Fraktion gefiltert und geklärt. Um zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen, wurden traditionell mehrere Schritte durchgeführt: Zentrifugieren (wie bei der Herstellung von trübem Saft), dann eine enzymatische Behandlung zur Entfernung von Pektin und mehrere Filtrationsschritte zur Entfernung der verbleibenden Kolloide [7]. Aus diesem Grund werden alternative Technologien eingesetzt, um die Produktionszeit zu verkürzen und den Produktionsprozess zu vereinfachen. Nach dem notwendigen Schritt der Depektinisierung, einer enzymatischen Vorbehandlung, die zur Zersetzung von Pektin und Stärke und zur Optimierung der Maischeviskosität eingesetzt wird, hat sich die Membrantechnologie als vorteilhafte Technik erwiesen, mit der die Nachteile herkömmlicher Verfahren effizient überwunden werden können. Die Membranfiltration ist eine kostengünstige Technik mit minimalem Platzbedarf, sodass sie eine attraktive Wahl für industrielle Anwendungen darstellt [5,8]. Polymerrohrmembranen arbeiten bei niedrigen Temperaturen und bewahren so die erforderliche Qualität des Endprodukts. Sie liefern Säfte mit guten sensorischen Eigenschaften und Nährstoffgehalt, was ein entscheidendes Ziel für die Saftindustrie ist. Es handelt sich um einen einfachen mechanischen Prozess, bei dem keine thermische oder chemische Behandlung durchgeführt wird. Dadurch wird der Prozessablauf erheblich vereinfacht und das erhaltene Produkt weist eine gute Qualität auf und kann mit höherem Ertrag hergestellt werden.

Der für diese Anwendung vorteilhafteste Membrantyp ist die Rohrmembrane. Dank ihrer zylindrischen Form und des offenen Kanaldesigns ist sie am besten für Flüssigkeiten mit hohem Feststoffanteil und für viskose Flüssigkeiten, wie frisch extrahierte Fruchtsäfte, geeignet. Der Querstrombetrieb trägt dazu bei, Verschmutzungsprobleme zu reduzieren und sorgt für eine hohe Filtrationseffizienz und Ertrag. Ein breites Spektrum an Filtrationsgenauigkeit und eine hohe thermische, mechanische und chemische Stabilität führen zu einer langen Membranlebensdauer und bieten der Saftindustrie eine zuverlässige Lösung zur Herstellung gesunder und schmackhafter Getränke.

Üblicherweise angewandte Methoden zur Klärung von Säften sind Mikrofiltration (MF) und Ultrafiltration (UF).

Mikrofiltrationsmembranen mit der größten Porengröße (0,1 µm oder größer) können bei dunkel gefärbten Säften verwendet werden, die von Natur aus mehr Verschmutzungsstoffe wie große Partikel, Polyphenole, Pektine und Tannine aufweisen. Hell gefärbte Säfte werden häufig erfolgreich durch Ultrafiltration geklärt, deren Molekulargewichtsgrenze (MWCO) bei etwa 100–200 kDa liegt. Durch Ultrafiltration lassen sich Mikroorganismen, Proteine, suspendierte Kolloide, Polyphenolverbindungen, Stärke und Pektin effizient entfernen und die Klarheit und Textur des Saftes verbessern.

Im Vergleich zu herkömmlichen Technologien sorgt die MF/UF-Saftklärung für höhere Erträge, typischerweise 94 % oder mehr. Diafiltration wird häufig eingesetzt, um den Ertrag weiter auf bis zu 99 % zu steigern. Der erzielbare Ertrag hängt sowohl von der zu verarbeitenden Frucht (d. h. von ihrem Fruchtfleischgehalt) als auch von den Betriebsparametern ab.

Unsere Lösungen für die Saftklärung

Unsere Membranprodukte sind darauf ausgelegt, den effektivsten Saftklärungsprozess für eine Vielzahl von Saftsorten zu bieten.

Sie sind ideal für:

• Helle Säfte wie Apfel, Birne, Pfirsich, Ananas, Orange, Zitrone und helle Trauben;
• Rosa Säfte wie Granatapfel und Erdbeere;
• Dunkle Säfte wie Kirsche, Karotte, Brombeere, Rote Bete und dunkle Trauben.

Die typischen MF- und UF-Membranen, die zur Klärung dieser Säfte verwendet werden, bestehen aus von der FDA und EU zugelassenen Materialien.

A Series

MMembran	Spezifikation	Nominelle Rückhaltung
FPA10 oder FPS10	Ultrafiltration	100 kDa
FPA20 oder FPS20	Ultrafiltration	200 kDa
LPA450 oder LPS450	Ultrafiltration	450 kDa
LMA02 oder LMS02	Mikrofiltration	0.2 µm

Unsere MF- und UF-Rohrmembranen für Fruchtsaftanwendungen bestehen aus PVDF. Wir empfehlen die Verwendung der Module A19 oder A37, die aus einem robusten Edelstahlgehäuse und einem austauschbaren, vergossenen Kern aus 19 bzw. 37 Membranrohren bestehen. Das offene Kanaldesign der Module A19 und A37 ermöglicht die Behandlung von Flüssigkeiten mit hohem Feststoffgehalt ohne Verstopfung und gewährleistet einen hochwirksamen CIP-Prozess. Unser einzigartiges Design mit vor Ort austauschbarem Membrankern ermöglicht schnelle, einfache und kostengünstige Membranwechselvorgänge. Nachfolgend finden Sie eine Übersicht der wichtigsten Membranen, die zur Saftklärung verwendet werden.

