Использование активированного углерода в пищевой промышленности для удаления нежелательных ароматов и запахов

Общие формы активированного углерода

• Порошковый активированный уголь (PAC) – мелкие частицы (обычно <0,1 мм), используемые для жидкостных фаз, где требуется быстрая адсорбция, такие как разбавляющие сахарные сиропы или фруктовые соки.
• Гранулярный активированный углерод (GAC) — Более крупные частицы (0,2-5 мм), используемые в колонках с неподвижным слоем для непрерывной очистки воды, напитков и съедобных масел.
• Экструдированный активированный углерод (EAC) — цилиндрические гранулы, образованные экструзией, обеспечивающие низкое падение давления в газофазных приложениях, таких как контроль запаха в упаковочных установках для пищевых продуктов.
• Пропитанные активированные углероды — Обрабатываются химическими веществами (например, серебром, йодом или специальными аминами) для нацеливания на конкретные загрязнители, такие как сероводород или другие серные неприятные запахи.

Механизм адсорбции: как активированный углерод удаляет ароматы и запахи

Адсорбция происходит, когда молекулы из жидкости или газа диффундируют в поры активированного угля и прилипают к внутренней поверхности через слабые межмолекулярные силы, известные как силы Ван-дер-Ваальса. Процесс обратим; при определенных условиях (например, при повышенной температуре или пониженном давлении) адсорбированные молекулы могут высвобождаться, что является основой для регенерации.

Эффективность активированного угля для данного применения зависит от нескольких факторов:

• Распределение размеров пор — микропоры (<2 nm) are ideal for adsorbing small molecules responsible for many off-flavors and odors, while mesopores (2–50 nm) and macropores (>]50 нм) облегчают доступ к внутренним поверхностям для более крупных соединений, таких как цветные тела или танины.
• Химия поверхности — Наличие кислородсодержащих функциональных групп (например, карбоксила, гидроксила) на поверхности углерода влияет на его сродство к полярным или кислым соединениям.
• Температура и pH — Как правило, адсорбция снижается с увеличением температуры для процессов физической адсорбции.В жидкостных фазах pH может влиять на ионизацию молекул-мишеней, изменяя их адсорбционное сродство.
• Время и концентрация контакта — Более длительное время контакта и более высокая концентрация адсорбата приводят к большей адсорбции до достижения равновесия.На практике производители оптимизируют дозу и время контакта для достижения целевой чистоты без чрезмерного использования углерода.

Основные применения активированного углерода в пищевой промышленности

Активированный уголь используется практически во всех секторах пищевой промышленности и переработки напитков. Ниже приведены наиболее важные и технически значимые применения.

Деколонизация и уточнение напитков

Наиболее традиционное использование активированного угля заключается в обесцвечивании и уточнении жидкостей. В производстве фруктовых соков активированный уголь удаляет коричневые пигменты и дымообразующие полифенолы, что дает четкий, визуально привлекательный продукт. Для вина и пива обработка углем может исправить цветовые дефекты (например, чрезмерное потемнение в белых винах) или уменьшить горечь от чрезмерного извлечения танинов. В индустрии безалкогольных напитков вода с углеродной обработкой обеспечивает нейтральную основу для согласованных вкусовых профилей.

Связанным применением является деколонизация сахарных сиропов и и подсластителей кукурузы. Во время рафинирования растворы сахара-сырца часто темные и содержат цветные примеси. Гранулярные колонны из активированного угля или порошкообразные углеродные суспензии эффективно удаляют эти цветные тела для удовлетворения требуемых цветовых стандартов для рафинированного белого сахара или кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы. Этот шаг имеет решающее значение, поскольку остаточный цвет может влиять на вкус и внешний вид конечных продуктов, таких как конфеты, хлебобулочные изделия и газированные напитки.

