CN104886702A - 一种澄清浓缩果汁的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种澄清浓缩果汁的制备方法，该方法是将水果破碎打浆制备的果浆送入冷冻浓缩设备，先进行悬浮结晶，再进行渐进层状结晶，直到果浆全部冻结，借助冻结冰晶颗粒构成的过滤床层，将果浆中的果肉等悬浮颗粒有效地阻滞在冰层中，析出并获得澄清且被浓缩的果汁。该方法的省去了常规澄清果汁生产所必需的榨汁、过滤、澄清等工序，从果浆到制备澄清的浓缩果汁均在单一的冷冻浓缩设备中完成，具有设备占用少、工艺流程和操作简捷、投资和运行费用低、节能降耗的技术特点。

Description

一种澄清浓缩果汁的制备方法

技术领域

 本发明涉及一种澄清浓缩果汁的制备方法，具体涉及一种利用冷冻法制备澄清浓缩果汁的方法，属于食品加工技术领域。

背景技术

果汁是新鲜水果经挑选、清洗、榨出的水果汁液，含有丰富的维生素、矿物质、碳水化合物和膳食纤维，是水果中最有营养价值的部分，容易被人体吸收，在风味和营养上接近于新鲜水果，素有“液体水果”之称。果汁在发达国家是果品的主要加工形式和消费形式。水果加工成浓缩果汁产品，体积和重量大幅降低，能够有效地降低贮存和运输成本，成为国际贸易的主要水果加工产品。随着我国人民生活水平的逐年提高，人民膳食结构在逐渐发生变化，不仅对果汁的需求显著增加，且对果汁的品质提出了更高的要求，天然、高质量、健康营养的纯果汁和浓缩果汁需求增长超过20%，逐渐成为我国果汁消费的发展趋势和方向。

目前制备浓缩果汁，尤其是制备澄清的浓缩果汁，一般在水果破碎打浆后要经过酶解、榨汁、过滤、澄清、浓缩等多个步骤才能完成，每个工序和步骤分别在不同设备中完成，需要设备多、工艺流程和操作复杂，设备投资和运行成本高。对于打浆后果肉浆液粘稠的果浆，如杏子浆、葡萄浆、甜瓜浆等，由于果浆粘稠，从果肉浆液中分离澄清果汁极其困难和低效。

真空加热浓缩仍是目前普遍采用的果汁浓缩方法，由于加热温度高易导致果汁变色、变味、营养成份损失；高真空度也导致果汁香气成分的大量挥发损失，不能满足消费者对果汁营养、色泽和特色风味品质的需求。

冷冻浓缩技术是利用果汁中冰与水溶液之间固液相平衡的一种浓缩方法，将温度降至果汁的冰点以下，使水分以冰晶形式从果汁中除去，从而提高果汁浓度。由于冷冻浓缩是0℃以下进行，能很好地保持原果的营养价值和特色风味品质。理论上，每蒸发1kg水，需要供给热量2355kJ，而使1kg水结冰只需要移去334kJ 的热量，以此计算冷冻浓缩耗能只为加热蒸发浓缩的1/7，具有显著的节能降耗特点。冷冻浓缩过程对果汁中的微生物还有很好的抑杀作用。

水分结晶是果汁冷冻浓缩的主要步骤，按水分结晶方式可将冷冻浓缩分为渐进层状结晶浓缩和悬浮结晶浓缩。

渐进层状结晶冷冻浓缩法由于冰晶在冷却面(换热面)上产生和生长加厚，水中的溶质被排除在冰晶之外的液相中，使液相中溶质浓度增加而实现浓缩。此方法的最大的优点是形成一个整体的水分冻结层，冰晶体大且固液界面较小，浓缩汁与冰晶分离时较易于操作。然而，渐进层状结晶是在换热面上形成冻结冰层，随着冰层逐渐增厚，传热效率迅速降低，水分冻结速率会越来越慢；尤其是随着设备容积增加，传热比表面也会减小，因此，提高结晶过程中传热速率是实现这一冷冻浓缩方法应用的技术关键。渐进层状结晶会在设备的内部结构上，如罐壁、换热盘管等表面形成较厚冻结冰层，不仅清理困难，而且融冰还是一个高耗能过程，成为该项技术实际应用的又一技术关键。因此，渐进层状结晶冷冻浓缩还难以在实际生产中应用。

