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        含汽醋飲料混合灌注二氧化碳穩(wěn)定性控制的研究

        2021-12-01 06:10:22馮雪紅吳業(yè)庭朱煥宗蔡偉源
        食品安全導(dǎo)刊 2021年31期
        關(guān)鍵詞:冷媒不良率產(chǎn)線

        馮雪紅,蘇 兵,吳業(yè)庭,朱煥宗,蔡偉源

        (天地壹號(hào)飲料股份有限公司,廣東江門 529000)

        經(jīng)行業(yè)研究,醋酸飲料被譽(yù)為是繼碳酸飲料、飲用水、果汁和茶飲料之后的“第四代”飲料。雖然在部分地區(qū)形成了一定規(guī)模的醋飲消費(fèi)市場(chǎng),但同歐美日韓等發(fā)達(dá)國(guó)家相比還處于前期發(fā)展階段。中國(guó)醋飲料使用的食醋量?jī)H占全國(guó)食醋總產(chǎn)量的2%左右,而美國(guó)、加拿大、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家占比都在10%以上[1]。據(jù)智研咨詢發(fā)布《2017-2022年中國(guó)蘋果醋市場(chǎng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)及投資戰(zhàn)略研究報(bào)告》,2015年中國(guó)醋飲料市場(chǎng)規(guī)模超過35億元,且連續(xù)3年的增速分別為22%、27%、25%,在整個(gè)食品飲料行業(yè)中屬高速增長(zhǎng)。

        目前,飲料行業(yè)在生產(chǎn)中加入二氧化碳的現(xiàn)象十分普遍,其獨(dú)特的口感深受消費(fèi)者的喜愛。而含二氧化碳醋飲料的灌裝工序是飲料行業(yè)加工工藝流程中的重要環(huán)節(jié)之一,其工作效率會(huì)直接影響企業(yè)的產(chǎn)能、效率、成本等。

        1 醋飲料的二氧化碳溶解度的影響因素分析

        醋飲料的二氧化碳相對(duì)于其他碳酸飲料及啤酒的穩(wěn)定性較差的一個(gè)原因是其營(yíng)養(yǎng)較為豐富。以發(fā)酵蘋果醋為例,其中含有較多的有機(jī)酸和植物多酚類物質(zhì)[2]。研究發(fā)現(xiàn)L-蘋果酸在檸檬酸蘋果酸鈣的高吸收利用性中起到關(guān)鍵作用,能促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收。蘋果多酚可以促進(jìn)腸粘膜上皮細(xì)胞的生長(zhǎng)增殖以及前腸和中腸粘膜絨毛的發(fā)育,提高肝胰臟、腸道蛋白酶活性,從而促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收[3-4]。部分黃酮類化合物在腸道菌群的作用下可降解為簡(jiǎn)單的酚酸,進(jìn)而被人體吸收,發(fā)揮效應(yīng)[5]。醋飲料中的這些營(yíng)養(yǎng)成分較高,導(dǎo)致二氧化碳的混合和灌注穩(wěn)定性較差,并影響產(chǎn)品的不良率。

        醋飲料的二氧化碳相對(duì)于其他碳酸飲料及啤酒的穩(wěn)定性較差的另一個(gè)原因是其冷點(diǎn)相對(duì)較高。二氧化碳在低溫下穩(wěn)定性相對(duì)較好,灌注過程較少出現(xiàn)“返泡”現(xiàn)象。而醋飲料冰點(diǎn)較高,不能在較低溫度下混合和灌注,否則會(huì)出現(xiàn)停機(jī)結(jié)冰現(xiàn)象。

        因此,醋飲料含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及其冰點(diǎn)相對(duì)其他二氧化碳飲料較高,是影響其二氧化碳溶解度的主要因素。

        2 醋飲料灌注技術(shù)與存在問題

        由于發(fā)酵后的果醋含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),混合碳酸化過程很容易大量發(fā)泡。含汽飲料混合碳酸化溫度有嚴(yán)格的要求,在一定溫度范圍內(nèi),溫度越低,二氧化碳的溶解系數(shù)越高,料液碳酸化的穩(wěn)定性越好。但過低的溫度控制,既大大增加了能耗,又容易因?yàn)闇囟鹊投霈F(xiàn)換熱板面和管道結(jié)冰,產(chǎn)生其他風(fēng)險(xiǎn),在灌注工序常出現(xiàn)跑料而導(dǎo)致無法正常生產(chǎn)和生產(chǎn)效率低,這是規(guī)模化灌注生產(chǎn)需要突破的技術(shù)瓶頸。

