周 洋，趙敏鋒，文 進(jìn)

（今麥郎飲品股份有限公司，北京 100000）

0 引言

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)奶茶的灌裝方式多為無(wú)菌灌裝［1］。奶茶在無(wú)菌灌裝的過(guò)程中容易產(chǎn)生泡沫，導(dǎo)致出現(xiàn)糖斑，引起食品安全問(wèn)題。生產(chǎn)過(guò)程中，減少泡沫的方法主要包括物理、化學(xué)及工藝控制等。物理消泡手段主要以機(jī)械消泡為主，比如使用破碎裝置、振動(dòng)與超聲波裝置、泡沫分離回收塔裝置等［2］。物理消泡方法只能在泡沫出現(xiàn)時(shí)作為被動(dòng)的消泡手段［3］，由于消泡效果不佳，且投資大，目前已鮮少使用；化學(xué)消泡劑消泡速度快，效果明顯，廣泛用于飲料工業(yè)的生產(chǎn)中［4］；工藝控制手段主要包括改變?cè)系男螒B(tài)、降低進(jìn)料速度、降低出料溫度等方式，這些因素對(duì)泡沫的減少有一定的作用，但也可能對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，通常需要工藝控制手段與其他消泡方式聯(lián)合使用才能達(dá)到效果［5］。

奶茶的生產(chǎn)過(guò)程中，泡沫主要出現(xiàn)在以下環(huán)節(jié)：（1）為了充分溶解奶粉，高速攪拌產(chǎn)生大量泡沫，且不易消除；（2）物料高速傳送時(shí)混入空氣，且輸送過(guò)程中，料液壓力變化大，產(chǎn)生大量泡沫；（3）料液迅速?zèng)_出灌裝閥產(chǎn)生泡沫，溢出瓶口。

本文通過(guò)添加不同量的消泡劑，使用真空溶粉機(jī)、脫氣罐以及調(diào)整灌裝單元的工藝參數(shù)等多方面生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，就奶茶灌裝過(guò)程容易產(chǎn)生泡沫的問(wèn)題進(jìn)行改善，以期為飲料企業(yè)生產(chǎn)PET瓶裝奶茶的消泡技術(shù)提供工藝參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

全脂奶粉，新西蘭恒天然有限公司；茶葉，浙江茗皇天然食品開(kāi)發(fā)有限公司；AFE-1520消泡劑（水、聚二甲基硅氧烷、聚氧乙烯山梨醇酐三硬脂酸酯、二氧化硅、甲基纖維素、單/雙甘油脂肪酸酯、聚氧乙烯、硬脂酸酯、山梨酸、黃原膠），陶氏化學(xué)（上海）有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Aseptic Filler FMa型灌裝機(jī)（西得樂(lè)機(jī)械有限公司）；PDS-2000LMSF型真空溶粉機(jī)（上海弗魯克科技發(fā)展有限公司）；DTANK型脫氣罐（上海宋泰流體控制設(shè)備有限公司）；SL01-1型高精度游標(biāo)卡尺（標(biāo)康科技有限公司）。

1.3 奶茶生產(chǎn)工藝

奶茶生產(chǎn)工藝如圖1所示。

圖1 奶茶生產(chǎn)工藝Fig.1 Milk tea production technology

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 消泡劑添加量的單因素試驗(yàn)

消泡劑的使用需符合國(guó)標(biāo)GB 2760-2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》，限定聚二甲基硅氧烷及其乳液在飲料中的最大添加量為0.05 g/kg（即50 g/t），因此設(shè)計(jì)溶粉區(qū)和調(diào)配區(qū)的消泡劑添加量：5，10，15，20，25，30，35 g/t。

1.4.2 消泡效果的評(píng)價(jià)方法

泡沫高度測(cè)量：成品奶茶灌裝后，傳出輸送帶，立即平穩(wěn)取出，使用游標(biāo)卡尺測(cè)量成品飲料的泡沫高度。高度越低，消泡效果越好。

自然消泡時(shí)間：成品奶茶正反搖動(dòng)10次后，靜止觀察，記錄自然消泡的時(shí)間。時(shí)間越短，消泡效果越佳。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加消泡劑的工藝設(shè)計(jì)

2.1.1 消泡劑的作用機(jī)理

泡沫可稱為液體中的氣體，氣體是分散相，液體是分散介質(zhì)，泡沫是氣體在液體中的分散體系。為了降低飲料灌裝過(guò)程中料液的表面張力，從而消除泡沫，消泡劑通常選用復(fù)合型乳化劑。不僅可以借助其表面活性劑間的協(xié)同效應(yīng)，還可以降低原體系中乳化劑的添加量。

