CN110050915A - 一种磁场辅助提高果汁冷冻浓缩品质的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁场辅助提高果汁冷冻浓缩品质的方法，包括以下步骤：1、将果汁原汁预冷；2、将种晶罐的温度设置与冷库一致，将预冷后的果汁原汁输送至种晶罐中，降温并使用磁场处理开始种晶；3、预冷再结晶罐，当观察到液体表层出现悬浮小晶体后，将液体与晶体全部输送至再结晶罐中，降温并使用磁场对液体和晶体进行处理，当表层悬浮的小晶体长大后，开始搅拌，直至浓缩完成；4、将晶体输送至洗净塔，溶解冰晶，收集液体，得到浓缩果汁。本发明还公开了一种磁场辅助提高果汁冷冻浓缩品质的装置。本发明通过在浓缩过程中使用磁场对果汁进行处理，能有效解决现有的冷冻浓缩技术中的缺陷，提高浓缩果汁的成品品质。
Description
技术领域
本发明涉及饮料加工领域，具体涉及一种磁场辅助提高果汁冷冻浓缩品质的方法和装置。
背景技术
水果是人们最喜爱的食品之一，但是由于其保鲜期短，季节性强，将水果加工成果汁不仅能增加产品多元化，同时也增加了其经济价值。为减少果汁储藏和运输的成本，浓缩果汁的研究与开发很有必要。
目前常见的浓缩方法有常压蒸发浓缩、多效中温真空浓缩，但因其一般需要在50～70 °C左右条件下进行的缘故，容易造成营养成分的损失和风味的改变，导致品质的下降。故近些年新兴的冷冻浓缩方法成为热点。
冷冻浓缩是一种利用冰与水溶液之间的固液相平衡原理的浓缩方法。在冷冻浓缩的过程中，将稀溶液降温，直至溶液中的部分水分冻结成冰，再将冰晶与液态水进行分离。这种浓缩方法常用于液态食品浓缩、热敏性医药及生物制品的浓缩与分离，以及废水处理、海水淡化等。
悬浮冷冻浓缩是是常见冷冻浓缩方式之一，其通过大量悬浮分散于母液中冰结晶的成长、分离而达到浓缩的目的。整个过程中包括种晶生成、结晶成长、固液分离三个过程，其中冰晶的数量、大小、形状是影响这个浓缩过程的关键因素。在实际的生产过程当中，种晶过程中的微小冰晶附着液的预防、冰晶生长过程中二次成核的避免以及冰晶生长速度的抑制对于浓缩成本品质而言至关重要。
一般的果汁原汁的微生物含量较高，且还具有一定的酶活，常温存放极易变质，如使用常规的悬浮冷冻浓缩技术制备浓缩果汁存在以下缺陷：
（1）果汁原汁浓缩前需进行灭菌的前处理，增加工艺流程的复杂性；
（2）微小悬浮结晶表面易附着浓缩液，故而增加了洗净塔的工作，对洗净塔要求高，耗能耗时；
（3）再结晶罐易出现二次晶核的现象，使得生长的冰晶小，增大了固液分离的难度，影响了浓缩液的品质；
（4）结晶生长过程中的冰晶夹带率高，需要进行二次浓缩，而这种二次浓缩增加了能耗，费用高，处理时间长，品质降低。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种磁场辅助提高果汁冷冻浓缩品质的方法，该方法通过在浓缩过程中使用磁场对果汁进行处理，能有效解决现有的冷冻浓缩技术中的缺陷，提高浓缩果汁的成品品质。
本发明的第二个目的在于提供一种磁场辅助提高果汁冷冻浓缩品质的装置。
本发明的第一个目的通过以下技术方案实现：
一种磁场辅助提高果汁冷冻浓缩品质的方法，包括以下步骤：
（1）将果汁原汁置于冷库中预冷；