        如圖1所示,含汽飲料在加入二氧化碳之前需要經(jīng)過板式熱交換機(jī)進(jìn)行降溫,目的是為了加大二氧化碳的溶解度,便于進(jìn)行碳酸化,且降溫的飲料有利于灌裝的穩(wěn)定性;而板式熱交換機(jī)由冷媒進(jìn)行打冷,冷媒的流量過大就會(huì)造成熱交換機(jī)的飲料結(jié)冰堵塞;冷媒流量不足時(shí),飲料溫度就會(huì)升高,影響二氧化碳的溶解度,并且飲料在灌裝過程會(huì)不穩(wěn)定,造成產(chǎn)品凈容量偏低。

        圖1 原混合灌注工藝流程圖

        3 改造后醋飲料灌注技術(shù)

        為解決醋飲料灌注存在的問題,提高混合灌注的料液溫度,解決板機(jī)結(jié)冰問題,在原有的混合灌注生產(chǎn)工藝中(圖1)增加灌注流程自動(dòng)化的溫度檢測(cè)和灌注后料液二次補(bǔ)溫裝置;將現(xiàn)有熱交換冷媒開閥控制由人工手動(dòng)改造為自動(dòng)化聯(lián)動(dòng)控制(圖2);在混合緩沖罐新增低液位探頭與止罐器進(jìn)行聯(lián)動(dòng)等設(shè)備創(chuàng)新和改造(圖3),設(shè)備改造后開展調(diào)試,測(cè)試出最佳的控制性能參數(shù),解決了含汽醋飲料灌注過程中灌注效率低、含氣量不穩(wěn)定和料液因溫度升高無法正常灌注等問題。

        圖2 改進(jìn)后混合灌注工藝流程圖

        圖3 混合灌注改造技術(shù)圖

        增加二次溫度補(bǔ)償裝置的運(yùn)用原理是當(dāng)檢測(cè)灌裝機(jī)酒缸的溫度大于設(shè)置的溫度時(shí),自動(dòng)停止灌注,料液從酒缸回流到二次溫度補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償降溫后回到緩沖罐再次灌注,當(dāng)料液溫度檢測(cè)滿足灌裝溫度時(shí),啟動(dòng)灌注[6]。從而解決當(dāng)料液溫度升高不能正常灌注而排料的問題,實(shí)現(xiàn)防呆控制。

        新增冷媒閥門開度自動(dòng)調(diào)節(jié)閥與混合后料液溫度檢測(cè)探頭進(jìn)行自動(dòng)化聯(lián)動(dòng)控制,從而實(shí)現(xiàn)了根據(jù)混合后料液檢測(cè)的溫度來控制熱交換冷媒閥門開度(實(shí)際上是控制冷媒流量)達(dá)到了精準(zhǔn)溫度實(shí)時(shí)自動(dòng)化控制,解決了控溫精準(zhǔn)問題和能耗問題,實(shí)現(xiàn)混合料液溫度按上限溫度控制,大大降低了正常生產(chǎn)的能耗和產(chǎn)品二氧化碳含量波動(dòng)性問題。

        如圖3所示,在緩沖缸進(jìn)料口的管道處安裝低液位探頭(即低液位傳感器)與灌注機(jī)入口的止罐器聯(lián)動(dòng),當(dāng)緩沖缸料液液位低于該探頭時(shí),自動(dòng)停止送罐,可以防止緩沖缸料液被抽空或防止緩沖缸料液過少導(dǎo)致料液二次碳酸化,二氧化碳溶解量過多造成反泡容量不足或殺菌后凸角罐,實(shí)現(xiàn)防呆。在灌裝的濾缸前安裝單向閥,防止料液因?yàn)榱细讐毫Σ环€(wěn)定產(chǎn)生反沖,造成二次混合,進(jìn)而導(dǎo)致二氧化碳高,造成反泡容量不足。

        4 改造后產(chǎn)線測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

        4.1 產(chǎn)線改造后二氧化碳溶解時(shí)間和不良率測(cè)試

        產(chǎn)線改造后,開展緩沖罐料液暫存穩(wěn)定時(shí)間(即二氧化碳溶解時(shí)間)與灌注容量不良率測(cè)試。由表1可知,通過在混合、灌注工序間增加二氧化碳溶解穩(wěn)定裝置,二氧化碳與料液溶解時(shí)間增加3~6 min,溶解工藝的前3 min,產(chǎn)品不良率明顯下降,3 min后產(chǎn)品不良率趨向于穩(wěn)定。通過產(chǎn)線測(cè)試,灌注提速8%,液位不足問題得以解決。