悬浮结晶冷冻浓缩法是利用悬浮分散于果汁中的冰晶生长,再经过冰晶与果汁分离实现果汁浓缩。由于溶液中产生了大量的悬浮的细小冰晶，单位体积果汁内的冰晶比表面积很大，能够迅速地形成纯度较高冰晶体，这是该冷冻方式的优点。但其工艺过程要经过果汁换热过冷、结晶罐冰晶生长、果汁与冰晶离心或压榨分离、冰晶残留果汁清洗等操作，且分别在不同设备中完成，设备和配套设施多，工艺流程和操作复杂，投资及运行成本高，过多的操作环节增加了微生物污染的机会，制约了该项技术在一般生产企业中应用。

 “ 一种果汁的冷冻浓缩方法” （公开号为CN101991157B）,公开了一种果汁的冷冻浓缩方法，其方法是将果汁装入30kg 塑料桶，置于低温冷库中，降温至-18℃或-18℃以下冷冻1 天至彻底结冰，取出自然解冻至解冻完全，并在解冻过程中取出不同浓缩的果汁。该方法是一种渐进层状结晶方法，受制冷方式的限制，只能小批量制作浓缩果汁，由于冻结果汁从自然解冻至解冻完全，水分不是以冰晶体的形式分离去除，最终还需要借助于薄膜热浓缩的方式除去水分，不能体现冷冻浓缩的低温除水优势。

专利“超声协同养晶的果汁冷冻浓缩方法与设备”（授权公告号CN101664214B），公开了一种超声协同养晶的果汁冷冻浓缩方法与设备，除了在养晶罐中增加了超声波发生器，以加速晶核形成和冰晶体生长外，其工艺流程仍然不能摆脱一般悬浮结晶的操作。

专利“一种界面渐进冷冻浓缩方法”(授权公开号CN100450572C) 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。该方法从能量利用上对浓缩装置作了改进，以提高对冰结冰体中“冷源”的利用，并未解决渐进层状结晶中存在的问题。

发明内容

为了解决现有技术中的存在的技术问题，本发明提供了一种简捷高效、易操作、低成本的澄清冷冻浓缩果汁的制备方法。

本发明将水果破碎打浆制备的果浆直接送入冷冻浓缩设备，先进行悬浮结晶，不分离冰晶体，再直接进行渐进层状结晶，直到全部果浆冻结，利用冻结冰晶颗粒构成的过滤床层，将果浆中的果肉等悬浮颗粒有效地阻滞在冰层中，析出并获得澄清且被浓缩的果汁。本发明省去了常规澄清果汁生产所必需的榨汁、过滤、澄清等工序，而且由果浆到制备澄清的浓缩果汁均在单一的冷冻浓缩设备中完成，该方法具有设备占用少、工艺流程和操作简捷、投资和运行费用低、高效节能降耗等技术特点。

本发明提供一种澄清浓缩果汁的制备方法，是通过以下技术方案实现的：

a.取鲜果果浆，真空吸入冷冻浓缩罐，加入水解酶酶解；

b.将步骤a的酶解果浆在搅拌下逐渐降温至0℃以下，促进果浆中悬浮冰晶体的形成和生长，当温度降至-5℃至-7℃，完成悬浮结晶，停止搅拌；

c.将步骤b含有大量悬浮冰晶体的果浆继续降温，果浆中的水分和已形成的冰晶体沿冷冻浓缩罐的传热面和导热板进行渐进层状结晶，当冷冻浓缩罐内果浆温度降到-12℃至-16℃，全部果浆冻结，停止制冷；

