CN112244138A - 一种冰淇淋的生产方法及冰淇淋机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种冰淇淋的生产方法及冰淇淋机，冰淇淋从进料管进入冰淇淋机后，通过制冷剂进行凝冻。通过两组不同的超声波相互垂直对冰淇淋进行处理：当物料温度为‑1℃～‑3℃时，冰淇淋开始成核，此时超声作用强度为0.8‑1W/cm2,总功率为230W，处理时间为3min；当物料温度为‑3℃～‑6℃时，冰淇淋开始相变，此时超声作用强度为1‑1.2W/cm2，总功率为250W，超声波处理时间为12min。气体通过空气压缩机导入到冷冻腔体与冰淇淋原料搅拌，正交双频超声波辅助凝冻，空化效应更显著，冰淇淋凝冻效率显著提高，形成的冰晶与气泡尺寸减小，分布更均匀，并形成二次杀菌效应，使得冰淇淋口感与品质更佳。

Description

一种冰淇淋的生产方法及冰淇淋机
技术领域
本发明涉及冷冻食品技术领域，具体涉及一种冰淇淋机及冰淇淋的生产方法。
背景技术
在冷冻食品行业中，冰淇淋的口感一直是消费者最为关注的方面，口感细腻润滑的冰淇淋产品更受消费者欢迎。其中，冰淇淋中的冰晶大小对于冰淇淋的口感和品质有较大影响，当冰淇淋冰晶颗粒大于40μm时冰淇淋产品会产生粗糙的颗粒感，而有细小均匀分布冰晶的冰淇淋产品则有更细腻的口感。
冰淇淋生产过程中包括物料混合、过滤、均质、老化、凝冻、硬化等多个过程。其中凝冻过程是冰晶最开始形成的步骤，很大程度决定冰淇淋冰晶的特征，无论对凝冻后的软冰淇淋，还是硬化后的硬冰淇淋的口感质地都有很大影响。传统的凝冻过程中使用刮刀式冰淇淋冰淇淋机，冷冻速率不高，凝冻后的冰淇淋冰晶尺寸较大且不均匀，产品的口感质地并不理想。现有研究技术大部分从冰淇淋原料和设备升级角度改进产品的质量出发，极少数外加超声场辅助冷冻的研究也是基于单频单方向超声波，但是随着传播距离的增加，超声场会迅速衰减，并且大多数空化作用都集中在探头附近，因此单方向超声波限制超声波技术从实验室到工业规模的发展。
中国专利公布一种低频超声波辅助速冻调控冰淇淋中冰晶体颗粒大小的方法(专利申请号CN201310438305.6)，利用低频20-30kHz的超声波作用于冰淇淋硬化阶段10-40min，缩短硬化时间，将冰淇淋冰晶颗粒控制在20-3μm。但该方法对冰淇淋的作用阶段主要在硬化阶段，而硬化前的凝冻过程是决定冰晶大小的初始步骤，该发明中所用超声波强度较低，作用频率也为单频，对冰晶的影响有限。
中国专利公布双点变强度超声波提高冰淇淋冷冻速度与品质的方法，(专利申请号CN201410436323.5)，在冰淇淋凝冻阶段过程中，成核阶段使用0.2-0.6W/cm2的超声波，晶体生长阶段使用0.5-0.9W/cm2的冰淇淋凝冻是一个不断搅拌的过程，冰淇淋机体积较大，单频超声波产生的声波，提高冰淇淋凝冻速度并控制冰晶大小。但冰空化效应与机械效应有限，对冰淇淋机内冰淇淋冰晶的作用效果也不明显。
综上所述，现有冰淇淋机存在以下缺陷：
(1)对于传统的无超声波强化的方法，虽然配料不断进行优化，但只停留在化学层面上解决膨胀率和冰晶大小的问题，并未从物理手段控制冰晶的数量、大小和分布。
(2)对于传统的无超声波强化的方法，能耗大，时间长，效率低。
