CN101664214A - 超声协同养晶的果汁冷冻浓缩方法与设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了超声协同养晶的果汁冷冻浓缩方法与设备。该设备的果汁存贮器通过离心泵与刮板式换热器连接，刮板式换热器和离心机位于带保温夹套的养晶罐下方，分别与带保温夹套的养晶罐连接；换能器安装在带保温夹套的养晶罐内，与超声发生器连接；离心机与收集罐连接，收集罐通过泵与刮板式换热器连接。该方法是先获得澄清果汁，将其泵入刮板式换热器内进行预冷，待刮板式换热器内料液温度降至冰点，并产生了小冰晶后，开启养晶罐内搅拌桨和超声场发生装置，待冰晶生长成熟，排出浓缩液，分离冰晶。本发明超声协同作用使得冰晶由成核到成熟的时间大大缩短，并且果汁有效成分夹带损失少，不仅提高了生产效率，也达到节约能源的目的。

Description

超声协同养晶的果汁冷冻浓缩方法与设备

技术领域

本发明涉及浓缩果汁生产领域，特别涉及一种超声波协同养晶提高果汁冷冻浓缩效率的方法及其设备。

背景技术

果汁是一种营养美味的饮料，由于其自然健康的特性受到了消费者的青睐，并且果汁的生产在一定程度上缓解了鲜果销售压力，不仅维护了果农的经济利益，也满足了消费者的需求。为了降低贮藏和运输期间的成本，减小果汁体积，浓缩果汁的生产加工变得尤为重要。传统的果汁浓缩方法主要是常压蒸发浓缩，多效中温真空浓缩，反渗透法等。这些方法中热浓缩容易造成果汁中营养物质和香气成分的损失，褐变度加大，使其品质大大下降。反渗透法所得浓缩汁质量较好，但浓缩比不高，膜寿命较短，膜的清洗也较为困难。

冷冻浓缩是近年来新兴的一种冷加工技术，按照结晶方式可分为悬浮结晶式浓缩和渐进结冰式浓缩。悬浮结晶是指溶液中的水在低温下通过搅拌作用结成冰晶粒悬浮分散于母液中，待冰晶长大再通过过滤或离心的方法分离出冰粒，达到浓缩目的。而渐进结冰式浓缩则是利用水在冷壁形成冰层，并且从容器一端向另一端生长，从而使液相的溶质得到浓缩。与传统浓缩方法相比，冷冻浓缩具有以下优点：(1)在低温下浓缩，天然营养成分和热敏性物质被破坏程度较低，可以很好地保持果汁原有的风味；(2)可避免操作中微生物的增殖；(3)可避免因升温引起的聚合反应和冷凝反应；(4)含多种溶质的溶液浓缩时，仅去除水分，不会造成母液组成的变化。

冷冻浓缩的原理是将液态水低温下冻结成冰从原溶液中分离使得溶质浓度增大达到浓缩目的，因此冰晶的生成就显得尤为重要。无论悬浮式还是渐进式浓缩都需要花相当长的时间结冰，使得操作过程能耗较大。另外它还有一个很严重的夹带问题。渐进式浓缩中，随着冰层的生长，固液界面液相侧会出现溶质浓度局部升高，溶质向主体溶液的扩散阻力增大，导致部分溶质来不及扩散到主体溶液就已被冻结到冰层中。而悬浮式浓缩冰晶在生长过程中极易形成不规则的形态，包裹大量有效成分，使得后期的固液分离效果较差，浓缩效率低。

