-
Verfahren zur Herstellung hochwertiger Konzentrate aus wäßrigen Lösungen
Beim Verdampfen von Wasser aus wäßrigen Lösungen, Mischungen, Emulsionen und Suspensionen
geht man im allgemeinen so vor, daß man die Lösung oder Mischung bis zum Sieden
erwärmt. Sind in der Lösung wärmeempfindliche Substanzen, wie z. B. die Aromastoffe
bzw. Geschmacksstoffe bei Fruchtsäften, Eaffee-Extrakt) Milch u. dgl., anwesend,
dann führt man die Verdampfung, um die Siedetemperatur herabzusetzen, unter vermindertem
Druck durch.
-
Trotzdem weisen Lösungen, die selbst bei sehr niedrigen Drucken und
gegebenenfalls Temperaturen unter Raumtemperatur eingeengt wurden, Schädigungen
auf. Es ist allgemein bekannt, daß der Geschmack selbst durch schonende Eindampfung
bei tiefer Temperatur gewonnener Konzentrate aus Milch oder Fruchtsäften von dem
der Ausgangslösung beträchtlich im ungünstigsten Sinne abweicht.
-
Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein neues Verfahren zur Verdampfung
von Wasser aus wäßrigen Lösungen oder Mischungen, welches gestattet, die bisherigen
Schwierigkeiten, insbesondere durch Aromaschädigungen, in beliebigem Maß zu vermindern.
-
Erfindungsgemäß wird die Lösung zunächst durchAusfrieren von Wasser
auf einen Gehalt von etwa 50010 Trockensubstanz gebracht und hierauf anschließend
in der Atmosphäre eines indifferenten Hilfsgases einer Oberflächenverdunstung unter
Vermeidung jeglichen Siedens oder Kochens unterworfen. Es wurde durch eingehende
Versuche gefunden, daß unter diesen Bedingungen selbst hocharomatische Säfte, wie
beispielsweise Orangen- oder Himbeersaft, sich bis zu Konzentrationen von etwa So0!0
und darüber einengen lassen, ohne irgendwelche Schädigungen an Aroma zu erleiden,
d. h. das Konzentrat, wies insbesondere bei Verdünnung auf die Ausgangskonzentration
in allen Einzelheiten auch um Duft und Geschmack und Vitamingehalt praktisch die
Eigenschaften der Ausgangslösung auf. Dementsprechend konnten in dem ausgeschiedenen
Wasser
nach Kondensation keine nennenswerten Mengen an Aroma festgestellt werden.
-
Das neue Verfahren beruht auf folgender neuer Erkenntnis über die
Vorgänge bei Einengungen, welche durch eingehende Versuche als richtig bestätigt
wurden. Die Geschmacksschädigungen, welche aromahaltige Stoffe bei der Einengung
durch Kochen erleiden, beruhen zum größten Teil nicht auf einer Zersetzung oder
Zerstörung der Aromastoffe durch den Kochprozeß, sondern darauf, daß aus der Lösung
zusammen mit dem Wasserdampf Dämpfe der Aromastoffe abziehen, deren Anteil, da die
Aromastoffe als Ester und Äther mit Wasser wenig oder gar nicht mischbar sind, durch
das Verhältnis der Sättigungsdrucke der Aromastoffe zu demjenigen des Wassers bestimmt
wird. Die Geschmacksschädigung besteht also darin, daß zum mindesten ein Teil der
das Aroma aufbau enden Komplemente verlorengeht. Durch Senkung der Temperatur läßt
sich der vom Wasserdampf mitgeführte Anteil der Aromastoffe im Gegensatz zu den
bisherigen Anschauungen nur in ganz untergeordnetem Maße verkleinern, da das Verhältnis
der Sättigungsdrucke nur wenig von der Temperatur abhängig ist.
-
Wenn man dagegen jegliches Kochen oder Sieden gemäß der Erfindung
ausschließt und den Wasserdampf lediglich durch Oberflächenverdunstung abtreibt,
dann überlagert sich der gemeinsamen Verdampfung von Aromastoffen und Wasser ein
Diffusionsprozeß, und zwar müssen beide Dampfarten mittels Diffusion die Grenzschicht
in der Gasatmosphäre an der Oberfläche der Flüssigkeit durchdnngen.
-
Durch diese Diffusionsprozesse in der Gasatmosphäre unmittelbar nach
Austritt der Dämpfe aus der Lösung erfolgt eine Trennung der im Verhältnis der Sättigungsdrucke
mit dem Wasserdampf mitgehenden Aromastoffe im Verhältnis ihrer Diffusionsgeschwindigkeit.
Da Wasser ein sehr kleines Molekül, die Aromastoffe dagegen große Moleküle besitzen,
ist der Unterschied der Diffusionsgeschwindigkeiten und damit die Trennwirkung des
Diffusionsprozesses recht beträchtlich.