(3)对于现有的单频超声波点式强化的方法，单频超声波产生的空化效应存在空间分布不均匀，对冰淇淋机内的冰淇淋的冰晶作用效果不均匀。
(4)对于现有的单频超声波点式强化的方法，只考虑了搅拌机构及超声波之间的配合，导致冰淇淋膨胀率低，口感差。
(5)现有的单频超声波点式机器体积和重量均较大，单位体积和单位重量条件下的效果弱。
发明内容
本发明为克服现有技术的上述缺陷与不足，本发明的目的是在现有技术基础上，提供一种冰淇淋的生产方法，加快冰淇淋冷冻速度，生成更多小而均匀的冰晶颗粒，实现口感细腻的冰淇淋产品。
本发明的另一目的是提供一种冰淇淋机，解决冰淇淋膨胀的效果，并扩大空化体积，显著提高空化产额，同时提高制冷效率。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种冰淇淋的生产方法，在搅拌、凝冻过程中，采用空气压缩机向冷冻腔体内导入气体；在凝冻过程中，对冰淇淋原料采用正交双频超声波处理。
优选的，所述正交双频超声波由两组不同频率的超声波换能器产生，两组不同频率的超声波换能器包含第一超声波换能器和第二超声波换能器，其中第一超声波换能器安装于冷冻腔体的侧壁，第二超声波换能器安装于冷冻腔体的底部和/或顶部，且所述第一超声波换能器产生的超声波方向与第二超声波换能器产生的超声波方向互相垂直。
优选的，所述对冰淇淋采用正交双频超声波处理过程中，在成核时，正交双频超声波的总功率为200～250W，正交双频超声波的总强度为0.8～1W/cm2；在晶核生长时，正交双频超声波的总功率220～300W，正交双频超声波的总强度为1～1.2W/cm2；其中第一超声波换能器产生的超声波功率占总功率的50％～80％。
优选的，在成核时，正交双频超声波的处理时间为1～5min；在晶核生长时，正交双频超声波的处理时间为10～15min。
优选的，所述空气压缩机向冷冻腔体内导入气体的气量为250～500L/min。
一种冰淇淋机，包括冷冻腔体、第一超声波换能器、第二超声波换能器、空气压缩机、搅拌机构，所述第一超声波换能器附着在冷冻腔体的侧壁，所述第二超声波换能器设在冷冻腔体的上部和/或下部，所述空气压缩机与冷冻腔体连接，所述冷冻腔体内设有搅拌机构。
优选的，所述搅拌机构包括搅拌电机、转轴、搅拌叶片和刮刀，所述搅拌电机安装于冷冻腔体的上方，所述转轴的一端与搅拌电机的动力输出轴连接，所述转轴的另一端伸入冷冻腔体内，所述搅拌叶片的一端安装于转轴，且所述搅拌叶片位于冷冻腔体内，所述刮刀安装于搅拌叶片的另一端，且所述刮刀的刀锋与冷冻腔体的内壁之间的距离为2mm～5mm。
优选的，所述第一超声波换能器产生超声波的方向与第二超声波换能器产生超声波的方向互相垂直。
优选的，所述冷冻腔体包括腔体和环形制冷夹层，所述环形制冷夹层包裹腔体的侧壁和顶面，所述腔体的上端和下端分别设有进料口和出料口，此进料口和出料口分别连接有进料管和出料管，所述进料管和出料管均伸出环形制冷夹层；所述腔体的下端和上端分别设有进气口和出气口，所述进气口通过进气管道与空气压缩机连接，所述出气口连接有排气管。
优选的，所述环形制冷夹层内设有挡板，所述挡板和环形制冷夹层形成安装腔，所述第一超声波换能器安装于安装腔内。
优选的，与现有技术相比，本发明有以下优点和有益效果：
