Verfahren zum Konzentrieren einer Lebensmittelflüssigkeit Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zum Konzentrieren einer Lebensmittelflüssigkeit wie Kaffee-Extrakt, Bier, Essig, Fruchtsäften und Tee-Ex- trakt. Das Verfahren eignet sich besonders zur Behand lung von Kaffee-Extrakten bei der Herstellung von Pul verkaffee, wobei eine Vorbehandlung von Flüssigkeiten und Flüssigkeitsextrakten vor der Entfernung des Was sers aus dem Extrakt nach einem Gefrierverfahren er folgt.
Löslicher oder pulverisierter Kaffee wurde bisher hergestellt, indem zuerst die Kaffeebohnen mit heissem Wasser extrahiert wurden und anschliessend der Extrakt durch Vakuumsprühtrocknung entwässert wurde. Dieses Verfahren war von grossem technischem Erfolg, das Aroma des so hergestellten löslichen Kaffees liess jedoch viel zu wünschen übrig. Unter den angewandten Va kuumbedingungen wird nicht nur das Wasser aus dem Extrakt entfernt, sondern auch flüchtige Geschmacks und Aromaelemente des Kaffees. Das erhaltene lösliche Produkt ist daher niemals so gut wie der Extrakt, aus dem es hergestellt wurde.
Zur Verbesserung des Aromas von löslichem Kaffee wurde häufig vorgeschlagen, wesentliche Wassermengen im Extrakt zu entfernen, indem der Extrakt teilweise eingefroren und die erhaltenen reinen Eiskristalle aus dem konzentrierten Extrakt abgetrennt wurden. Dieses partielle Gefrierverfahren wird dann von einer voll ständigen Entwässerung durch Verdampfung des Was sers gefolgt, die unter Vakuum durchgeführt werden kann. Auf diese Weise verliert der Kaffee weniger flüch tige Komponenten, da der Extrakt nur kürzere Zeit den Verdampfungsbedingungen unterliegt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des bekann ten Gefrierverfahrens wird der Kaffee-Extrakt teilweise eingefroren durch indirekte Kühlung in einem geeigne ten Kristallisator, und die erhaltene Aufschlämmung von Eis in dem Konzentrat wird zur Abtrennung des Eises aus dem Konzentrat zentrifugiert. Für eine wirt schaftliche Durchführung dieses Verfahrens muss diese Abtrennung und das anschliessende Waschen der Kri stalle im Zentrifugenbecher mit Wasser eine ziemlich vollständige Entfernung der Mutterlauge von den Eis kristallen bewirken.
Wenn jedoch der Kaffee-Extrakt nahe an seinen an fänglichen Gefrierpunkt abgekühlt wird, scheidet sich häufig aus der Lösung vor der Bildung von Eis ein gummi- oder wachsartiger fester Stoff ab. Dieses Wachs oder Teer wird zusammen mit den Eiskristallen und dem Kaffee-Extrakt in die Zentifuge gebracht und sam melt sich im Zentrifugenbecher an, wobei der Becher gelegentlich verstopft wird und eine vollständige Ab trennung des Eises vom konzentrierten Extrakt unmög lich gemacht wird.
Dieses Problem der Ausfällung unlöslicher Stoffe im Kaffee-Extrakt tritt nicht nur bei Kaffee-Extrakten auf, sondern auch bei der Herstellung anderer konzen trierter Extrakte von Lebensmitteln. Daher lässt sich das erfindungsgemässe Verfahren auch auf die Herstellung konzentrierter Extrakte von solchen Lebensmitteln wie Tee, Grapefruchtsaft, Apfelsaft, Bier und Orangensaft anwenden.
Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung eines verbesserten Verfahrens zum Konzentrieren einer Le bensmittelflüssigkeit, z. B. eines Lebensmittelextraktes. Es soll ein Verfahren geschaffen werden, bei dem am Gefrierpunkt des Wassers ein flüssiges Lebensmittel keine unlöslichen Anteile aufweist, wenn er durch Ge frieren konzentriert wird. Das erfindungsgemässe Ver fahren eignet sich besonders beim Konzentrieren von Kaffee-Extrakt.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass die Flüssigkeit auf eine Temperatur zwischen ihrem Gefrierpunkt und mindestens annähernd 26,7 C in einem Kühler abgekühlt und während einer bestimmten Zeitspanne zur Ausfällung unlöslichen Materials als Niederschlag in diesem Temperaturbereich gehalten wird, worauf das ausgefällte Material vor der weiteren Verarbeitung der Flüssigkeit zu einem Konzentrat auf physikalischem Wege aus der Flüssigkeit getrennt wird.
