含汽醋飲料混合灌注二氧化碳穩(wěn)定性控制的研究

馮雪紅，蘇 兵，吳業(yè)庭，朱煥宗，蔡偉源

（天地壹號飲料股份有限公司，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，但同歐美日韓等發(fā)達(dá)國家相比還處于前期發(fā)展階段。中國醋飲料使用的食醋量僅占全國食醋總產(chǎn)量的2%左右，而美國、加拿大、英國等發(fā)達(dá)國家占比都在10%以上[1]。據(jù)智研咨詢發(fā)布《2017-2022年中國蘋果醋市場運(yùn)行態(tài)勢及投資戰(zhàn)略研究報(bào)告》，2015年中國醋飲料市場規(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。

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)相對較高。二氧化碳在低溫下穩(wěn)定性相對較好，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，否則會出現(xiàn)停機(jī)結(jié)冰現(xiàn)象。

因此，醋飲料含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)及其冰點(diǎn)相對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)，飲料溫度就會升高，影響二氧化碳的溶解度，并且飲料在灌裝過程會不穩(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）增加灌注流程自動化的溫度檢測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改造為自動化聯(lián)動控制（圖2）；在混合緩沖罐新增低液位探頭與止罐器進(jìn)行聯(lián)動等設(shè)備創(chuàng)新和改造（圖3），設(shè)備改造后開展調(diào)試，測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)檢測灌裝機(jī)酒缸的溫度大于設(shè)置的溫度時(shí)，自動停止灌注，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)料液溫度檢測滿足灌裝溫度時(shí)，啟動灌注[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調(diào)節(jié)閥與混合后料液溫度檢測探頭進(jìn)行自動化聯(lián)動控制，從而實(shí)現(xiàn)了根據(jù)混合后料液檢測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，當(dāng)緩沖缸料液液位低于該探頭時(shí)，自動停止送罐，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)償測試

產(chǎn)線改造后，開展混合料液大于灌注設(shè)置溫度測試，收集測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)灌注溫度檢測到料液溫度大于10 ℃時(shí)，料液通過酒缸回流閥自動回流到溫度二次補(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)償測試

4.3 冷媒自動化控制后的混合和灌注溫度的測試

產(chǎn)線冷媒閥門由人工手動改造為自動化聯(lián)動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)線測試，測試溫度提高后，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（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（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

通過開展以上測試測試及表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，采取對應(yīng)的泄壓時(shí)間實(shí)現(xiàn)了對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；通過冷媒開閥自動化聯(lián)動控制，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。