d.将步骤c冻结果浆保温静置2～3小时，由罐顶部进气阀充入氮气或二氧化碳使冷冻浓缩罐内保持正压，罐内温度控制在0℃以下，由罐体底出汁阀放出澄清的浓缩果汁；

e. 将步骤d分离果汁后冻结冰体由罐体底部加热套加热融化，融冰水和果肉残渣由罐底出渣阀排出。

步骤a的鲜果果浆是新鲜水果经破碎打浆未进行榨汁或未分离果肉的水果浆液。

步骤a的冷冻浓缩罐为不锈钢材质的圆柱状罐体；冷冻浓缩罐体的侧壁和罐体底部分别设置彼此独立的夹套，分别通入制冷介质和加热介质，用于对罐内物料降温和加热。

步骤a的冷冻浓缩罐内的侧壁上垂直、径向焊接多块不锈钢导热板，根据导热板的数量和大小，可增加罐内换热面积6～20倍，使传热均匀，提高传热效率，并为渐进层状结晶提供更大的水分结晶冻结表面。

步骤b的果浆为悬浮结晶阶段，冷媒温度与罐内果浆温度保持在-3℃至-5℃的温差,并利用搅拌使传热迅速均匀，避免或减少渐近层状结晶。

步骤c的果浆为渐近层状结晶阶段，传热阻力大，将冷媒温度降低至-20℃至-25℃, 冷媒与罐内果浆温度保持在10℃至15℃的传热温差。

步骤d的冻结果浆中, 悬结晶和渐近层状结晶所形成的冰晶体仍以冰晶颗粒的形式存在并构成很好的过滤床层，将果肉等悬浮颗粒阻滞在冰层中；而被浓缩的果汁仍以液态形式存在于冰晶间隙中，析出后成为澄清的浓缩果汁，由此实现果浆直接制备澄清浓缩果汁，减少了常规澄清果汁生产的榨汁、过滤、澄清等工序和设备。

步骤d冷冻浓缩罐充入氮气和二氧化碳的表压力为10kPa至200kPa，对冰晶体间浓缩果汁进行压滤，提高浓缩果汁的分离效率，同时还能保护果汁减少氧化。

步骤d所获得的澄清冷冻浓缩果汁，重复步骤b至步骤e1～4次，可获得可溶性固形物含量为45%～55%澄清浓缩果汁，果汁的澄清度也将逐步提高。

步骤e分离了果汁的冻结冰体被导热板分割成多个竖直冰柱，随着冰柱下端在罐底部的加热融化，在重力作用下冰柱整体逐渐滑落并浸入罐体底部的融冰水中，被连续地加热融化，实现冻结冰体的简捷彻底清除。

步骤e的罐底加热夹套中通入传热介质并与其它罐体的换热器联接，通过传热介质的循环流动，利用冷冻浓缩罐中的冻结冰体对后续待处理果浆进行预冷，实现对冻结冰体冷源的充分利用。

 本发明的有益效果如下：

本发明的一个主要特点是将悬浮结晶和渐进层状结晶两种方法给合起来应用于冷冻浓缩。先采用悬浮结晶，利用大量细小悬浮冰晶巨大的比表面积和传热效率高的特点，促进果浆中悬浮冰晶的迅速形成和生长。完成悬浮结晶后不进行冰晶分离操作，而是继续降温直接进行渐进层状结晶，以避开悬浮结晶的劣势-冰晶分离所带来的一系列复杂操作。第二阶段采用渐进层状结晶，以获得冰晶体大且固液界面较小，浓缩汁与冰晶易于分离操作优势。为克服层状结晶传热阻力大、传热效率低的缺陷，设计了冷冻浓缩罐中的导热板结构，可增加罐内换热面积6～20倍，提高了层状结晶阶段传热效率，同时也为层状冻结提供了6～20倍的结晶表面，有效突破了层状结晶热传效率低的技术瓶颈。

本发明的第二个主要特点是由果浆经冷冻浓缩直接制备澄清的浓缩果汁。水和一般溶液完成冻结后形成的是一整块紧实的、基本无透性的冰体。本专利采用了先悬浮结晶、后渐进层状结晶的操作方式，而产生了单纯悬浮结晶和单纯渐进层状都不具备的显著特性。悬浮结晶和续渐进层状结晶所产生的冰晶体，仍然以冰晶颗粒的形式存在于全部冻结的果浆冰体中，由此产生了由冰晶颗粒构成的过滤床层，能将果肉等悬浮颗粒有效地阻滞在冰层中；另一方面，浓缩果汁仍以液体状态存在于冰晶间隙中，可以从冰晶中析出并得到澄清的浓缩果汁。本专利充分地利用了果浆结晶冻结这一特性，获得了在单一冷冻浓缩罐体中制备澄清的冷冻浓缩果汁技术方法，减少了常规澄清浓缩汁生产的榨汁、过滤、澄清等多道工序，产生了占用设备少、工艺流程和操作简捷、设备及配套设施投入少、运行成本低的技术优势。

