Klarowanie Soków Owocowych Za Pomocą Membran

2024-10-25

Wprowadzenie

Według raportu Fruit Juice Market Report z 2022 r. globalny rynek soków owocowych wzrósł do $147,5 mld dolarów i będzie się rozwijał w kolejnych latach, osiągając prawie $190 mld dolarów do 2028 r. [1].

Jest to spowodowane kampaniami promującymi zdrowy styl życia, które idą w parze ze wzrastającą świadomością społeczeństwa do wybierania bardziej wartościowych i odżywczych napojów zamiast tych gazowanych o wysokiej zawartości cukru i kofeiny. Ostatnie badania pokazują, że zauważono znaczny wzrost spożycia soków owocowych w trakcie i po pandemii COVID-19 [2-4] w celu uzupełnienia witaminy C i wsparcia układu odpornościowego. Konsumenci, którzy coraz bardziej martwią się o dietę, wybierali soki owocowe, ponieważ naturalnie zawierają korzystne dla zdrowia SKŁADNIKI ODŻYWCZE, takie jak minerały, witaminy, błonnik pokarmowy i przeciwutleniacze.

Największą część rynku globalnego pod względem przychodów stanowi Ameryka Północna. Chociaż rynek Europy i Azji jest znacznie większy powierzchniowo a Ameryka Łacińska wykazuje największy potencjał wzrostu biznesu w kolejnych latach”.

Produkcja soków owocowych tradycyjnie odbywała się przy użyciu obróbki cieplnej, aby uniknąć wzrostu mikroorganizmów, a tym samym wydłużyć okres przydatności produktu do spożycia. Koncentracja przez odparowanie jest tradycyjnie stosowana w celu zminimalizowania objętości soku poprzez odparowanie wody co umożliwia zmniejszyć przestrzeń magazynową i ułatwić transport co wpływa na niższe koszty z tym związane. Główną wadą tej technologii, oprócz jej wysokiego zużycia energii, jest fakt, że podczas podgrzewania owoców większość substancji czynnych, takich jak witaminy, związki fenolowe, antocyjany, karotenoidy, a nawet aromat, jest tracona z powodu ich niestabilności i degradacji w podwyższonych temperaturach [5,6].

Dlaczego Klarowanie Soku Owocowego Jest Ważne?

Proces klarowania jest uważany za jeden z najważniejszych etapów przetwarzania soków owocowych w produkcji przemysłowej. Celem tego procesu jest usunięcie jak największej liczby składników powodujących zmętnienie, takich jak pektyny, celuloza, skrobia, białka i inne. Usunięcie tych substancji znacznie poprawia czystość soku i zmniejsza jego lepkość, co ma pozytywny wpływ na jego wygląd i smak.

Klarowanie można przeprowadzić za pomocą procesu mechanicznego, chemicznego i/lub enzymatycznego. Obróbka membranowa to wydajny, opłacalny i niskotemperaturowy proces separacji mechanicznej, szeroko stosowany w celach klarowania soków”.

Zalety Klarowania Soku Za Pomocą Membran

Ponieważ technologia membranowa ma niższe koszty operacyjne i działa w niskich temperaturach, z sukcesem zastąpiła konwencjonalne procedury klarowania i zagęszczania soku. Niemal całkowicie zachowuje właściwości odżywcze, organoleptyczne i sensoryczne soku.

Techniki membranowe do klarowania soku mają szereg zalet w porównaniu z konwencjonalnymi procesami, w tym mniejsze uszkodzenia produktu, zwiększoną retencję aromatu i koloru, niższe zużycie energii i niższe koszty pracy.

Opis procesu klarowania soku przy użyciu membran

Zanim sok zostanie wyprodukowany, owoce są poddawane następującym procesom. Po zebraniu owoce są myte z zanieczyszczeń, takich jak brud, kamienie, liście itp. itd. a następnie sortowane według wielkości. Kolejnym krokiem jest przygotowanie zacieru, które może obejmować drylowanie, mielenie lub miażdżenie przed procesem wyciskania soku, zwykle wykonywany przez tłoczenie lub wyciskanie, a następnie wstępna klaryfikacja na prasie. Rodzaj wyciskania soku zależy również od rodzaju przetwarzanych owoców. Od tego momentu dalsza obróbka różni się w zależności od rodzaju wymaganego produktu końcowego. Produkcja soku mętnego (NFC) wymaga mniejszej obróbki i skutkuje uzyskaniem produktów z pektyną, celulozą, garbnikami, miąższem i włóknami. Zazwyczaj obróbka ogranicza się tylko do odwirowania i usunięcia największych części stałych. Po pasteryzacji, wykonywanej w celu pozbycia się mikroorganizmów, następuje ostatni etap, czyli napełnianie i przechowywanie [7].