-
Es ist an sich bekannt, Lösungen durch Verdunstung einzuengen. Es
gehen aber bei einem reinen Verdunstungsverfahren immer noch Aromabestandteile bei
der Einengung verloren. Infolgedessen ist eine Lösung, welche ausschlließlich durch
Verdunstung von der üblichen Ausgangskonzentration, beispielsweise eines Fruchtsaftes
von etwa 10 auf 80°ío, angereichert wird, im Aroma und dem Gehalt an Wertstoffen
geschädigt. Hinzu kommt, daß eine derartige Arbeitsweise unwirtschaftlich langsam
vor sich geht. Erst die Kombination gemäß der Erfindung, nämlich die Hauptmenge
des Wassers in der Form von Eis auszuscheiden und erst das auf diese Weise z. B.
schon auf etwa 50010 angereicherte Konzentrat einem Verdunstungsp rozeß zu unterwerfen,
ermöglicht es, Konzentrate herzustellen, welche auch nach Verdünnung auf die Ausgangskonzentration
von einem Frischsaft nicht zu unterscheiden sind. Dieser Erfolg beruht vermutlich
darauf, daß bei Verdunstungsprozessen die an sich geringen Verluste an Wertstoffen
in erster Näherung proportional der abzudampfenden Wassermenge sind. Wenn man nun
gemäß der Erfindung die abzudampfende Wassermenge durch die vorhergehende Kälteeinengung
auf einen Bruchteil der gesamten auszutreiben, den Wassermenge reduziert, lassen
sich die Verluste auf ein fast unmerkliches Maß reduzieren und die zur Durchführung
des Verfahrens erforderliche Zeit verkürzen, da z. B. zur Einengung eines 5001,eigen
Saftes bis zu der beispielsweise bei 6001, liegenden Haltbarkeitsgrenze nur I6 kg
Wasser auf 100 kg 50°1Oigen Saftes verdampft werden müssen, während die Gewinnung
dieser 100 kg 5o00igen Saftes aus einem Io°O/igen Saft die Ausscheidung von 400
kg Wasser erfordert.
-
Bei der an die Kälteeinengung anschließenden Verdunstung eröffnet
die neue Erkenntnis, daß die günstige Wirkung der Verdunstung auf Diffusionsprozessen
beruht, neue Ausführungsformen.
-
Das Verhältnis der Diffusionsgeschwindigkeiten zweier Dämpfe in einem
indifferenten Hilfsgas ist nämlich praktisch unabhängig von dessen Art, von seinem
Druck, von der Temperatur und der Länge des Diffusionsweges (vgl. z. B. Jellinek
»Lehrbuch der physikalischen Chemie « Band II, S. 608ff.).
-
Hieraus. folgt, daß die Trennwirkung der Diffusion nicht beeinträchtigt
wird, auch wenn man durch geeignete Wahl der Diffusionsbedingungen die Diffusionsgeschwindigkeit
des Wasserdampfes, die die Einengungsgeschwindigkeit bestimmt, auf ihren höchstmöglichen
Wert steigert. Nach den Gesetzen für die Diffusion von Gasen steigt die Diffusionsgeschwindigkeit
mit abnehmendem Druck des Hilfsgases, mit der Temperatur, mit den Partialdruckdifferenzen
an den Enden des Diffusionsweges, mit der Verkürzung des Diffusionsweges und schließlich
mit der Vergrößerung des Diffusionsquerschnittes.
-
Man wird also die Verdampfung nach dem neuen Verfahren in der Weise
durchführen, daß man zur Erzielung eines großen Diffusionsquerschnittes der einzuengenden
Flüssigkeit eine große Oberfläche gibt, den Druck des Hilfsgases vorzugsweise relativ
niedrig wählt und den Diffusionsweg z. B. dadurch möglichst kurz hält, daß man die
aus der Lösung verdunstenden Wasserdämpfe in kurzem
Abstand von
der Flüssigkeitsoberfläche durch Kondensation, Adsorption oder Absorption abfängt.
Ferner wird man als Hilfsgas, in dem die Diffusion stattfindet, Gase, wie Wasserstoff,
verwenden, in denen die Diffusionsgeschwindigkeit des Wasserdampfes hoch ist.
-
Die Partialdruckdifferenz bei der Diffusion läßt sich dadurch erhöhen,
daß man die Verdampfungstemperatur so weit steigert, als die thermische Empfindlichkeit
der einzuengen den Lösung zuläßt. Man kann hierbei ohne Schädigung wesentlich höhere
Verdampfungstemperaturen als bisher anwenden, da durch den Diffusionsprozeß die
Aromaverluste im Gegensatz zu dem Kochverfahren praktisch unabhängig von der Temperatur
vermindert werden.
-
Man kann die Aromaverluste sogar vollständig unterdrücken, wenn man
das Hilfsgas gegen die Oberfläche, in der die Verdunstung erfolgt, mit einer Geschwindigkeit
bewegt, die gleich oder größer als die Geschwindigkeit der Aromadämpfe ist, da dann
letztere die Oberflächengrenzschicht nicht verlassen können.
-
Hierdurch wird die Einengungsgeschwindigkeit vermindert, weil auch
die Diffusion des Wasserdampfes behindert wird. Da aber die Diffusionsgeschwindigkeit
der Aromastoffe schätzungsweise nur etwa 1mio der Diffusionsgeschwindigkeit des
Wasserdampfes beträgt, genügt es, die Geschwindigkeit des den diffundierenden Dämpfen
entgegenströmenden Gases auf diesen geringen Bruchteil derDiffusionsgeschwindigkeit
des Wasserdampfes zu halten, wodurch die in der Zeiteinheit diffundierende Wassermenge
nur um etwa 10010 vermindert wird, während die Aromastoffe vollständig zurückgehalten
werden. Die Gasströmung braucht sicht senkrecht zur Flüssigkeitsoberfläche geleitet
sein, sie kann mit ihr vom rechten abweichende Winkel bilden und gegebenenfalls
auch im Kreuzstrom zu den diffundierenden Dämpfen geführt werden.
-
Das neue Verfahren läßt sich zur Einengung beliebiger Arten von Säften,
wie Fruchtsaft, Milch, Fleischextrakt usw., verwenden.