中国发明专利“一种浓缩葡萄汁的生产方法”(公开号为CN1524456A)，公开了一种利用自然低温对葡萄汁进行冷冻浓缩的方法。该方法虽然不需要能耗对果汁降温，但是温度低至-15℃的自然条件不是随处可得的，因此大范围内应用是不可能的。中国发明专利“一种界面渐进冷冻浓缩方法”(公开号为CN1849937A)公开了一种利用封闭式热泵循环技术的界面渐进冷冻浓缩方法。它将热泵节能技术运用到水溶液的渐进浓缩中，以实现低成本，低能耗的浓缩新方法。该方法仅仅是从能量的利用上对浓缩装置作出所改善，但无法从工艺过程中减少浓缩本身所需能耗。中国发明专利“前进冷冻浓缩控制方法”(公开号为CN1593248A)公开了通过对冷冻界面的被浓缩液流速和冰层生长速度的控制减少冰层溶质的夹带的方法，该方案虽然对传统渐进浓缩进行改进，溶质夹带也有所减少，但仍不能从根本上提高浓缩效率。中国发明专利“水溶液的冷冻浓缩”(公开号为CN1366466A)将固液分离后的冰晶洗涤，洗液再循环进入下一步浓缩。此方法可以减少冰晶夹带损失，但增加了洗液浓缩步骤，使得整个过程能耗增大，降低了浓缩效率。

公开号为CN1765898A的中国发明专利公开了一种“溶液超声协同作用制备球状结晶核黄素方法”。该方法省去了传统结晶步骤，利用超声协同起晶，缩短了周期，提高了产品质量。中国发明专利“一种乙醇-超声波协同制备果糖晶种的方法”(公开号CN101220398A)也证明了超声波对果糖晶体形成的超强作用。但是这些方法是都是局限在常温下进行，如果在低温下则无法完成。

发明内容

本发明的目的在于解决现有背景技术中的不足之处，提供一种高质量，高效率，低成本，易操作的低温下冷冻浓缩果汁生产方法及设备。

本发明针对现有技术的不足，利用超声波的机械效应和空化效应强化结晶过程，改变晶体性能，获得粒径均匀、外形规则的晶体，并且缩短结晶时间。超声波协同起晶在化工、食品和制药等结晶行业都有着广泛的应用，但应用于冷冻浓缩却是一个新的尝试。低温过冷溶液受超声波传播的机械效应影响引起溶液粒子振动，加速固液相界面附近的溶质向主体溶液扩散，水分子向晶核表面沉积，从而促使大量晶核生成。另外超声波的空化效应产生微射流和冲击波可加速奥斯瓦特效应，即小冰晶融化，大冰晶生长，并使枝状碎片冰晶和不规则聚集的块状晶体得以及时分散，形成均匀规则的冰晶，防止溶质的包裹，超声波与罐内搅拌作用相结合，强化晶核形成过程，防止冰粒下沉稳定生长，从而达到提高浓缩效率，降低运行成本的目的。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种超声协同养晶的果汁冷冻浓缩设备，包括果汁存贮器、离心泵、刮板式换热器、养晶罐、换能器、离心机、收集罐、两温度记录仪和计算机；果汁存贮器通过离心泵与刮板式换热器连接，刮板式换热器和离心机位于带保温夹套的养晶罐下方，分别与带保温夹套的养晶罐连接；换能器安装在带保温夹套的养晶罐内，与超声发生器连接；离心机与收集罐连接，收集罐通过泵与刮板式换热器连接，两温度记录仪一端分别与带保温夹套的养晶罐和刮板式换热器连接，另一端分别与计算机连接。

为进一步实现本发明目的，所述超声发生器固定在罐外壁；超声发生器使养晶罐内的超声频率优先控制在20～30kHz，能量密度优先控制在0.01～0.1kW/L，间隔时间优先控制在5～10s的范围内。

所述刮板式换热器优选为FT型刮板式换热器。所述离心泵优选为SL型离心泵。

超声协同养晶的果汁冷冻浓缩方法，包括如下步骤：

(1)原料预处理：将待处理果汁于离心机3000～5000r/min离心10～15min，得到澄清果汁；所述澄清果汁的可溶性固形物含量小于45°Brix，粘度小于10mpas，浊度小于15NUT；

