年產2 000噸紅肉蘋果汁工廠設計初探

魯莎莎，曹美霞，郭玉蓉

（陜西師范大學食品工程與營養科學學院，陜西西安　710019）

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年產2 000噸紅肉蘋果汁工廠設計初探

魯莎莎，曹美霞，*郭玉蓉

（陜西師范大學食品工程與營養科學學院，陜西西安710019）

摘要：新疆紅勛1號紅肉蘋果色澤鮮艷且含有大量花色苷，作為果汁生產原料具有十分顯著的營養優勢和感官特色。試驗建立了以紅勛1號為原料、年產2 000 t紅肉蘋果汁的工廠設計，分析探究了護色、滅酶工藝參數對紅肉蘋果汁中花色苷穩定性的影響。建立的生產工藝流程為原料驗收修整、清洗、冷破碎、臥螺分離、滅酶、帶榨、濃縮、無菌灌裝、檢驗、裝箱，并進行中試生產實踐，參照GB/T 18963—2012，該工藝生產的紅肉蘋果汁符合國家標準。最后，進行物料衡算、設備選型、工廠平面設計和投資估算，為紅肉蘋果汁產品提供一定的理論基礎和實踐經驗。

關鍵詞：紅肉蘋果汁；花色苷；工廠設計

1　項目論證

1.1產品來源及特點

新疆紅肉蘋果是新疆野蘋果的變型，現已成為受到人們青睞的野生新資源食品。紅肉蘋果花色苷含量豐富（果皮含量最高），其含量高于非紅肉蘋果20～30倍。果皮、果肉均為紅色，具有觀賞價值[1-2]。據報道，由于其豐富的花色苷，紅肉蘋果果汁的抗氧化能力（ORAC和FRAP）比非紅肉品種高5倍[3-5]。因此，紅肉蘋果果汁也在預防癌癥、心血管疾病、糖尿病等方面也發揮著重要作用。利用紅勛1號紅肉蘋果制汁，不但色澤鮮紅誘人，而且能夠充分開發和利用紅肉蘋果的營養價值，具有良好的應用前景。

在加工過程中，護色和滅酶是2個關鍵工藝控制點。蘋果與其他果蔬相比更易發生酶促褐變，這會對果汁營養價值和品質產生負面影響。在生產過程中，大于80%的酶促褐變發生在很短時間的果實破碎過程中[6]。因此，破碎過程中需要采用護色工藝防止褐變。VC是一種較為普遍的抑制褐變劑，但抗褐變效果與VC的濃度有很大關系。添加量過少達不到護色效果，添加量過多則會引起非酶促氧化降解、影響果汁顏色，因此有必要探討果實破碎過程中VC防褐變的最適添加濃度。

在生產加工過程中，隨著VC濃度的降低，PPO所引起的酶促褐變會再次影響果汁的產品品質。所以，在果漿榨汁后、防褐變劑失效前，必須盡快通過熱失活PPO，防止酶促褐變的發生。如果滅酶溫度高、滅酶時間長，必定能使PPO徹底失活，然而這種方法會加重VC的降解和美拉德反應等非酶促褐變的發生，所生產的果汁品質不佳，伴有蒸煮味。但是，滅酶溫度低、滅酶時間短，PPO的殘余活力未能完全控制，會催化酶促褐變的再次發生。因此，需要針對紅肉蘋果生產過程中滅酶時間、滅酶溫度對花色苷含量的影響進行探討，以期減弱熱處理對果汁色澤的負面影響。

1.2市場開發前景

我國蘋果汁總體加工規模龐大，在世界果汁加工行業占據重要位置。但所產蘋果汁酸度低，影響產品的品質和售價。紅肉蘋果酸度較非紅肉蘋果高，且具有鮮艷的紅色和較高的營養價值，是開發和拓展果汁加工國內市場與多元化國際市場的優良品種。

