局部塊冰式兩級冷凍濃縮制備高濃度蘋果醋

李湘勤 - 鐘瑞敏 - 門戈陽 - 單 斌 廖彩虎AO -鐘平娟 - 吳藍潔 - 黃鉆元 -

(1. 韶關學院物理與機電工程學院，廣東 韶關 512005；2. 韶關學院英東食品科學與工程學院，廣東 韶關 512005；3. 南昌大學食品科學與技術(shù)國家重點實驗室，江西 南昌 330000)

冷凍濃縮是根據(jù)水與冰之間兩相固液平衡原理，將料液中的水分以冰晶形式分離出來的一種在常壓和冰點溫度下操作的低溫濃縮過程，特別適用于濃縮熱敏性液體食品和其他避免芳香成分損失的產(chǎn)品[1]。與膜濃縮分離操作相比，冷凍濃縮幾乎避免了微生物對料液的影響，而且能量消耗僅為蒸發(fā)濃縮的1/3～1/6，是一種低能耗的濃縮方法[2]。根據(jù)料液中冰核形成和去除方式的不同，冷凍濃縮可分為懸浮式和漸進式兩大技術(shù)體系[3]。漸進式濃縮裝置結(jié)構(gòu)相對簡單，操作方便，冰晶在結(jié)晶罐中形成片狀或環(huán)狀，與濃縮液較易分離，同時可減少因冰晶夾帶引起的溶液損失，該技術(shù)已成為國內(nèi)外低溫濃縮研究的重要發(fā)展方向，并演化出多種漸進式濃縮設備，如管式、局部塊冰式、整體塊冰式等，并在果汁[4-5]、咖啡[6-7]、牛奶[8]、生物制藥[9]、海水淡化[10]等領域有廣泛的應用。

蘋果醋是眾多果醋中產(chǎn)量最大的品種[11]，但受蘋果原汁總糖含量及工業(yè)醋酸菌耐受酒精度的雙重影響，醋酸含量一般為5%左右，水分占了絕大部分，因此在運輸、貯存過程中不僅要投入大量包裝容器和倉庫容積，運輸成本較高。若實現(xiàn)蘋果醋濃縮后貯運，則可大大降低成本，為企業(yè)帶來顯著經(jīng)濟效應。蘋果醋是典型的熱敏性物料，若采用蒸發(fā)濃縮則會損失大量芳香成分，根據(jù)前期試驗發(fā)現(xiàn)，反滲透等膜濃縮技術(shù)并不適用于濃縮蘋果醋中分子量較小的醋酸。目前，國內(nèi)外有關蘋果醋冷凍濃縮的研究報道十分匱乏，試驗擬采用自行設計的50 L漸進式局部塊冰冷凍濃縮設備將初始可溶性固形物為5.0 °Brix 蘋果醋原液濃縮5倍至25.0 °Brix，通過調(diào)節(jié)冷媒溫度、攪拌速度，同時綜合考慮耗電量等因素選取最優(yōu)濃縮條件，對比一次性濃縮與兩級濃縮效果及原醋、一級濃縮液、二級濃縮液及各級夾帶芳香物質(zhì)變化，旨在為該濃縮設備的改進和濃縮飲料工業(yè)化生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蘋果醋：可溶性固形物為5.0 °Brix，廣東某飲料公司；

氯化鈉：AR級，臺山市粵僑化工廠；

叔丁醇：色譜純，99.5%，天津市康科德科技有限公司。

1.2 儀器設備

漸進式局部塊冰冷凍濃縮裝置(見圖1)：韶關學院廣東高?；洷碧厣称饭こ碳夹g(shù)開發(fā)中心自行設計；

高精度折光儀：RX-5000α型，日本ATAGO公司；

固相微萃取頭：50/30 μm DVB/CAR/PDMS 57328-U型，美國SUPELCO公司；

氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀：QP-5000型，日本島津公司。

1. 溫度檢測 2. 融冰水出口 3. 熱電偶線 4. 冰塊溶解液漏出孔 5. 融冰水進口 6. 冷媒釋放口 7. 濃縮液出口

圖1 漸進式局部塊冰冷凍濃縮裝置

Figure 1 Partial block-freeze concentration apparatus of progressive

1.3 試驗方法

1.3.1 蘋果醋冷凍濃縮工藝流程

取初始溫度0 ℃，可溶性固形物為5.0 °Brix的料液50 kg泵入濃縮結(jié)晶罐中進行分級濃縮，一級濃縮2.5倍至12.5 °Brix時結(jié)束，收集濃縮液50 kg進行二級濃縮至目標濃度25.0 °Brix，結(jié)束濃縮，收集濃縮液，轉(zhuǎn)為解凍階段，每批次濃縮做兩次平行，每小時取樣測定濃度及芳香成分。待冰環(huán)完全解凍，收集夾帶液，各級夾帶液同樣進行濃縮回收處理。