Ausschließlich für Apfelsäfte empfehlen wir die Verwendung unserer röhrenförmigen UF-Membranen FPA10 oder FPS10 mit einem MWCO (Molecular Weight Cut-Off) von 100 kDa. Dadurch wird eine sehr helle Farbe des geklärten Apfelsafts erreicht, während gleichzeitig ein qualitativ hochwertiges Produkt mit geringer Trübung bis zu maximal 0,5 NTU erhalten bleibt.

Die am häufigsten in Saftanwendungen verwendete UF-Membran hat einen MWCO von 200 kDa. Bei der Verarbeitung heller Säfte empfehlen wir daher die Verwendung unserer röhrenförmigen Ultrafiltrationsmembranen FPA20 oder FPS20.

Aus Flexibilitätsgründen können bei der Verarbeitung sowohl heller als auch rosa Säfte röhrenförmige UF-Membranen LPA450 oder LPS450 mit einem MWCO von 400-500 kDa verwendet werden. Diese Membranen bieten eine höhere Leistung bei minimalem Druckabfall, während die organoleptischen Eigenschaften der Säfte erhalten bleiben.

Für dunkle Säfte empfehlen wir die Verwendung unserer röhrenförmigen MF-Membranen LMA02 oder LMS02 mit einer nominalen Porengröße von 0,2 µm. Sie haben im Vergleich zu den Membranen LPA450 und LPS450 eine offenere Membranoberfläche. Dies trägt dazu bei, die Farbe zu erhalten und gleichzeitig ein Produkt von guter Qualität mit geringer Trübung bis zu maximal 1 NTU zu gewährleisten.

Detaillierte Richtlinien zur Membranauswahl finden Sie weiter unten zusammengefasst.

Saftklärung	Membran Typ	Vorteile	Membran Typ
Hell: nur Apfel	FPA10 oder FPS10	Hochwertiges Produkt und geringe Trübung von maximal 0,5 NTU	Nur für Apfelsaft empfohlen
Hell	FPA20 oder FPS20	Hochwertiges Produkt und Trübung unter 1 NTU
Hell und/oder Rosa	LPA450 oderLPS450	Hochwertiges Produkt und Trübung unter 1 NTU	Es bietet Flexibilität in Bezug auf die Produktionsplanung bei der Verwendung verschiedener Saftsorten
Dunkel	LMA02 oder LMS02	Hochwertiges Produkt und geringe Trübung von maximal 1 NTU

Bei manchen Saftanwendungen kann beim Filtrationsprozess pulverförmige Aktivkohle (PAK) verwendet werden, um die Safttrübung (NTU) weiter zu verbessern/zu reduzieren.

Die Verwendung von PAK während der Saftfiltration ist kunden- oder marktspezifisch und die von PCI empfohlene zulässige Konzentration und Art liegt zwischen 0,6 und 1 g/l Norit Ca1/Darco KBB/Aktikol FA UF. Die Verwendung von PAC zur weiteren Verbesserung der Safttrübung (NTU) birgt ein gewisses Risiko für die Membranen und ist daher begrenzt. Bitte wenden Sie sich an PCI Membranes, um mehr zu erfahren.

Bibliographie

1. Größe, Anteil, Trends und Prognose des Fruchtsaftmarkts 2023–2028 (imarcgroup.com)
2. Marty, L.; de Lauzon-Guillain, B.; Labesse, M.; Nicklaus, S. Motive für die Lebensmittelauswahl und die Nährstoffqualität der Ernährung während des COVID-19-Lockdowns in Frankreich. Appetite 2021, 157, 105005.
3. Bracale, R.; Vaccaro, C.M. Änderungen der Lebensmittelauswahl nach restriktiven Maßnahmen aufgrund von COVID-19. Nutr. Metab. Cardiovasc. Dis. 2020, 30, 1423–1426.
4. Heng, Yan, Marisa Zansler und Lisa House. „Reaktion der Orangensaftkonsumenten auf den COVID-19-Ausbruch: FE1082, 06/2020.“ EDIS 2020.4 (2020): 4-4.
5. Bhattacharjee, Chiranjit, V. K. Saxena und Suman Dutta. „Fruchtsaftverarbeitung mithilfe von Membrantechnologie: Eine Übersicht.“ Innovative Food Science & Emerging Technologies 43 (2017): 136-153.
6. Ağçam, Erdal, Asiye Akyıldız und Burcu Dündar. „Thermische Pasteurisierung und mikrobielle Inaktivierung von Fruchtsäften.“ Fruchtsäfte. Academic Press, 2018. 309-339.
7. Sarbatly, Rosalam, Jamilah Sariau und Duduku Krishnaiah. „Neueste Entwicklungen der Membrantechnologie bei der Klärung und Konzentration von Fruchtsäften.“ Food Engineering Reviews (2023): 1-18.
8. Charcosset, Catherine. „Klassische und neuere Anwendungen von Membranprozessen in der Lebensmittelindustrie.“ Food Engineering Reviews 13.2 (2021): 322-343.