CN110050914B - 一种电场辅助提高水合物浓缩果汁品质的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的公开了一种电场辅助提高水合物浓缩果汁品质的方法，包括以下步骤：1、将果汁原汁进行预冷；2、打开冷凝循环设备进行冷却；3、将预冷后的果汁原汁使用高压工频交流电对果汁进行处理；4、用直流电对果汁进行处理；5、增大直流电的电压继续处理；6、浓缩完成后，得到浓缩果汁。本发明所述的制备方法能有效地提高气体水合物浓缩果汁的品质。本发明还公开了一种用于制备水合物浓缩果汁的装置。
Description
技术领域
本发明涉及饮料加工领域，具体涉及一种电场辅助提高水合物浓缩果汁品质的方法及实现该方法的装置。
背景技术
浓缩果汁是果汁行业一种常见的半成品或产品，常见的果汁浓缩方式膜浓缩、蒸发浓缩、冷冻浓缩。冷冻浓缩是对果汁营养成分保留效果最好的一种浓缩方式。但是，冷冻浓缩果汁由于在浓缩过程中需要提供低温环境导致的高能耗，及在冷冻过程中形成的冰晶体存在的夹带问题，限制了这项技术的推广应用，而且成品浓缩汁若长期储存，仍需要杀菌处理。
因此，一种新型浓缩技术——气体水合物法浓缩进入了人们的视野。气体水合物法浓缩是一种利用客体气体分子与溶液中水分子在一定压力和温度下，形成类似冰晶的笼形结构物质，再利用过滤、离心等机械手段除去，从而获得浓缩液的方法，这种方法也称作水合物浓缩。
水合物浓缩是一种与冷冻浓缩效果相似，相比于冷冻浓缩，其无需零下低温作为条件，大大节省了能耗，不过也存在以下不足之处：
（1）水合物浓缩在溶液溶质晶体形成过程中（形成笼形结构物质），易被夹带甚至包埋；
（2）常规水合物浓缩分离技术常采用加入一些热力学或动力学促进剂以加快处理过程，这些化学试剂会增加成本且会降低消费者对产品的接受度；
（3）单一水合物法浓缩具有浓缩效果相对不稳定性，浓缩时间相对较长，易出现水合物夹带现象，微生物数量和酶活性下降有限，皆会导致浓缩果汁品质的降低。
经研究，在水合物法浓缩液体过程中，决定浓缩效率及效果的因素包括水合物的形成途径及水合物的大小结构。当水合物的形成速度在合适的范围内时，最终形成的水合物更多、更稳定，纯度更高，从而使得浓缩率越高，溶质夹带率越小。
水合物的形成过程主要包括成核及晶体生长两个阶段。目前关于水合物的成核理论包括：团簇结合假说、局部结构假说、笼子吸附假说，由于成核的随机性、微观性和诱导时间的不确定性等因素的影响，目前还未有公认的理论。尽管成核假说各异性，但是所成晶核形状皆认为是由主体水分子的笼状孔穴结构和气体分子的填充组成。其中主体水分子之间通过氢键相互作用，主客分子之间通过范德华力相互关联，从而形成稳定的笼。当笼状物达到临界半径后，笼形物晶核形成，随后水分子及气体分子的不断聚集，晶体成长。
因此，要解决水合物浓缩中存在的问题，关键在于控制水合物成核及晶体生长两个过程。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种电场辅助提高水合物浓缩果汁品质的方法，该制备方法能有效地提高气体水合物浓缩果汁的品质。
本发明的另一个目的在于提供一种实现该制备方法的装置。
本发明的第一个目的通过以下技术方案实现：
一种电场辅助提高水合物浓缩果汁品质的方法，包括以下步骤：
（1）将果汁原汁置于冷库中进行预冷；
（2）打开冷凝循环设备进行冷却，使得进料罐、浓缩处理室、气体冷却室的温度与冷库的温度一致；
（3）将预冷后的果汁原汁转移至进料罐中，然后将进料罐的果汁原汁输送到浓缩处理室中，并通入气体冷却室中的冷却气体，当气体压力达到设定值后，关闭气阀，使用高压工频交流电对果汁进行处理；
（4）当浓缩处理室内无肉眼可见的气泡后，改用直流电对果汁进行处理；
（5）当浓缩处理室内出现体系压力下降、温度上升的情况后，增大直流电的电压继续处理；
（6）当浓缩处理室内的压力不再变化时浓缩完成，打开阀门，浓缩液进入浓缩液收集罐中，得到浓缩果汁。