蘋果醋夾帶回收濃縮：冷媒溫度-8 ℃，保持1 h后冷媒溫度調(diào)至-14 ℃，開啟攪拌900 r/min。

1.3.2 蘋果醋一級、二級冷凍濃縮操作

(1) 濃縮前期：前期試驗表明若一開始就攪拌，結(jié)晶罐中易出現(xiàn)無法附著在罐壁形成冰環(huán)的大量冰沙，因此一級濃縮(FC1)料液在正式濃縮前試驗在-8，-10，-12，-14，-16 ℃下，二級濃縮(FC2)在-14，-16，-18 ℃條件下，不開攪拌進行靜置降溫，綜合時間及冰晶純度選擇最佳靜置降溫溫度及時間。

(2) 濃縮后期：改變冷媒溫度和攪拌速度，綜合時間、耗電量、濃縮液質(zhì)量、夾帶液濃度與質(zhì)量等因素，得到一級濃縮最佳冷媒溫度和攪拌速度。由于二級濃縮料液濃度較高，故在最大攪拌速度900 r/min下選擇最佳冷媒溫度，記錄總耗電量，同時每隔1 h測定料液可溶性固形物含量及芳香成分，記錄濃縮結(jié)束所用時間。

1.3.3 蘋果醋可溶性固形物含量測定 采用高精度折光儀測定。

1.3.4 芳香物質(zhì)測定

(1) 固相微萃取將各級濃縮樣品分別用蒸餾水稀釋復原至原醋濃度，夾帶液原濃度不作處理各精密移取5 mL，在15 mL頂空瓶中加入0.1 mL叔丁醇作為內(nèi)標物質(zhì)，1 g NaCl，在50 ℃條件下平衡10 min，固相微萃取頭插入頂空瓶中萃取40 min。

(2) 色譜條件：根據(jù)文獻[12]修改如下，選擇Rxi-5SilMS(30 m×0.25 mm，0.25 μm)石英毛細管柱，進樣口溫度250 ℃，傳輸線230 ℃，載氣He，流量控制方式為線速度，流速1 mL/min，分流進樣，分流比10∶1。

(3) 質(zhì)譜條件：根據(jù)文獻[12]修改如下，電離方式E1，離子源溫度250 ℃，質(zhì)量掃描范圍35～450 amu，間隔時間0.3 s，發(fā)射電流100 μA，檢測電壓0.91 kV。

1.4 數(shù)據(jù)處理

蘋果醋冷凍濃縮過程數(shù)據(jù)采用Origin 7.5軟件繪制成圖，芳香物質(zhì)采用通過隨機自帶的NIST14S.lib質(zhì)譜庫進行檢索鑒定，以叔丁醇為內(nèi)標物質(zhì)，各芳香物質(zhì)含量采用峰面積歸一化法和內(nèi)標含量計算結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘋果醋一級濃縮

冷凍濃縮初期先設定-10 ℃靜置凍結(jié)3 h，待形成較堅硬致密的冰層后，再開啟攪拌。由表1及圖2可知，隨著冷凍濃縮的進行，蘋果醋濃度在逐漸增加，同時冰晶也在生長，隨著濃縮的進行產(chǎn)生的冰晶將溶質(zhì)分子包裹在其中，形成所謂的夾帶。若要得到高濃度濃縮液，低濃度夾帶液，控制料液的降溫速率和攪拌速度非常關鍵[13-14]。當轉(zhuǎn)速為600 r/min時，溫度越高，凍結(jié)越慢，溫度越低，凍結(jié)越快，達到目標濃度所用時間也越短。但溫度過低，如在-20 ℃時夾帶液質(zhì)量和濃度都相對較高，在-16 ℃條件下凍結(jié)得到的濃縮液質(zhì)量則相對要多，夾帶液濃度也較低。這是因為溫度越低，料液釋放潛熱需要的面積越大，導致濃縮罐內(nèi)的冰晶以樹枝狀方式生長，并在主枝干上產(chǎn)生越來越多的分枝，各級分枝的末端間隙又可以很容易地包裹住溶質(zhì)分子[15]，并且冰晶周圍的溶質(zhì)分子沒有足夠的時間擴散到主體溶液中，使溶質(zhì)被冰晶裹挾在其中，所以凍結(jié)溫度不宜過高也不宜過低。