Jeśli chodzi o soki klarowne, po procesie tłoczenia powstała frakcja ciekła przechodzi do procesu klarowania. Tradycyjnie, aby uzyskać zadowalające rezultaty, stosowane kilka kroków: wirowanie (takie samo jak w procesie produkcji soków mętnych), następnie obróbkę enzymatyczną w celu usunięcia pektyny i filtrację w celu usunięcia pozostałych koloidów [7]. Z uwagi na powyższe wdrażane są alternatywne technologie w celu skrócenia czasu produkcji i uproszczenia procesu produkcyjnego. Po niezbędnym kroku depektynizacji tj. enzymatycznej obróbce wstępnej, która jest stosowana w celu rozkładu pektyny i skrobi oraz optymalizacji lepkości zacieru, technologia membranowa okazała się najkorzystniejszą techniką, która skutecznie pomaga przezwyciężyć wady konwencjonalnych procedur. Filtracja membranowa jest niedrogą technologią o minimalnych wymaganiach dotyczących powierzchni, dzięki czemu jest atrakcyjnym wyborem do zastosowań przemysłowych [5,8]. Polimerowe membrany tubularne działają w niskich temperaturach i dzięki temu zachowują wymaganą jakość produktu końcowego, zapewniając soki o dobrych właściwościach i zawartości składników odżywczych, co jest kluczowym celem dla przemysłu sokowego. Jest to prosty proces mechaniczny, który nie wymaga żadnej obróbki cieplnej ani chemicznej, a tym samym znacznie upraszcza działanie zakładu, a uzyskany produkt ma dobrą jakość i może być produkowany z każdego typu owoców i warzyw.

Najkorzystniejszym typem membran do tego zastosowania jest geometria tubularna. Dzięki cylindrycznemu kształtowi i otwartej konstrukcji kanału jest najbardziej odpowiednia do cieczy lepkiej z dużą zawartością ciał stałych, takich jak świeżo wyciskane soki owocowe. Praca z przepływem krzyżowym pomaga zmniejszyć problemy z zanieczyszczeniami i zapewnia wysoką wydajność filtracji. Stała dokładności procesu filtracji oraz wysoka stabilność termiczna, mechaniczna i chemiczna przekładają się na długą żywotność membrany, zapewniając niezawodne rozwiązanie dla przemysłu sokowego w celu produkcji zdrowych i smacznych napojów.

Powszechnie stosowanymi metodami klarowania soków są mikrofiltracja (MF) i ultrafiltracja (UF).

Membrany mikrofiltracyjne charakteryzujące się największym rozmiarem porów (0.1 µm lub większym) można stosować w przypadku soków o brunatnej barwie, które z natury zawierają więcej związków zanieczyszczających powierzchnię membrany, takich jak duże cząsteczki, polifenole, pektyny i garbniki. Soki o jasnej barwie są często skutecznie klarowane przy użyciu ultrafiltracji, której punkt odcięcia (MWCO) wynosi około 100tyś – 200tyś Daltonów. Ultrafiltracja umożliwia skuteczne usuwanie mikroorganizmów, białek, zawieszonych koloidów, związków polifenolowych, skrobi i pektyny oraz poprawia klarowność i teksturę soku.

W porównaniu z tradycyjnymi technologiami, klarowanie soku MF/UF zapewnia wyższą produktywność, zazwyczaj 94% lub więcej. Diafiltracja jest często stosowana w celu dalszego odzyskania pozostałych cukrów w miąższu do 99%. Osiągalna produktywność zależy zarówno od owoców przeznaczonych do przetworzenia (tj. od zawartości miąższu), jak i od parametrów roboczych (temperatura, pH, 'Brix).

Nasze rozwiązania do klarowania soków owocowych

Nasze produkty membranowe są zaprojektowane tak, aby zapewnić najskuteczniejszy proces klarowania dla szerokiej gamy rodzajów soków owocowych i warzywnych.

• Idealnie nadają się do:
• Jasnych soków, takich jak jabłko, gruszka, brzoskwinia, ananas, pomarańcz, cytryn i jasne winogron;
• Różowych soków, takich jak granat i truskawka;

Brunatnych soków, takich jak wiśnia, marchew, jeżyny, burak i ciemne winogron.

Typowe membrany MF i UF stosowane do klarowania soków owocowych są wykonane z materiałów zatwierdzonych przez FDA i Unię Europejską.

Seria A

Nasze membrany tubularne MF i UF stosowane w aplikacjach soków owocowych są wykonane z materiału PVDF. Zalecamy stosowanie modułów typu A19 lub A37, które składają się z wytrzymałej obudowy ze stali nierdzewnej i wymiennego, zalewanego wkładu membranowego z odpowiednio 19 lub 37 membranami. Otwarta konstrukcja kanału modułów A19 i A37 umożliwia im oczyszczanie cieczy o wysokiej zawartości zawieszonych ciał stałych bez zatykania i zapewnia wysoce efektywny proces mycia CIP. Nasza unikalna funkcja wymiennego wkłądu membranowego umożliwia szybkie, łatwe i ekonomiczne operacje wymiany konserwacyjnej. Podsumowanie głównych membran stosowanych do klarowania soków przedstawiono poniżej.

