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

摘 要：含二氧化碳醋飲料灌裝工序是飲料加工工藝流程中的重要環(huán)節(jié)之一，混合灌注的效率會(huì)直接影響飲料的品質(zhì)、產(chǎn)能、效率、成本等。本文對(duì)含汽醋飲料混合灌注生產(chǎn)工藝進(jìn)行研究，在現(xiàn)有混合灌注生產(chǎn)工藝中增加混合料液緩沖罐、熱交換冷媒開閥與混合料液的溫度進(jìn)行自動(dòng)化聯(lián)動(dòng)控制改造，增加灌注后二次補(bǔ)溫裝置，并使其與酒缸溫度檢測(cè)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，在混合緩沖罐安裝低液位探頭與止罐器進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制等設(shè)備改造創(chuàng)新，解決含汽醋飲料灌注過程中生產(chǎn)效率偏低、含氣量不穩(wěn)定和料液因溫度升高無法正常灌注等問題。結(jié)果表明，經(jīng)改造后，產(chǎn)品中二氧化碳含量的穩(wěn)定性、混合灌注的溫度、產(chǎn)品的品質(zhì)、生產(chǎn)灌注效率均得到提高，實(shí)現(xiàn)了品質(zhì)提升、效率提高及生產(chǎn)能耗降低的目的。

關(guān)鍵詞：汽醋飲料;混合灌注;自動(dòng)化控制;二氧化碳;穩(wěn)定性

Study on Carbon Dioxide Stability Control of Mixed Infusion of Steam Vinegar Beverage

FENG Xuehong， SU Bing， WU Yeting， ZHU Huanzong， CAI Weiyuan

（Tian Di No.1 Beverage Inc.， Jiangmen 529000， China）

Abstract： The filling process of vinegar beverage containing carbon dioxide is one of the important links in the beverage processing process. The efficiency of mixed filling will directly affect the quality， production capacity， efficiency and cost of the beverage. In this paper， the mixed filling production process of steam vinegar beverage is studied. In the existing mixed filling production process， the buffer tank of mixture liquid， the opening valve of heat exchange refrigerant and the temperature of mixture liquid are added for automatic linkage control transformation， and the secondary temperature supplement device after filling is added for linkage control with the temperature detection of wine jar， The low liquid level probe and can stopper are installed in the mixing buffer tank to carry out equipment transformation and innovation such as linkage control， so as to solve the problems of low production efficiency， unstable gas content and abnormal filling of feed liquid due to temperature rise. The results show that after the transformation， the stability of carbon dioxide content in the product， mixed pouring temperature， product quality and production pouring efficiency are improved， and the objectives of quality improvement， efficiency improvement and production energy consumption reduction are realized.

Keywords： sparkling vinegar beverage; mixed perfusion; automatic control; carbon dioxide; stability

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)?；嘧⑸a(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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

參考文獻(xiàn)

[1]于群，牛翠翠，張存智.淺談果醋飲料生產(chǎn)工藝及發(fā)展前景[J].現(xiàn)代食品，2019（22）：60-62.

[2]李曦，陳倩，唐偉，等.蘋果醋飲料中的有機(jī)酸分析[J].分析與檢測(cè)，2017，43（2）：220-224.

[3]李贊.L-蘋果酸對(duì)吉富羅非魚胃腸道結(jié)構(gòu)功能及肝臟TCA循環(huán)效率的影響[D].重慶：西南大學(xué)，2014.

[4]宋芝強(qiáng).蘋果醋市場(chǎng)狀況分析及發(fā)展前景[J].飲料工業(yè)，2002（5）：4-6.

[5]LESJAK M，BEARA I，SIMIN N，et al.Antioxidant and anti-inflammatory activities of quercetin and its derivatives[J].Journal of Functional Foods，2018，40：68-75.

[6]董玉新，郭德智.果醋開發(fā)及果醋工藝研究[J].中國(guó)釀造，2000（2）：25-27.