1.3設計依據

主要依據《果品蔬菜加工工藝學》 《食品工程全書》 《食品工廠設計與環境保護》 《食品加工技術裝備》等。

1.4廠址的選擇

工廠的選擇一般傾向于在原料的產地，廠址在城市外圍，原材料地選在輔助材料和包裝材料易獲得的地方，有利于銷售，且能夠減少運輸費用。

2　班產量生產方案及產品方案的確定

2.1班產量確定

（1）年產量。Q=2 000 t。

（2）生產班制。淡季一班、中季二班、旺季三班制，6 h/班。班制的制定要根據原料特性、生產工藝、設備的生產能力來決定。如果原料供應正常，或者廠內設有冷庫貯藏室和半成品加工設備，也可以延長生產期，但不需要多開班次突擊。這樣有利于勞動力的平衡、生產設備的充分利用以及產品的正常銷售，方便生產管理，提高經濟效益。

（3）工作日。紅肉蘋果的成熟季節在秋季，因此果汁生產旺季為8，9，10，11，12，翌年1月份，淡季為2—7月份。其中，7月份和2月份要進行設備檢修與維護。每月工作日平均為25 d，所以旺季工作日為6×25=150 d，淡季工作日為4×25=100 d。

全年紅肉蘋果汁的生產天數為t=t旺季+t淡季=150+100=250 d.

（4）產量q班。

式中：q班——班產量，t；

Q——年產量，t；

0.75——設備不均勻系數。

經過計算，q班=4.85 t。

2.2生產方案

生產方案的確定見表1。

表1　　生產方案的確定

（1） 生產時間。旺季實行3班制，淡季實行1班制，6 h/班；生產期共250 d。

（2）生產計劃。全年8，9，10，11，12，翌年1月份實行旺季3班制生產；3—6月份實行淡季1班制，利用庫存紅肉蘋果生產；7月份和2月份進行生產設備的檢修與維護。具體生產方案可根據時常需求適當調整。

2.3產品方案

主產品為紅肉蘋果汁，產品規格按照200，500，2 000 mL/瓶生產。

3　工藝流程的確定及論證

3.1工藝流程的確定

其中，*為關鍵工序控制點。

3.2工藝論證

3.2.1原料采收與揀選

從新疆采購紅勛1號紅肉蘋果，運輸至低溫原料倉庫中待用。揀選時，去除發霉、腐爛的果實，清除果實的枝葉，去除果實上附著的沙子、泥土等雜質。

3.2.2原料清洗

由于紅肉蘋果單果體積較小且運輸路途較遠，容易附著雜質和細菌，鼓泡式清洗機可實現紅肉蘋果的旋轉翻滾式清洗，清洗效果較好。

3.2.3冷破碎

VC不同添加量對紅肉蘋果汁花色苷的影響見圖1。

圖1　VC不同添加量對紅肉蘋果汁花色苷的影響

破碎過程容易發生褐變，造成紅肉蘋果果汁品質下降，采用VC護色提高果實破碎過程中的花色苷穩定性。由圖1可知，隨著VC添加量不斷增大，果汁的花色苷含量呈現明顯的上升趨勢（p<0.05）。這是由于VC不僅能還原多酚氧化酶催化酚類物質氧化生成的醌，也可作為酶分子中銅離子的鰲合劑[7]，從而防止醌進一步聚合成黑色素。當VC添加量為0.070%時，對花色苷穩定性達到最佳效果；當VC添加量大于0.070%時，添加量較高的VC會氧化形成H2O2。H2O2通過對花色苷C-2位親核進攻使吡喃環裂解，從而不能達到護色效果。此外，過多的VC也可直接與花色苷發生縮合反應引起花色苷的降解[8]。在果實破碎過程中添加適當濃度的護色劑十分重要，此次中試生產過程中VC護色處理選取添加量為0.070%。