消泡劑的工作機(jī)制較復(fù)雜，其作用原理如圖2所示。

圖2 消泡劑作用原理Fig.2 Action principle of defoamer

最常見(jiàn)的消泡機(jī)制是橋聯(lián)-去濕，橋聯(lián)-拉伸和擴(kuò)散流體夾帶［6］。對(duì)于聚硅氧烷系列消泡劑發(fā)揮的消泡作用，可理解為橋聯(lián)-去濕和橋聯(lián)-拉伸機(jī)制，消泡劑與泡沫薄膜表面接觸形成透鏡結(jié)構(gòu)后，產(chǎn)生橋聯(lián)-去濕作用［7］。接觸后的泡沫薄膜逐漸變薄，透鏡結(jié)構(gòu)再進(jìn)入薄膜的相對(duì)表面，使薄膜從表面脫濕。通過(guò)橋聯(lián)-拉伸作用，消泡劑泡沫薄膜表面形成乳液橋，乳液橋被水相的作用力拉伸，破壞液膜的力學(xué)穩(wěn)定性，在整個(gè)泡沫的最薄部分發(fā)生破裂，破壞穩(wěn)定的泡沫結(jié)構(gòu)［8］。消泡劑的消泡機(jī)制，一般都是通過(guò)破壞泡沫的穩(wěn)定因素實(shí)現(xiàn)［9］。

消泡劑需要有比泡沫表面活性物質(zhì)更高的活性，才能進(jìn)入到產(chǎn)生氣泡的液體中，快速地在液體氣液界面上鋪展。消泡劑的混合表面活性物層發(fā)揮消除及抑制原液中物質(zhì)結(jié)合的功效。在液體中，消泡劑消除泡沫的效果取決于其鋪展液體表面及滲透泡沫的性能，分別用鋪展系數(shù)S和滲透系數(shù)E表示，具體計(jì)算如下：

式中 σ2——奶茶的表面張力；

σ1——消泡劑的表面張力；

σ1，2——消泡劑與奶茶之間的界面張力。

當(dāng)S＜0時(shí)，沒(méi)有完全濕潤(rùn)，無(wú)法達(dá)到消泡的效果。

當(dāng)S＞0時(shí)，消泡劑依靠自身張力向液體表面鋪展。消泡劑的消泡效果與界面張力相關(guān)，界面張力越低，則消泡效果越好。消泡效果也受到消泡劑黏度的制約，黏度越低，消泡劑鋪展系數(shù)和滲透系數(shù)越高。

當(dāng)E＞0時(shí)，消泡劑可以穿透泡沫，產(chǎn)生消泡的效果。

2.1.2 消泡劑的添加量對(duì)奶茶的影響

添加消泡劑后，觀察灌裝奶茶泡沫的高度與持續(xù)時(shí)間。對(duì)比未添加消泡劑奶茶發(fā)現(xiàn)，添加消泡劑可以有效地減少泡沫的持續(xù)時(shí)間。消泡劑的添加量越大，泡沫持續(xù)的時(shí)間越短，同時(shí)降低泡沫的高度峰值。

消泡劑的添加量對(duì)泡沫高度的影響如圖3所示。

圖3 不同消泡劑添加量對(duì)奶茶泡沫高度的影響Fig.3 Variation of bubble height of milk tea with different dosage of defoamer

在溶解區(qū)添加不同量的消泡劑后，奶茶灌裝后泡沫的高度隨著消泡劑添加量的增加而降低。添加量＜15 g/t時(shí)，灌裝過(guò)程仍存在較多泡沫，泡沫高度略有降低；添加量達(dá)到20 g/t時(shí)，出現(xiàn)明顯降低；添加量＞25 g/t時(shí)，泡沫消失較快，傳送出灌裝機(jī)時(shí)，已無(wú)明顯肉眼可見(jiàn)泡沫。添加消泡劑有助于在氣泡出現(xiàn)后快速消除泡沫，降低泡沫高度，但是灌裝過(guò)程還是會(huì)產(chǎn)生少量泡沫，消泡劑的添加并未從根本上避免泡沫的產(chǎn)生。

在調(diào)配區(qū)添加不同量的消泡劑后，泡沫消除的情況與溶解區(qū)基本相同，隨消泡劑添加量的上升，泡沫逐漸減少。調(diào)配區(qū)添加消泡劑灌裝后，產(chǎn)生的泡沫高度略低于溶解區(qū)。