(2)预冷：将澄清果汁泵入刮板式换热器，启动刮板式换热器，果汁温度降低至冰点；

(3)起晶：果汁温度达到冰点后，刮板处冷壁开始起晶，小冰晶被刮板刮下，悬浮于果汁中；

(4)超声养晶：果汁中的冰晶从刮板换热器顶部进入养晶罐，开启养晶罐内搅拌桨和超声场发生装置，施加频率为20～30kHz、能量密度0.01～0.1kW/L的超声波，时间间隔为5～10s，处理时间为1.2～4h；

(5)固液分离：在超声作用下，冰晶不断生成，溶液浓度增大，冰点温度也随之下降，当温度记录仪观察到罐内浓缩液温度达到目标浓度相应的冰点温度时，则停止养晶；关闭超声发生器，混合液泵入离心机，甩干，收集浓缩液并排出冰渣；

(6)灭菌包装：将收集到的浓缩液进行灭菌包装。

所述的待处理果汁为荔枝汁、苹果汁或橙汁。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明采用超声波协同作用促进冰晶有规则分布均匀地生长，避免了针状碎片晶体以及块状冰的产生，使得果汁有效成分夹带损失较少，分离效果显著，可溶性固形物含量单次最高可提高20°Brix。冰晶夹带损失最低可达0.4％。

(2)超声协同作用同时使得冰晶由成核到成熟的时间大大缩短，提高了冰晶生长速率，从而达到节约能源的目的，根据料液的不同养晶时间在1.2～4h之间，大大提高了生产效率。

(3)本发明操作简单，设备投资少，有效地降低了生产成本，

附图说明

图1为本发明超声协同养晶的果汁冷冻浓缩设备结构示意图。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

如图1所示，一种超声协同养晶的果汁冷冻浓缩设备，该设备将超声场技术运用于悬浮式结冰冷冻浓缩系统，包括存贮器1、离心泵2、刮板式换热器3、养晶罐7、换能器6、离心机8、收集罐9、两温度记录仪4和计算机5；存贮器1用于存贮果汁，离心泵2用于输送果汁进刮板式换热器；养晶罐7带保温夹套；离心机8用于甩干冰晶；收集罐9用于收集浓缩液；两温度记录仪4分别用于观察养晶罐7和刮板式换热器3内温度变化。果汁存贮器1通过离心泵2与刮板式换热器3连接，刮板式换热器3和离心机8位于带保温夹套的养晶罐7下方，分别与带保温夹套的养晶罐7连接；换能器6安装在带保温夹套的养晶罐7内，与超声发生器连接；超声发生器具体离心机8与收集罐9连接，收集罐9通过泵10与刮板式换热器3连接，两温度记录仪4一端分别与带保温夹套的养晶罐7和刮板式换热器3连接，另一端分别与计算机5连接。离心泵2优选SL型离心泵；刮板式换热器3优选FT型刮板式换热器；

SL型离心泵2将果汁输送到FT型刮板式换热器3中，由与养晶罐下端相连的通道进入养晶罐7，刮板式换热器3用来预冷待处理果汁以及养晶阶段为养晶罐7提供冷量，晶体成核生长在养晶罐7内进行。养晶罐7下端与刮板式换热器3相连，外带保温夹套，内置搅拌浆通过两侧罐壁固定，利用独立电机带动。超声养晶阶段，溶液在搅拌作用下均衡接受超声波作用，使得全罐的冰晶都得到有效的生长。超声波由固定在养晶罐内壁四周的换能器6将超声发生器所发出的电信号转换成机械振动而得来。换能器6主要由压电陶瓷换能片组成，压电陶瓷换能片个数依据养晶罐容积设定，通过电路与压电陶瓷换能片相连的超声发生器则固定在罐外壁。超声波处理强度以超声能量密度进行设计，整个罐内的能量分布密度由 $\mathrm{\ρ}=\frac{w}{v}$ 计算，其中ρ为能量密度(kW/L)；w为功率(kW)；v为体积(L)。要达到较好的养晶效果，养晶罐内的超声频率应控制在20～30kHz，能量密度控制在0.01～0.1kW/L，间隔时间5～10s的范围内。整个养晶过程由两个温度记录仪4所示的温度控制，包括养晶的开始和结束、超声场的开启和关闭等阶段的温度。冰点温度与浓缩液浓度密切相关，一般在-5--15℃范围。利用果汁冰点(T_f)与浓度(C)的线性关系，首先由果汁的初始浓度计算溶液初始冰点温度，然后在冰晶生长的过程中溶液不断被浓缩，冰点下降，再由果汁的目标浓度计算相应的理想冰点温度。当刮板式换热器3处的温度记录仪4示数为初始冰点温度时，则确定养晶的开始和超声场的开启。当养晶罐7处的温度记录仪4示数为理想冰点温度时，则确定养晶的结束和超声场的关闭。养晶结束后，打开罐底阀门，将冰水混合液排到离心机8内，进行固液分离，浓缩液进收集罐9。若浓缩液未达预定浓缩指标，可通过泵10将其泵入刮板式换热器3，再次进行浓缩。最后将收集到的浓缩液进行灭菌包装。

