CN1068184C - 生产冷冻充气食品的方法、装置和由此获得的冷冻充气食品 - Google Patents

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Abstract

用于生产冷冻充气食品的装置，它包括两个相同的、互相平行地啮合并以相同的方向旋转的蜗杆，这两个蜗杆位于一个壳体内，壳体的一端装有一个喷嘴，另一端装有一个用于输送待冷冻组合物的装置，在中部区域装有输送空气的装置，该壳体设置在有制冷流体循环流动的外套内。

Description

生产冷冻充气食品的方法、装置和由此获得的冷冻充气食品
本发明涉及冷冻充气食品、一种生产这种冷冻食品的方法及一种实施该方法的装置。
传统的生产冷冻充气食品，尤其是冰激凌的方法包括用于混合、均化、灭菌、冷冻和硬化冷冻的混合物等操作过程。混合物的充气或膨胀是在冷冻阶段进行的，其体积增大的比例为70％到120％。在离开冷冻装置(冷冻机)时，充气物质的温度一般在-5至-6℃。然后充气物质在硬化腔中在-40至-45℃的温度下硬化，直到冷冻食品的芯部的温度达到-18℃或更低(对于块状产品)或-30℃(对于挤出的棒状产品)。
人们试图降低冷冻物质在离开冷冻机时的温度，以便节省能源和改善其特性，如提高滑润方面的特性。但是，对于传统设备来说会遇到块状冰激凌在温度低于-7至-8℃时粘度较高等难以克服的问题。利用两个串接的刮削表面式冷冻机可使这些问题得到部分解决，第一个冷冻机是传统式的，它在约-7℃的温度下输送充气冰激凌，而第二个冷冻机专用于处理高粘度块，以便将其温度降低到-10℃左右。
类似地，在EP-A-0561118中描述了在降到约-20℃的低温下生产冰激凌的三阶段法。在生产温度下，对于块状产品可完全消除硬化阶段，对于挤出的产品，可适当缩短硬化阶段。在第一阶段，即所谓的预膨胀阶段，将空气引入到混合物中，以便在正温度下冷冻。在第二阶段，充气物质在刮削表面式交换器内冷却，在约-6℃的温度下排出。在第三阶段，螺杆装置将该物质冷却到-20℃。
US-A-5024066涉及一种双级系统。在第一级中，当在正温度下向被冷冻物质中充入气体期间会发生预膨胀。在第二级中，利用在其周边装有带粗糙表面的刮削板的阿基米德螺旋压缩机将这种充气物质冷却到足够低的负温度，以确保冷冻物质具有稳定的特性，并使该产品可直接贮存在冷藏库中。
本发明的目的是使物质的膨胀和冷冻过程只在一个容易控制和尺寸比现有的装置小的装置内的一级中进行，从而简化了低温冷冻方法，同时仍具有上述的能源和特性上的优点。
本发明涉及一种用于生产冷冻充气产品的方法，其中对冷冻的组合物进行混合、充气、冷冻并冷冻到等于或低于-8℃的温度，并使这种冷冻组合物通过一个喷嘴，其特征在于这些过程是在单个装置中的一个级内进行的，该装置由两个平行排列的蜗杆组成，这两个蜗杆互相啮合并以相同的方向旋转，它们同处于一个装有充气和冷冻装置的壳体内。
人们惊奇地注意到，可在一个装置的单个级中对一种用于生产冰点的组合物进行充气、混合、冷冻和挤压，并同时可获得特性更好和更稳定的低温冷冻充气食品，但人们担心，在双蜗杆装置内的加工过程中冷冻组合物的特性会受到破坏。由于已有的方法是在一个分离的装置内冷冻之前进行充气的，并且冷冻至少部分地是在一个装有刮削板的装置内进行的，所以上述的破坏作用不明显。
为了利用这种方法，可用传统的方法制备冰点(如冰激凌、低脂冰激凌或冰糕)的组合物，按照这种方法，在牛奶、脱脂乳、奶乳、炼乳、奶粉或奶油中加入蔗糖、葡萄糖、水果葡萄糖、果浆和稳定水解胶体(如角叉菜酸盐、藻酸盐、角豆树胶、如一部分甘油酯和食用香料等的乳化剂)。在按该方法规定的比例将这些成分均匀拌和后，进行巴氏杀菌、冷却，然后在压力状态下加热均化，使脂肪颗粒的平均粒度降低到约8-20微米。在均化物质冷却到接近于0℃的较低温度之后，使该组合物在这个温度下熟化一段时间。均化和熟化是可选择的步骤。