Im folgenden wird das Verfahren nach der Erfin dung im Rahmen der teils an sich bekannten Herstel lung eines Kaffee-Konzentrates näher erläutert. Kaffee bohnen werden bei erhöhter Temperatur mit Wasser unter Bildung von Kaffee-Extrakt extrahiert, der Ex trakt zur Ausfällung von Stoffen, die bei der Tempera tur, bei der sich im Gebräu Eis bildet, unlöslich sind, gekühlt, die unlöslichen Stoffe aus der erhaltenen Mi schung entfernt, worauf die von unlöslichen Stoffen freie Mischung durch partielles Ausgefrieren des Wassers konzentriert wird.
Der Kaffee-Extrakt, der durch die Gefrierkonzen- trierung konzentriert werden soll, kann jeden Kaffee feststoffgehalt aufweisen, zwischen wenigen Prozent bis zu 40 r. Das heisst, dass bis zu 40 kg Kaffeefeststoffe im Extrakt für je 100 kg Extrakt vorhanden sein können. Je niedriger jedoch der Feststoffgehalt des Extraktes ist, um so mehr Wasser muss während der Gefrierkonzen- trierung und bei den Trocknungsschritten entfernt wer den.
Anderseits wurde gefunden, dass die Ausführung des Extraktionsverfahrens bis zu dem Punkt, wo ein hoher Kaffeefeststoffgehalt erreicht werden kann, häu fig die Aromaqualität des Extraktes verschlechtert. Ein bevorzugter Bereich für den Kaffeefeststoffgehalt des Extraktes zur Ausführung der Erfindung liegt daher zwischen etwa 10 und 30 % Kaffeefeststoffen.
Bei den bisher bekannten Verfahren wird der Kaffee-Extrakt nach dem Verlassen des Extraktorsy- stems vom Sediment geklärt, während er sich noch bei erhöhter Temperatur befindet. Eines der üblichsten Klärverfahren wird mittels einer Zentrifuge durchge führt, bei der die Kaffeeflüssigkeit einen sich rasch drehenden Zylinder durchströmt und als klare Flüssig keit austritt. Bei einem anderen Verfahren wird eine Druckpumpe verwendet, welche das Konzentrat durch Filterpapier oder Filtertuch presst.
Gemäss einer Ausführungsart des erfindungsgemä ssen Verfahrens wird nun der heisse Kaffee-Extrakt zu erst bis nahe an den Gefrierpunkt abgeschreckt, so dass wachsartige, teerartige und gummiartige Substanzen, die im heissen Extrakt löslich sind, ausfallen. Der kalte Extrakt wird dann filtriert oder zentrifugiert, um nicht mir ausgefallenen Gummi, Teer und Wachs zu entfer nen, sondern auch alle sonstigen Sedimente, die vom Extraktionsverfahren herstammen.
Da der anfängliche Gefrierpunkt des Kaffee-Extrak- tes vom Gesamtkaffeefeststoffgehalt des Extraktes ab hängt, schwankt die Temperatur, auf die der Extrakt zur Ausfällung von Gummi, Teeren und Wachsen abge schreckt werden soll, mit der Art des Extraktes. Ge wöhnlich können jedoch bei einer bevorzugten Ausfüh rungsart des erfindungsgemässen Verfahrens Mindest temperaturen von 4,5 C angewendet werden. Wenn keine Eisbildung im Extrakt während des Ausfällungs- verfahrens gewünscht wird, sollte die Temperatur, auf die der Extrakt abgeschreckt wird, nicht unter dem an fänglichen Gefrierpunkt liegen.
Bei einem Kaffee-Ex- trakt mit 30 Gew.1 Kaffeefeststoffen liegt diese Tem peratur bei etwa - 2,8 C.
In der Praxis wurde gefunden, dass die Ausfällung der Teere, Wachse und Gummis im Kaffee bei Tem peraturen von etwa 26,7 C beginnt und dass die Haupt menge der unlöslichen Bestandteile bei Temperaturen oberhalb 0 C ausfällt. Daher wird bei einer Ausfüh- rungsart des Verfahrens nach der Erfindung der Extrakt zwischen 26,7 und 0 C abgekühlt, ehe er filtriert und durch Gefrieren konzentriert wird. Bevorzugte Tempe raturen für das Abschrecken liegen zwischen etwa 7,2 und 0 C, da dieser Temperaturbereich eine praktisch vollständige Entfernung der unlöslichen Bestandteile si cherstellt.