实施例1

以荔枝汁为原料，经3000r/min离心10min后得澄清汁：可溶性固形物含量＝10°Brix；μ＝3.6mpas；浊度＝6.4NTU。设备装置连接如图1所示。待处理果汁经离心泵2由果汁存贮器1泵入刮板式换热器3内，再经由与养晶罐下端相连的通道进入养晶罐7。养晶罐总容积30L，为了防止水生成冰晶后体积扩大，工作液容积为25L。待25L工作液完全泵入，开启刮板式换热器3进行预冷，刮板转速30rpm，致冷功率1kW。内置于换热器内的探头经温度记录仪4将果汁温度变化显示在计算机5上。待温度降至果汁初始冰点-0.9℃，刮板处冷壁开始起晶，生成的小冰晶被刮下悬浮于果汁中。开启搅拌浆装置，转速为50rpm。并将均匀分布于养晶罐7内壁四周的8个换能器6通过与其连接的超声发生器将超声波分别调至100W，施加频率为20kHz、能量密度为0.032kW/L、时间间隔为5s进行协同养晶。1.2h后，由温度记录仪观察罐内温度达到目标浓度相应的理想冰点温度-1.8℃，停止搅拌浆工作，关闭超声发生器。开启养晶罐底阀门将冰晶和浓缩液排入离心机8进行固液分离，浓缩液进收集罐9，将收集到的浓缩液灭菌包装。利用阿贝折光仪对所得浓缩液及冰融解液的可溶性固形物进行测量，结果见表1。对比浓缩前后可溶性固形物含量增加了89％，冰融解液可溶性固形物含量仅为0.4Brix，可见浓缩效果相当好，损失小。

表1

实施例2

以苹果汁为原料，经4000r/min离心10min后得澄清汁：可溶性固形物含量＝20°Brix；μ＝4.4mpas；浊度＝11NTU。设备装置及操作流程同实施例1，养晶罐总容积30L，为了防止水生成冰晶后体积扩大，工作液容积为25L。待处理果汁经离心泵2由果汁存贮器1泵入刮板式换热器3内，再经由与养晶罐下端相连的通道进入养晶罐7。待25L工作液完全泵入，开启刮板式换热器3进行预冷，刮板转速40rpm，致冷功率1.5kW。预冷到该果汁冰点温度-2℃，产生小冰晶后开启养晶罐搅拌装置和超声场发生装置，换能器6通过与其连接的超声发生器将超声波分别调至150W，施加频率为20kHz、能量密度为0.048kW/L、时间间隔为5s进行协同养晶。2.8h后，由温度记录仪观察养晶罐7罐内温度达到理想冰点温度-8.6℃，停止搅拌浆工作，关闭超声发生器。固液分离灭菌包装同上。利用阿贝折光仪对所得浓缩液及冰融解液的可溶性固形物进行测量，结果见表2。对比浓缩前后可溶性固形物含量增加了99％，冰融解液可溶性固形物含量仅为0.9Brix，可见浓缩效果相当好，损失很小。