(1)本发明的方法，正交双频超声波在冰淇淋凝冻过程中有效的提高冰淇淋的凝冻速率，产生小而均匀的冰晶体，正交双频超声波能引起声场中质点振动的增强，增强声压与平均声能密度，通过空气压缩机增强空化效应和机械效应在超声波冷冻过程中能产生微束流作用，增加冰淇淋的膨胀率，提高冷冻过程中物料的传热传质效率，减少冷冻时间，产生细小而均匀分布的冰晶。
(2)本发明的方法，通过两组不同频率的超声波产生的空化产额显著大于各频率超声波单独作用产生的声空化产额和代数和，相比单频超声波作用，两组不同频率的超声波能帮助冰淇淋体系在成核阶段生成更多的晶核，通过结晶过程生成更多小而均匀的冰晶颗粒；同时，正交双频超声进行的强化处理，相对传统的单超声来说，能耗低，处理时间短，效率高，故基于此原理设计的冰淇淋机比单频超声波冰淇淋机更具市场前景和应用价值。
(3)本发明的方法，正交双频超声波能引起声场中质点振动增强，增强声压与平均声能密度，正交双频超声波能帮助冰淇淋体系在成核阶段生成更多的晶核，形成细小而均匀分布的冰晶与气泡，从而改善冰淇淋的口感品质。
(4)本发明的方法，采用正交双频超声波处理冰淇淋的时间短，能耗小，效率高。
(5)本发明的方法，在冰淇淋机冷冻腔体内设有空气压缩机、第一超声波换能器、第二超声波换能器、由于在正交超声波能引起声场中质点振动增强的作用下产生一定的数量的气泡，冰淇淋的膨胀率易于控制，不会出现松软或带冰渣的现象，进一步改善冰淇淋的口感。
(6)本发明的冰淇淋机，在冷冻腔体的侧壁和底部/顶部分别安装于第一超声波换能器和第二超声波换能器，以形成正交双频超声波，从而在凝冻过程中对冰淇淋原料进行处理，同时再结合空气压缩机导入空气搅拌混合，空化效应更显著，冰淇淋凝冻效率显著提高，形成的冰晶与气泡尺寸减小，分布更均匀，并形成二次杀菌效应，使生产出来的产品更加卫生与健康。
(7)本发明的冰淇淋机，其主要由冷冻腔体、第一超声波换能器、第二超声波换能器、空气压缩机和搅拌机构构成，这利用正交双频超声、空气导入膨胀及搅拌混合三种方式混合处理，相对传统的单频超声波点式强化的设备来说，本发明的冰淇淋机体积重量小，单位体积重量条件下的效果强，搅拌机构匀速转动使冰淇淋均匀受冷。
(8)本发明的冰淇淋机，通过冷冻腔体的侧面与底面功率比为2:1的正交双频超声波场改进解决上述膨胀率和冰晶大小的问题，从根本上控制冰晶的数量、大小和分布，满足冰淇淋冰晶颗粒小于40μm时冰淇淋产生更细腻的口感。
(9)本发明的冰淇淋机，通过制冷剂氨导入环形制冷夹层，环形制冷夹层外包裹的保温棉，减少环形制冷夹层与空气间的热量交换，降低热量损失，提高制冷效率的问题，制冷夹层内的安装腔避免第一超声波换能器受冷后损坏。
(10)本发明的冰淇淋机，通过冰淇淋机中的搅拌机构，不断刮下壁面上的结晶能够产生细小而均匀的冰晶，在正交超声场下质点振动加强，使得体系中大气泡发生破裂而留下大量微小气泡，较小尺寸和较大数量的气泡具有较大的表面体积比，过高气液相之间的传热效率促进冰晶生成。
附图说明
当结合附图参考以下对本发明的优选实施例的说明性和非限制性的详细描述时，将更好地理解本发明的以上目的、特征和优点，其中：
图1是本发明的一种冰淇淋机结构示意图；
图2是本发明的一种冰淇淋机俯视图；