电场对于气液混合液体系统有着显著的影响。一方面，电场作用可以有效地强化物质间的传质效果：气泡在电场力的作用下，运动增强，速度加快，与液体的接触频率增大；在电场增强时，气泡破裂，形成很多小气泡，使得气液接触面积进一步增大。这使得在气液界面处，气泡的流体动力学状态在电场作用下发生改变，气泡在上升过程中除了本身的平动之外，存在比较剧烈的旋转运动以及液体在气泡周围的表面流，大大增强了气液的接触，从而显著促进气体在液体中传质。
另一方面，电场在水分子冷冻结晶过程中，可促使偶极化的水分子成核，减小过冷度，同时可调节冰晶生长过程中的无序性，有效避免了枝状冰晶及过大冰晶的形成导致的晶体夹带问题。水合物结晶过程中，电场亦可调控水分子的运动方向，促进水合物笼的形成，在促进气液接触的基础上，进一步诱导成核。
通过在水合物浓缩过程中使用电场，使得水合物成核及晶体生长的行为得到了调节，解决了水合物夹带和包埋的问题。
步骤（4）所述的无肉眼可见的气泡意为：实时观察气泡细小致肉眼不可见。
优选地，本发明还包括以下步骤：
（7）在浓缩完成后，打开阀门，使水合物进入水合物溶解罐中，加热水合物使其溶解并释放出气体；
（8）打开阀门，使水合物溶解释放出的气体进入等离子体产生室中，使用直流电进行处理，生成低温等离子体；
（9）处理后所产生的低温等离子体进入浓缩汁收集罐中与浓缩果汁直接接触，以对浓缩果汁进行杀菌。
气体在高压电场作用下，会发生一定程度电离，并具有一定的粒子能量，这种状态被称为低温等离子体；该等离子体产生的过程中伴随着强电场、热效应、冲击波等物理效应，这些效应能高效地产生使微生物失活的自由基及活性成分，具有足够的能量，能在相当程度上杀灭微生物。低温等离子体杀菌属于非热杀菌，对食品自身的营养成分和风味破坏程度小，较热杀菌等能最大程度保留初始品质。
优选地，步骤（3）所述的高压工频交流电的电压值为1～8kV；步骤4所述的直流电的电压值为0.5～2kV；步骤5所述的直流电的电压为2.5～10kV。水合物的成核及晶体生长具有很大的不可控性，在众多的实验对比后发现，在特定的电压条件下进行水合物浓缩可有效调控水合物晶体形成的路径。
优选地，步骤（8）所述的直流电的电压为10～20kV，频率为15～30kHz。
作为本发明的一种实施方式：
步骤（1）所述的冷库的温度可以是1～7℃；
步骤（3）所述的气体压力达到设定值为30～70 bar；
步骤（3）所述的冷却气体可以是二氧化碳或乙烯等小分子气体；
步骤（7）所述的加热温度为30～40℃。
本发明的第二个目的通过以下技术手段实现：
一种电场辅助提高水合物浓缩果汁品质的装置，包括：
进料罐、浓缩处理室和浓缩液收集罐，所述的进料罐、浓缩处理室和浓缩液收集罐依次连接；
储气瓶和气体冷却室，所述的储气瓶、气体冷却室和浓缩处理室依次连接；
冷凝循环设备，所述的冷凝循环设备与所述的进料罐、浓缩处理室和气体冷却室形成循环回路；
所述的浓缩处理室内设有两块电极板，所述的电极板分别与一交流电源和一直流电源连接。在工作的过程中，交流电源和直流电源择一开启。
所述的交流电源和直流电源均为可调节电源。
优选地，所述的用于制备水合物浓缩果汁的装置还包括水合物溶解罐和等离子体产生室，所述的浓缩处理室、水合物溶解罐、等离子体产生室和浓缩液收集罐依次连接；所述的水合物溶解罐中设有一半导体加热片，所述的半导体加热片与直流电源连接；所述的等离子体产生室内设有两块电极板，所述的电极板与直流电源连接。
优选地，所述的浓缩处理室中设有热电偶探头、压力传感器探头和高速摄像机，用于实时监测浓缩处理室中的情况。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明在气体水合物法浓缩果汁的基础上，辅助以变压电场来进行浓缩，在浓缩过程中给予不同的电压电场处理，从而达到浓缩前期增强气泡运动，促进气液接触以及水分子之间氢键的形成，从而促进成核；后期笼形物晶体生长过程中，调控水分子无序运动，抑制过大晶体的形成，避免晶体夹带的效果；