消泡劑的添加量對(duì)消泡時(shí)間的影響如圖4所示。成品奶茶正反搖動(dòng)10次后，觀察奶茶灌裝后泡沫的持續(xù)時(shí)間。當(dāng)消泡劑添加量＜15 g/t時(shí)，泡沫消除時(shí)間為354～408 s，調(diào)配區(qū)泡沫消除時(shí)間為342～425 s；當(dāng)消泡劑添加量＞20 g/t時(shí)，溶解區(qū)泡沫消除時(shí)間為19～161 s，調(diào)配區(qū)泡沫消除時(shí)間為15～125 s，呈明顯下降趨勢(shì)，泡沫消失較快。說(shuō)明當(dāng)消泡劑添加量＞20 g/t時(shí)，可以有效縮短泡沫消除的時(shí)間。

圖4 不同消泡劑添加量對(duì)奶茶消泡時(shí)間的影響Fig.4 Defoaming time of finished milk tea with different dosage of defoamer

2.2 添加真空溶粉機(jī)工藝設(shè)計(jì)

真空溶粉機(jī)是高效的混料單元，用于奶粉等蛋白粉類(lèi)復(fù)原及膠體分散。粉末在真空中投入液體中，罐體底部裝有高剪切攪拌設(shè)備，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的高切速度和高頻機(jī)械效應(yīng)帶來(lái)強(qiáng)勁動(dòng)能，使物料在定、轉(zhuǎn)子的間隙中受到強(qiáng)烈的機(jī)械及液力剪切、液層摩擦、撞擊撕裂和湍流等綜合作用，迅速減小液滴尺寸，使料液分散均勻，乳化穩(wěn)定，并去除物料中的空氣。真空溶粉機(jī)可以快速混料，降低料液與空氣接觸的時(shí)間，減少溶粉過(guò)程中混入多余的空氣。調(diào)整真空溶粉機(jī)指標(biāo)參數(shù)，真空度調(diào)至-0.083 MPa。但使用真空溶粉機(jī)后，從圖5可以看出，灌裝泡沫高度與未使用時(shí)對(duì)比，差異不大，無(wú)明顯改善。

圖5 使用真空溶粉機(jī)后奶茶灌裝圖Fig.5 Filling diagram of milk tea after using vacuum powder disintegrator

2.3 添加脫氣罐工藝設(shè)計(jì)

飲料生產(chǎn)過(guò)程中，奶液溶合的過(guò)程會(huì)混入空氣，將混合均勻的奶液輸入脫氣罐。脫氣罐是密閉的容器，可以使液體在低溫狀態(tài)下沸騰。液體進(jìn)入脫氣罐后旋轉(zhuǎn)1圈，可以擴(kuò)大蒸發(fā)面積，更有效地將液體中的空氣及雜味等不凝結(jié)氣體蒸發(fā)；水蒸汽遇冷凝器凝結(jié)成液體，回落到脫氣罐中，不凝結(jié)氣體通過(guò)真空泵排出。脫氣罐的使用可以消除可溶性氣泡，同時(shí)保護(hù)均質(zhì)頭，減少殺菌機(jī)結(jié)垢。脫氣罐工作時(shí)，內(nèi)部壓力一般是-0.05～-0.07 MPa，調(diào)節(jié)壓力至最小，灌裝泡沫高度與未使用脫氣罐時(shí)對(duì)比，差異不大，無(wú)明顯改善。

2.4 灌裝機(jī)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

企業(yè)生產(chǎn)的成品飲料達(dá)到商業(yè)無(wú)菌是PET無(wú)菌灌裝技術(shù)的關(guān)鍵［10］。灌裝設(shè)備是液態(tài)食品包裝生產(chǎn)線中的核心設(shè)備，灌裝充填精度與灌裝速度是整套生產(chǎn)線產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的保證。灌裝成功的必要基本條件：液體食品無(wú)菌、包裝材料無(wú)菌、環(huán)境及介質(zhì)無(wú)菌［11］。滿足成品商業(yè)無(wú)菌的情況下，才能進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)。物料中含有泡沫會(huì)降低充填精度。在灌裝過(guò)程中，出料速度較快，會(huì)引起強(qiáng)大的沖擊力，定量不準(zhǔn)確；出料速度過(guò)慢，則降低設(shè)備的運(yùn)行速度，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率較低。系統(tǒng)平穩(wěn)的進(jìn)料可以提高充填精度，需要控制灌裝時(shí)料缸出口料液的流速，以保持系統(tǒng)平衡。為了保證產(chǎn)品風(fēng)味，需要降低灌裝溫度，但灌裝溫度的降低會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品黏度上升，進(jìn)而影響閥門(mén)的關(guān)閉速度。黏度越高，閥門(mén)開(kāi)關(guān)速度越慢，因此設(shè)置料液進(jìn)出速度和充填精度需要結(jié)合料缸的容積、輸料管的結(jié)構(gòu)和內(nèi)徑等［12］。根據(jù)物料特性優(yōu)化灌裝系統(tǒng)，減少物料的黏度、密度及溫度在充填過(guò)程的波動(dòng)，能避免泡沫的產(chǎn)生。黏度高、不易產(chǎn)生泡沫的飲料進(jìn)料速度設(shè)置在1.0～1.2 m/s，易產(chǎn)生泡沫的飲料應(yīng)設(shè)置在0.8 m/s以下。電磁流量計(jì)被應(yīng)用于乳制品灌裝中，為維持良好的灌裝精度，需控制電導(dǎo)率≥20 S/m，灌裝時(shí)間≥0.5 s。灌裝時(shí)間≥1.5 s時(shí)，重復(fù)率可以降低到0.4%以下。灌裝速度在1～4 m/s時(shí)，灌裝精度可以提高到±0.25%［13］。此外，流量計(jì)閥可以調(diào)整流體速度，降低灌裝結(jié)束前產(chǎn)生的沖擊波，設(shè)置灌裝閥開(kāi)閉流量≤50 mL/s，對(duì)抑制泡沫的產(chǎn)生有良好的效果，能保證飲料的灌裝精度［14-15］。