在说明书的下文中，将这种熟化物质称为“被冷冻物质”。最好将这种物质在约2-5℃下输送到双蜗杆冷冻装置中(下面将更详细说明这种装置)，被冷冻物质在该装置中由以高速旋转(最好以100-600r/min的转速)的同向旋转蜗杆混合，并将其输送到一个空气喷射区，在该区物质膨胀到超过正常体积的20-150％，并深度冷冻到-8至-20℃，然后迫使它们通过一个喷嘴。
令人惊异的是，这种双蜗杆装置的工作是在不出现过高剪切力的情况下进行的，这样使喷嘴的压力不会升高到超过约50bar。产品的特征在于平均冰晶的粒度为10至30微米，这明显低于传统冷冻机所获得的平均冰晶粒度，并且脂肪液滴的平均粒度约为8-20微米。其结果在较大程度上提高了在滑润度和乳化度方面的特性。
本发明还涉及一种用于实施上述方法的装置，它包括两个相同的、互相平行地啮合并以相同的方向旋转的蜗杆，这两个蜗杆位于一个壳体内，壳体的一端装有一个喷嘴，另一端装有一个用于输送待冷冻组合物的装置，在中部区域装有输送空气的装置，该壳体设置在有制冷流体循环流动的外套内。
这两个蜗杆可具有一些顺序排列的环段，它们的形状从一个环段至另一个环段(比如从螺纹和螺距的方向看)是变化的。蜗杆的结构适宜完成物质的输送、混合、切削和压缩和压向喷嘴等操作，并能促使气体的掺混，以达到良好的膨胀程度。可在中间区域设置用于搅动的装置，例如设置单叶和双叶圆盘，它们可以是正向取向的具有推进作用的圆盘，或是负向取向的具有逆向推进作用的圆盘，或是具有可形成逆向推进的反向螺距的环段。
壳体装有由一个双外套组成的冷却装置，最好每个环段具有一个独立的冷却回路，该回路具有用于控制制冷剂流量并分别对各环段进行温度调节的阀。
可利用流量计喷射空气，使空气在壳体的不同位置处，最好在长度的后半部及最好在该部分的每一侧处通过管道喷射。具体地说，这些管道位于壳体长度的1/2至4/5之间的不同高度处，最好位于所述壳体的每一侧。这样可有利地达到正常充气量的80％到150％。
喷嘴的形状最好是倒圆锥体形的，其作用是将各蜗杆周围的空间汇合成一个单输出孔。这种输出可以是水平或垂直方向的。所设计的喷嘴的几何形状和尺寸或可适用的与喷嘴相连的输出管的直径和长度应能提供约4至50bar，最好是4至25bar的背压。此背压可通过例如一个上述管的下游处的球阀进行调节，例如在产品的输出温度接近低限的情况下，输出管的直径必须增加，以补偿由于物质的温度下降，粘度增加使得压头损失而造成压力的下降。最好利用例如一个其内有冷却流体循环流动的外套对喷嘴进行冷却。
下面将参照附图更详细地描述作为实施例的本发明的装置，其中：
图1是该装置的示意性的分解透视图；
图2是沿图1中的AA线取的壳体的横剖示意图。
如图1所示，该装置包括两个挤压蜗杆1和2，它们是相同而且平行的，并由一个电动机(图中未示出)驱动，以相同的方向绕它们各自的轴旋转。蜗杆1和2安装在壳体3内，壳体3的起始处有一根用于输送待冷冻组合物的管道4，管道4上设有止回阀5，以确保气密性。该壳体3终止于盖板形喷嘴6。
该壳体具有9个100mm长的环段F1至F9，从蜗杆结构的观点来看，这些环段是可以调整的，环段分别与连通容纳水-酒精混合物的外套的冷却回路7相连，利用阀8可单独对流量进行调节。在空气通过壳体每一侧的空气入口9时进行充气并利用一个装有质量流量计的活塞喷射空气。空气的流量靠阀10来分别地进行调整。
在一种变型(未示出)中，喷嘴6上装有一个外套，冷却流体也在该外套内循环流动，其流量可单独地进行调节。
