含汽醋飲料混合灌注二氧化碳穩定性控制的研究

馮雪紅，蘇 兵，吳業庭，朱煥宗，蔡偉源

（天地壹號飲料股份有限公司，廣東江門 529000）

經行業研究，醋酸飲料被譽為是繼碳酸飲料、飲用水、果汁和茶飲料之后的“第四代”飲料。雖然在部分地區形成了一定規模的醋飲消費市場，但同歐美日韓等發達國家相比還處于前期發展階段。中國醋飲料使用的食醋量僅占全國食醋總產量的2%左右，而美國、加拿大、英國等發達國家占比都在10%以上[1]。據智研咨詢發布《2017-2022年中國蘋果醋市場運行態勢及投資戰略研究報告》，2015年中國醋飲料市場規模超過35億元，且連續3年的增速分別為22%、27%、25%，在整個食品飲料行業中屬高速增長。

目前，飲料行業在生產中加入二氧化碳的現象十分普遍，其獨特的口感深受消費者的喜愛。而含二氧化碳醋飲料的灌裝工序是飲料行業加工工藝流程中的重要環節之一，其工作效率會直接影響企業的產能、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定性較差的一個原因是其營養較為豐富。以發酵蘋果醋為例，其中含有較多的有機酸和植物多酚類物質[2]。研究發現L-蘋果酸在檸檬酸蘋果酸鈣的高吸收利用性中起到關鍵作用，能促進營養物質的消化和吸收。蘋果多酚可以促進腸粘膜上皮細胞的生長增殖以及前腸和中腸粘膜絨毛的發育，提高肝胰臟、腸道蛋白酶活性，從而促進營養物質的消化和吸收[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，進而被人體吸收，發揮效應[5]。醋飲料中的這些營養成分較高，導致二氧化碳的混合和灌注穩定性較差，并影響產品的不良率。

醋飲料的二氧化碳相對于其他碳酸飲料及啤酒的穩定性較差的另一個原因是其冷點相對較高。二氧化碳在低溫下穩定性相對較好，灌注過程較少出現“返泡”現象。而醋飲料冰點較高，不能在較低溫度下混合和灌注，否則會出現停機結冰現象。

因此，醋飲料含有豐富的營養物質及其冰點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 醋飲料灌注技術與存在問題

由于發酵后的果醋含有豐富的營養物質，混合碳酸化過程很容易大量發泡。含汽飲料混合碳酸化溫度有嚴格的要求，在一定溫度范圍內，溫度越低，二氧化碳的溶解系數越高，料液碳酸化的穩定性越好。但過低的溫度控制，既大大增加了能耗，又容易因為溫度低而出現換熱板面和管道結冰，產生其他風險，在灌注工序常出現跑料而導致無法正常生產和生產效率低，這是規模化灌注生產需要突破的技術瓶頸。

如圖1所示，含汽飲料在加入二氧化碳之前需要經過板式熱交換機進行降溫，目的是為了加大二氧化碳的溶解度，便于進行碳酸化，且降溫的飲料有利于灌裝的穩定性；而板式熱交換機由冷媒進行打冷，冷媒的流量過大就會造成熱交換機的飲料結冰堵塞；冷媒流量不足時，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定，造成產品凈容量偏低。

圖1 原混合灌注工藝流程圖

3 改造后醋飲料灌注技術

為解決醋飲料灌注存在的問題，提高混合灌注的料液溫度，解決板機結冰問題，在原有的混合灌注生產工藝中（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溫裝置；將現有熱交換冷媒開閥控制由人工手動改造為自動化聯動控制（圖2）；在混合緩沖罐新增低液位探頭與止罐器進行聯動等設備創新和改造（圖3），設備改造后開展調試，測試出最佳的控制性能參數，解決了含汽醋飲料灌注過程中灌注效率低、含氣量不穩定和料液因溫度升高無法正常灌注等問題。