Der Kaffee-Extrakt kann auf jede geeignete Weise abgeschreckt werden. Vorzugsweise wird der Extrakt jedoch unter Rührung gehalten, so dass das Wachs und die Gummis, die während der Ausfällungsstufe gebildet werden, nicht an der Wärmeübertragungsoberfläche der zur Ausfällung verwendeten Vorrichtung ankleben. Ge gebenenfalls kann der abgeschreckte Extrakt bei der niedrigen Temperatur zwischen wenigen Sekunden und mehreren oder vielen Stunden gehalten werden, ehe die Wachse, Teere und Gummis entfernt werden, entweder durch Zentrifugieren oder Filtrieren.
Die Bildung und Ausfällung der Teere, Gummis und Wachse ist oft zeit abhängig, und eine vollständige Ausfällung kann es notwendig machen, das Material bei der angewendeten niedrigen Temperatur zu halten, bis das Verfahren ver vollständigt ist. Wenn daher das erfindungsgemässe Ver fahren kontinuierlich durchgeführt wird, hängt die zwi schen dem Abschrecken zur Fällung von Wachsen und der tatsächlichen Abtrennung der Wachse, Teere und Gummis vom abgeschreckten Kaffee-Extrakt verflos sene Zeit von der genauen Art des Extraktes ab.
In einigen Kaffee-Extrakten bewirkt eine fortge setzte Einwirkung niedriger Temperatur auch die Bil dung eines nicht wachsartigen, teilchenförmigen Nieder schlags. Dieser teilchenförmige Niederschlag entsteht nach der Bildung der unlöslichen Teere, Wachse und Gummis und stört die Abtrennung des konzentrierten Kaffee-Extraktes nach dem Gefrierkonzentrierungsver- fahren vom Eis mit der Zentrifuge nicht. Jedoch sollte eine solche Einwirkung niedriger Temperaturen, die ausreicht, um diesen teilchenförmigen Niederschlag her vorzurufen, vermieden werden, da hierdurch der Kaffee- Extrakt verschlechtert wird.
Das bei dieser Verschlech terung erhaltene konzentrierte Produkt ist nicht so zu friedenstellend wie ein Kaffee, der aus einem Extrakt hergestellt wird, welches lediglich ausreichend zur Fäl lung von Teeren, Gummis und Wachsen abgeschreckt wurde.
Je nach der genauen Art der zur Herstellung des Extraktes verwendeten Kaffeemischung und des Ex traktes selbst, bilden sich in der Ausfällungsstufe zwi schen weniger als 0,5 bis etwa 5 Gew.% Teere, Gummis und Wachse.
Die durch das Abschrecken des Kaffee-Extraktes gebildeten Teere, Wachse oder Gummis können auf jede geeignete Weise entfernt werden, wie oben erwähnt wurde. Der abgeschreckte Extrakt kann bei der Ab schreck-Temperatur so lange gehalten werden, bis sich der Niederschlag am Boden des Behälters absetzt, und der niederschlagsfreie Teil der Lösung kann dekantiert und dann weiter verarbeitet werden. Wahlweise kann der abgeschreckte Extrakt in gleicher Weise wie heisser Kaffee-Extrakt behandelt werden, der von einem Nie derschlag frei werden soll. So können kontinuierliche oder diskontinuierliche Zentrifugier- oder Druckfiltra- tionsverfahren, die alle bekannt sind, zur Abtrennung des Extraktes vom Niederschlag angewendet werden.
Nach der Beseitigung des Niederschlags kann nun der erhaltene niederschlagfreie Kaffee-Extrakt durch teilweises Ausgefrieren des Wassers konzentriert wer den. Dies kann in chargenweisen, halbkontinuierlichen oder kontinuierlichen Vorrichtungen nach bekannten Methoden und Verbesserungen dieser Methoden durch geführt werden. Jede Art der Entfernung des Wassers aus dem Kaffee-Extrakt durch Kristallisation in Form von Eis lässt sich hierbei anwenden.
Die erhaltene Auf- schlämmung von Eis im konzentrierten Kaffee-Extrakt kann dann zentrifugiert werden, um die konzentrierte Lösung von den Eiskristallen zu befreien. Die erhalte nen Eiskristalle werden gewöhnlich mit Wasser oder verdünntem Kaffee-Extrakt gewaschen, um sie voll ständig von restlicher Mutterlauge zu befreien, und die Waschflüssigkeiten können wieder einer Gefrierkonzen- trierung unterworfen werden zur Rückgewinnung von Kaffee-Bestandteilen.