其中，1为搅拌电机，2为电机防水盖，3为保温棉，4为控制阀，5为进料管，6为转轴，7为刮刀，8为搅拌叶片，9为环形制冷夹层，10为出料管，11为第一超声波换能器，12为第二超声波换能器，13为制冷剂管道，14为垫脚，15为中空区域，16为冷冻腔体，17为空气压缩机，18为排气管，19为挡板，20为进气管。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1和图2所示的一种冰淇淋机，包括冷冻腔体、第一超声波换能器、第二超声波换能器、空气压缩机和搅拌机构，所述第一超声波换能器附着在冷冻腔体的侧壁，所述第二超声波换能器设在冷冻腔体的下部，所述第一超声波换能器产生超声波的方向与第二超声波换能器产生超声波的方向互相垂直，所述空气压缩机与冷冻腔体连接，所述冷冻腔体内设有搅拌机构。本实施例中第一超声波换能器具有3个，此3个第一超声波换能器沿冷冻腔体的轴线均匀分布。此3个第一超声波换能器自冷冻腔体的侧壁向冷冻腔内产生其中第一组超声波。第二超声波换能器也具有3个，此3个第二超声波换能器沿着冷冻腔体的轴线均匀分布，此3个第二超声波换能器自冷冻腔体的底部向冷冻腔内产生第二组超声波。第一组超声波与第二组超声波的运动方向互相垂直。
所述空气压缩机通过进气口与冷冻腔体连接，本实施例中采用空气压缩机的功率为3500W，空气压缩机的空气导入量为300L/min,导入的空气被两组不同频率的正交超声波振动，空气预冷后产生一定数量的气泡，此气泡附着在冰淇淋上形成细小而均匀分布的冰晶，通过空气压缩机控制空气的导入，使得冰淇淋的膨胀率易于控制，不会出现松软或带冰渣的现象，同时也避免使用发泡剂产生一些有害物质。
所述搅拌机构包括搅拌电机、转轴、搅拌叶片和刮刀，所述搅拌电机安装于冷冻腔体的上方，转轴的一端与搅拌电机的动力输出轴连接，转轴的另一端伸入冷冻腔体内，所述搅拌叶片的一端安装于转轴，且搅拌叶片位于冷冻腔体内，所述刮刀安装于搅拌叶片的另一端，且所述刮刀的刀锋与冷冻腔体的内壁之间的距离为2mm～5mm。搅拌叶片在搅拌过程中使冰淇淋机内冰淇淋遇冷均匀，拌叶片由搅拌电机带动旋转，搅拌速度为330rpm。搅拌电机带动的转轴穿过环形制冷夹层,转轴穿过环形制冷夹层区域设有中空区域,中空区域在转轴运行过程中不被低温影响，避免低温对搅拌电机造成的损坏。转轴连接刮刀不断刮下壁面上的结晶，从而产生细小而均匀的冰晶，刮下的冰晶混入冰淇淋混料中，壁面上又会产生新的结晶。所述刮刀为长方形的板状结构，上面设置有多个小孔；小孔的直径为5mm,孔间距为25mm。搅拌电机上方设有电机防水盖，电机防水盖能够有效防止和避免水及水汽对搅拌电机的影响。
冷冻腔体的腔体上端和下端分别设有进料口和出料口，此进料口和出料口分别连接有进料管和出料管，进料管与出料管均设有控制阀，进料管和出料管均伸出环形制冷夹层，腔体的下端和上端分别设有进气口和出气口，进气口通过进气管与空气压缩机连接，出气口连接有排气管，进料管与出料管均设有控制阀，控制阀控制冰淇淋原料的传输，所述腔体底部设有垫脚。所述环形制冷夹层上端连接制冷剂管道，制冷剂氨通过制冷剂管道进入环形制冷夹层内，制冷剂管道上端设有控制阀，所述制冷剂管道采用低温管道材料制成，此低温管道材料适用于-10℃～-90℃低温环境，制冷剂氨快速冷冻冰淇淋和空气。本实施例低温管道采用橡塑海棉和聚乙烯的保温材料。
