CN112244184B - 一种变频超声辅助水合物浓缩液态食品的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变频超声辅助水合物浓缩液态食品的装置和方法，所述装置包括浓缩处理器、冷凝循环系统、进料罐、气泡发生器、超声波探头、超声波控制器、水合物晶体罐和浓缩液罐；其中，超声波探头设置于浓缩处理器中，冷凝循环系统、气泡发生器、超声波控制器和浓缩液罐分别与浓缩处理器连接，进料罐通过运输泵与浓缩处理器连接，水合物晶体罐通过运输管道与浓缩处理器连接。所述方法在气体水合物法浓缩液态食品的基础上，辅助以变强度超声和气泡控制装置来进行浓缩，在气体充入阶段、相变阶段、晶体生长阶段分别给予不同的超声处理，可获得相变处理时间短、无菌、最大程度保持物料原有营养、色泽及风味的浓缩汁。

Description

一种变频超声辅助水合物浓缩液态食品的装置和方法
技术领域
本发明属于浓缩液态食品技术领域，具体涉及一种变频超声辅助水合物浓缩液态食品的装置和方法。
背景技术
浓缩汁(液)作为一种半成品或产品广泛流通于食品加工领域，高效、高品质、低成本的浓缩手段一直是浓缩行业的迫切需求。
目前常见的液体食品浓缩方法有：蒸发浓缩、膜浓缩(超滤、反渗透、膜蒸馏)以及冷冻浓缩。其中蒸发浓缩常应用于液体食品的浓缩，但其高温常导致风味劣变、热敏性营养成分破坏、功能性成分流失、高能耗等问题；膜浓缩虽然效率高，但是后期膜清洗耗时耗费，致使再利用难度相对较高；冷冻浓缩虽然对物料品质保护效果好，然而由于需在零下低温进行，能耗问题制约其发展利用，而且目前设备制造技术被国外垄断，造价高，国内仍无成熟化设备。因此，开发效率高、成本低、浓缩品质好的浓缩新技术具有重要的现实意义。
水合物法浓缩是在一定压力与温度下，客体气体水分子与溶液中主体水分子形成类似冰晶的笼形结构物质，固液分离后，获得浓缩液的浓缩方法；其与目前公认相对最佳的冷冻浓缩的效果相似，也存在类似的晶体夹带溶质损失的问题，但较之无需零下低温，耗能低。因此，有效调控水合物晶体的形成速度、形状、尺寸，获得稳定、多且纯的水合物晶体，从而获得高浓缩率、低夹带率的浓缩液，是促进水合物法浓缩液态食品技术推广的重要保证。
水合物的形成包括晶体成核和晶体生长两个阶段，在成核前期，气体分子进入溶液内部，随着气液传质的进行，气体气泡逐渐变小，气体分子进入由主体水分子逐渐形成笼状孔穴结构，发生成核现象，主客体分子之间通过范德华力相互关联，不断聚集，慢慢形成稳定的笼，最终结晶完成。
浓缩汁(液)是食品行业一种常见的半成品或产品，常见的浓缩方式膜浓缩、蒸发浓缩、冷冻浓缩，其中冷冻浓缩的浓缩品质最佳，但由于能耗高，其应用受到相对程度上的限制。当前，气体水合物浓缩技术，一种可与冷冻浓缩相媲美的浓缩技术，可最大程度保留物料品质。但同时也与冷冻浓缩类似，溶液溶质在晶体形成过程中(形成笼形结构物质)，易被夹带甚至包埋，水合物夹带率将是限制其推广与应用的主要因素之一。
因此，目前浓缩技术都存在一些不足之处，主要表现为：
(1)现有浓缩技术中，相对较高品质的冷冻浓缩，其冷冻低温的条件需求使得浓缩能耗高、时间长，此外仍需给予杀菌处理，才能长期储存其成品浓缩汁。
(2)单一的水合物浓缩分离常辅助以一些热力学或动力学促进剂以加快处理过程，化学试剂的使用，增加了成本消耗量。
(3)单一水合物法浓缩，易出现混晶型现象，形成的水合物晶体过大，易出现水合物夹带现象，对微生物杀灭效果有限，需辅助以额外的杀菌处理才能长期储存。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种变频超声辅助水合物浓缩液态食品的装置。