（2）将种晶罐的温度设置与冷库一致，将经过预冷后的果汁原汁输送至种晶罐中，降温并使用磁场处理果汁原汁开始种晶，当种晶罐壁有冰晶析出时，启动刮刀使得冰晶悬浮于液体表层；
（3）预冷再结晶罐，使再结晶罐内的温度与降温后的种晶罐温度相同，当种晶罐中观察到液体表层出现悬浮小晶体后，将液体与晶体全部输送至再结晶罐中，降温并使用磁场对液体和晶体进行处理，当表层悬浮的小晶体长大后，开始搅拌，直至浓缩完成；
（4）待浓缩过程结束后，将晶体输送至洗净塔，溶解晶体，收集再结晶罐及洗净塔中的液体，得到浓缩果汁。
本发明的原理为：水分子由氢键连接形成一系列的分子链，在种晶过程中，外加磁场使得这种分子链显示出了分子电流的特点，闭合氢键链中质子传导使得水被磁化。磁场对水分子产生了洛伦兹力并做功，使得形成较小的水分子簇和单个水分子的概率大于大的水分子簇，即影响了水分子的缔合现象，从而促进了成核现象的发生，加快了相变阶段；
其二，水分子是一种极性非磁性分子，强磁场条件下产生的磁化率的各向异性，使得冰晶生长定向化，从而抑制了大量细小晶核进入再结晶罐中的生长速度，促进大冰晶的生成，有利于固液的分离；强磁场还赋予了水分子大于本身微重力的能量，从而出现上浮的现象，并使得溶质分子相对下降，抑制了冰晶的夹带率，减少洗晶的工作，节能省时；
其三，强磁场产生的能量使得细胞膜上产生振荡效应，使细胞膜破裂，洛仑兹力细胞内的电子和离子不能正常传递，影响细胞正常的生理功能，从而达到杀菌目的，而且会对酶蛋白中心的金属离子，及金属离子附近主链、侧链的位置、及刺激键等产生影响，从而影响酶的构象，进而显示出钝酶的效果。
本发明所述的果汁原汁为新鲜水果经过去皮、去核、打浆、酶解，过滤，澄清后，得到的未经精处理的果汁。在步骤2种晶的过程中，当液体表层出现悬浮小冰晶时，表明果汁已经出现了成核现象。步骤4所述的浓缩过程结束以再结晶罐内的溶液温度达到其对应冰点温度为判断标准。
优选地，步骤（1）所述的预冷温度为1～2℃。
优选地，步骤（2）所述的降温温度为-1～-5℃，所述的磁场强度为1～50mT。
优选地，步骤（2）所述刮刀的转速为15～75 r/min。
优选地，步骤（3）所述的降温温度为-5～-20℃，所述的磁场强度为1～15T。
本发明的第二个目的通过以下技术方案实现：
一种磁场辅助提高果汁冷冻浓缩品质的装置，包括：
进料罐、种晶罐、再结晶罐、洗净塔和浓缩液罐，所述的进料罐、种晶罐、再结晶罐和浓缩液罐依次连接，所述的洗净塔的入口与再结晶罐连接，洗净塔的出口与浓缩液罐连接；
所述的种晶罐和再结晶罐设有温控装置和磁场产生装置，所述的温控装置用于控制种晶罐和再结晶罐内的温度，所述的磁场产生装置用于在种晶罐和再结晶罐内产生均匀、强度恒定的磁场；所述的种晶罐内设有刮刀，所述的再结晶罐还设有搅拌装置。
作为本发明的一种实施方式：
所述的温控装置为设置在种晶罐和再结晶罐的外壳与内腔之间的夹层，通过在所述夹层中注入冷媒改变所述种晶罐和再结晶罐内腔的温度，所述的冷媒为能产生冷冻效果的工作流体；
所述的再结晶罐中设有热电偶，用于检测再结晶罐中的液体温度；
所述的磁场产生装置为在种晶罐和再结晶罐两侧对称设置的永磁铁/超导体磁铁；
所述的洗净塔设有热交换装置。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