Das erfindungsgemässe Verfahren hat den Vorteil, dass der Zentrifugenkörper nicht mit ausgefällten Teeren und Wachsen verstopft wird und die Trennungs- und Waschverfahren in ihrem Wirkungs grad verbessert werden.
Die Gefrierkonzentrierung des wachs-, teer- und gummifreien flüssigen Nahrungsmittels oder Extraktes kann entweder in einer Stufe oder in mehreren Stufen durchgeführt werden, von denen jede einen Kristallisa- tor aufweist, in dem Wärme dem Kaffee-Extrakt ent zogen wird unter Bildung einer Aufschlämmung von Eiskristallen und konzentrierter Mutterlauge.
Nach je der Kristallisationsstufe wird dabei das Eis aus der Aufschlämmung entfernt und der konzentrierte Extrakt entweder der Weiterverarbeitung zur Herstellung von löslichem oder Pulverkaffee zugeführt oder in einer nachfolgenden Stufe des Gefrierkonzentrierungsverfah- rens weiter konzentriert. Die Kristallisation von Eis aus dem Extrakt wird vorzugsweise in einem röhrenförmi gen Wärmeaustauscher durchgeführt, dessen Aussen oberflächen durch ein zirkulierendes Kühlmittel gekühlt werden.
Der Innenabschnitt des Rohres ist gewöhnlich mit einer Welle ausgerüstet, auf der Rührflügel befe stigt sind. Wahlweise kann ein üblicher Röhrenwärme- austauscher mit abschabbarer Oberfläche verwendet werden. Zur Abtrennung des konzentrierten Kaffee- Extraktes von den erhaltenen Eiskristallen kann jedes brauchbare Trenngerät verwendet werden. Die bevor zugte Art der Trennung von Eis und Mutterlauge be steht im Zentrifugieren, und die Zentrifuge weist ge wöhnlich einen rotierenden Körper oder Becher auf, der Perforationen enthält, um einen Durchtritt der Mutter lauge möglich zu machen.
Die Zentrifuge kann auch mit Mitteln zum Waschen restlicher Mutterlauge von den Eiskristallen ausgerüstet sein.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung anschlie ssend beispielsweise erläutert.
Gemäss der Zeichnung tritt beim erfindungsgemä ssen Verfahren ein wässriger Lebensmittelextrakt durch eine Beschickungsleitung 11 in eine Abschreck- oder Kühlvorrichtung 10 ein. Der Abschrecker kann eine übliche Kühlvorrichtung oder ein kontinuierlicher, röh renförmiger Wärmeaustauscher sein, oder das Ab schrecken kann chargenweise durchgeführt werden, in dem Behälter mit dem Extrakt in einen gekühlten Raum gebracht werden. Der abgeschrecke Extrakt wird dann durch die Leitung 13 dem Filter 12 zugeführt.
Die Fil tervorrichtung kann eine übliche Chargenfiltriereinheit sein oder kann, falls das ausgefällte Wachs oder Teer in einem Zentrifugenbecher gehandhabt werden, aus einer Zentrifuge mit rotierendem Körper oder einer gewöhn- lichen Labor- oder chargenweisen Zentrifuge bestehen. Der gefilterte Extrakt, der nun von Teeren, Gummis und Wachsen befreit ist, wird durch die Leitung 14 dem Röhrenkristallisator 15 zugeführt, wo die Temperatur ausreichend erniedrigt wird, um die Bildung von Eis im Extrakt hervorzurufen.
Der genaue Grad der Konzen trierung hängt vom Kühlmedium und der Temperatur an der Aussenseite des Kristallisators 15 und der Ver- weilzeit in diesem ab. Die konzentrierte Aufschläm- mung von Eis in Mutterlauge wird dann durch die Leitung 17 einer Trennvorrichtung 16 zugeführt.
Die Trennvorrichtung 16 besteht vorzugsweise aus einer Zentrifuge mit rotierendem Körper, in der der Körper aus einem offenen Siebmaterial besteht, welches die Entfernung der konzentrierten Mutterlauge am äusseren Umfang der Zentrifuge durch die Leitung 18 ermög licht, während Eis, welches vorzugsweise wieder ent weder in Wasser oder Beschickungsextrakt aufge schlämmt wird, über die Leitung 19 abgezogen wird.