在壳体3和喷嘴6的输出端，管道11起预膨胀区的作用。管道11上装有一个用于控制背压和物质在壳体中的停留时间的球阀12。
设L为蜗杆1和2中的一个蜗杆的环段总长度，它代表这两个蜗杆的工作长度，设D为蜗杆1和2中的一个蜗杆的直径，比值L/D的数量级为30至60。
在图2中可以看出，壳体3有一个包围用作蜗杆1和2(未示出)的通道14的金属内套13和一个用撑条16与内套13保持一定距离的金属外套15。冷却流体在由内外套13和15构成的壁之间的通道17内循环流动。
下面将通过实施例更详细地说明本发明的方法，其中的百分比为重量百分比。
实施例1
制备一种低冷冻点的冷冻组合物，它含有8.5％的乳脂(一种脂肪含量达35％的乳油)，11％的脱脂奶粉，12％的蔗糖，6.4％的葡萄糖浆(葡萄糖当量为40)，1％的葡萄糖，0.47％的作为稳定剂/乳化剂的部分甘油酯和0.4％的香草香精。这种组合物的总固体含量为39.15％，其余部分为水。该混合物在135bar，然后在35bar两个阶段内均化，在86℃下杀菌30秒钟，再冷却到4℃并在该温度下储存24小时。将组合物在以下实施例中所指出的工作状态下送入装置中。
-蜗杆1和2的结构
环段          F1  F2   F3   F4   F5  F6-F7  F8-F9
蜗杆的类型    T   T    T   M/C   T    CO     CO
其中T：输送，M：混合，C：剪切，CO：压缩
-空气喷射：在F5，从单侧的9处
-待冷冻组合物的流量/温度：在F1/10℃的条件下为11kg/h
-制冷流体的入口温度：-17℃
-蜗杆的转速：600转/分
-喷嘴的直径(没有管道或出口阀)：1.2mm
-壳体环段和喷嘴板的温度；
环段       F1-F2   F3     F4-F9    板6
温度(℃)  +3至+5  -8.5  -10至-11   -9
物质在喷嘴6的出口温度为-10.5℃。体积过盈量65％(体积比未充气时的物质体积的增加)。
该产品特性比用传统方法制成的产品特性更显滑润和更奶油化。
实施例2
在该实施例中，冷冻的组合物与实施例1中的相同并且其工作状态如下：
-蜗杆1和2的结构
环段          F1  F2   F3  F4   F5  F6-F7  F8-F9
蜗杆的类型    T  T/M  T/M  M/C  T    CO     CO
其中T：输送，M：混合，C：剪切，CO：压缩
-空气喷射：在F5和F6中，从双侧的9处，即利用4根管，其流量为7.8L/h
-待冷冻组合物的流量/温度：在F2/10℃的条件下为10kg/h
-制冷流体的入口温度：-25℃至-28℃
-蜗杆的转速：600转/分
-喷嘴的直径(有管道11和出口阀12)：10mm
-壳体环段和喷嘴板的温度；
环段       F1-F2     F3      F4-F9    板6
温度(℃)  +8至+12  -8至-9  -10至-14   -12
物质在喷嘴6出口处的温度为-8℃至-10℃。体积过盈量80％至100％。用放大倍数为1000-1500的光学显微镜在-10℃的温度下测量的平均冰晶粒径为25微米。  用激光扫描方法测量的平均脂肪液滴直径为11.3微米。
该产品在特性上比用传统方法制成的产品更显滑润和更奶油化。
实施例3-6
所处理的冷冻组合物与实施例1中的相同，蜗杆的结构与实施例2相同，除了下述条件外，其它条件相同：
-待冷冻组合物的流量：9.5kg/h，
-环段F2的温度：4.5至5.5℃，
-制冷流体在壳体冷却回路入口处的温度：-26.5至-27.5℃。
另一个不同之处在于：蜗杆的转速是变化的，如下所示：