（1）本发明在常规的悬浮冷冻浓缩的基础上，在冷冻的过程中加入磁场进行处理：种晶及晶体再生长阶段分别给予不同的变强度磁场的处理，从而达到前期种晶阶段缩短相变时间，形成较细小的冰晶；后期晶体成熟化阶段抑制冰晶的生长，形成较大冰晶的效果，即固液分离容易，二次成核得到抑制，及冰晶夹带率、溶质附着率得到大大控制，而且浓缩前无需经过任何杀菌、钝酶处理，故综合可获得基本保持原果汁色泽、风味及营养成分的浓缩汁，可大大提高原果汁的可溶性固形物含量；
（2）本发明的方法在晶体熟化阶段可避免溶质被悬浮冰晶附着带走的现象，从而减轻洗净塔工作，增加浓缩效率；
（3）本发明所得浓缩汁基本上保持了原果汁的风味、色泽及营养成分，可最大程度的促进种晶细小冰晶的生产，避免再结晶的二次成核、晶体的过快成长及冰晶有效成分夹带、附着导致的溶质损失，及后期的固液分离困难等问题。
附图说明
以下通过附图对本发明作进一步的说明。
图1 使用磁场提高果汁冷冻浓缩汁品质的装置示意图。
附图标记：1-进料罐；2-种晶罐；21-种晶罐冷媒出口；22-种晶罐冷媒入口；23-刮刀；3-永磁铁；4-电源；5-运输泵；6-再结晶罐；61-再结晶罐冷媒出口；62-再结晶罐冷媒入口；63-搅拌器；7-洗净塔；71-活塞；8-冰晶融解热交换器；9-浓缩液罐；10-超导体磁铁。
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。
以下实施例中所述的冷媒均为50%的乙醇水溶液。
实施例1
（1）将广东的荔枝品种“糯米糍”制成固形物含量为8.0 obrix的荔枝原汁置于1℃的冷库中预冷；
（2）预冷进料罐和种晶罐使得两者的温度为1℃，将预冷后的荔枝原汁输送至进料罐中，开启阀门，将荔枝原汁输送至种晶罐中，将种晶罐降温至-1℃，同时开启磁场产生装置，产生强度为1 mT的磁场对荔枝原汁进行处理，约5min后，开启刮刀以30 r/min的速度转动；
（3）将再结晶罐的温度设置为-1℃；当观察到种晶罐中的液体表层出现悬浮小晶体后，打开阀门，将液体与晶体全部输送至再结晶罐中，并降温至-5℃，开启磁场产生装置，产生强度为5T的磁场对液体和晶体进行处理，约25min后，表层悬浮的小晶体长大，开启搅拌装置进行搅拌；
（4）当溶液温度达到-4.5℃时，再结晶结束，浓缩完成，打开阀门，将晶体输送至洗净塔中，溶解晶体，收集再结晶罐及洗净塔中的液体转移至浓缩液罐中，得到荔枝浓缩汁。
对制得的荔枝浓缩汁进行检测：
可溶性固形物浓度为30 obrix，微生物的数量级较荔枝原汁降低了约6个数量级，多酚氧化酶、过氧化物酶的活性检测结果为无，冰晶夹带及包埋可溶性固形物浓度为约0.3obrix；较单独使用悬浮冷冻浓缩，种晶阶段的相变时间缩短了20 min，洗净塔的工作效率增加45%，微生物含量降低了5个数量级，酶活指标降低了60%，冰晶夹带及包埋量降低了约2.5 obrix；而且本方法得到的荔枝浓缩汁风味浓厚、色泽依旧诱人亮白。
实施例2
（1）将芒果制成固形物含量为7.0 obrix的芒果原汁置于1℃的冷库中预冷；
（2）预冷进料罐和种晶罐使得两者的温度为1℃，将预冷后的芒果原汁输送至进料罐中，开启阀门，将芒果原汁输送至种晶罐中，将种晶罐降温至-3℃，同时开启磁场产生装置，产生强度为30 mT的磁场对芒果原汁进行处理，约7min后，开启刮刀以60 r/min的速度转动；