Wie oben erwähnt wurde, kann die Kristallisations- konzentrierung in einer Mehrzahl von Stufen durch geführt werden.
Die folgenden Beispiele erläutern das erfindungsge mässe Verfahren weiter.
<I>Beispiel 1</I> Ein Ansatz Kaffee-Extrakt, der 24 % Kaffeefeststoffe enthielt, wurde unter 4,5 C vorgekühlt und einem röh renförmigen Wärmeaustauscher mit Innenrührer zuge führt. Die Zufuhr des Kaffee-Extraktes zum Wärme- austauscher erfolgte mit einer Geschwindigkeit von 11,4 1/min und Kaffee-Extrakt wurde rund um den Wärmeaustauscher rezirkuliert, bis sich infolge der In nenkühlung Eiskristalle gebildet hatten.
Die Rezirkulie- rung von Aufschlämmung und Mutterlauge wurde fort gesetzt, während der Kaffee-Extrakt dem Kristallisator zugeführt wurde, dessen Inhalt bei einer Temperatur von -2,8 C gehalten wurde.
Eine Aufschlämmung von Eis und Kaffeeflüssigkeit, die etwa 30 % Kaffeefeststoffe enthielt, wurde dann kontinuierlich aus dem Kristalli- sator abgezogen und einer kontinuierlichen Zentrifuge mit rotierendem Körper zugeführt. Der Zentrifugen körper bestand aus einem perforierten Sieb, welches der Kaffeeflüssigkeit den Durchtritt durch den Eiskuchen erlaubte unter Trennung von Eis und Kaffeelauge. Nach 10minütigem Betrieb war das Zentrifugensieb mit Tee ren und Wachsen verstopft, die während der Kühlung und Kristallisierung aus dem Kaffee-Extrakt ausgefal len waren.
Der Betrieb musste abgebrochen werden, da die Trennung von Eis und Mutterlauge unzureichend war.
Das Verfahren wurde wiederholt, jedoch wurde der Extrakt dem Kristallisator zugeführt, ohne zuerst vor gekühlt zu werden. Teere und Gummis bildeten sich zusammen mit dem Eis, und die Zentrifuge verstopfte in gleicher Weise, als wenn der Extrakt vorgekühlt wor den wäre.
<I>Beispiel 2</I> Das allgemeine Verfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt mit dem Unterschied, dass der abgeschreckte Kaffee-Extrakt durch ein feines Käsetuch filtriert wurde vor der Einführung in den Kristallisator. Bei diesem Filtrierungsverfahren wurden ungefähr<B>1,9%</B> des ur sprünglichen Extraktes in Form von Teeren, Gummis oder Wachsen entfernt.
Die erhaltene niederschlagsfreie Kaffeeflüssigkeit wurde dann dem Kristallisator zuge- führt, und die im Kristallisator gebildete Aufschläm- mung wurde kontinuierlich zentrifugiert. Die Trennung von Eis und Mutterlauge wurde nicht durch ein Ver stopfen des Zentrifugensiebs durch Niederschlag beein trächtigt.
Hervorragende Ergebnisse wurden erhalten, wenn die zu konzentrierende Kaffeeflüssigkeit auf zwischen 26.7 und 2,2 C vorgekühlt wird und wenn der Extrakt zwischen 12 und 32 ö Kaffeefeststoffe enthält.
<I>Beispiel 3</I> Ein Tee-Extrakt, der 68/'0 Teefeststoffe enthält und nach der Extraktion oberhalb 26,7 C sich befindet, wird in einem Wärmeaustauscher auf 2,2 C gekühlt. Das gekühlte Material wird dann durch eine Filterpresse fil triert, und der erhaltene teerfreie Extrakt wird in einem Röhrenkristallisator gefrierkonzentriert. Die erhaltene Aufschlämmung von Eis in konzentriertem Tee lässt sich leicht auf einer Zentrifuge mit rotierendem Sieb körper, wie oben beschrieben, trennen.
Das Verfahren nach der Erfindung lässt sich auf alle Lebensmittelflüssigkeiten oder Lebensmittelextrakte an wenden, die durch Bildung von Eis und anschliessende Entfernung des Eises konzentriert werden sollen. So kann das Verfahren nach der Erfindung bei der Kon zentrierung von Kaffee- und Tee-Extrakt, Grapefrucht- saft, Orangensaft, Bier, Essig und dergleichen angewen det werden.