下面记录了产品的参数：
实施例            3    4    5      6
转速(r/min)      600  300  200    100
出口温度(℃)     -8.5 -10  -11    -12.2
体积过盈量(％)   90   90   85     80
板6处的压力(bar) 2    7    11     23
用放大倍数为1000-1500的光学显微镜在-10℃的温度下测量的平均冰晶粒径(Dc，微米)和用激光扫描方法测量的平均脂肪液滴直径(Dg，微米)为：
实施例    3    5    6
Dc    13      26     19
Dg    8.44    17.17  14.02
在每一种情况下，该产品在特性上都能比用传统方法制成的产品更显滑润和更奶油化。
实施例7-8
所处理的冷冻组合物与实施例1中的相同，蜗杆的结构与实施例2相同，除了下述条件外，其它条件相同：
-待冷冻组合物的流量：9.5kg/h，
-环段F2的温度：3℃，
-制冷流体在壳体冷却回路入口处的温度：-25.9至-27.1℃，
-蜗杆的转速：在实施例7中是600r/min，在实施例8中是100r/min，
-在喷嘴出口处有直径为20mm的管11和球阀12。
在实施例7的情况下，产品的出口温度是-8.4℃，体积过盈量90％。
在实施例8的情况下，产品的出口温度是-12.4℃，体积过盈量80％，喷嘴的压力是9bar。
用放大倍数为1000-1500的光学显微镜在-10℃的温度下测量的平均冰晶粒径(Dc，微米)和用激光扫描方法测量的平均脂肪液滴直径(Dg，微米)为：
实施例    7     8
Dc        23    24
Dg    10.35    13.35
在每一种情况下，该产品在特性上都能比用传统方法制成的产品更显滑润和更奶油化。
实施例9
除了下述特征外，本实施例是在实施例7的条件下进行的：
-蜗杆1和2的结构
环段          F1  F2  F3   F4   F5   F6-F7  F8-F9
蜗杆的类型    T  T/M  T/M  M/C  M/C   CO     CO
其中T：输送，M：混合，C：剪切，CO：压缩
-空气喷射：在F5和F6中，从双侧的9处，利用流量为9.9L/h的4根管道。
产品的出口温度是-8.5℃，体积过盈量100％。
用放大倍数为1000-1500的光学显微镜在-10℃的温度下测量的平均冰晶粒径为26微米。
用激光扫描方法测量的平均脂肪液滴直径为8.82微米。
实施例10-11
在这两个实施例中，使用用与实施例1相同的方式制备的冷冻组合物，所用工作条件如下：
-蜗杆1和2的结构
环段    F1  F2  F3  F4  F5  F6  F7  F8  F9
蜗杆的类型    T  T/M  T/M  M/C  T  CO  M/CO  M/CO  CO
其中T：输送，M：混合，C：剪切，CO：压缩
对于实施例10：
-输入产品的量：10kg/h
-空气喷射：通过F5和F6两侧的9处，利用流量为12g/h的4根管道
-蜗杆的转速：300r/min
-利用制冷液将F2至F9区域冷却到-30/-35℃。
产品的出口温度是-11.5℃并体积过盈量100％。
对于实施例11：
-输入产品的量：10kg/h
-空气喷射：通过F5和F6两侧的9处，利用流量为13g/h的4根管道
-蜗杆的转速：100r/min
-利用制冷液将F2至F9区域冷却到-30/-35℃。
产品的出口温度是-14.5℃并体积过盈量90％。
该产品在特性上比作为参考基准的传统方法制成的产品更显滑润和更奶油化。
