專利名稱:超聲協(xié)同養(yǎng)晶的果汁冷凍濃縮方法與設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及濃縮果汁生產(chǎn)領(lǐng)域，特別涉及一種超聲波協(xié)同養(yǎng)晶提高果汁冷凍濃縮效率的方法及其設(shè)備。
背景技術(shù)：
果汁是一種營養(yǎng)美味的飲料，由于其自然健康的特性受到了消費者的青睞，并且果汁的生產(chǎn)在一定程度上緩解了鮮果銷售壓力，不僅維護了果農(nóng)的經(jīng)濟利益，也滿足了消費者的需求。為了降低貯藏和運輸期間的成本，減小果汁體積，濃縮果汁的生產(chǎn)加工變得尤為重要。傳統(tǒng)的果汁濃縮方法主要是常壓蒸發(fā)濃縮，多效中溫真空濃縮，反滲透法等。這些方法中熱濃縮容易造成果汁中營養(yǎng)物質(zhì)和香氣成分的損失，褐變度加大，使其品質(zhì)大大下降。反滲透法所得濃縮汁質(zhì)量較好，但濃縮比不高，膜壽命較短，膜的清洗也較為困難。
冷凍濃縮是近年來新興的一種冷加工技術(shù)，按照結(jié)晶方式可分為懸浮結(jié)晶式濃縮和漸進(jìn)結(jié)冰式濃縮。懸浮結(jié)晶是指溶液中的水在低溫下通過攪拌作用結(jié)成冰晶粒懸浮分散于母液中，待冰晶長大再通過過濾或離心的方法分離出冰粒，達(dá)到濃縮目的。而漸進(jìn)結(jié)冰式濃縮則是利用水在冷壁形成冰層，并且從容器一端向另一端生長，從而使液相的溶質(zhì)得到濃縮。與傳統(tǒng)濃縮方法相比，冷凍濃縮具有以下優(yōu)點(I)在低溫下濃縮，天然營養(yǎng)成分和熱敏性物質(zhì)被破壞程度較低，可以很好地保持果汁原有的風(fēng)味；(2)可避免操作中微生物的增殖；(3)可避免因升溫引起的聚合反應(yīng)和冷凝反應(yīng)；(4)含多種溶質(zhì)的溶液濃縮時，僅去除水分，不會造成母液組成的變化。
冷凍濃縮的原理是將液態(tài)水低溫下凍結(jié)成冰從原溶液中分離使得溶質(zhì)濃度增大達(dá)到濃縮目的，因此冰晶的生成就顯得尤為重要。無論懸浮式還是漸進(jìn)式濃縮都需要花相當(dāng)長的時間結(jié)冰，使得操作過程能耗較大。另外它還有一個很嚴(yán)重的夾帶問題。漸進(jìn)式濃縮中，隨著冰層的生長，固液界面液相側(cè)會出現(xiàn)溶質(zhì)濃度局部升高，溶質(zhì)向主體溶液的擴散阻力增大，導(dǎo)致部分溶質(zhì)來不及擴散到主體溶液就已被凍結(jié)到冰層中。而懸浮式濃縮冰晶在生長過程中極易形成不規(guī)則的形態(tài)，包裹大量有效成分，使得后期的固液分離效果較差，濃縮效率低。
中國發(fā)明專利“一種濃縮葡萄汁的生產(chǎn)方法”(公開號為CN1524456A)，公開了一種利用自然低溫對葡萄汁進(jìn)行冷凍濃縮的方法。該方法雖然不需要能耗對果汁降溫，但是溫度低至_15°C的自然條件不是隨處可得的，因此大范圍內(nèi)應(yīng)用是不可能的。中國發(fā)明專利“一種界面漸進(jìn)冷凍濃縮方法”(公開號為CN1849937A)公開了一種利用封閉式熱泵循環(huán)技術(shù)的界面漸進(jìn)冷凍濃縮方法。它將熱泵節(jié)能技術(shù)運用到水溶液的漸進(jìn)濃縮中，以實現(xiàn)低成本，低能耗的濃縮新方法。該方法僅僅是從能量的利用上對濃縮裝置作出所改善，但無法從工藝過程中減少濃縮本身所需能耗。中國發(fā)明專利“前進(jìn)冷凍濃縮控制方法”(公開號為CN1593248A)公開了通過對冷凍界面的被濃縮液流速和冰層生長速度的控制減少冰層溶質(zhì)的夾帶的方法，該方案雖然對傳統(tǒng)漸進(jìn)濃縮進(jìn)行改進(jìn)，溶質(zhì)夾帶也有所減少，但仍不能從根本上提高濃縮效率。中國發(fā)明專利“水溶液的冷凍濃縮”(公開號為CN1366466A)將固液分離后的冰晶洗滌，洗液再循環(huán)進(jìn)入下一步濃縮。此方法可以減少冰晶夾帶損失，但增加了洗液濃縮步驟，使得整個過程能耗增大，降低了濃縮效率。