圖2 改進后混合灌注工藝流程圖

圖3 混合灌注改造技術圖

增加二次溫度補償裝置的運用原理是當檢測灌裝機酒缸的溫度大于設置的溫度時，自動停止灌注，料液從酒缸回流到二次溫度補償裝置進行補償降溫后回到緩沖罐再次灌注，當料液溫度檢測滿足灌裝溫度時，啟動灌注[6]。從而解決當料液溫度升高不能正常灌注而排料的問題，實現防呆控制。

新增冷媒閥門開度自動調節閥與混合后料液溫度檢測探頭進行自動化聯動控制，從而實現了根據混合后料液檢測的溫度來控制熱交換冷媒閥門開度（實際上是控制冷媒流量）達到了精準溫度實時自動化控制，解決了控溫精準問題和能耗問題，實現混合料液溫度按上限溫度控制，大大降低了正常生產的能耗和產品二氧化碳含量波動性問題。

如圖3所示，在緩沖缸進料口的管道處安裝低液位探頭（即低液位傳感器）與灌注機入口的止罐器聯動，當緩沖缸料液液位低于該探頭時，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，實現防呆。在灌裝的濾缸前安裝單向閥，防止料液因為料缸壓力不穩定產生反沖，造成二次混合，進而導致二氧化碳高，造成反泡容量不足。

4 改造后產線測試及數據分析

4.1 產線改造后二氧化碳溶解時間和不良率測試

產線改造后，開展緩沖罐料液暫存穩定時間（即二氧化碳溶解時間）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定裝置，二氧化碳與料液溶解時間增加3～6 min，溶解工藝的前3 min，產品不良率明顯下降，3 min后產品不良率趨向于穩定。通過產線測試，灌注提速8%，液位不足問題得以解決。

表1 二氧化碳溶解時間和不良率

4.2 產線改造后灌注料液溫度二次降溫補償測試

產線改造后，開展混合料液大于灌注設置溫度測試，收集測試灌注回流及二次補償裝置后數據，由表2可知，當灌注溫度檢測到料液溫度大于10 ℃時，料液通過酒缸回流閥自動回流到溫度二次補償裝置并能降溫到9.5 ℃以下，緩沖罐料液在15 min完成一次循環，通過二次溫度補償能將高的灌注溫度降溫到工藝所需的灌注溫度，產線解決當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

產線冷媒閥門由人工手動改造為自動化聯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線測試，測試溫度提高后，主要影響產品指標（二氧化碳含量）、灌注后主要影響產品指標（二氧化碳含量）是否在控制范圍內。由表3、表4可知，經過改造后，混合碳酸化料液溫度在 6～9 ℃范圍內波動（標準控制在2～9 ℃），混合后半成品的二氧化碳含量穩定控制在2.45～2.60倍（標準控制在2.1～2.70倍）；灌注料液溫度在 9～10 ℃范圍內波動（標準控制在6～10 ℃），灌注后半成品的二氧化碳含量穩定控制在2.50～2.60倍（標準控制在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數據統計分析可知，經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控制（表5），實現了產品品質的提升，同時降低了能耗。

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時間和排氣時間相關參數測試

為解決料液二氧化碳含量超出控制標準無法灌注問題，通過在緩沖罐新增泄壓裝置，當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，由表6、表7可知，經過對試驗數據的統計分析得出泄壓的操作控制參數（表8），產線停機時間在3個時間梯度，采取對應的泄壓時間實現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 停機時間與二氧化碳含量升高試驗

表7 排氣時間與二氧化碳含量降低試驗

表8 停機時間、排氣時間及二氧化碳含量下降關系

5 結論

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定裝置，增加了二氧化碳與料液的接觸時間，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，實現了二氧化碳含量的穩定控制；通過冷媒開閥自動化聯動控制，實時精準控制冷媒流量，解決了料液在停機或待機狀態下結冰的問題；通過增加一套溫度補償裝置，解決了醋飲料溫度升高導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線進行技術創新改造，解決了醋飲料二氧化碳含量波動導致灌注返泡效率低、不良率高問題，實現了節能降耗。