Membrana	Specifikacja	Punkt odcięcia
FPA10 lub FPS10	Ultrafiltracja	100tyś Daltonów
FPA20 lub FPS20	Ultrafiltracja	200tyś Daltonów
LPA450 lub LPS450	Ultrafiltracja	450tyś Daltonów
LMA02 lub LMS02	Mikrofiltracja	0.2 µm

W przypadku soków jabłkowych zalecamy stosowanie naszych ultrafiltracjynych membran tubularnych typu FPA10 lub FPS10 (w zależności od konfiguracji modułów odpowiednio A19 i A37) o nominalnej separacji 100 000 MWCO (punkt odcięcia). Pomoże to uzyskać bardzo jasną barwę soku jabłkowego przy zachowaniu dobrej jakości produktu, z niską mętnością do maksymalnie 0.5 NTU. Najpopularniejsza stosowana membrana UF w sokach owocowych ma nominalną separację 200 000 MWCO (punt odcięcia). W przypadku procesu ultrafiltracji jasnych soków zalecamy stosowanie naszych ultrafiltracyjnych membran typu FPA20 lub FPS20 (w zależności od konfiguracji modułów odpowiednio A19 i A37).

W celu zapewnienia elastyczności podczas przetwarzania wielu różowych soków (nie dotyczy soków jabłkowych) można stosować ultrafiltracyjne membrany tubularne LPA450 lub LPS450 mające odpowiednio 400tyś – 500tyś MWCO (punkt odcięcia). Membrany te zapewniają większą wydajność przy minimalnym spadku ciśnienia, zachowując jednocześnie właściwości organoleptyczne poddanych obróbce różowych soków i łatwości ich mycia CIP.

W przypadku brunatnych soków (buraków, granatów, wiśni i innych) zalecamy stosowanie naszych mikrofiltracji membran tubularnych typu LMA02 lub LMS02 (w zależności od konfiguracji modułów odpowiednio A19 i A37) o nominalnej separacji 0,2 mikrona. Mają bardziej otwarte pory w porównaniu do membran powyższych i są wykonane z materiału PVDF. Także pozwalają zachować pełny kolor sklarowanego soku przy zachowaniu dobrej jakości z niskim zmętnieniem do maksymalnie 10 NTU.

Podsumowanie jakie membrany do jakiego soku są rekomendowane

Typu koloru soków	Typ membrany	Zalety	Typ membrany
Ultra Jasny: Tylko jabłkowy	FPA10 lub FPS10	Wysoka jakość soku sklarowanego i niskie zmętnienie maksymalnie 0.5 NTU	Zalecane tylko do soku jabłkowego
Jasny	FPA20 lub FPS20	Wysoka jakość soku sklarowanego i zmętnienie poniżej 1 NTU
Jasny i/lub różowy	LPA450 lub LPS450	Wysoka jakość soku sklarowanego i zmętnienie ok. 1 NTU	Zapewnia elastyczność w przypadku użycia różnych typów soków owocowych
Brunatny	LMA02 lub LMS02	Wysoka jakość soku sklarowanego i niskie zmętnienie ok. 10 NTU

W przypadku niektórych soków dopuszczalne jest użycie węgla aktywnego w granulacie (PAC) do odbarwienia koloru soku w procesie filtracji.

Zastosowanie PAC podczas filtracji soku zależy od typu soku i preferencju zakładu, a zalecane dopuszczalne stężenie to do 0.6 grama na litr soku a typ Norit Ca1/Darco KBB/Aktikol FA UF. Zastosowanie PAC w celu poprawy koloru soku stanowi pewne ryzyko dla membran i jest zatem ograniczone. Aby dowiedzieć się więcej prosimy skontaktować się z przedstawicielem firmy PCI Membranes.

Bibliografia

1. Fruit Juice Market Size, Share, Trends & Forecast 2023-2028 (imarcgroup.com)
2. Marty, L.; de Lauzon-Guillain, B.; Labesse, M.; Nicklaus, S. Food choice motives and the nutritional quality of diet during the COVID-19 lockdown in France. Appetite 2021, 157, 105005.
3. Bracale, R.; Vaccaro, C.M. Changes in food choice following restrictive measures due to COVID-19. Nutr. Metab. Cardiovasc. Dis. 2020, 30, 1423–1426.
4. Heng, Yan, Marisa Zansler, and Lisa House. “Orange Juice Consumers Response to the COVID-19 Outbreak: FE1082, 06/2020.” EDIS 2020.4 (2020): 4-4.
5. Bhattacharjee, Chiranjit, V. K. Saxena, and Suman Dutta. “Fruit juice processing using membrane technology: A review.” Innovative Food Science & Emerging Technologies 43 (2017): 136-153.
6. Ağçam, Erdal, Asiye Akyıldız, and Burcu Dündar. “Thermal pasteurization and microbial inactivation of fruit juices.” Fruit juices. Academic Press, 2018. 309-339.
7. Sarbatly, Rosalam, Jamilah Sariau, and Duduku Krishnaiah. “Recent Developments of Membrane Technology in the Clarification and Concentration of Fruit Juices.” Food Engineering Reviews (2023): 1-18.
8. Charcosset, Catherine. “Classical and recent applications of membrane processes in the food industry.” Food Engineering Reviews 13.2 (2021): 322-343.