2、本发明在气体水合物浓缩的过程中不需要添加任何的试剂，降低生产成本的同时，保证了浓缩果汁的安全性；
3、本发明在浓缩完成后，将水合物加热溶解释放出来的气体进行再利用，产生低温等离子体，给予浓缩汁杀菌处理，对浓缩果汁具有显著的杀菌效果，且避免了后期浓缩汁的灭菌处理工作。
附图说明
以下通过附图对本发明作进一步的说明。
图1 用于制备水合物浓缩果汁的装置示意图。
附图标记：1-冷凝循环设备；2-进料罐；3-运输泵；4-储气瓶；5-气体冷却室；6-交流电源控制箱；7-浓缩处理室； 8-直流电源控制箱；9-水合物溶解罐；91-半导体加热片；10-等离子体产生室；11-浓缩液收集罐；12-电极板。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
（1）选取“桂味”荔枝经胶体磨匀浆后制成固形物含量8.0 obrix的荔枝原汁，并将所述的荔枝原汁置于1℃的冷库中进行预冷；
（2）打开冷凝循环设备进行冷却，使得进料罐、浓缩处理室、气体冷却室的温度与冷库的温度一致，均为1℃；
（3）将预冷后的荔枝原汁转移至进料罐中，然后将进料罐的荔枝原汁输送到浓缩处理室中，并通入气体冷却室中的冷却气体二氧化碳，当气体压力达到30 bar后，关闭气阀，使用1kV的高压工频交流电对荔枝原汁进行处理；
（4）当浓缩处理室内无肉眼可见的气泡后，改用0.5kV的直流电对荔枝汁进行处理；
（5）当浓缩处理室内出现体系压力下降、温度上升的情况后，增大直流电的电压至2.5kV继续处理；
（6）当浓缩处理室内的压力不再变化时浓缩完成，打开阀门，浓缩液进入浓缩液收集罐中，得到荔枝浓缩汁；
（7）在浓缩完成后，打开阀门，使水合物进入水合物溶解罐中，使用40℃加热水合物使其溶解并释放出气体；
（8）打开阀门，使水合物溶解释放出的气体进入等离子体产生室中，使用电压为10kV，频率为15kHz的直流电进行处理，生成低温等离子体；
（9）处理后所产生的低温等离子体进入浓缩汁收集罐中与荔枝浓缩汁直接接触，以对荔枝浓缩汁进行杀菌。
对制备所得的荔枝浓缩汁进行检测，检测结果为：
荔枝浓缩汁的可溶性固形物浓度为25 obrix，微生物的数量较原果汁降低了约6个数量级，多酚氧化酶、过氧化酶的活性检测结果为无，晶体夹带及包埋可溶性固形物含量为0.35 obrix，有效成分的保留率达到90%，较单独使用水合物浓缩，相变时间缩短了10min，微生物含量降低了5个数量级，酶活性指标降低了65%，可溶性固形物损失量降低了4obrix。
实施例2
（1）选取“红富士”苹果经胶体磨匀浆后制成固形物含量10.0 obrix的苹果原汁，并将所述的苹果原汁置于3℃的冷库中进行预冷；
（2）打开冷凝循环设备进行冷却，使得进料罐、浓缩处理室、气体冷却室的温度与冷库的温度一致，均为3℃；
（3）将预冷后的苹果原汁转移至进料罐中，然后将进料罐的苹果原汁输送到浓缩处理室中，并通入气体冷却室中的冷却气体二氧化碳，当气体压力达到40 bar后，关闭气阀，使用4kV的高压工频交流电对苹果汁进行处理；
（4）当浓缩处理室内无肉眼可见的气泡后，改用1.5kV的直流电对苹果原汁进行处理；
（5）当浓缩处理室内出现体系压力下降、温度上升的情况后，增大直流电的电压至5kV继续处理；
（6）当浓缩处理室内的压力不再变化时浓缩完成，打开阀门，浓缩液进入浓缩液收集罐中，得到苹果浓缩汁；
（7）在浓缩完成后，打开阀门，使水合物进入水合物溶解罐中，使用30℃加热水合物使其溶解并释放出气体；
（8）打开阀门，使水合物溶解释放出的气体进入等离子体产生室中，使用电压为15kV，频率为20kHz的直流电进行处理，生成低温等离子体；
（9）处理后所产生的低温等离子体进入浓缩汁收集罐中与苹果浓缩汁直接接触，以对苹果浓缩汁进行杀菌。
对制备所得的苹果浓缩汁进行检测，检测结果为：
