Transcript 软饮料加工工艺
第七章 软饮料加工工艺 一、软饮料的分类及水处理 二、碳酸饮料加工工艺 三、果蔬汁加工工艺 一、软饮料的分类及水处理 1 软饮料的概念及分类 概念：乙醇含量在0.5%以下的饮用品。 分类（以使用原料产品形态及作用分）： ①碳酸饮料 ⑥瓶装饮水 ②果汁（浆）及果汁饮料 ⑦茶饮料 ③蔬菜汁饮料 ⑧固体饮料 ④含乳饮料 ⑨特殊用途料 ⑤植物蛋白饮料 ⑩其他饮料 2 饮料用水及处理方法 水的硬度：水中离子沉淀肥皂的能力，一般指水中 Ca2+、Mg2+盐类的含量。 水的碱度：天然水中能与H+结合的OH-、CO3-和 HCO3-的含量。 天然水中通常仅存在HCO3-。 3 分离过程综述 混合物：均相混合物和非均相混合物 分离方法： 非均相混合物：水力学方法， 如过滤、沉降、离心分离等 均相混合物：引入或产生另一相后再分离， 如蒸馏、吸收、萃取、膜分离等 平衡分离过程：以相际平衡为基础的分离 速率分离过程：以扩散速率为基础的分离 三种压差推动的液相膜分离过程的分离范围 分离过程分类 过程 分离剂 分离机理 蒸发 热能 挥发度差 蒸馏 热能 挥发度差 固体干燥 热能 水的汽化 吸收 吸收剂 溶解度差 萃取 萃取剂 溶解度差 浸取 容积 溶解度差 吸附 吸附剂 吸附能力差 渗析 膜、溶剂 通过膜的速度差 电渗析 离交膜、电场 电场下迁移速度差 气体渗透 膜、压力梯度 迁移速度差 反渗透 膜、压力梯度 通过膜的速度差 超滤 膜、压力梯度 渗透能力差 离子交换 离子交换树脂 质量作用定律 常见的膜分离过程 （1）渗析（Dialysis） （2）气体渗透（Gas Permeation） （3）电渗析（Electrodialysis） （4）微滤（Microfiltration） （5）超滤（Ultrafiltration） （6）纳滤（Nanofiltration） （7）反渗透（Reverse Osmosis） （8）渗透汽化（Pervaporation） 膜的性能 （1）化学稳定性； （2）耐热性； （3）机械强度； （4）耐生物降解的性能。 多孔陶瓷微滤膜 对微滤膜： 表面孔径、孔径分布、孔的百分率、水通量 对超滤膜： MWCO、孔的百分率、水通量、溶质截留率 对反渗透膜： 纯水渗透系数、溶质渗透系数、反映系数、脱盐 率 对荷电膜： 含水率、交换容量、膜电阻、膜电位 纯水制备 几种分离单元操作对杂质的去除效果 离子交换 反渗透 吸附 过滤 超滤 蒸馏 离子 可溶气体 很好 很好 好 不好 不好 不好 不好 不好 不好 不好 很好 不好 可溶有机物 不好 好 好 不好 好 好 粒子 细菌 热原 不好 不好 不好 很好 很好 很好 不好 不好 不好 很好 不好 不好 很好 很好 很好 很好 很好 很好 电渗析(ED) 电渗析：在直流电场作用下，电解质溶液中的离子选择 性地通过离子交换膜，从而得到分离的过程。 电渗析中的主要传递过程——反离子的迁移。 电渗析过程的特点 （1）能耗低； （2）装置使用灵活，维修方便； （3）装置使用寿命长； （4）整个过程无污染物排放，属于清洁生产过程； （5）用于水的脱盐时，原水的回收率高。 离子交换膜 （1）非均相离子交换膜 （2）均相离子交换膜 （3）半均相离子交换膜 对离子交换膜的要求： （1）有良好的选择透过性； （2）膜电阻低； （3）有足够的化学稳定性和机械强度；（4）有适当的孔隙度。 