公開號為CN1765898A的中國發(fā)明專利公開了一種“溶液超聲協(xié)同作用制備球狀結(jié)晶核黃素方法”。該方法省去了傳統(tǒng)結(jié)晶步驟，利用超聲協(xié)同起晶，縮短了周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。中國發(fā)明專利“一種乙醇-超聲波協(xié)同制備果糖晶種的方法”(公開號CN101220398A)也證明了超聲波對果糖晶體形成的超強作用。但是這些方法是都是局限在常溫下進(jìn)行，如果在低溫下則無法完成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有背景技術(shù)中的不足之處，提供一種高質(zhì)量，高效率，低成本，易操作的低溫下冷凍濃縮果汁生產(chǎn)方法及設(shè)備。
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，利用超聲波的機械效應(yīng)和空化效應(yīng)強化結(jié)晶過程， 改變晶體性能，獲得粒徑均勻、外形規(guī)則的晶體，并且縮短結(jié)晶時間。超聲波協(xié)同起晶在化工、食品和制藥等結(jié)晶行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用，但應(yīng)用于冷凍濃縮卻是一個新的嘗試。低溫過冷溶液受超聲波傳播的機械效應(yīng)影響引起溶液粒子振動，加速固液相界面附近的溶質(zhì)向主體溶液擴散，水分子向晶核表面沉積，從而促使大量晶核生成。另外超聲波的空化效應(yīng)產(chǎn)生微射流和沖擊波可加速奧斯瓦特效應(yīng)，即小冰晶融化，大冰晶生長，并使枝狀碎片冰晶和不規(guī)則聚集的塊狀晶體得以及時分散，形成均勻規(guī)則的冰晶，防止溶質(zhì)的包裹，超聲波與罐內(nèi)攪拌作用相結(jié)合，強化晶核形成過程，防止冰粒下沉穩(wěn)定生長，從而達(dá)到提高濃縮效率，降低運行成本的目的。
本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)
一種超聲協(xié)同養(yǎng)晶的果汁冷凍濃縮設(shè)備，包括果汁存貯器、離心泵、刮板式換熱器、養(yǎng)晶罐、換能器、離心機、收集罐、兩溫度記錄儀和計算機；果汁存貯器通過離心泵與刮板式換熱器連接，刮板式換熱器和離心機位于帶保溫夾套的養(yǎng)晶罐下方，分別與帶保溫夾套的養(yǎng)晶罐連接；換能器安裝在帶保溫夾套的養(yǎng)晶罐內(nèi)，與超聲發(fā)生器連接；離心機與收集罐連接，收集罐通過泵與刮板式換熱器連接，兩溫度記錄儀一端分別與帶保溫夾套的養(yǎng)晶罐和刮板式換熱器連接，另一端分別與計算機連接。
為進(jìn)一步實現(xiàn)本發(fā)明目的，所述超聲發(fā)生器固定在罐外壁；超聲發(fā)生器使養(yǎng)晶罐內(nèi)的超聲頻率優(yōu)先控制在20 30kHz，能量密度優(yōu)先控制在0. 01 0. lkff/L,間隔時間優(yōu)先控制在5 IOs的范圍內(nèi)。
所述刮板式換熱器優(yōu)選為FT型刮板式換熱器。所述離心泵優(yōu)選為SL型離心泵。
超聲協(xié)同養(yǎng)晶的果汁冷凍濃縮方法，包括如下步驟
(I)原料預(yù)處理將待處理果汁于離心機3000 5000r/min離心10 15min,得
到澄清果汁；所述澄清果汁的可溶性固形物含量小于45° Brix，粘度小于lOmpas，濁度小于 15NUT ；
(2)預(yù)冷將澄清果汁泵入刮板式換熱器，啟動刮板式換熱器，果汁溫度降低至冰占.