如图2所示，环形制冷夹层外部由保温棉层覆盖，所述环形制冷夹层通过制冷剂管道输入制冷剂，此制冷剂与冰淇淋原料进行热交换，同时腔体内产生较大的过冷度，所述保温棉减少空气与环形制冷夹层间的热量传递，降低热量损失，提高制冷效率，同时冰淇淋冰晶最先从腔体壁面成核，降低冰淇淋原料中的温度，促进冰淇淋中冰晶的形成。此环形制冷夹层包裹在腔体的侧壁和顶面，从而腔体内部冰淇淋受冷均匀。此环形制冷夹层内设有挡板，挡板和环形制冷夹层形成安装腔，第一超声波换能器安装于安装腔内，避免制冷剂氨的温度影响第一超声波换能器的正常运转。
一种采用上述冰淇淋机进行的冰淇淋的生产方法，在搅拌、凝冻过程中，采用空气压缩机向冷冻腔体内导入气体，空气在冷冻腔体内遇冷后形成一定数量的气泡；在凝冻过程中，对冰淇淋原料采用正交双频超声波处理，冷冻腔体壁面形成均匀分布的冰晶。
正交双频超声波由两组不同频率的超声波换能器产生，两组不同频率的超声波换能器包含第一超声波换能器和第二超声波换能器，其中第一超声波换能器安装于冷冻腔体的侧壁，第二超声波换能器安装于冷冻腔体的底部，令所述第一超声波换能器产生的超声波方向与第二超声波换能器产生的超声波方向互相垂直。
对冰淇淋原料采用正交双频超声波处理过程中，第一超声波换能器的频率为40kHz,第二超声波换能器的频率为20kHz,在成核时，第一超声波换能器和第二超声波换能器的总功率为230W，第一超声波换能器和第二超声波换能器产生的超声波的总强度为0.8～1W/cm2；在晶核生长时，第一超声波换能器和第二超声波换能器的总功率为250W，第一超声波换能器和第二超声波换能器产生的超声波的总强度为1～1.2W/cm2；其中第一超声波换能器产生的超声波功率占总功率的66％，正交双频超声波处理促进冰淇淋的成核过程，形成细小而均匀分布的冰晶与气泡。
在成核时，正交双频超声波的处理时间为3min；在晶核生长时，正交双频超声波的处理时间为12min，同时冷冻腔体内导入气体的气量为250～500L/min进行处理，形成有一定的膨胀率，在正交超声波场下质点振动加强，使得体系中大气泡发生破裂而留下大量小气泡，较小尺寸和较大数量的气泡具有较大的表面体积比，通过高气液相之间的传热效率促进冰晶生成。环形制冷夹层内注入制冷剂氨，冷冻腔体内的冰淇淋遇冷降至较低的温度，减小了冰晶体的尺寸。搅拌机构对冰淇淋不断搅拌，形成均匀分布的细小冰晶，搅拌过程中冰淇淋受冷达到均匀。
实施步骤
步骤1，开启进料管的控制阀，冰淇淋原料通过进料管进入到冷冻腔体中。
步骤2，关闭进料管的控制阀，开启制冷剂管道的控制阀，将制冷剂氨导入到环形制冷夹层后，对冷冻腔体中的冰淇淋进行快速凝冻处理。同时，开启搅拌电机，通过搅拌叶片和刮刀对冰淇淋原料进行混合搅拌处理，搅拌速度为330rpm，刮刀能够刮下附着在冷冻腔体内壁上面的冰晶，并使物料预冷均匀。同时开启第一超声波换能器和第二超声波换能器，当物料温度为-10C时，冰淇淋开始成核，此时超声作用条件为0.8-1W/m2,总功率为230W，处理时间为3min；当物料温度为-30C时，冰淇淋开始相变，此时超声作用条件为1-1.2W/m2，总功率为250W，超声波处理时间为12min。其中，侧面超声波功率占总功率66％,底部超声波功率占总功率34％。