本发明的另一目的在于提供一种变频超声辅助水合物浓缩液态食品的方法，该方法依赖于上述装置实现，不仅大大缩短水合物形成时间，调控夹带情况，而且包含的超声杀菌等步骤，进一步保证了浓缩汁的储存品质。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种变频超声辅助水合物浓缩液态食品的装置，包括浓缩处理器、冷凝循环系统、进料罐、气泡发生器、超声波探头、超声波控制器、水合物晶体罐和浓缩液罐；其中，超声波探头设置于浓缩处理器中，冷凝循环系统、气泡发生器、超声波控制器和浓缩液罐分别与浓缩处理器连接，进料罐通过运输泵与浓缩处理器连接，水合物晶体罐通过运输管道与浓缩处理器连接。
优选地，所述浓缩处理器包括外腔和内腔，外腔与冷凝循环系统连接，用于制冷，外腔中还设置有K型热电偶，所述超声波探头设置于外腔中，与内腔外壁接触；内腔中设置有压力传感器、搅拌桨、透明观察窗、高速摄像头和K型热电偶。所述K型热电偶用于测量夹层冷媒和内腔物料温度。
所述压力传感器和K型热电偶均与数据采集器连接，通过数据采集器连通电脑端，实现在线监测压力和温度。
优选地，所述气泡发生器还与气瓶连接。
优选地，所述进料罐设置有循环冷却系统。
一种变频超声辅助水合物浓缩液态食品的方法，借助于上述装置实现，包括以下步骤：
(1)将液态食品预冷至0.5～10℃，并打开冷凝循环系统进行冷却，使得进料罐、浓缩处理器的温度与液态食品预冷的温度一致；
(2)将预冷后的液态食品从进料罐泵入到浓缩处理器的内腔中；
(3)打开气瓶，通过气泡发生器调控气泡的直径，然后将气泡输送到浓缩处理器的内腔中，直至浓缩处理器内腔的压力为30～90bar，继续充气1～3min，同时给以超声处理一段时间，关闭气阀；
(4)在超声条件下，浓缩处理器内腔中的液态食品经历相变阶段和晶体生长阶段，形成水合物晶体，待浓缩处理器内腔压力稳定一段时间后，所得水合物晶体进入水合物晶体罐，所得浓缩液进入浓缩液罐并于0.5～10℃储存。
优选地，步骤(1)所述液态食品为果汁。
优选地，步骤(2)所述液态食品的浓度，步骤(3)所述气泡的直径、超声条件和步骤(4)所述超声条件关系为：
步骤(2)所述液态食品的浓度为4～20°brix，步骤(3)所述气泡的直径为102～107nm，超声条件为0.2～1.2W/cm2超声处理30～100s，步骤(4)所述相变阶段的超声条件为0.6～1.6W/cm2超声处理60～200s，晶体生长阶段的超声条件为1.0～2.0W/cm2超声处理120～300s。
更优选地，步骤(2)所述液态食品的浓度，步骤(3)所述气泡的直径、超声条件和步骤(4)所述超声条件关系为：
步骤(2)所述液态食品的浓度为4～10°brix，步骤(3)所述气泡的直径为102～103nm，超声条件为0.2～0.5W/cm2超声处理30～90s，步骤(4)所述相变阶段的超声条件为0.6～0.9W/cm2超声处理60～120s，晶体生长阶段的超声条件为1.0～1.5W/cm2超声处理120～200s；
或者是：步骤(2)所述液态食品的浓度为10～15°brix，步骤(3)所述气泡的直径为103～105nm，超声条件为0.5～0.9W/cm2超声处理30～90s，步骤(4)所述相变阶段的超声条件为0.9～1.3W/cm2超声处理60～180s，晶体生长阶段的超声条件为1.3～1.8W/cm2超声处理180～240s；