利用加热炉内的热冲击可产生加速老化的效果，以温度周期进行编程可模拟这些产品在从冷冻机到顾客的链中的分配过程中所受到的条件。
用放大倍数为1000-1500的光学显微镜在-10℃的温度下测量的平均冰晶粒径(Dc，微米)和用激光扫描方法测量的平均脂肪液滴直径(Dg，微米)为：
实施例        10    11
老化前的Dc    18    19
老化后的Dc    57    77
Dg            4.37  7.89
用于比较的对应基准值为：
老化前的Dc:28，
老化后的Dc:94，
Dg:0.91。
人们已经知道，脂肪的去稳定作用有助于提高冰激凌的脂质口感，因此可注意到，按照本发明制备的这些冰激凌，其脂肪的去稳定作用程度总是大于传统产品的去稳定作用程度。
实施例12
在该实施例中使用脂肪含量为5％的低脂肪冰激凌。用于制备的材料由14.28％脂肪含量为35％的乳油、8％的脱脂奶粉，15％的蔗糖、3.303％的葡萄糖浆(葡萄糖当量40)、1％的葡萄糖、0.5％的作为稳定剂/乳化剂的部分甘油酯和0.4％的香草香精的混合物组成。这种组合物的总固体含量为33.06％，其余部分为水。该混合物在224bar，然后在40bar两个阶段内均化，在86℃下杀菌30秒钟，再冷却到4℃并在该温度下储存24小时。
将这种混合物在相同的工作条件下放在冷冻装置内，蜗杆的结构与实施例10中的相同。产品刚从挤出机出来时的温度为-11.5℃，体积过盈量100％。
低脂肪含量的冰激凌具有很好的奶油质特性。这种新制出的产品与经过加速老化的产品一样好，与受到相似生产条件的其它基准产品相比毫不逊色。品尝者发现，本发明的这种新制出的产品有点稍冷的感觉，它具有较好的脂质感并且冰晶较少。
用放大倍数为1000-1500的光学显微镜在-10℃的温度下测量的平均冰晶粒径(Dc，微米)和用激光扫描方法测量的平均脂肪液滴直径(Dg，微米)为：
实施例12  基准产品
老化前的De    18    24
老化后的Dc    67    81
实施例13-16
在该实施例中，用下述方法制备用作果汁冻的混合物：将29％的糖、10％的葡萄糖浆、35％的无糖悬钩子果泥、一种色素、  一种悬钩子香料和一个pH值达到3.2-3.4的食用酸加入到60℃的含0.8％稳定剂明胶、角豆树胶的混合物中。这种组合物的总固体含量为30.30％，其余部分为水。该混合物在压力为50bar的一个阶段内于72℃均化，在85℃下杀菌30分钟，再冷却到4℃并在温度下保存至少4小时。
将这种冷冻混合物引入到具有与实施例10相同的蜗杆结构的装置中。除了下述条件外，其工作条件与实施例10相同：
-空气喷射：通过F5和F6两侧的9处，利用流量为2,5,12和15g/h的4根管道。
-蜗杆的转速：100和300r/min。
输出的产品采用如下参数：
实施例          13    14    15     16
空气流量(g/h)    2     5    12     15
转速(r/min)    100   100   100    300
出口温度(℃)   -16   -16 -16.5  -10.5
体积过盈量(％)  24    40    92    150
如此获得的产品的混合物尽管总的脂肪含量较少，但与其它冰激凌很相似。
本发明产品的味道与用传统方法制备的具有相同组合物的果冻相比，它有较低的冷感、极少的冰晶、最好的脂质口感和最小的果冻粗糙度，这两种新制备的产品与经过熟化的产品一样好。
实施例17-19
实施例17：按实施例10中进行，有均化阶段，但取消了熟化阶段。
实施例18：按实施例10中进行，但取消了均化阶段。