苹果浓缩汁的可溶性固形物浓度为27 obrix，微生物的数量较苹果原汁降低了约7个数量级，多酚氧化酶、过氧化酶的活性检测结果为无，晶体夹带及包埋可溶性固形物含量为0.3 obrix，有效成分的保留率达到88%，较单独使用水合物浓缩，相变时间缩短了14min微生物含量降低了6个数量级，酶活性指标降低了75%，可溶性固形物损失量降低了5obrix。
实施例3
（1）选取菠萝经胶体磨匀浆后制成固形物含量12.0 obrix的菠萝原汁，并将所述的菠萝原汁置于7℃的冷库中进行预冷；
（2）打开冷凝循环设备进行冷却，使得进料罐、浓缩处理室、气体冷却室的温度与冷库的温度一致，均为7℃；
（3）将预冷后的菠萝原汁转移至进料罐中，然后将进料罐的菠萝原汁输送到浓缩处理室中，并通入气体冷却室中的冷却气体乙烯，当气体压力达到70 bar后，关闭气阀，使用8kV的高压工频交流电对菠萝原汁进行处理；
（4）当浓缩处理室内无肉眼可见的气泡后，改用2kV的直流电对菠萝汁进行处理；
（5）当浓缩处理室内出现体系压力下降、温度上升的情况后，增大直流电的电压至10kV继续处理；
（6）当浓缩处理室内的压力不再变化时浓缩完成，打开阀门，浓缩液进入浓缩液收集罐中，得到菠萝浓缩汁；
（7）在浓缩完成后，打开阀门，使水合物进入水合物溶解罐中，使用35℃加热水合物使其溶解并释放出气体；
（8）打开阀门，使水合物溶解释放出的气体进入等离子体产生室中，使用电压为20kV，频率为30kHz的直流电进行处理，生成低温等离子体；
（9）处理后所产生的低温等离子体进入浓缩汁收集罐中与菠萝浓缩汁直接接触，以对菠萝浓缩汁进行杀菌。
对制备所得的菠萝浓缩汁进行检测，检测结果为：
菠萝浓缩汁的可溶性固形物浓度为30 obrix，微生物的数量较原果汁降低了约8个数量级，多酚氧化酶、过氧化酶的活性检测结果为无，晶体夹带及包埋可溶性固形物含量为0.25 obrix，有效成分的保留率达到86%，较单独使用水合物浓缩，相变时间缩短了20min，微生物含量降低了7个数量级，酶活性指标降低了8%，可溶性固形物损失量降低了7obrix。
实施例4
如图1所示，电场辅助提高水合物浓缩果汁品质的装置包括依次连接的进料罐2、运输泵3、浓缩处理室7和浓缩收集罐11，运输泵3用于将进料罐2中的液体转移至浓缩处理室7中，浓缩处理室7内设有两块电极板12，电极板12与交流电源控制箱6和直流电源控制箱8连接；浓缩处理室7中还设有热电偶探头（图中未示出）、压力传感器探头（图中未示出）和高速摄像机（图中未示出），用于实时监测浓缩处理室7中的情况；
储气瓶4、气体冷却室5和浓缩处理室7依次连接；
冷凝循环设备1与浓缩处理室7连接，与进料罐2、浓缩处理室7和气体冷却室5之间形成循环回路；
还包括水合物溶解罐9和等离子体产生室10，浓缩处理室7、水合物溶解罐9、等离子体产生室10和浓缩液收集罐11依次连接，水合物溶解罐9中设有半导体加热片91，半导体加热片91与直流电源控制箱8连接；等离子体产生室10内设有两块电极板12，电极板12与直流电源控制箱8连接。
在制备水合物浓缩果汁时，开启冷凝循环设备1使得进料罐2、浓缩处理室7、气体冷却室5的温度与冷库的温度一致，启动运输泵3，将进料罐2中的果汁原汁输送至浓缩处理室7中；开启储气瓶4的气阀，使储气瓶4的气体进入气体冷却室5中进行冷却，打开气阀将冷却后的气体通入浓缩处理室7中，待压力传感器探头检测到浓缩处理室7中的气体压力上升至设定值时，关闭气阀并调节交流电源控制箱6使浓缩处理室7中的电极板12通电产生电场，对浓缩处理室7中的果汁原汁进行处理；当使用高速摄像机观察到浓缩处理室7内无肉眼可见的气泡后，关闭交流电源控制箱6并调节直流电源控制箱8，改用直流电对果汁进行处理；当压力传感器探头检测到浓缩处理室7中的气压下降、热电偶探头检测到浓缩处理室7中的温度上升后，调节直流电源控制箱8增大直流电压对果汁继续进行处理；当浓缩处理室7中的气压不再变化后，打开阀门，浓缩液进入浓缩液收集罐11中；
将浓缩处理室7剩余的水合物输送进入水合物溶解罐9中，开启直流电源控制箱8对半导体加热片91进行通电，加热水合物；水合物溶解后释放的气体进入等离子体产生室10中，调节直流电源控制箱8使等离子体产生室10中的电极板12通电产生电场，产生低温等离子体；等离子体产生室10中的低温等离子体进入浓缩液收集罐11中与浓缩液直接接触，对浓缩液进行杀菌。