        表1 二氧化碳溶解時(shí)間和不良率

        4.2 產(chǎn)線改造后灌注料液溫度二次降溫補(bǔ)償測(cè)試

        產(chǎn)線改造后,開展混合料液大于灌注設(shè)置溫度測(cè)試,收集測(cè)試灌注回流及二次補(bǔ)償裝置后數(shù)據(jù),由表2可知,當(dāng)灌注溫度檢測(cè)到料液溫度大于10 ℃時(shí),料液通過酒缸回流閥自動(dòng)回流到溫度二次補(bǔ)償裝置并能降溫到9.5 ℃以下,緩沖罐料液在15 min完成一次循環(huán),通過二次溫度補(bǔ)償能將高的灌注溫度降溫到工藝所需的灌注溫度,產(chǎn)線解決當(dāng)料液溫度高不能灌注排料問題。

        表2 灌注料液溫度二次降溫補(bǔ)償測(cè)試

        4.3 冷媒自動(dòng)化控制后的混合和灌注溫度的測(cè)試

        產(chǎn)線冷媒閥門由人工手動(dòng)改造為自動(dòng)化聯(lián)動(dòng)緩沖罐混合料液溫度后,開展混合溫度上限及冷媒溫度提升的產(chǎn)線測(cè)試,測(cè)試溫度提高后,主要影響產(chǎn)品指標(biāo)(二氧化碳含量)、灌注后主要影響產(chǎn)品指標(biāo)(二氧化碳含量)是否在控制范圍內(nèi)。由表3、表4可知,經(jīng)過改造后,混合碳酸化料液溫度在 6~9 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)(標(biāo)準(zhǔn)控制在2~9 ℃),混合后半成品的二氧化碳含量穩(wěn)定控制在2.45~2.60倍(標(biāo)準(zhǔn)控制在2.1~2.70倍);灌注料液溫度在 9~10 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)(標(biāo)準(zhǔn)控制在6~10 ℃),灌注后半成品的二氧化碳含量穩(wěn)定控制在2.50~2.60倍(標(biāo)準(zhǔn)控制在2.2~2.8倍)。

        表3 混合溫度和二氧化碳含量

        表4 灌注溫度和二氧化碳含量

        通過開展以上測(cè)試測(cè)試及表2、表3、表4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知,經(jīng)過改造冷媒的控制方式后,料液混合溫度、灌注溫度和冷媒溫度得到精準(zhǔn)控制(表5),實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品品質(zhì)的提升,同時(shí)降低了能耗。

        表5 冷媒自動(dòng)化控制前后溫度變化

        4.4 二氧化碳含量與停機(jī)時(shí)間和排氣時(shí)間相關(guān)參數(shù)測(cè)試

        為解決料液二氧化碳含量超出控制標(biāo)準(zhǔn)無法灌注問題,通過在緩沖罐新增泄壓裝置,當(dāng)二氧化碳含量升高后,通過排氣糾正,能夠正常灌裝,減少了不必要的排料。通過開展二氧化碳含量升高/降低試驗(yàn),由表6、表7可知,經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析得出泄壓的操作控制參數(shù)(表8),產(chǎn)線停機(jī)時(shí)間在3個(gè)時(shí)間梯度,采取對(duì)應(yīng)的泄壓時(shí)間實(shí)現(xiàn)了對(duì)料液二氧化碳含量偏高糾正,解決了二氧化碳含量偏高無法灌注問題。

        表6 停機(jī)時(shí)間與二氧化碳含量升高試驗(yàn)

        表7 排氣時(shí)間與二氧化碳含量降低試驗(yàn)

        表8 停機(jī)時(shí)間、排氣時(shí)間及二氧化碳含量下降關(guān)系

        5 結(jié)論

        本研究通過在含汽醋飲料的混合、灌注工序間增加二氧化碳溶解穩(wěn)定裝置,增加了二氧化碳與料液的接觸時(shí)間,提高了二氧化碳在醋飲料中的溶解度,減少了二次碳酸化問題,實(shí)現(xiàn)了二氧化碳含量的穩(wěn)定控制;通過冷媒開閥自動(dòng)化聯(lián)動(dòng)控制,實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制冷媒流量,解決了料液在停機(jī)或待機(jī)狀態(tài)下結(jié)冰的問題;通過增加一套溫度補(bǔ)償裝置,解決了醋飲料溫度升高導(dǎo)致的返泡無法正常灌注而需要排料的問題。

        綜上所述,含汽醋飲料混合灌注溫度、灌注效率的提高通過對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新改造,解決了醋飲料二氧化碳含量波動(dòng)導(dǎo)致灌注返泡效率低、不良率高問題,實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。

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