(3)起晶果汁溫度達(dá)到冰點后，刮板處冷壁開始起晶，小冰晶被刮板刮下，懸浮于果汁中；[0017](4)超聲養(yǎng)晶果汁中的冰晶從刮板換熱器頂部進(jìn)入養(yǎng)晶罐，開啟養(yǎng)晶罐內(nèi)攪拌槳和超聲場發(fā)生裝置，施加頻率為20 30kHz、能量密度0. 01 0. lkff/L的超聲波，時間間隔為5 10s，處理時間為I. 2 4h ;
(5)固液分離在超聲作用下，冰晶不斷生成，溶液濃度增大，冰點溫度也隨之下降，當(dāng)溫度記錄儀觀察到罐內(nèi)濃縮液溫度達(dá)到目標(biāo)濃度相應(yīng)的冰點溫度時，則停止養(yǎng)晶；關(guān)閉超聲發(fā)生器，混合液泵入離心機，甩干，收集濃縮液并排出冰渣；
(6)滅菌包裝將收集到的濃縮液進(jìn)行滅菌包裝。
所述的待處理果汁為荔枝汁、蘋果汁或橙汁。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點
(I)本發(fā)明采用超聲波協(xié)同作用促進(jìn)冰晶有規(guī)則分布均勻地生長，避免了針狀碎 片晶體以及塊狀冰的產(chǎn)生，使得果汁有效成分夾帶損失較少，分離效果顯著，可溶性固形物含量單次最聞可提聞20° Brix。冰晶夾帶損失最低可達(dá)0. 4%。
(2)超聲協(xié)同作用同時使得冰晶由成核到成熟的時間大大縮短，提高了冰晶生長速率，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的，根據(jù)料液的不同養(yǎng)晶時間在I. 2 4h之間，大大提高了生
產(chǎn)效率。
(3)本發(fā)明操作簡單，設(shè)備投資少，有效地降低了生產(chǎn)成本，


圖I為本發(fā)明超聲協(xié)同養(yǎng)晶的果汁冷凍濃縮設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不僅限于此。
如圖I所示，一種超聲協(xié)同養(yǎng)晶的果汁冷凍濃縮設(shè)備，該設(shè)備將超聲場技術(shù)運用于懸浮式結(jié)冰冷凍濃縮系統(tǒng)，包括存貯器I、離心泵2、刮板式換熱器3、養(yǎng)晶罐7、換能器6、離心機8、收集罐9、兩溫度記錄儀4和計算機5 ;存貯器I用于存貯果汁，離心泵2用于輸送果汁進(jìn)刮板式換熱器；養(yǎng)晶罐7帶保溫夾套；離心機8用于甩干冰晶；收集罐9用于收集濃縮液；兩溫度記錄儀4分別用于觀察養(yǎng)晶罐7和刮板式換熱器3內(nèi)溫度變化。果汁存貯器I通過離心泵2與刮板式換熱器3連接，刮板式換熱器3和離心機8位于帶保溫夾套的養(yǎng)晶te 7下方,分別與帶保溫夾套的養(yǎng)晶Sil 7連接；換能器6安裝在帶保溫夾套的養(yǎng)晶Sil 7內(nèi)，與超聲發(fā)生器連接；超聲發(fā)生器具體離心機8與收集罐9連接，收集罐9通過泵10與刮板式換熱器3連接，兩溫度記錄儀4 一端分別與帶保溫夾套的養(yǎng)晶罐7和刮板式換熱器3連接，另一端分別與計算機5連接。離心泵2優(yōu)選SL型離心泵；刮板式換熱器3優(yōu)選FT型刮板式換熱器；
SL型離心泵2將果汁輸送到FT型刮板式換熱器3中，由與養(yǎng)晶罐下端相連的通道進(jìn)入養(yǎng)晶罐7，刮板式換熱器3用來預(yù)冷待處理果汁以及養(yǎng)晶階段為養(yǎng)晶罐7提供冷量，晶體成核生長在養(yǎng)晶罐7內(nèi)進(jìn)行。養(yǎng)晶罐7下端與刮板式換熱器3相連，外帶保溫夾套，內(nèi)置攪拌漿通過兩側(cè)罐壁固定，利用獨立電機帶動。超聲養(yǎng)晶階段，溶液在攪拌作用下均衡接受超聲波作用，使得全罐的冰晶都得到有效的生長。超聲波由固定在養(yǎng)晶罐內(nèi)壁四周的換能器6將超聲發(fā)生器所發(fā)出的電信號轉(zhuǎn)換成機械振動而得來。換能器6主要由壓電陶瓷換能片組成，壓電陶瓷換能片個數(shù)依據(jù)養(yǎng)晶罐容積設(shè)定，通過電路與壓電陶瓷換能片相連的超聲發(fā)生器則固定在罐外壁。超聲波處理強度以超聲能量密度進(jìn)行設(shè)計，整個罐內(nèi)的能量分