或者是：步骤(2)所述液态食品的浓度为15～20°brix，步骤(3)所述气泡的直径为105～107nm，超声条件为0.9～1.2W/cm2超声处理30～100s，步骤(4)所述相变阶段的超声条件为1.2～1.6W/cm2超声处理100～200s，晶体生长阶段的超声条件为1.6～2.0W/cm2超声处理200～300s。
步骤(3)所述浓缩处理器内腔的压力根据气体的温度、压力相变曲线监测所得。
步骤(3)所述超声条件下继续通入气泡1～3min的过程为气体充入阶段。
步骤(4)所述相变阶段，具体指：步骤(3)所述继续充气结束后，体系压力第一次出现下降、液态食品温度开始上升为起始点，到温度保持稳定或下降至起始点为终点，这一阶段为相变阶段，由在线温压监测曲线所得。
步骤(4)所述晶体生长阶段，具体指：相变阶段结束后，体系温度开始持续下降或从相变阶段的起始点温度开始下降，压力也继续下降至不再变化，并保持恒定一段时间，这一阶段为晶体生长阶段。
优选地，步骤(3)和(4)所述充气、相变阶段和晶体生长阶段均在搅拌条件下进行。
本发明在气体水合物法浓缩液态食品的基础上，辅助以变强度超声和气泡控制装置来进行浓缩，在气体充入阶段、相变阶段、晶体生长阶段分别给予不同的超声处理，从而达到浓缩前期促进气液接触、增强气泡运动、促进水分子之间氢键的形成，从而促进成核和调控晶型；在后期水合物晶体生长过程中，调控水分子无序运动，击碎可能形成的过大晶体，抑制晶体夹带，促进晶体生长。同时，在整个浓缩过程中给予的超声处理，具有辅助杀菌的效果，降低了单独水合物浓缩对微生物致死效果有限以及出现的微生物亚致死现象。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)采用本发明的方法，在气液混合阶段根据初始物料的浓度，调控气泡直径，并给予超声处理，促进了气液接触，增强了传热传质作用，有助于促进成核和控制晶型。
(2)采用本发明的方法，在水合物晶体形成过程中，包括相变阶段和晶体生长阶段，给予超声处理，加强氢键作用，缩短成核时间；后期能够击碎可能形成的过大晶体，避免夹带现象，降低了晶体包埋率，避免有效成分的损失。
(3)采用本发明的方法，较单一水合物浓缩缩短浓缩时间10％以上，降低晶体夹带率12％以上，增加杀菌率20％以上。
附图说明
图1为本发明所述变频超声辅助水合物浓缩液态食品的装置的结构示意图，其中，1-冷凝循环系统，2-进料罐，3-运输泵，4-气瓶，5-气泡发生器、6-超声波探头、7-浓缩处理器、8-运输管道、9-超声波控制器、10-水合物晶体罐，11-浓缩液罐。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明所述变频超声辅助水合物浓缩液态食品装置的示意图，图1所示，包括浓缩处理器(7)、冷凝循环系统(1)、进料罐(2)、气泡发生器(5)、超声波探头(6)、超声波控制器(9)、水合物晶体罐(10)和浓缩液罐(11)；其中，超声波探头(6)设置于浓缩处理器(7)中，冷凝循环系统(1)、气泡发生器(5)、超声波控制器(9)和浓缩液罐(11)分别与浓缩处理器(7)连接，进料罐(2)通过运输泵(3)与浓缩处理器(7)连接，水合物晶体罐(10)通过运输管道(8)与浓缩处理器(7)连接，所述气泡发生器(5)还与气瓶(4)连接，所述进料罐(2)设置有循环冷却系统。
浓缩处理器(7)为双层设置，设有夹层(即外腔)，与冷凝循环系统连接，用于制冷；超声波探头设置于外腔中，并与内腔外壁接触，夹层和内腔设有K型热电偶；内腔内安置压力传感器、透明玻璃观察窗，安置高速摄像头和搅拌桨，透明玻璃观察窗，安置高速摄像头便于对浓缩现象进行观察；热电偶、压力传感器探头均与数据采集器连接，通过数据采集器连通电脑端，实现在线监测压力和温度，用于测量样品温度、体系压力变化，即相变情况，从而进行浓缩工艺的调节。