3.2.4滅酶

滅酶時間、滅酶溫度對果汁花色苷含量的影響見圖2。

圖2　　滅酶時間、滅酶溫度對果汁花色苷含量的影響

花色苷本身具有熱不穩定性，隨著滅酶時間和滅酶溫度變化會發生不同程度的降解[9]。由圖2可知，當滅酶溫度為70℃時，果汁花色苷含量隨滅酶時間延長發生顯著降低（p<0.05），說明70℃不能有效鈍化PPO，反而會因為滅酶時間延長導致花色苷受熱降解。與70℃，20 s時相比，當滅酶溫度和滅酶時間提高到80℃，20 s時，花色苷含量顯著提高（p<0.05），說明適當提高滅酶溫度能夠抑制PPO活性。與70℃和80℃相比，當滅酶溫度提高到90℃，且時間為10 s時，果汁花色苷含量達到最高（p<0.05）；且滅酶時間在20 s以內，未出現顯著下降（p>0.05），說明高溫有效抑制PPO活性且短時間內不會引起花色苷熱降解。此次中試生產中采用90℃，10 s滅酶。

3.2.5酶解

加果膠酶進行酶解，主要目的是降低紅肉蘋果果漿的黏度，提高出汁率，便于后續的帶榨工藝。果膠酶的添加量為0.03%，酶解時間為30 min，滅酶溫度保持在40℃，酶制劑于冷庫儲存。

3.2.6蒸發濃縮

經帶榨過濾后的紅肉蘋果汁可溶性固形物為12°Brix，蒸發濃縮后果汁的糖度控制在44±1°Brix。

3.2.7無菌灌裝

將預先經過殺菌的紅肉蘋果汁無菌灌裝，并密封于PET瓶等容器。為實現無菌灌裝，操作時應該注意工作環境無菌、包裝材料無菌、果汁本身無菌。

4　品質標準及檢測

4.1品質指標檢測方法

（1） 多酚含量測定。取1.0 g樣品，按料液比1∶4加入65%乙醇溶液，于58℃下水浴35 min，將提取液以轉速12 000 r/min，于4℃下離心10 min，取上清液。取1.0 mL上清液加入12 mL飽和Na2CO3和1.0 mL Folin，定容至25 mL。室溫避光反應1 h后，檢測OD765值。

（2）總酚測定標準曲線的繪制。用5 mL 70%乙醇溶解0.250 0 g沒食子酸，定容至50 mL，分別移取0.5，1.0，1.5，2.5，5.0 mL至容量瓶中，用水定容至50 mL，制備質量濃度分別為50，100，150，250，500 mg/L的沒食子酸溶液。從上述不同質量濃度的標準溶液中分別移取0.5 mL加入到50 mL容量瓶中后，加入30 mL去離子水，混勻后加入2.5 mL Folin-Ciocalteu試劑，混勻后再加入7.5 mL 20%碳酸鈉溶液，混合并定容。室溫避光反應1 h，檢測OD765值，從而得到標準曲線。

總酚測定標準曲線見圖3。

圖3　　總酚測定標準曲線

（3） 可溶性固形物檢驗。按照GB/T 18963—2012規定的方法進行檢驗[10]。

（4） 不溶性固形物檢驗。按照GB/T 18963—2012規定的方法進行檢驗。

（5）透光率檢驗。按照GB/T 18963—2012規定的方法進行檢驗。

（6）總酸檢驗。按照GB/T 12456規定的方法進行檢驗[11]。

（7）感官指標標準。參照GB/T 18963—2012衛生標準檢測參照水、乳品及飲料進行。

4.2中試生產品質指標檢測

全果與中試加工關鍵控制點果汁多酚含量變化見圖4，果汁基本指標變化見表2。

由表2可知，紅肉蘋果中試加工過程中關鍵工藝控制點的果汁基本指標變化。參照GB/T 18963—2012果汁的理化指標參數，本次中試生產的紅肉蘋果汁符合國家標準。

此次紅肉蘋果加工生產時采用全果榨汁，利用Folin法測定。紅勛1號紅肉蘋果全果的總酚含量為3 241.7±22.0 mg/kg，紅肉蘋果置于4℃避光貯藏3個月后全果多酚顯著下降至1 008.1±2.0 mg/kg （p<0.01）。由圖4可知，對比各工藝控制點果汁的多酚含量，發現均無顯著差異（p>0.05），說明護色、滅酶工藝能夠有效抑制果汁在加工過程中多酚的氧化降解。