在相同凍結(jié)溫度(-16 ℃)時，900 r/min條件下得到的濃縮液質(zhì)量要大于600 r/min的，600 r/min的要大于300 r/min的，夾帶液則相反。在300 r/min的攪拌速度下，不僅時間和耗電量增加，而且目標濃縮液質(zhì)量較少，夾帶液濃度也較高。這是因為增加攪拌速度，可加快主體料液溫度的降低和溶液濃度的增加，但是隨著冷凍濃縮的進行，料液逐漸被濃縮，在液膜界面附近的溶液濃度越來越高，使得大量料液中的水分子向晶體的遷移變得困難，影響夾帶晶體生長。攪拌速度越高傳質(zhì)效果越好，越有利于晶體形成過程中產(chǎn)生的相變熱傳遞到主體溶液中，并且料液體系不會產(chǎn)生持續(xù)過冷現(xiàn)象，有利于減小濃差極化現(xiàn)象，加快主體溶液與冷媒間的傳熱效率[16-19]。但隨著濃縮的進行夾帶冰環(huán)的厚度增加，傳熱效率下降，則濃度增加開始變平緩。

綜上可得，50.00 kg初始可溶性固形物含量為5.0 °Brix的蘋果醋一級冷凍濃縮最佳條件為：冷媒溫度-10 ℃靜置保持3 h后下調(diào)冷媒溫度至-16 ℃，攪拌速度900 r/min。21 h后得到12.5 °Brix的一級濃縮液14.74 kg，夾帶冰環(huán)溶解后得到1.9 °Brix的一級夾帶液34.47 kg，耗電量為72 kW·h。

2.2 蘋果醋二級冷凍濃縮

前期多次試驗發(fā)現(xiàn)，-16 ℃靜置4 h有利于蘋果醋二級濃縮后期冰晶附著生長。由圖3可以看出，二級濃縮后期在一定范圍內(nèi)，凍結(jié)溫度越低，物料濃度增加越大，在不同冷媒溫度下，濃度增加趨勢基本相同，且隨著濃縮的進行，物料濃度的增加均趨于平緩。增加攪拌速度可以消除濃差極化現(xiàn)象，二級濃縮的初始濃度大于一級濃縮，料液黏度增加，水分擴散系數(shù)變小，不利于主體溶液中的水分向冰晶表面轉(zhuǎn)移，同時冰晶附近的溶質(zhì)難以擴散到主體溶液中，溶液中的水和溶質(zhì)難以分離，所以在設備最大攪拌速度900 r/min下，選擇不同冷媒溫度進行降溫濃縮。由圖3還可以看出，在12.5 °Brix的料液濃度下結(jié)合冷凍濃縮機組可達冷媒溫度下限(-24 ℃)，說明-24 ℃溫度下省時省電，且可相對較多地得到目標濃縮液，夾帶液濃度也較低。-20，-22 ℃下的冷媒溫度在濃縮后期產(chǎn)生的溫差動力可能不足以提供料液足夠的冷量，推動濃縮繼續(xù)進行導致獲得的目標濃縮液較少，夾帶較大，后期可改進冷凍濃縮機組可達的溫度下限，提高濃縮效率。

表1 一級濃縮結(jié)果

圖2 不同凍結(jié)條件下蘋果醋濃度的變化

由表2可知，初始可溶性固形物含量為12.5 °Brix的蘋果醋二級濃縮最佳工藝條件如下：第一階段冷媒溫度-16 ℃保持4 h，第二階段冷媒溫度由-16 ℃下調(diào)為-24 ℃，攪拌速度為900 r/min。28 h后得到25.0 °Brix的二級濃縮液15.11 kg，夾帶冰環(huán)溶解后得到6.7 °Brix的二級夾帶液32.81 kg，耗電量為135 kW·h。

圖3 900 r/min條件下冷媒溫度對蘋果醋濃度的影響

表2 二級濃縮結(jié)果

2.3 蘋果醋一次性冷凍濃縮與兩級濃縮對比結(jié)果

從圖4可以看出，在攪拌速度同為600 r/min的前21 h，兩種方式的物料濃度變化趨勢基本相同，之后一次性濃縮攪拌速度增大為二級濃縮的轉(zhuǎn)速，其降溫速率明顯趨于平緩，濃度變化也逐漸變小，而兩級濃縮中二級濃縮料液降溫速率和濃度變化增大，最終得到目標濃度液所需時間也明顯低于一次性濃縮，質(zhì)量也大于一次性濃縮。這是因為一次性濃縮后期生成的冰環(huán)逐漸變厚，傳熱系數(shù)變小，結(jié)冰速率降低，充分說明在冷凍濃縮過程中冰環(huán)厚度的增加明顯降低了冷媒冷量的傳遞，而分級濃縮則可以有效解決因冰環(huán)增厚帶來的濃縮效率降低的問題，大大提高了生產(chǎn)效率。