表2

实施例3

以高浓度橙汁为原料，经5000r/min离心15min后得澄清汁：可溶性固形物含量＝40°Brix；μ＝10mpas；浊度＝15NTU。设备装置及操作流程同上，养晶罐总容积30L，为了防止水生成冰晶后体积扩大，工作液容积为25L。待处理果汁经离心泵2由果汁存贮器1泵入刮板式换热器3内，再经由与养晶罐下端相连的通道进入养晶罐7。待25L工作液完全泵入，开启刮板式换热器3进行预冷，刮板转速50rpm，致冷功率2kW。预冷到该果汁冰点温度-8.9℃，产生小冰晶后开启养晶罐搅拌装置和超声场发生装置，8个换能器6通过与其连接的超声发生器将超声波分别调至200W，施加频率为20kHz、能量密度为0.064kW/L、时间间隔为10s进行协同养晶。3.9h后，由温度记录仪观察养晶罐7罐内温度达到-13.2℃，停止搅拌浆工作，关闭超声发生器。固液分离灭菌包装同上。利用阿贝折光仪对所得浓缩液及冰融解液的可溶性固形物进行测量，结果见表3。对比浓缩前后可溶性固形物含量增加了21％，对高浓度橙汁浓缩来说效果较好，并且冰融解液可溶性固形物含量仅为2.5，损失不大。

表3

Claims (5)

1、一种超声协同养晶的果汁冷冻浓缩设备，其特征在于：包括果汁存贮器、离心泵、刮板式换热器、养晶罐、换能器、离心机、收集罐、两温度记录仪和计算机；果汁存贮器通过离心泵与刮板式换热器连接，刮板式换热器和离心机位于带保温夹套的养晶罐下方，分别与带保温夹套的养晶罐连接；换能器安装在带保温夹套的养晶罐内，与超声发生器连接；离心机与收集罐连接，收集罐通过泵与刮板式换热器连接，两温度记录仪一端分别与带保温夹套的养晶罐和刮板式换热器连接，另一端分别与计算机连接。

2、根据权利要求1所述的超声协同养晶的果汁冷冻浓缩设备，其特征在于：所述超声发生器固定在罐外壁；超声发生器使养晶罐内的超声频率控制在20～30kHz，能量密度控制在0.01～0.1kW/L，间隔时间控制在5～10s的范围内。

3、根据权利要求1所述的超声协同养晶的果汁冷冻浓缩设备，其特征在于：所述刮板式换热器为FT型刮板式换热器。

4、一种应用权利要求1所述设备的超声协同养晶的果汁冷冻浓缩方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)原料预处理：将待处理果汁于离心机3000～5000r/min离心10～15min，得到澄清果汁；所述澄清果汁的可溶性固形物含量小于45°Brix，粘度小于10mpas，浊度小于15NUT；

(2)预冷：将澄清果汁泵入刮板式换热器，启动刮板式换热器，果汁温度降低至冰点；

(3)起晶：果汁温度达到冰点后，刮板处冷壁开始起晶，小冰晶被刮板刮下，悬浮于果汁中；

(4)超声养晶：果汁中的冰晶从刮板换热器顶部进入养晶罐，开启养晶罐内搅拌桨和超声场发生装置，施加频率为20～30kHz、能量密度0.01～0.1kW/L的超声波，时间间隔为5～10s，处理时间为1.2～4h；

(5)固液分离：在超声作用下，冰晶不断生成，溶液浓度增大，冰点温度也随之下降，当温度记录仪观察到罐内浓缩液温度达到目标浓度相应的冰点温度时，则停止养晶；关闭超声发生器，混合液泵入离心机，甩干，收集浓缩液并排出冰渣；

(6)灭菌包装：将收集到的浓缩液进行灭菌包装。

5、根据权利要求4所述的超声协同养晶的果汁冷冻浓缩方法，其特征在于：所述的待处理果汁为荔枝汁、苹果汁或橙汁。