本发明的第三个特点是，分离果汁时在冷冻浓缩罐内通入氮气或二氧化碳气体，利用其产生的压力将冰晶体中的浓缩果汁压滤出来，以提高果汁的分离效率；也可避免和减少果汁分离过程中果汁的氧化。

浓缩果汁分离后，冷冻浓缩罐中冻结冰体的高效融冰是本发明的又一技术特点。由于层状结晶会在热交换面上，如罐壁、盘管、换热器表面形成厚厚的冰结冰层，罐内冻结冰体清理十分困难，也是层状结晶冷冻浓缩实际应用需要解决的一个关键问题。本发明沿罐体侧壁的垂直、径向焊接多块不锈钢导热板，冻结冰体被导热板分割成多个竖直的冰柱，在重力作用下冰柱整体很容易从罐壁和导热板上脱落并浸入罐底的融冰水中，被冷冻浓缩罐底的加热夹套连续不断地加热融化，实现了冻结冰体的迅速融化和清除。

本发明的另一个设计特点是将罐底加热夹套中通入的传热介质与其它罐体的换热器联接，通过传热介质的循环流动，利用冷冻浓缩罐中的冻结冰体对后续待处理果浆进行预冷，实现了对冻结冰体“冷源”的简捷高效利用，具有显著的节能降耗特点。

本发明使用设备少，工艺流程和操作简捷，投资和运行费用低，高效节能的技术特点。

附图说明

图1为冷冻浓缩罐的结构示意图。

图2为冷冻浓缩罐横截面示意图。

本发明的冷冻浓缩设备由：测温器(1)、脱气进气孔（2）、冷媒出口（3）、导热板（4、14）、冷媒夹套（5）、加热介质进口（6）、快装盲板出渣口（7）、浓缩液出口（8）、滤网（9）、罐脚（10）、加热介质出口（11）、加热夹套（12）、冷媒入口（13）、螺旋桨搅拌（15）、聚氨酯保温层（16）、冷冻浓缩罐（17）、观察孔（18）、进料孔（19）、减速电机（20）组成。

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。

实施例1

a.冷冻浓缩罐17内径100cm，罐高200cm，罐容1500L，在罐体侧壁每间隔6cm焊接有多块块导热板4和14，宽导热板(40cm*200cm)和窄导热板(25cm*200cm)交替焊接，宽、窄导热板各26块，导热板表面积与罐体侧壁面积之比为10.76:1；其外设有聚氨酯保温层16，底部设有罐脚10，上部设有观察孔18；

b.通过脱气进气孔2对冷冻浓缩罐抽真空，使罐内形成负压，将1500kg可溶性固形物含量为13°Brix的杏浆从进料孔19吸入冷冻浓缩罐，同时进行杏浆脱气。将200g果胶水解酶溶于1kg水中，混匀加入罐内杏浆中，开启螺旋桨搅拌15搅拌30min，使酶与杏浆混合均匀，室温静置酶解3h；

c.在冷媒夹套5中从冷媒入口13通入温度为-10℃的冷媒，开启减速电机20，带动螺旋桨搅拌15，用测温器1测量使杏浆温度降低至-5℃，促进杏浆中悬浮结晶的形成和成长，悬浮结晶6h后停止搅拌；冷媒可从冷媒出口3流出；

d.在冷媒夹套5中通入温度为-25℃的冷媒，增加传热温差，促进水分层状结晶冻结，当温度降至-14℃且罐内杏浆整体冻结时停止制冷；

e.冻结杏浆静置2h，从脱气进气孔2中通入氮气，当表压力达到2005KPa时停止供气。打开浓缩液出口8阀门，放出澄清浓缩杏汁，当杏汁可溶性固形物含量降至1°Brix，关闭出汁阀门，出口上设有滤网9；可获得446.3kg可溶性固形物含量为25.7°Brix澄清浓缩杏汁；