圖4　　全果與中試加工關鍵控制點果汁多酚含量變化

表2　果汁基本指標變化

5　物料衡算

加工過程中物料損耗見表3。

表3　　加工過程中物料損耗

（1）要求每班每日產量為4 850 kg，檢果損失率0.5%，則檢果前所需要的紅肉蘋果為：

（2）鼓泡式清洗傳送過程的損失量為0.1%，則清洗和傳送前所需要的紅肉蘋果為：

（3）破碎過程的損失量為0.2%，則破碎前所需要的紅肉蘋果為：

（4）榨汁過程的損失量為13%，則榨汁前所需要的紅肉蘋果為：

（5）濃縮過程的損失量為0.3%，則濃縮前所需要的紅肉蘋果為：

（6）巴氏殺菌和無菌灌裝過程的損失量為0.5%，則巴氏殺菌和無菌灌裝前所需要的紅肉蘋果為：

6　設備選型及結果

6.1設備選型的原則

從生產設備的技術經濟角度考慮，設備選型時應當選取生產上適用性強、經濟上合理、技術上先進的設備，從而提高經濟效益，促進企業生產發展。將這3個方面鋪開來說，生產設備應當具備8個參數，即生產性、可靠性、維修性、安全性、節能性、耐用性、成套性、靈活性。

（1）生產性和可靠性。按照工廠的規劃和生產計劃，所選擇設備的生產能力應當能夠滿足工藝要求和技術要求。生產出可靠的成品，成品率高；此外，設備運行時事故、故障少，并且能夠滿足生產的技術力量、勞動力、動力和原材料等供應要求。

（2）維修性和安全性。盡量選擇安裝較易、檢修易拆卸的設備，防護裝置完善程度高，不僅能夠防護設備本身安全，也能防護人身安全，如自動報警、故障監測等。

（3）節能性和耐用性。不同品牌設備的能耗不同，選擇時應符合《節約能源法》的標準要求，減少噪音、有害物質排放，注意設備的經濟壽命或安全壽命。

（4）成套性和靈活性。選擇設備隨機附件齊全，能生產的產品品種多，萬能類設備轉換產品較易，但效率較低；專用設備則相反，轉換產品難，但效率較高。

除此之外，在設備選擇上還應該注意當地的備件供應、供應商的售后服務、其他技術支持（如技術文件、設備的使用說明和保養維護、維修人員的培訓等）。

6.2主要設備的選型結果

根據設備選型的原則，進行比較和分析紅肉蘋果汁生產主要設備。

KAGPJ-05型鼓泡式洗果機，科安食品機械產品；DHLDJ-500型冷破碎打漿機、DH-QZO-2-50型強制循環蒸發器，西安鼎和機械制造有限責任公司產品；LW255×1075型臥式螺旋卸料沉降離心機，宜興市華鼎糧食機械有限公司產品；DHLGSJ-500型列管式殺菌機，西安鼎和機械制造有限責任公司產品；KADZ-500型帶式壓榨過濾機，利安食品機械有限公司產品。

7　車間平面設計

7.1車間平面設計的依據

車間平面設計的依據是常用的設計規范和規定，主要有GBJ 16—2000設計建筑防火規范和《化工工藝設計手冊》等。為了力爭項目的經濟合理、技術先進、維修操作方便及節省投資，在設計過程中要考慮生產工藝、施工、安全、經濟及美觀、工廠擴建等。

7.2工廠車間的設計

（1）原料庫。為了保證紅肉蘋果的新鮮品質，防止果實的堆壓，選擇溫度為4℃且避光條件的冷庫貯藏。冷庫面積估算為40×2=80 m2。

（2）生產車間。生產車間是耗能最大、安全要求最高的車間，需要考慮良好的通風和防爆系統，參照工藝流程并設計具有獨立出入口的參觀通道。面積估算為25×25=625 m2。