布密度由P ==計算，其中P為能量密度(kW/L) ;w為功率(kW) ;v為體積(L)。要達(dá)到較
好的養(yǎng)晶效果，養(yǎng)晶罐內(nèi)的超聲頻率應(yīng)控制在20 30kHz，能量密度控制在0. 01 0. Ikff/L，間隔時間5 IOs的范圍內(nèi)。整個養(yǎng)晶過程由兩個溫度記錄儀4所示的溫度控制，包括養(yǎng)晶的開始和結(jié)束、超聲場的開啟和關(guān)閉等階段的溫度。冰點溫度與濃縮液濃度密切相關(guān)，一般在-5-15°C范圍。利用果汁冰點(Tf)與濃度(C)的線性關(guān)系，首先由果汁的初始濃度計算溶液初始冰點溫度，然后在冰晶生長的過程中溶液不斷被濃縮，冰點下降，再由果汁的目標(biāo)濃度計算相應(yīng)的理想冰點溫度。當(dāng)刮板式換熱器3處的溫度記錄儀4示數(shù)為初始冰點溫度時，則確定養(yǎng)晶的開始和超聲場的開啟。當(dāng)養(yǎng)晶罐7處的溫度記錄儀4示數(shù)為理想冰 點溫度時，則確定養(yǎng)晶的結(jié)束和超聲場的關(guān)閉。養(yǎng)晶結(jié)束后，打開罐底閥門，將冰水混合液排到離心機8內(nèi)，進(jìn)行固液分離，濃縮液進(jìn)收集罐9。若濃縮液未達(dá)預(yù)定濃縮指標(biāo)，可通過泵10將其泵入刮板式換熱器3，再次進(jìn)行濃縮。最后將收集到的濃縮液進(jìn)行滅菌包裝。
實施例I
以荔枝汁為原料，經(jīng)3000r/min離心IOmin后得澄清汁可溶性固形物含量=10。Brix ； U = 3. 6mpas ;池度=6. 4NTU。設(shè)備裝置連接如圖I所示。待處理果汁經(jīng)離心泵
2由果汁存貯器I泵入刮板式換熱器3內(nèi)，再經(jīng)由與養(yǎng)晶罐下端相連的通道進(jìn)入養(yǎng)晶罐7。養(yǎng)晶罐總?cè)莘e30L，為了防止水生成冰晶后體積擴大，工作液容積為25L。待25L工作液完全泵入，開啟刮板式換熱器3進(jìn)行預(yù)冷，刮板轉(zhuǎn)速30rpm，致冷功率lkW。內(nèi)置于換熱器內(nèi)的探頭經(jīng)溫度記錄儀4將果汁溫度變化顯示在計算機5上。待溫度降至果汁初始冰點-0. 9°C，刮板處冷壁開始起晶，生成的小冰晶被刮下懸浮于果汁中。開啟攪拌漿裝置，轉(zhuǎn)速為50rpm。并將均勻分布于養(yǎng)晶罐7內(nèi)壁四周的8個換能器6通過與其連接的超聲發(fā)生器將超聲波分別調(diào)至100W，施加頻率為20kHz、能量密度為0. 032kW/L、時間間隔為5s進(jìn)行協(xié)同養(yǎng)晶。
I.2h后，由溫度記錄儀觀察罐內(nèi)溫度達(dá)到目標(biāo)濃度相應(yīng)的理想冰點溫度-I. 8°C，停止攪拌漿工作，關(guān)閉超聲發(fā)生器。開啟養(yǎng)晶罐底閥門將冰晶和濃縮液排入離心機8進(jìn)行固液分離，濃縮液進(jìn)收集罐9，將收集到的濃縮液滅菌包裝。利用阿貝折光儀對所得濃縮液及冰融解液的可溶性固形物進(jìn)行測量，結(jié)果見表I。對比濃縮前后可溶性固形物含量增加了 89%，冰融解液可溶性固形物含量僅為0. 4Brix，可見濃縮效果相當(dāng)好，損失小。
表I
權(quán)利要求