通過試驗可知，冷凍濃縮特別是分級進行濃縮對于蘋果醋有較好的效果，而在濃縮后期或濃縮高濃度低冰點的料液時，設備則需要能提供更低的冷媒溫度，但自主研發(fā)的設備仍屬前期探索中，在冷媒溫度下限，料液各部位溫度探測點配備，溫度探頭精密度等方面都需要進一步完善?；谇捌谔O果醋料液各濃度冰點測定已完成，最佳的濃縮過程即為根據(jù)料液濃度的變化動態(tài)來改變冷媒溫度，保持與料液合理的溫度差進行濃縮，將是進一步探索的方向。

兩級濃縮曲線中的拐點為二級濃縮降溫點

Figure 4 Changes of concentration of apple cider vinegar during one-time concentration and two-stage concentration

2.4 蘋果醋夾帶回收濃縮

一級夾帶濃度低，僅回收即可，條件為：第一階段-8 ℃維持1 h，然后將冷媒溫度調(diào)至-14 ℃，攪拌速度900 r/min，經(jīng)30 h后可以得到可溶性固形物含量為6.9 °Brix 的回收液7.51 kg，可溶性固形物含量為0.1 °Brix 的終極夾帶液21.66 kg，耗電量99 kW·h。

2.5 蘋果醋濃縮液及夾帶液芳香成分分析

通過比較和分析不同蘋果醋樣品中芳香物質(zhì)變化，可以評價冷凍濃縮對蘋果醋質(zhì)量的影響。將蘋果原醋(5.0 °Brix)、蘋果醋一級濃縮復原液(5.0 °Brix)、蘋果醋二級濃縮復原液(5.0 °Brix)、二級夾帶(6.7 °Brix)、一級夾帶(1.9 °Brix)、夾帶回收液(6.9 °Brix)以及終極夾帶(0.1 °Brix)等樣品進行芳香物質(zhì)的GC-MS比較分析。經(jīng)測定，蘋果原醋主要有14種芳香物質(zhì)，包括6種酯類、2種醇類、2種醛類、2種酸類、2種酚類。其中含量相對較高的特征組分有苯甲醛、辛酸、4-乙苯酸-2-丁基酯、苯乙醇、乙酸苯乙酯等，其他芳香物質(zhì)成分含量較低[20]。蘋果原醋經(jīng)過一級濃縮后芳香成分保留率為80.23%，二級濃縮芳香成分保留率為87.73%，總保留率為70.39%，二級夾帶及夾帶回收液由于其濃度較高仍保留大量芳香物質(zhì)，可回收與原液混合進行循環(huán)濃縮利用。終極夾帶因其質(zhì)量濃度較低僅0.10%，且芳香成分僅占2.61%，可舍棄。因此蘋果醋兩級濃縮后芳香成分總損失率即終極夾帶液中的芳香成分僅為2.61%。

表3 蘋果醋冷凍濃縮前后及其夾帶芳香物質(zhì)含量變化

3 結(jié)論

50.00 kg初始可溶性固形物含量為5.0 °Brix的蘋果原醋，一級冷凍濃縮最佳工藝條件為：冷媒溫度-10 ℃保持3 h后下調(diào)冷媒溫度至-16 ℃，攪拌速度900 r/min。21 h后得到12.5 °Brix的一級濃縮液14.74 kg，夾帶冰環(huán)溶解后得到1.9 °Brix的一級夾帶液34.47 kg，耗電量為72 kW·h。50.00 kg初始可溶性固形物含量為12.5 °Brix 的蘋果醋二級濃縮最佳工藝條件為：冷媒溫度-16 ℃保持4 h后下調(diào)冷媒溫度至-24 ℃，攪拌速度為900 r/min。28 h后得到25.0 °Brix的二級濃縮液15.11 kg，夾帶冰環(huán)溶解后得到6.7 °Brix的二級夾帶液32.81 kg，耗電量為135 kW·h。蘋果原醋經(jīng)過一級濃縮后芳香成分保留率為80.23%，二級濃縮芳香成分保留率為87.73%，總保留率為70.39%，終極夾帶質(zhì)量濃度較低僅0.10%，且芳香成分僅占2.61%。后續(xù)可改進試驗所用設備對蘋果醋進行三級及以上濃縮。