需要指出的是，上述实施例仅是对本发明的进一步说明，而不是限制，本领域技术人员在与本发明技术方案的相当的含义和范围内的任何调整或改变，都应认为是包括在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种电场辅助提高水合物浓缩果汁品质的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将果汁原汁置于冷库中进行预冷；
（2）打开冷凝循环设备进行冷却，使得进料罐、浓缩处理室、气体冷却室的温度与冷库的温度一致；
（3）将预冷后的果汁原汁转移至进料罐中，然后将进料罐的果汁原汁输送到浓缩处理室中，并通入气体冷却室中的冷却气体，当气体压力达到设定值后，关闭气阀，使用高压工频交流电对果汁进行处理；
（4）当浓缩处理室内无肉眼可见的气泡后，改用直流电对果汁进行处理；
（5）当浓缩处理室内出现体系压力下降、温度上升的情况后，增大直流电的电压继续处理；
（6）当浓缩处理室内的压力不再变化时浓缩完成，打开阀门，浓缩液进入浓缩液收集罐中，得到浓缩果汁。
2.根据权利要求1所述的电场辅助提高水合物浓缩果汁品质的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
（7）在浓缩完成后，打开阀门，使水合物进入水合物溶解罐中，加热水合物使其溶解并释放出气体；
（8）打开阀门，使水合物溶解释放出的气体进入等离子体产生室中，使用直流电进行处理，生成低温等离子体；
（9）处理后所产生的低温等离子体进入浓缩汁收集罐中与浓缩果汁直接接触，以对浓缩果汁进行杀菌。
3.根据权利要求1或2所述的电场辅助提高水合物浓缩果汁品质的方法，其特征在于，步骤（3）所述的高压工频交流电的电压值为1～8kV；步骤（4）所述的直流电的电压值为0 .5～2kV；步骤5所述的直流电的电压为2 .5～10kV。
4.根据权利要求3所述的电场辅助提高水合物浓缩果汁品质的方法，其特征在于，步骤（8）所述的直流电的电压为10～20kV，频率为15～30kHz。
5.根据权利要求3所述的电场辅助提高水合物浓缩果汁品质的方法，其特征在于，步骤（1）所述的冷库的温度为1～7℃；步骤3所述的气体压力达到设定值为30～70 bar。
6.根据权利要求3所述的电场辅助提高水合物浓缩果汁品质的方法，其特征在于，步骤（3）所述的冷却气体为二氧化碳或乙烯。
7.根据权利要求3所述的电场辅助提高水合物浓缩果汁品质的方法，其特征在于，步骤（7）所述的加热温度为30～40℃。
8.一种用于权利要求1～7任一项所述的电场辅助提高水合物浓缩果汁品质的装置，其特征在于，包括：
进料罐、浓缩处理室和浓缩液收集罐，所述的进料罐、浓缩处理室和浓缩液收集罐依次连接；
储气瓶和气体冷却室，所述的储气瓶、气体冷却室和浓缩处理室依次连接；
冷凝循环设备，所述的冷凝循环设备与所述的进料罐、浓缩处理室和气体冷却室形成循环回路；
所述的浓缩处理室内设有两块电极板，所述的电极板分别与一交流电源和一直流电源连接。
9.根据权利要求8所述的电场辅助提高水合物浓缩果汁品质的装置，其特征在于，所述的用于制备水合物浓缩果汁的装置还包括水合物溶解罐和等离子体产生室，所述的浓缩处理室、水合物溶解罐、等离子体产生室和浓缩液收集罐依次连接；所述的水合物溶解罐中设有一半导体加热片，所述的半导体加热片与直流电源连接；所述的等离子体产生室内设有两块电极板，所述的电极板与直流电源连接。
10.根据权利要求8或9所述的电场辅助提高水合物浓缩果汁品质的装置，其特征在于，所述的浓缩处理室中设有热电偶探头、压力传感器探头和高速摄像机，用于实时监测浓缩处理室中的情况。
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