微滤(MF) 分离范围：MF：0.1～50 μm UF：MWCO5000～100000 微滤膜的孔径：集中在0.1～0.2 μm 微滤所用的膜 有机膜：纤维素、再生纤维素、聚氯乙烯、聚酰胺、 聚四氟乙烯（PTFE）、聚丙烯（PP） 无机膜：氧化铝、氧化锆、不锈钢、碳纤维等 超滤(UF) 超滤所用的膜 一般是不对称膜或复合膜 有机膜：聚丙烯（PP）、聚四氟乙烯（PTFE）、纤 维素酯、聚酰胺、聚砜（PS）、聚偏氟 乙烯（PVDF）等 • 无机膜：氧化铝、氧化锆、不锈钢、碳纤维等 超滤操作 超滤的操作方式 单级间歇操作 超滤的操作特点： 过滤机理：筛分 过滤温度：取决于膜和物料的耐热性 过滤方式：切向过滤 过滤压差：比常规过滤高 提高通量的措施： 反渗透 • 渗透压与反渗透现象 反渗透原理 微滤、超滤和反渗透的比较 微滤 超滤 分离物质 粒径大于 相对分子质量 0.1 μm的粒子 大于500的分子 分离机理 筛分 筛分 膜的结构 多孔膜、 不对称膜、 不对称膜、 复合膜 复合膜 压差范围/Mpa 0.01～0.2 0.1～0.5 水通量/(L/m2h) 约1000 20～200 反渗透 相对分子质量 小于500的分子 扩散 不对称膜、 复合膜 2～10 4～10 反渗透所用的膜 纤维素膜 （1）离子电荷越大，脱除越容易； （2）硝酸盐、高氯酸盐、氰化物、硫氰酸盐、氯化 物、铵盐、苯基化合物均不易脱除； （3）低分子量非电解质不易脱除； （4）有机物脱除：醛>醇>胺>酸，叔>异>仲>伯 （5）25℃时每升温1℃，渗透通量增加3%。 聚酰氨膜 （1）透水性和脱盐率均较好； （2）机械强度高； （3）耐高温，耐压密； （4）pH范围较宽 （5）对游离氯敏感。 混凝和过滤 混凝 目的：添加混凝剂，中和胶体颗粒表面的电 荷，破坏胶体稳定性，促使小颗粒互 相聚合成大颗粒而下沉。 水处理中常用的混凝剂铝盐和铁盐 明矾[KAl(SO4)2]2·4H2O 用量：0.001%~0.02% 硫酸铝Al2(SO4)3·18H2O要求pH近中性 有效剂量：20~100mg/L 聚合氯化铝（PAC）效果好 用量：0.005%~0.01% 铁盐（FeSO4·7H2O）最常用 FeSO4+Ca(HCO3)2→Fe(OH)2+CaSO4+2CO2↑ 4Fe(OH)2+2HO+O →4Fe(OH)3 Fe2(SO4)3+3Ca(HCO3)2→2Fe(OH)2+3CaSO4+6CO2↑ 结合石灰处理： Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2O 助滤剂 过滤 ①砂滤 过滤原理：原水通过粒状（滤料）介质层时，其中 一些悬浮物和胶体物被截留在孔隙中或介质表面。 过滤过程是综合的过程：阻力截留、重力沉降和接 触凝聚。 过滤的工艺过程：过滤与冲洗 ②其他过滤器 砂滤棒过滤器适用于水质较好的情况 微孔膜过滤器（高分子材料的滤膜） 活性炭过滤器 石灰软化 电渗析 原理：通过具有选择透性和良好导电性的离子交换 膜，在外加直流电场作用下，根据异性相吸、同性 相斥原理，使原水中的离子分别透过阴离子和阳离 子交换膜，从而降低水中溶解的固形物，达到净化 的目的。 常用于海水和咸水淡化。 结垢与去垢方法 倒换电极 3~8h 定期酸洗 浓度1%~2%的HCl/2~3h→pH3~4 碱洗 有机杂质污染阴膜 0.1mol NaOH 反渗透 渗透与反渗透 反渗透与超滤 反渗透（RO）、超滤（UF）和微滤（MF）都是以压 力差为推动力的膜分离过程，它们没有本质区别， 只是不同的渗透膜截留物质的相对分子量不同。 超 滤 膜 反渗透膜 膜的种类： 醋酸纤维素膜（CA膜） 芳香聚酰胺膜 高分子电解质膜 无机质膜及其他 反渗透膜 膜的主要参数 ①透水率单位时间通过膜面积的水的体积流量，单 位：cm3/(cm2.s)，最常用cm3/(cm2.h) ②透盐率盐通过膜的速率，与压力无关。透盐率小 好。 评价膜分离性能最常用的指标是脱盐率，其含义与 透盐率相反（溶质截留百分率）。 ③抗压实性操作压力和温度引起压实系数m越小越好， 反渗透膜要求m≯0.03。 2.4.4 反渗透装置及流程 装置：膜组件和泵，反渗透膜组件形式：板 框式、管式、螺旋式和中空纤维式 二 级 反 渗 透 装 置 2.5 离子交换 离子交换剂主要有： 矿物质离子交换剂 碳质离子交换剂 有机合成离子交换树脂 2.5.1 离子交换树脂软化水的原理 RSO3-· H++ Na+ →RSO3Na+ H+ R≡ N+OH-+ Cl-→R≡NCl+ OH- 2.5.2 离子交换树脂的分类与性能 分类：强酸性、弱酸性、强碱性、弱碱性 性能：密度、含水率、溶胀性、机械强度、耐热性 酸性、碱性、选择性和交换容量。 离子交换树脂的选择原则 选择大容量、高强度树脂 同类型树脂中，弱 型比强型的交换容量大，但机械强度差 根据原水中需除去离子的种类选择 吸附性较强的离子（Ca2+、Mg2+），弱酸 性或弱碱性树脂 吸附性较弱的离子(K+、Na+、HCO3、HSiO3-)，强 酸性或强碱性树脂 离子交换水处理装置 固定床 连续床 单级离子交换器（单床） 多级（多床） 固定床复合（复床） 混合（混合床） 双层（双层床） 移动床 流动床 离子交换树脂的处理、转型及再生 （1）新树脂的处理及转型 阳树脂由Na型→H型（水浸泡→等量7%HCl浸泡1h→水洗至 pH3~4→等量8%NaOH浸泡1h→水洗至pH8~9→3~5倍7%HCl浸泡 2h） 阴树脂由Cl型→OH型（水浸泡→等量7%NaOH浸泡1h→水洗至 pH3~4→等量8%HCl浸泡1h→水洗至pH8~9→3~5倍7%NaOH浸泡 2h） （2）离子交换树脂的再生 老化树脂再生机理：水处理的逆反应 阳树脂：反冲→树脂质量2~3倍的5%~7%HCl→去离子 水至pH3.0~4.0 阴树脂：反冲→树脂质量2~3倍的5%~8%NaOH→去离 子水洗至pH8.0~9.0 再生液适当加温（≯50℃）效果更好。 水的消毒 消毒的方法：氯消毒、紫外线消毒、 臭氧消毒 氯消毒利用次氯酸(HOCl)的强氧化作用破坏微生 物的酶系统。常用的氯消毒法：氯胺、漂白粉、次 氯酸钠和二氧化氯 Cl2+H2O ƒ HOCl+H+ClHOCl ƒ H++OCl- • 紫外线消毒利用营养细胞中的蛋白质和核酸吸 收紫外光谱的能量，导致蛋白变性，使微生物死 亡。波长200~295nm，装置：低压灯管 • 臭氧消毒利用臭氧分解产生的原子氧（强氧化 剂）与水中的细菌及其他微生物或有机物作用， 使其失活。 臭氧的发生：3O2 →2O3 -148kJ/mol 臭氧不稳定，需随时制取当场应用 臭氧的加注装置：喷射法 臭氧的杀菌作用比氯快15~30倍，但成本高 思考题 1 概念：水的硬度（总硬度碳酸盐硬度非碳酸盐 硬度）水的碱度 2 常用的水处理方法有哪些？各自的原理、特点 及适用条件。 3 纯净水生产中常用的反渗透（RO）、超滤（UF） 和微滤（MF）有什么区别？如何选择反渗透膜？ 4 水消毒的常用方法？各自的原理？ 第二节 碳酸饮料加工工艺 碳酸饮料：指含气饮料 分类： 果汁型 果味型 可乐型 低热量型 其他型 1 碳酸饮料的原辅材料 1.1 二氧化碳 物理特性：临界温度31.1 °，临界压力7.38MPa 碳酸饮料对二氧化碳的质量要求： CO2含量>99%；水分<0.1%；氢氧化钾吸物<1%；不 得含有一氧化碳、二氧化硫、氢、氯化氢、氨等气 体成分；无臭，无矿物油等杂质。 