在大氣壓力下，料液依靠自重流入包裝容器內(nèi)，使用旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)，灌裝PET瓶，完成灌裝操作。通過(guò)對(duì)奶茶產(chǎn)品特性的分析，結(jié)合灌裝設(shè)備實(shí)際情況，從以下幾個(gè)方面做出改善：（1）對(duì)灌裝系統(tǒng)進(jìn)行工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)整，維持灌裝物料的物理特性在充填過(guò)程中穩(wěn)定；調(diào)整灌裝閥開(kāi)度，利用低速氣缸控制慢灌，高速氣缸擴(kuò)大充填區(qū)扇形面積；修改慢灌速度，做梯度驗(yàn)證，總灌裝速度為4.5 s/瓶，設(shè)定慢速灌裝速度為0.45，0.9，1.35 s/瓶，觀察灌裝起泡的程度，發(fā)現(xiàn)1.35 s/瓶效果最好，因此設(shè)定慢速灌裝速度為1.35 s/瓶；（2）控制灌裝壓力，重點(diǎn)是控制背壓，將背壓從0.5 MPa調(diào)整至0.6 MPa；（3）對(duì)每圈設(shè)備出現(xiàn)卡瓶、不灌裝等問(wèn)題的灌裝閥做統(tǒng)計(jì)，調(diào)整出現(xiàn)重復(fù)問(wèn)題的閥門(mén)，優(yōu)化灌裝閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的灌裝閥逐個(gè)調(diào)試。

調(diào)整后，灌裝速度從原40 000瓶/h提升至48 000瓶/h，灌裝500 mL所需時(shí)間為3.75 s，灌裝角度從180 °增加至200 °。如圖6所示，灌裝工藝的調(diào)整有效減少奶茶料液的損失，提升奶茶的產(chǎn)量，極大地減少灌裝控制不當(dāng)引起的產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)灌裝閥改善前后對(duì)比，發(fā)現(xiàn)灌裝過(guò)程中的泡沫明顯減少。

圖6 灌裝機(jī)調(diào)整灌裝狀態(tài)對(duì)比Fig.6 Comparison of filling state adjusted by filling machine

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析奶茶灌裝過(guò)程產(chǎn)生泡沫的原因，在溶粉區(qū)、調(diào)配區(qū)添加不同量的消泡劑后，泡沫消除的趨勢(shì)基本相同。當(dāng)添加量達(dá)到20 g/t時(shí)，泡沫明顯減少，傳送出灌裝機(jī)時(shí)已無(wú)明顯肉眼可見(jiàn)泡沫，說(shuō)明添加消泡劑有助于快速消除泡沫，降低泡沫高度峰值。但是灌裝過(guò)程中還是會(huì)出現(xiàn)少量泡沫溢出瓶口，造成料液的損失和微生物問(wèn)題，并沒(méi)有從根本上避免泡沫的產(chǎn)生。

在飲料的生產(chǎn)過(guò)程中，使用真空溶粉機(jī)、脫氣罐脫出空氣，以減少泡沫的產(chǎn)生。但真空溶粉機(jī)、脫氣罐使用后，灌裝泡沫高度與未使用時(shí)對(duì)比，差異不大，無(wú)明顯改善。對(duì)灌裝單元進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整灌裝閥開(kāi)度，控制灌裝壓力和背壓，改善了灌裝過(guò)程中料液的沖擊力造成的氣泡溢出。因此，灌裝機(jī)的工藝優(yōu)化及參數(shù)調(diào)整與消泡劑的結(jié)合使用，可以有效降低奶茶灌裝過(guò)程產(chǎn)生的泡沫，提升奶茶的產(chǎn)量，極大減少灌裝控制不當(dāng)所引起的產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。