1.一種超聲協(xié)同養(yǎng)晶的果汁冷凍濃縮設(shè)備，其特征在于包括果汁存貯器、離心泵、刮板式換熱器、養(yǎng)晶罐、換能器、離心機、收集罐、兩溫度記錄儀和計算機；果汁存貯器通過離心泵與刮板式換熱器連接，刮板式換熱器和離心機位于帶保溫夾套的養(yǎng)晶罐下方，分別與帶保溫夾套的養(yǎng)晶罐連接；換能器安裝在帶保溫夾套的養(yǎng)晶罐內(nèi)，與超聲發(fā)生器連接；離心機與收集罐連接，收集罐通過泵與刮板式換熱器連接，兩溫度記錄儀一端分別與帶保溫夾套的養(yǎng)晶罐和刮板式換熱器連接，另一端分別與計算機連接； 所述超聲發(fā)生器固定在罐外壁；超聲發(fā)生器使養(yǎng)晶罐內(nèi)的超聲頻率控制在20 30kHz，能量密度控制在0. 01 0. lkff/L,間隔時間控制在5 IOs的范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的超聲協(xié)同養(yǎng)晶的果汁冷凍濃縮設(shè)備，其特征在于所述刮板式換熱器為FT型刮板式換熱器。
3.一種應(yīng)用權(quán)利要求
I所述設(shè)備的超聲協(xié)同養(yǎng)晶的果汁冷凍濃縮方法，其特征在于包括如下步驟 (1)原料預(yù)處理將待處理果汁于離心機3000 5000r/min離心10 15min,得到澄清果汁；所述澄清果汁的可溶性固形物含量小于45° Brix，粘度小于lOmpas，濁度小于15NUT ； (2)預(yù)冷將澄清果汁泵入刮板式換熱器，啟動刮板式換熱器，果汁溫度降低至冰點； (3)起晶果汁溫度達(dá)到冰點后，刮板處冷壁開始起晶，小冰晶被刮板刮下，懸浮于果汁中； (4)超聲養(yǎng)晶果汁中的冰晶從刮板換熱器頂部進(jìn)入養(yǎng)晶罐，開啟養(yǎng)晶罐內(nèi)攪拌槳和超聲場發(fā)生裝置，施加頻率為20 30kHz、能量密度0. 01 0. lkff/L的超聲波，時間間隔為5 IOs,處理時間為I. 2 4h ; (5)固液分離在超聲作用下，冰晶不斷生成，溶液濃度增大，冰點溫度也隨之下降，當(dāng)溫度記錄儀觀察到罐內(nèi)濃縮液溫度達(dá)到目標(biāo)濃度相應(yīng)的冰點溫度時，則停止養(yǎng)晶；關(guān)閉超聲發(fā)生器，混合液泵入離心機，甩干，收集濃縮液并排出冰渣； (6)滅菌包裝將收集到的濃縮液進(jìn)行滅菌包裝。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的超聲協(xié)同養(yǎng)晶的果汁冷凍濃縮方法，其特征在于所述的待處理果汁為荔枝汁、蘋果汁或橙汁。
專利摘要
本發(fā)明公開了超聲協(xié)同養(yǎng)晶的果汁冷凍濃縮方法與設(shè)備。該設(shè)備的果汁存貯器通過離心泵與刮板式換熱器連接，刮板式換熱器和離心機位于帶保溫夾套的養(yǎng)晶罐下方，分別與帶保溫夾套的養(yǎng)晶罐連接；換能器安裝在帶保溫夾套的養(yǎng)晶罐內(nèi)，與超聲發(fā)生器連接；離心機與收集罐連接，收集罐通過泵與刮板式換熱器連接。該方法是先獲得澄清果汁，將其泵入刮板式換熱器內(nèi)進(jìn)行預(yù)冷，待刮板式換熱器內(nèi)料液溫度降至冰點，并產(chǎn)生了小冰晶后，開啟養(yǎng)晶罐內(nèi)攪拌漿和超聲場發(fā)生裝置，待冰晶生長成熟，排出濃縮液，分離冰晶。本發(fā)明超聲協(xié)同作用使得冰晶由成核到成熟的時間大大縮短，并且果汁有效成分夾帶損失少，不僅提高了生產(chǎn)效率，也達(dá)到節(jié)約能源的目的。
文檔編號B01D9/04GKCN101664214 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 200910192373
公開日2012年8月22日 申請日期2009年9月15日
發(fā)明者于淑娟, 曾新安, 曾楊 申請人:華南理工大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (4), 非專利引用 (2),