二氧化碳来源： 天然气：焦碳燃烧产物；烟道气回收等 二氧化碳的净化： 二氧化碳气→高锰酸钾塔2~3% →水塔→活 性碳塔→净化气 1.2、 配料 甜味料 蔗糖、果糖、果葡糖浆、糖醇、甜菜苷、蛋白糖、 甜蜜素、三氯蔗糖等 酸味料 酒石酸、延胡羧酸、柠檬酸、苹果酸、乳酸、抗坏 血酸、醋酸等 香精香料 水溶性香精——澄清饮料 乳浊香精——浑浊型饮料 着色剂 其他添加剂 1.3 包装容器与材料 玻璃瓶 金属罐 镀锡薄钢板（马口铁）——素铁、涂料铁 镀铬薄钢板 铝材轻、薄；延展性和拉拔性能好→两片罐 罐形：三片罐、两片罐 塑料及复合材料 ①PE（聚乙烯） LDPE 透明度好、柔软、伸长率大抗冲击耐低温 HDPE 耐高温，硬度气密性机械强度好，不透明 ②PVC（聚氯乙烯）良好的阻隔性（空气湿气） 和透明性，机械强度好质轻 吹塑生产的PVC瓶只适用于果汁和矿泉水注拉 吹生产的PVC瓶撑装碳酸饮料 ③PP （聚丙烯） ④PET或PETP（聚酯）结晶好、无色透明且极为 坚韧；性能优（耐压耐热），价格高。 吹塑法生产的PET瓶最能充分发挥其特性：透 明、表面光洁度高、呈玻璃外观。 两种工艺流程： 现调式（二次罐装法）：先配好调味糖浆灌入包 装容器，再灌装碳酸水 预调试（一次罐装法）：将调味糖浆和碳酸水定 量混合，再灌装 现调式工艺流程 饮用水→水处理→冷却→混合机 ↑ 酸味剂、香精等 CO2气 ↓ 砂糖→溶解→过滤→糖浆调和→冷却→灌装机→装瓶机 ↑ 瓶（罐） → 清洗→空瓶检查 ↓ 轧盖机 ↓ 混匀机 ↓ 成品检验 预调式工艺流程 饮用水→水处理→脱气机 酸味剂、香精等 CO2气 ↓ ↓ 砂糖→溶解→过滤→糖浆调和→定量调和机→带冷却混合机 ↓ 瓶→清洗→空瓶检查→自动检瓶机→瓶装机 ↓ 轧盖机 ↓ 混匀机 ↓ 成品检验 2 调味糖浆的制备及调和 2.1 调味糖浆的制备 2.1.1 原糖浆制备 糖浆浓度测定：糖度表法、折光法 2.1.2 调味糖浆的配制 加料次序： ①原糖浆：测定浓度，计算需要量。 ②苯甲酸钠溶液（25%） ③糖精钠（预先溶解） ④酸溶液（多为50%的柠檬酸溶液） ⑤果汁（以含可溶性固形物10%为基准） ⑥香精⑦色素（热水溶化）⑧水 2.2 调和 2.2.1 调和系统 （1）现调式（二次灌装法） ——水先经冷却和碳酸化，然后再与调味糖浆分别 灌入容器中调和成汽水 优点：加料机比调和机结构简单，管道也有各自的 系统，容易分别清洗；灌水机漏水时不损失 糖浆。 缺点：糖浆通常与混合机中出来的水温不一致，容 易起泡沫；糖浆事先未被碳酸气饱和，必须 提高碳酸水的含气量。 （2）预调式（一次灌装法） ——水与调味糖浆按一定比例预先调好，再经冷却 混合，达一定含气量的成品灌入容器中。 优点：糖浆与水的比例失误小，准确度高，容器容 量变化时无需改变加注量比例，产品质量一 致；糖浆和水混合温度一致，气泡小；但不 适宜灌装带果粒的汽水。 2.2.2 碳酸化 （1）CO2的作用 ①清凉作用 ③舒适的刹口感 ②阻碍微生物生长 （2）CO2的溶解量影响因素 ①气液体系的绝对压力和液体的温度 ②CO2气的纯度和液体中存在的溶液的性质 ③气体和液体的接触面积和时间 CO2的溶解度：在0.1MPa（1个绝对大气压）下，温 度为15.56℃时，1体积水可溶解1体积CO2。 空气对碳酸化的影响：降低CO2在水中的溶解度，且 会促进霉菌和腐败菌的生长，并能氧化香气成分。 1容积空气对应50倍容积的CO2 （3）CO2净化 （4）碳酸化系统 ①CO2调压站 其他工业生产所得的副产品，天然CO2气，自制 CO2气等 贮于钢瓶中的液体CO2 干冰 ②水冷却器 ③混合机（碳酸化罐、填料塔、文丘里管） 3 洗瓶及罐装 3.1洗瓶 3.2灌装生产线 人工检验→装塑料箱 清洗后的空瓶→灌装→封盖 温瓶→喷印编码→装纸箱 糖浆加料机的形式（现调式）：量杯式、空气封闭式、 液面静压式。 灌装方式：等压式、负压式 其他设备：检验机、贴标机和盖上打印机、包装机等。 第三节 果蔬汁加工工艺 1 果蔬汁饮料生产的基本工艺 无论是天然果汁（原果汁）饮料、果汁饮料还是带 果肉果汁饮料等，其生产的基本原理和过程大致相 同。