（3）将再结晶罐的温度设置为-3℃；当观察到种晶罐中的液体表层出现悬浮小晶体后，打开阀门，将液体与晶体全部输送至再结晶罐中，降温至-12℃，开启磁场产生装置，产生强度为10T的磁场对液体和晶体进行处理，约18min后，表层悬浮的小晶体长大，开启搅拌器进行搅拌；
（4）当溶液温度达到-6℃时，再结晶结束，浓缩完成，打开阀门，将晶体输送至洗净塔中，溶解晶体，收集再结晶罐及洗净塔中的液体转移至浓缩液罐中，得到芒果浓缩汁。
对制得的芒果浓缩汁进行检测：
可溶性固形物浓度为32 obrix，微生物的数量级较芒果原汁降低了约7个数量级，多酚氧化酶、过氧化物酶的活性检测结果为无，冰晶夹带及包埋可溶性固形物浓度为约1.5obrix；较单独使用悬浮冷冻浓缩，种晶阶段的相变时间缩短了15 min，洗净塔的工作效率增加35%，微生物含量降低了6个数量级，冰晶夹带及包埋量降低了约4 obrix；而且本方法得到的芒果浓缩汁风味浓厚、色泽依旧呈现诱人透亮黄色。
实施例3
（1）将菠萝制成固形物含量为14.0 obrix的菠萝原汁置于2℃的冷库中预冷；
（2）预冷进料罐和种晶罐使得两者的温度为2℃，将预冷后的菠萝原汁输送至进料罐中，开启阀门，将芒果原汁输送至种晶罐中，将种晶罐降温至-5℃，同时开启磁场产生装置，产生强度为50 mT的磁场对菠萝原汁进行处理，约10min后，开启刮刀以75 r/min的速度转动；
（3）将再结晶罐的温度设置为-5℃；当观察到种晶罐中的液体表层出现悬浮小晶体后，打开阀门，将液体与晶体全部输送至再结晶罐中，降温至-20℃，开启磁场产生装置，产生强度为15T的磁场对液体和晶体进行处理，约10min后，表层悬浮的小晶体长大，开启搅拌器进行搅拌；
（4）当溶液温度达到-9.5℃时，再结晶结束，浓缩完成，打开阀门，将晶体输送至洗净塔中，溶解晶体，收集再结晶罐及洗净塔中的液体转移至浓缩液罐中，得到菠萝浓缩汁。
对制得的菠萝浓缩汁进行检测：
可溶性固形物浓度为40 obrix，微生物的数量级较荔枝原汁降低了约8个数量级，冰晶夹带及包埋可溶性固形物浓度为约4.3 obrix；较单独使用悬浮冷冻浓缩，种晶阶段的相变时间缩短了10 min，洗净塔的工作效率增加25%，微生物含量降低了7个数量级，冰晶夹带及包埋量降低了约9 obrix；而且本方法得到的菠萝浓缩汁风味浓厚、色泽依旧诱人亮黄色。
实施例4
如图1所示，磁场辅助提高果汁冷冻浓缩品质的装置包括依次连接的进料罐1、运输泵5、种晶罐2、再结晶罐6和浓缩液罐9，洗净塔7的入口与再结晶罐6连接，洗净塔7的出口与浓缩液罐9连接；
种晶罐2两侧对称设置永磁铁3，再结晶罐6两侧对称设置超导体磁铁10，用于在种晶罐2和再结晶罐6中产生均匀、强度恒定的磁场。
通过种晶罐冷媒出口21和种晶罐冷媒入口22使冷媒在种晶罐2的夹层中循环使得种晶罐2内腔的温度，使得种晶罐2的温度与预冷的温度相同，开启运输泵5将进料罐1种的果汁原汁输送至种晶罐2中，改变冷媒的温度使种晶罐2的内腔温度降低，同时开启电源4使永磁铁3产生磁场对果汁原汁进行处理，当种晶罐2中有冰晶析出时，开启刮刀；