f.在冷冻浓缩罐底的加热夹套12中从加热介质进口6通入乙二醇溶液，通过泵与冷热缸夹套中的乙二醇溶液进行换热循环，利用待浓缩杏浆中的热量融化冷冻浓缩罐中的冻结冰体，同时对待浓缩的杏浆进行预冷，可将1.5吨待浓缩的杏浆从27℃预冷至2℃。待罐内冰体全部融化，打开快装盲板出渣口7排出杏肉渣和融冰水混合物，加热介质可从加热介质出口11放出。

g.通过重复c至f的操作步骤2次，可获得218.5kg可溶固形物在50.8°Brix、透光率为67.5%的澄清浓缩杏汁。

表1  杏果浆三次冷冻浓缩的实验结果

                                                 

注：测定浓缩杏汁透光率前，先将浓缩杏汁加蒸馏水稀释至11.5°Brix，再测定透光率。

实施例2

a.冷冻浓缩罐17内径80cm，罐高100cm，罐容500L，在罐体侧壁每间隔5.25cm焊接一块导热板4、14，宽导热板(30cm*100cm)和窄导热板(20cm*100cm)交替焊接，宽、窄导热板各24块，导热板表面积与罐体内侧壁面积之比为9.55:1。

b.通过脱气进气孔2对冷冻浓缩罐抽真空，使罐内产生负压，从进料孔19吸入500kg 、可溶性固形物含量为23°Brix 经破碎处理的葡萄浆液(含果肉和皮籽)，并脱除葡萄浆液中溶入的气体，避免后续加工的氧化褐变。

c.在冷媒夹套5中通入温度为-10±1℃的冷媒，开启螺旋桨搅拌15，将葡萄浆液的温度降低至-7℃，促进葡萄浆液中水分悬浮结晶的形成和生长。利用螺旋桨产生的液流和导热板4、14良好导热性，利于提高葡萄浆换热效率、促进悬浮结晶的迅速生长，并使罐内温度场分布均匀，避免局部过冷而导致罐壁出现层状结晶冻结，悬浮结晶4h后停止搅拌。

d.在冷媒夹套5中通入温度为-25±1℃的冷媒，增加传热温差，利用罐壁均匀分布的导热板4、14，保持层状结晶较高的传热速率，缩短传热间距，促进水分层状结晶冻结。当罐内温度降至-16℃、葡萄浆液及其中的悬浮结晶被整体冻结，停止制冷。

e.冻结葡萄浆静置3h，从脱气进气孔2中通入二氧化碳气体，当表压力达到101KPa时停止供气。打开浓缩液出口8的阀门，放出澄清的浓缩葡萄汁，当葡萄汁可溶性固形物含量降至1.3°Brix，关闭出汁阀门。经冷冻浓缩获得质量208kg、可溶性固形物含量为35.2°Brix澄清浓缩葡萄汁。

f.在冷冻浓缩罐底的加热夹套12中通入70%的酒精作为加热介质，通过泵与冷热缸夹套中的酒精进行换热循环，利用待浓缩葡萄浆中的热量融化冷冻浓缩罐中的冻结冰体，同时对待浓缩的葡萄浆进行预冷，可将500kg待浓缩的葡萄浆从25℃降至7℃，实现对冻结冰体冷源的简捷利用。待罐内冰体全部融化，打开快装盲板出渣口7阀门排出融冰水及葡萄果肉和皮渣。

g.重复c至f的操作步骤1次，可获得可溶固形物在46.4°Brix的澄清浓缩葡萄汁156kg。

表2  葡萄果浆二次冷冻浓缩的实验结果

 