主要包括：果实原料预处理、榨汁或浸提、澄 清和过滤、均质、脱氧、浓缩、成分调整、包装和 杀菌等工序（浑浊果汁不经澄清过滤）。 1.1 原料的选择和洗涤 1.2 榨汁和浸提 1.2.1 破碎和打浆 破碎的目的：提高出汁率 1.2.2 榨汁前的预处理 加热 适用于红葡萄、红西洋樱桃、李、山楂等水果。 原理：加热使细胞原生质中的蛋白凝固，改变细胞 的半透性，同时使果肉软化、果胶质水解， 降低汁液的粘度，从而提高出汁率。 处理条件：60~70℃/15~30min 加果胶酶 1.2.3 榨汁 榨汁方法依果实的结构、果汁存在的部位、组织 性质以及成品的品质要求而异。大部分水果果汁 包含在整个果实中——破碎压榨； 柑橘类和石榴等有一层厚的外皮——逐个榨汁或 先去皮。 果实的出汁率取决于果实的质地、品种、成熟度 和新鲜度、加工季节、榨汁方法和榨汁效能。 1.2.4粗滤 1.3 果汁的澄清和过滤 1.3.1 澄清 ①自然澄清 ②明胶单宁澄清法 原理：果汁中带负电荷的胶状物质和带正电荷的明 胶相互作用，凝结沉淀，使果汁澄清。 ③加酶澄清法 原理：利用果胶酶制剂水解果汁中的果胶物质，使 果汁中其他胶体失去果胶的保护作用而共同沉淀。 果胶酶的作用条件：50~55℃最适，一般用2~4kg/T 果汁，可直接加入榨出的新鲜果汁中或在果汁加热 杀菌后加入。 ④冷冻澄清法 原理：冷冻改变胶体的性质，而在解冻时形成沉淀。 尤适用于苹果汁。 ⑤加热凝聚澄清法（简便、效果好） 原理：果胶物质因温度剧变而变性，凝固析出。 方法：在80~90s内加热至80~82℃，然后快速冷却至 室温。 1.3.2 过滤 1.4 果汁的均质和脱气 1.4.1 均质 浑浊果汁生产中的特殊要求，多用于玻璃瓶包装的 产品，马口铁罐产品很少采用。冷冻保藏果汁和浓 缩果汁无须均质。 1.4.2 脱气 果汁中存在大量的氧气，会使果汁中的Vc遭破坏， 氧与果汁中的各种成分反应而使香气和色泽恶化， 会引起马口铁罐内壁腐蚀。在加热时更为明显。 真空脱气法、氮气交换法 1.5 果汁的糖酸调整与混合 绝大多数果汁成品的糖酸比例在(13:1)~(15:1)。 许多水果能单独制得品质良好的果汁，但与其他品 种的水果适当配合则更好。 1.6 果汁的浓缩 真空浓缩法（一般23~35℃/94.7kPa） 冷冻浓缩法（可溶性物质≯50%） 反渗透浓缩法（主要选用醋酸纤维膜和其他纤维 素膜） 芳香物质回收 1.7 果汁的杀菌和包装 1.7.1 果汁的杀菌 杀菌工艺的选择原则：既要杀死微生物，又要尽可 能减低对产品品质的影响。 最常用的方法：高温短时（93±2℃/15~30s） 杀菌后的灌装：高温灌装（热灌装）和低温灌装（ 冷灌装） 1.7.2 果汁的包装 碳酸饮料一般采用低温灌装 果实饮料，除纸质容器外，几乎都采用热灌装 （由于满量灌装，冷却后果汁容积缩小，容器内 形成一定的真空度）罐头中心温度>70℃。 2 典型果蔬汁生产工艺 2.1柑橘汁 柑橘原料 ↓ 验收检验 ↓ 暂 存 ↓ 洗 净（水洗、化学溶液洗、 ↓ 水洗净） 选 果 ↓ 全果榨汁 ↓ 2.2浓缩苹果汁 固体 果渣 ↑ 液体 果渣 湿沉 淀物 ↑ ↑ 选料→选果→检果→磨碎→压榨→加热→初滤→脱胶 →精滤→提香兼巴→浓缩→冷却→灌装 ↓ 氏杀菌 液体 果渣 浓缩苹果混浊汁比清汁少脱胶和精滤两道工序。 浓缩果汁生产线 原料暂存 输送选果 超滤 酶解 无 菌 灌 装 成品 压榨 浓缩 思考题 1 碳酸饮料生产的两种主要工艺？它们的本质区别 和各自的特点？ 2 某饮料厂夏季生产碳酸饮料，其产品中二氧化碳 含量不足，试问如何改进？ 3 果汁澄清及浓缩各有哪些方法？各自的特点？