实施例19：按实施例10中进行，但取消了均化和熟化这两个阶段。
通过对新制备的产品的品尝和对新制备和熟化后的产品进行的结构测量(冰晶的粒度，脂肪的去稳定作用)表明，其口味与同时采用均化和熟化的相同产品相比只有微小的差异。
在上述实施例中对有关生产冰冻混合物的方法装置的描述中没有专门指出也可利用共同挤出的工艺生产各种不同的冰激凌或具有不同颜色和味道的果冻，从而可得到混合产品，例如可使产品具有斑纹。
当然，该方法也可用于生产像乳脂冻、乳剂、甜味或香味的涂抹剂，例如乳酪、蔬菜、肉或鱼的涂抹剂等冷冻食品或掺调味汁或沙拉酱的冷冻食品。在这些情况下，应采用灵活的方法，以适应于向被冷冻混合物中加入空气并相对于不同种类的目标产品的特性或多或少保持一定程度的充气过盈量。

Claims (14)

1．一种用于生产冷冻充气食品的方法，其中对待冷冻的组合物进行混合、充气、冷冻并冷冻到等于或低于-8℃的温度，并使这种冷冻组合物通过一个喷嘴，其特征在于这些过程是在单个装置中的一个级内进行的，该装置由两个平行排列的蜗杆组成，这两个蜗杆互相啮合并以相同的方向旋转，它们同处于一个装有充气和冷冻装置的壳体内。
2．按照权利要求1的方法，其特征在于将待冷冻的组合物在2-5℃的温度下输送到双蜗杆冷冻装置中，待冷冻的组合物在该装置中由以100-600r/min转速共同旋转的蜗杆使其混合，并将其输送到一个空气喷射区，在该区该组合物膨胀到超过额定体积的20-150％，并深度冷冻到-8至-20℃，然后迫使它们通过一个喷嘴。
3．利用权利要求1或2的方法工作而获得的冷冻充气食品。
4．按照权利要求3的冷冻充气食品，其特征在于平均冰晶粒径为10至30微米。
5．按照权利要求4的冷冻充气食品，其特征在于脂肪液滴的平均直径为8至20微米。
6．实施权利要求1或2的方法的装置，它包括两个相同的、互相平行地啮合并以相同的方向旋转的蜗杆，这两个蜗杆位于一个壳体内，壳体的一端装有一个喷嘴，另一端装有一个用于输送待冷冻组合物的装置，在中部区域装有输送空气的装置，该壳体设置在有制冷流体循环流动的外套内。
7．按照权利要求6的装置，其特征在于这两个蜗杆具有一些顺序排列的环段，从管心及其运动方向看，它们的形状从一个环段至另一个环段是变化的，蜗杆的结构适宜完成物质的输送、混合、切削和压缩和压向喷嘴操作，并能促使气体的掺混，以达到良好的膨胀程度。
8．按照权利要求7的装置，其特征在于，L是一个蜗杆环段的总长度，D是一个蜗杆的直径，关系L/D的数量级在30-60之间，该蜗杆包括利用单叶和双叶圆盘进行混合的中间区域，该圆盘正向取向并具有推进作用，或是负向取向并具有逆向推进作用，或是具有带逆向推进的反向螺距的环段。
9．按照权利要求6的装置，其特征在于：喷嘴装有由一个双外套组成的冷却装置，该双外套在每个环段具有一个独立的冷却回路，即管心在必要的地方装有冷却装置，该冷却装置具有对各环段制冷剂的分配，或对管心的温度单独进行调节的安全阀。
10．按照权利要求6的装置，其特征在于：空气是利用管道喷射的，这些管道位于壳体长度的1/2至4/5之间的不同高度处。
11．按照权利要求10的装置，其特征在于：所述的管道位于所述壳体的每一侧。
12．按照权利要求10的装置，其特征在于：管心的形状是倒圆锥体形的，其作用是将各蜗杆周围的空间汇合成一个单输出管，并且输出是水平或垂直方向的。
13．按照权利要求12的装置，其特征在于：管的直径和长度应能提供400至5000千帕的背压，并且用管的下游装置调节该背压。
14．按照权利要求13的装置，其特征在于：所述的背压为400至2500千帕。
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