通过再结晶罐冷媒出口61和再结晶罐冷媒入口62使冷媒在再结晶罐6的夹层中循环以控制再结晶罐6内腔的温度，使得再结晶罐6内腔的温度与种晶后的种晶罐2的温度相同；当观察到种晶罐2中的液体表层出现悬浮小晶体后，打开阀门，将液体与晶体全部输送至再结晶罐6中，改变冷媒的温度使再结晶罐6的内腔温度降低，开启电源4超导体磁铁10产生磁场对液体和晶体进行处理，当表层悬浮的小晶体长大，开启搅拌器63进行搅拌；
当溶液温度达到其冰点时，再结晶结束，浓缩完成，打开阀门，将晶体输送至洗净塔7中，开启活塞71和冰晶融解热交换器8溶解冰晶，收集再结晶罐6及洗净塔7中的液体转移至浓缩液罐9中。
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)
1.一种磁场辅助提高果汁冷冻浓缩品质的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将果汁原汁置于冷库中预冷；
（2）将种晶罐的温度设置与冷库一致，将经过预冷后的果汁原汁输送至种晶罐中，降温并使用磁场处理果汁原汁开始种晶，当种晶罐壁有冰晶析出时，启动刮刀使得冰晶悬浮于液体表层；
（3）预冷再结晶罐，使再结晶罐内的温度与降温后的种晶罐温度相同，当种晶罐中观察到液体表层出现悬浮小晶体后，将液体与晶体全部输送至再结晶罐中，降温并使用磁场对液体和晶体进行处理，当表层悬浮的小晶体长大后，开始搅拌，直至浓缩完成；
（4）待浓缩过程结束后，将晶体输送至洗净塔，溶解晶体，收集再结晶罐及洗净塔中的液体，得到浓缩果汁。
2.根据权利要求1所述的磁场辅助提高果汁冷冻浓缩品质的方法，其特征在于，步骤（1）所述的预冷温度为1～2℃。
3.根据权利要求1所述的磁场辅助提高果汁冷冻浓缩品质的方法，其特征在于，步骤（2）所述刮刀的转速为15～75 r/min。
4.根据权利要求1～3任一项所述的磁场辅助提高果汁冷冻浓缩品质的方法，其特征在于，步骤（2）所述的降温温度为-1～-5℃，所述的磁场强度为1～50mT。
5.根据权利要求4所述的磁场辅助提高果汁冷冻浓缩品质的方法，其特征在于，步骤（3）所述的降温温度为-5～-20℃，所述的磁场强度为1～15T。
6.一种磁场辅助提高果汁冷冻浓缩品质的装置，其特征在于，包括：
进料罐、种晶罐、再结晶罐、洗净塔和浓缩液罐，所述的进料罐、种晶罐、再结晶罐和浓缩液罐依次连接，所述的洗净塔的入口与再结晶罐连接，洗净塔的出口与浓缩液罐连接；
所述的种晶罐和再结晶罐设有温控装置和磁场产生装置，所述的温控装置用于控制种晶罐和再结晶罐内的温度，所述的磁场产生装置用于在种晶罐和再结晶罐内产生均匀、强度恒定的磁场；所述的种晶罐内设有刮刀，所述的再结晶罐还设有搅拌装置。
7.根据权利要求6所述的使用磁场提高冷冻浓缩果汁品质的装置，其特征在于，所述的温控装置为设置在种晶罐和再结晶罐的外壳与内腔之间的夹层，通过在所述夹层中注入冷媒改变所述种晶罐和再结晶罐内腔的温度。
8.根据权利要求6所述的使用磁场提高冷冻浓缩果汁品质的装置，其特征在于，所述的再结晶罐中设有热电偶。
9.根据权利要求6所述的磁场辅助提高果汁冷冻浓缩品质的装置，其特征在于，所述的磁场产生装置为在种晶罐和再结晶罐两侧对称设置的永磁铁/超导体磁铁。
10.根据权利要求6所述的磁场辅助提高果汁冷冻浓缩品质的装置，其特征在于，所述的洗净塔设有热交换装置。
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