所述浓缩处理器样品槽(内腔)的大小可根据实际需要作相应调整，以下实施例中采用浓缩处理器样品槽的大小为(直径*高)20*30cm。
实施例1
本实施例的一种变频超声辅助水合物浓缩液态食品的方法，包括以下步骤：
荔枝品种“桂味”取自广东茂名某商业果园，成熟度8～9成。采摘后冷藏于泡沫箱，6h内运输至实验室，严格挑选大小、形状、颜色均一的果实用于果汁水合物法浓缩实验。荔枝去壳去核后，采用胶体磨匀浆，过滤后，得到固形物含量16°brix的荔枝原汁，并置于1℃冷库预冷。打开各罐连接的冷凝循环设备，设置进料罐、浓缩处理器温度皆为1℃，待温度达到设定温度并平衡稳定后，取预冷好的桂味果汁4L从进料罐泵入浓缩处理器的内腔中；打开气瓶，调控气泡直径为105nm，压力达到75bar后，继续充气1min，同时给以超声处理，关闭气阀；在充气阶段给予0.9W/cm2的超声处理60s；相变阶段给予1.3W/cm2的超声处理120s；晶体生长阶段给予1.8W/cm2的超声处理220s；其中相变阶段和晶体生长阶段的判断根据压力和温度变化曲线，第一次检测到压力下降，温度上升的点为结晶点，以及随后温度持恒的一段时间，为相变阶段；温度开始持续下降，压力亦持续下降，直到压力不在变化，恒定一段时间，此阶段为结晶阶段；最终无菌分装，置于冷库储存。所得桂味浓缩汁，浓缩率达32％，可溶性固形物浓度为35°brix，多酚和Vc保留率达93％，晶体夹带约为8°brix，微生物的数量较原果汁约降低了106，风味特征值未发生改变，保留了原始风味和色泽，较单一水合物浓缩缩短浓缩时间15％，降低晶体夹带率18％，杀菌率提高了35％。
实施例2
本实施例的种变频超声辅助水合物浓缩液态食品的方法，包括以下步骤：
蓝莓花青素提取液，固形物含量4°brix，置于4℃冷库预冷。打开各罐连接的冷凝循环设备，设置进料罐、浓缩处理器温度皆为4℃，待温度达到设定温度并平衡稳定后，取预冷好的蓝莓花青素提取液4L从进料罐泵入浓缩处理器的内腔中；同时打开气瓶，调控气泡直径为102nm，压力达到35bar后，继续充气1min，同时给以超声处理，关闭气阀；在充气阶段给予0.35W/cm2的超声处理60s；相变阶段给予0.9W/cm2的超声处理80s；晶体生长阶段给予1.4W/cm2的超声处理180s；其中相变阶段和晶体生长阶段的判断根据压力和温度变化曲线，第一次检测到压力下降，温度上升的点为结晶点，以及随后温度持恒的一段时间，为相变阶段；温度开始持续下降，压力亦持续下降，直到压力不在变化，恒定一段时间，此阶段为结晶阶段。最终无菌分装，置于冷库储存。所得蓝莓花青素浓缩液，浓缩率达40％，花青素抗氧化活性保留率达96％，晶体夹带约为4°brix，微生物的数量较原提取液约降低了103，色度佳，较单一水合物浓缩缩短浓缩时间20％，降低晶体夹带率13％，杀菌率提高了20％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种变频超声辅助水合物浓缩液态食品的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将液态食品预冷至0.5～10℃，并打开冷凝循环系统进行冷却，使得进料罐、浓缩处理器的温度与液态食品预冷的温度一致；
（2）将预冷后的液态食品从进料罐泵入到浓缩处理器的内腔中；
（3）打开气瓶，通过气泡发生器调控气泡的直径，然后将气泡输送到浓缩处理器的内腔中，直至浓缩处理器内腔的压力为30～90bar，继续充气1～3min，同时给以超声处理一段时间，关闭气阀；