步骤3，开启空气压缩机，空气泵入量控制为300L/min，在搅拌叶片的作用下冰淇淋形成一定的膨胀率，超声波与搅拌同时进行处理，处理时间为15min。
步骤4，开启出料管的控制阀，冰淇淋物料从冷冻腔体中挤出，进行下一步的处理。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冰淇淋的生产方法，其特征在于：在搅拌、凝冻过程中，采用空气压缩机向冷冻腔体内导入气体；在凝冻过程中，对冰淇淋原料采用正交双频超声波处理。
2.根据权利要求1所述一种冰淇淋的生产方法，其特征在于：所述正交双频超声波由两组不同频率的超声波换能器产生，两组不同频率的超声波换能器包含第一超声波换能器和第二超声波换能器，其中第一超声波换能器安装于冷冻腔体的侧壁，第二超声波换能器安装于冷冻腔体的底部和/或顶部，且所述第一超声波换能器产生的超声波方向与第二超声波换能器产生的超声波方向互相垂直。
3.根据权利要求2所述一种冰淇淋的生产方法，其特征在于：对冰淇淋采用正交双频超声波处理过程中，在成核时，正交双频超声波的总功率为200～250W，正交双频超声波的总强度为0.8～1W/cm2；在晶核生长时，正交双频超声波的总功率220～300W，正交双频超声波的总强度为1～1.2W/cm2；其中第一超声波换能器产生的超声波功率占总功率的50％～80％。
4.根据权利要求3所述一种冰淇淋的生产方法，其特征在于：在成核时，正交双频超声波的处理时间为1～5min；在晶核生长时，正交双频超声波的处理时间为10～15min。
5.根据权利要求1所述一种冰淇淋的生产方法，其特征在于：空气压缩机向冷冻腔体内导入气体的气量为250～500L/min。
6.一种冰淇淋机，其特征在于：包括冷冻腔体、第一超声波换能器、第二超声波换能器、空气压缩机、搅拌机构，所述第一超声波换能器附着在冷冻腔体的侧壁，所述第二超声波换能器设在冷冻腔体的上部和/或下部，所述空气压缩机与冷冻腔体连接，所述冷冻腔体内设有搅拌机构。
7.根据权利要求6所述一种冰淇淋机，其特征在于：所述搅拌机构包括搅拌电机、转轴、搅拌叶片和刮刀，所述搅拌电机安装于冷冻腔体的上方，所述转轴的一端与搅拌电机的动力输出轴连接，所述转轴的另一端伸入冷冻腔体内，所述搅拌叶片的一端安装于转轴，且所述搅拌叶片位于冷冻腔体内，所述刮刀安装于搅拌叶片的另一端，且所述刮刀的刀锋与冷冻腔体的内壁之间的距离为2mm～5mm。
8.根据权利要求6所述一种冰淇淋机，其特征在于：所述第一超声波换能器产生超声波的方向与第二超声波换能器产生超声波的方向互相垂直。
9.根据权利要求6所述一种冰淇淋机，其特征在于：所述冷冻腔体包括腔体和环形制冷夹层，所述环形制冷夹层包裹腔体的侧壁和顶面，所述腔体的上端和下端分别设有进料口和出料口，此进料口和出料口分别连接有进料管和出料管，所述进料管和出料管均伸出环形制冷夹层；所述腔体的下端和上端分别设有进气口和出气口，所述进气口通过进气管道与空气压缩机连接，所述出气口连接有排气管。
10.根据权利要求9所述一种冰淇淋机，其特征在于：所述环形制冷夹层内设有挡板，所述挡板和环形制冷夹层形成安装腔，所述第一超声波换能器安装于安装腔内。
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