Удаление невкусных ароматов и запахов из съедобных масел и жиров

Съедобные масла, такие как соя, рапс, пальмовое и оливковое масло, могут развить нежелательные ароматы и запахи из-за окисления, природных летучих веществ или загрязнения во время обработки. Активированный уголь используется в стадии очистки масла, часто в сочетании с отбеливанием земли, для адсорбции не только пигментов, но и альдегидов, кетонов и других карбонильных соединений, которые вызывают прогорклость или любые непримечательные ноты. Специализированные сорта активированного угля доступны для нацеливания на летучие органические соединения (ЛОС), не влияя на полезные антиоксиданты, такие как токоферолы.

Контроль запахов в упаковке и хранении пищевых продуктов

Пищевые упаковочные материалы - особенно пластмассы, гофрированные коробки и пленки - могут выделять остаточные растворители, мономеры или продукты разложения, которые вызывают неприятные запахи в упакованных продуктах. Активированные угольные фильтры устанавливаются в системах обработки воздуха для удаления этих ЛОС из окружающей среды. Для чувствительных продуктов, таких как шоколад, кофе или молочные продукты, даже следовые запахи могут скомпрометировать качество. Кроме того, активированные угольные пакеты могут быть помещены внутрь упаковок (например, для сушеных продуктов или фармацевтических препаратов) для поглощения любых летучих примесей, которые могут развиваться в течение срока хранения.

Очистка воды для пищевой переработки

Вода является основным ингредиентом во многих пищевых продуктах и широко используется для очистки, промывки и генерации пара. Муниципальная вода часто содержит хлор, хлорамин, органические соединения и следовые пестициды, которые могут придавать неприятные запахи или способствовать коррозии. Гранульные фильтры с активированным углем являются стандартными в системах очистки воды для пищевых растений, удаляя эти загрязняющие вещества для производства воды, которая отвечает строгим требованиям чистоты. В пивоваренных заводах и заводах напитков фильтрация углерода используется для производства «дехлорированной» воды, которая предотвращает нежелательные химические реакции во время ферментации.

Удаление загрязняющих веществ и токсинов

Помимо сенсорных улучшений, активированный уголь может уменьшать или устранять вредные вещества. Например, он используется для удаления микотоксинов (например, афлатоксинов, охратоксина А) из растительных масел, фруктовых соков и вина. В процессе обработки цитрусовых соков активированный уголь может адсорбировать горькие соединения, такие как лимонин и нарингин, улучшая вкус, а также удаляя потенциальные остатки аллергена. Некоторые исследования также демонстрируют его эффективность в снижении остатков пестицидов из сырых пищевых экстрактов и напитков.

Важно отметить, что использование активированного угля для преднамеренного удаления загрязняющих веществ должно быть тщательно проверено, чтобы убедиться, что сам углерод не вносит примеси и что обработка не удаляет желаемые питательные вещества или ароматизаторы.

Выбор правильного активированного углерода для конкретного применения

Выбор подходящего сорта активированного угля имеет решающее значение для достижения желаемого результата экономически.

• Размер пор — Сопоставьте размер молекулы-мишени: малые молекулы (например, геосмин, вызывающий земляной запах) требуют микропор; более крупные цветные тела требуют мезопор.
• Содержание пепла — низкое содержание золы предпочтительнее для контакта с пищевыми продуктами, чтобы избежать выщелачивания минералов.
• pH и выщелачивание — Некоторые углероды могут выделять растворимые соединения (например, фосфаты или сульфаты), которые могут влиять на рН продукта или вкус.
• Способность к регенерации (FLT:0) — для непрерывных процессов GAC, который может быть регенерирован, уменьшает затраты на отходы и эксплуатационные расходы.
• Сертификаты пищевой марки — Углерод должен соответствовать соответствующим стандартам, таким как Кодекс федеральных правил FDA США (21 CFR 173.25) для активированного угля, используемого в пищевой промышленности, или Регламент ЕС 231/2012 для пищевых добавок.