（4）在超声条件下，浓缩处理器内腔中的液态食品经历相变阶段和晶体生长阶段，形成水合物晶体，待浓缩处理器内腔压力稳定一段时间后，所得水合物晶体进入水合物晶体罐，所得浓缩液进入浓缩液罐并于0.5～10℃储存；
步骤（2）所述液态食品的浓度为4～20 obrix，步骤（3）所述气泡的直径为102～107nm，超声条件为0.2～1.2 W/cm2超声处理30～100s，步骤（4）所述相变阶段的超声条件为0.6～1.6 W/cm2超声处理60～200s，晶体生长阶段的超声条件为1.0～2.0 W/cm2超声处理120～300s；
步骤（4）所述相变阶段指：步骤（3）所述继续充气结束后，体系压力第一次出现下降、液态食品温度开始上升为起始点，到温度保持稳定或下降至起始点为终点，这一阶段为相变阶段；
步骤（4）所述晶体生长阶段指：相变阶段结束后，体系温度开始持续下降或从相变阶段的起始点温度开始下降，压力也继续下降至不再变化，并保持恒定一段时间，这一阶段为晶体生长阶段；
所述变频超声辅助水合物浓缩液态食品的方法借助于如下装置实现：
所述装置包括浓缩处理器、冷凝循环系统、进料罐、气泡发生器、超声波探头、超声波控制器、水合物晶体罐和浓缩液罐；其中，超声波探头设置于浓缩处理器中，冷凝循环系统、气泡发生器、超声波控制器和浓缩液罐分别与浓缩处理器连接，进料罐通过运输泵与浓缩处理器连接，水合物晶体罐通过运输管道与浓缩处理器连接；
所述浓缩处理器包括外腔和内腔，外腔与冷凝循环系统连接，外腔中还设置有K型热电偶，所述超声波探头设置于外腔中，与内腔外壁接触；内腔中设置有压力传感器、搅拌桨、透明观察窗、高速摄像头和K型热电偶。
2.根据权利要求1所述一种变频超声辅助水合物浓缩液态食品的方法，其特征在于，步骤（2）所述液态食品的浓度为4～10 obrix，步骤（3）所述气泡的直径为102～103nm，超声条件为0.2～0.5 W/cm2超声处理30～90s，步骤（4）所述相变阶段的超声条件为0.6～0.9 W/cm2超声处理60～120s，晶体生长阶段的超声条件为1.0～1.5 W/cm2超声处理120～200s；
或者是：步骤（2）所述液态食品的浓度为10～15 obrix，步骤（3）所述气泡的直径为103～105nm，超声条件为0.5～0.9 W/cm2超声处理30～90s，步骤（4）所述相变阶段的超声条件为0.9～1.3 W/cm2超声处理60～180s，晶体生长阶段的超声条件为1.3～1.8 W/cm2超声处理180～240s；
或者是：步骤（2）所述液态食品的浓度为15～20 obrix，步骤（3）所述气泡的直径为105～107nm，超声条件为0.9～1.2W/cm2超声处理30～100s，步骤（4）所述相变阶段的超声条件为1.2～1.6W/cm2超声处理100～200s，晶体生长阶段的超声条件为1.6～2.0W/cm2超声处理200～300s。
3.根据权利要求1所述一种变频超声辅助水合物浓缩液态食品的方法，其特征在于，步骤（1）所述液态食品为果汁。
4.根据权利要求1所述一种变频超声辅助水合物浓缩液态食品的方法，其特征在于，所述气泡发生器还与气瓶连接；所述进料罐设置有循环冷却系统。
5.根据权利要求1所述一种变频超声辅助水合物浓缩液态食品的方法，其特征在于，所述压力传感器和K型热电偶均与数据采集器连接，通过数据采集器连通电脑端，实现在线监测压力和温度。
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