注：测定浓缩葡萄汁透光率前，先将浓缩葡萄汁加蒸馏水稀释到18°Brix，再测定透光率。

实施例3

a.冷冻浓缩罐(17)内径120cm，罐高90cm，罐容1000L，在罐体侧壁每间隔6.25cm焊接一块导热板(4、14)，宽导热板(50cm*90cm)和窄导热板(30cm*90cm)交替焊接，宽、窄导热板各30块，导热板表面积与罐体内侧壁面积之比为12.8:1。

b.通过脱气进气孔(2)对冷冻浓缩罐抽真空，使罐内产生负压，从进料孔(19)吸入950kg、可溶性固形物含量为13.2°Brix破碎打浆甜瓜浆。

c.在冷媒夹套(5)中通入温度为-9±1℃的冷媒，开启螺旋桨搅拌(15)，将甜瓜浆温度降低至- 6℃，促进悬浮结晶的形成和成长，悬浮结晶2h后停止搅拌。

d.在冷媒夹套(5)中通入温度为-20±1℃的冷媒，将甜瓜浆温度降低至-10℃以下，以增加传热温差，甜瓜浆中的水分在冷冻浓缩罐体侧壁和导热板上进行层状结晶，当甜瓜浆温度降至-15℃，冷冻浓缩罐内整体冻结，停止制冷热。

e.冻结甜瓜浆静置1h，从脱气进气孔(2)中通入二氧化碳气体，当表压力达到50.5KPa时停止供气。打开浓缩液出口(8)的阀门，放出澄清的浓缩甜瓜汁，当浓缩液出口(8)的甜瓜汁可溶性固形物含量低于1°Brix，关闭出汁阀门，可获得固形物含量为23.18°Brix的澄清浓缩甜瓜汁418kg。

f.在冷冻浓缩罐底的加热夹套(12)中通入乙二醇溶液，通过泵与冷热缸夹套中的乙二醇溶液进行换热循环，利用待浓缩甜瓜浆的热量融化冷冻浓缩罐中的冻结冰体，同时完成待浓缩的甜瓜浆的预冷，可将1200kg待浓缩的甜瓜浆从20℃预冷至2℃。待罐内冰体全部融化，打开快装盲板出渣口(7)排出甜瓜果肉残渣和融冰水混合物。

g.通过重复c至f的操作步骤4次，可获得可溶固形物在54°Brix的澄清浓缩甜瓜171.8kg。

表3  甜瓜果浆经五次冷冻浓缩的实验结果

 

注：测定浓缩甜瓜汁的透光率前，先将浓缩甜瓜汁加蒸馏水稀释到18°Brix，再测定透光率。

Claims (7)

1.一种澄清浓缩果汁的制备方法，其特征在于，由以下步骤制备而成：

a.取鲜果果浆，真空吸入冷冻浓缩罐，加入水解酶酶解；

b.将步骤a的酶解果浆在搅拌下逐渐降温至0℃以下，当温度降至-5℃至-7℃，停止搅拌，完成悬浮结晶；

c.将步骤b悬浮结晶后的果浆继续降温，果浆中的水分和已形成的冰晶体沿冷冻浓缩罐的传热面和导热板进行渐进层状结晶，当冷冻浓缩罐内果浆温度降到-12℃至-16℃，全部果浆冻结，停止降温；

d.将步骤c冻结果浆保温静置2～3小时，从罐顶充入氮气或二氧化碳使冷冻浓缩罐内保持正压，罐内温度控制在0℃以下，由罐体底出汁阀放出澄清的浓缩果汁；

e. 将步骤d分离果汁后冻结冰体由罐体底部加热套加热融化，融冰水和果肉残渣由罐底出渣阀排出；

f.重复步骤b至e 1～4次，得可溶性固形物含量为45%～55%澄清浓缩果汁。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a的鲜果果浆是新鲜水果经破碎打浆未进行榨汁或未分离果肉的水果浆液。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a的冷冻浓缩罐为不锈钢材质的圆柱状罐体；冷冻浓缩罐体的侧壁和罐体底部分别设置独立的夹套，分别通入制冷介质和加热。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a的冷冻浓缩罐内的侧壁上垂直、径向焊接有若干块不锈钢导热板。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b中，冷冻浓缩罐内的冷媒温度与罐内果浆温度保持在-3℃至-5℃的温差。

6. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤c中, 冷媒与罐内果浆温度保持在10℃至15℃的传热温差。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于， 步骤d冷冻浓缩罐充入氮气和二氧化碳的表压力为10kPa至200kPa。