（3）倉庫。所生產出的紅肉蘋果汁需要獨立的成品倉庫，為保證產品的品質，選擇要求較高的氣調冷藏庫，加設防潮措施，接近包裝車間。面積估算為4×25=100 m2。

（4）生產輔助車間。包裝材料庫、化驗室等。化驗室要對生產過程中產品的品質進行嚴格把關和監測，包裝材料庫要便于產品的運入和運出。

8　投資估算

8.1設備投資估算

紅肉蘋果汁生產主要設備見表4。

表4　　紅肉蘋果汁生產主要設備

8.2建筑物投資估算

建筑物投資估算見表5。

建筑物投資按照1 200元/m2計算，設計鋼構廠房面積為995 m2，則廠房建筑費為995×1 200= 119.4萬元。

表5　　建筑物投資估算

9　結論

通過查閱大量書籍和資料，基本掌握蘋果汁生產的基礎知識后，運用工廠設計的理論知識進行紅肉蘋果汁的初步工廠設計。生產工藝為清洗→冷破碎→臥螺分離→滅酶→帶榨→濃縮→無菌灌裝→紅肉蘋果汁→檢驗→裝箱。為了避免加工過程對紅肉蘋果花色苷的破壞，通過試驗分析確定護色、滅酶工藝的關鍵控制點參數，其中VC最適添加量為0.070%，滅酶溫度90℃，滅酶時間10 s。試驗發現，一定濃度的VC對果汁中花色苷的穩定性起到保護作用，但高濃度的VC卻引起非酶褐變影響了護色效果，在破碎工藝中VC添加量不宜過多。PPO依賴具有鄰二酚結構的其他酚類降解花色苷發生非酶促自發聚合形成多聚褐色物質[12]，且花色苷本身對溫度十分敏感，因此提倡高溫瞬時滅酶。跟蹤中試生產關鍵控制點果汁的基本指標發現，該工藝生產的紅肉蘋果汁在各關鍵工藝加工點的多酚含量未發生顯著變化（p>0.05），說明護色、滅酶工藝可行有效。參照GB/T 18963—2012中的理化指標，本次中試生產的紅肉蘋果汁符合國家標準。此外，經過進行物料衡算、設備選型、工廠平面設計等工作，加深了對理論知識的理解，豐富了實踐經驗，培養了一定的工程設計能力，為紅肉蘋果汁的生產和開發提供了一定的理論指導作用與實踐經驗。

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中圖分類號：TS211.4

文獻標志碼：A

doi：10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.06.012

文章編號：1671-9646（2016）06a-0039-05

收稿日期：2016-04-27

基金項目：現代農業產業技術體系建設專項資金資助項目（GK661001）；中央高校基本科研業務費專項資金項目（GK261001330）。

作者簡介：魯莎莎（1992— ），女，在讀碩士，研究方向為食品功能成分的分析與測試。

*通訊作者：郭玉蓉（1962— ），女，博士，教授，博士生導師，研究方向為食品生物加工。

The Design of Red Apple Juice Factory of 2 000 Tons Per Year

LU Shasha，CAO Meixia，*GUO Yurong
（College of Food Engineering and Nutritional Science，Shaanxi Normal University，Xi'an，Shaanxi 710019，China）

Abstract：Hongxun 1 red apple with bright red and rich in anthocyanin content.As the raw material for fruit juice production，it has abundant nutritive valand and special sensory quality.This thesis made factory design for the annual treatment of 2 000 tons red-flesh apple juice.The effect of color protection and anti-enzymes on the stability of anthocyanins in red flesh apple juice is analyzed and explored.Production process is as follow：acceptance of materials，cleaning，cold crushing，separ ation of horizontal screw，enzyme inactivation，belt type juice，concentration，ase ptic filling，inspection，packing.According to GB/T 18963—2012，the pilot production of red-flesh apple juice meet national standards.Then carried on the material balance calculation，the equipment type selection，the factory plane design and the investment estimate.It provided the certain theory basis and the practical experience for the development of red-flesh apple juice product.

Key words：red-flesh apple juice；anthocyanins；factory design