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第七章 软饮料加工工艺
一、软饮料的分类及水处理二、碳酸饮料加工工艺三、果蔬汁加工工艺
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一、软饮料的分类及水处理 1 软饮料的概念及分类概念:乙醇含量在 0.5%以下的饮用品。分类(以使用原料产品形态及作用分):①碳酸饮料 ⑥瓶装饮水②果汁(浆)及果汁饮料 ⑦茶饮料③蔬菜汁饮料 ⑧固体饮料④含乳饮料 ⑨特殊用途料⑤植物蛋白饮料 ⑩其他饮料
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2 饮料用水及处理方法
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水的硬度:水中离子沉淀肥皂的能力,一般指水中
Ca2+ 、 Mg2+ 盐类的含量。
水的碱度:天然水中能与 H+结合的 OH-、 CO3- 和
HCO3- 的含量。
天然水中通常仅存在 HCO3- 。
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3 分离过程综述混合物:均相混合物和非均相混合物分离方法:非均相混合物:水力学方法, 如过滤、沉降、离心分离等均相混合物:引入或产生另一相后再分离, 如蒸馏、吸收、萃取、膜分离等平衡分离过程:以相际平衡为基础的分离速率分离过程:以扩散速率为基础的分离
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三种压差推动的液相膜分离过程的分离范围
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分离过程分类过程 分离剂 分离机理蒸发 热能 挥发度差蒸馏 热能 挥发度差固体干燥 热能 水的汽化吸收 吸收剂 溶解度差萃取 萃取剂 溶解度差浸取 容积 溶解度差吸附 吸附剂 吸附能力差渗析 膜、溶剂 通过膜的速度差电渗析 离交膜、电场 电场下迁移速度差气体渗透 膜、压力梯度 迁移速度差反渗透 膜、压力梯度 通过膜的速度差超滤 膜、压力梯度 渗透能力差离子交换 离子交换树脂 质量作用定律
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常见的膜分离过程( 1 )渗析( Dialysis)( 2 )气体渗透( Gas Permeation)( 3 )电渗析( Electrodialysis)( 4 )微滤( Microfiltration)( 5 )超滤( Ultrafiltration)( 6 )纳滤( Nanofiltration)( 7 )反渗透( Reverse Osmosis)( 8 )渗透汽化( Pervaporation)
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膜的性能
( 1 )化学稳定性;
( 2 )耐热性;
( 3 )机械强度;
( 4 )耐生物降解的性能。 多孔陶瓷微滤膜
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对微滤膜:表面孔径、孔径分布、孔的百分率、水通量对超滤膜:MWCO、孔的百分率、水通量、溶质截留率对反渗透膜:纯水渗透系数、溶质渗透系数、反映系数、脱盐率对荷电膜:含水率、交换容量、膜电阻、膜电位
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纯水制备
几种分离单元操作对杂质的去除效果 离子 可溶气体 可溶有机物 粒子 细菌 热原离子交换 很好 很好 不好 不好 不好 不好反渗透 好 不好 好 很好 很好 很好吸附 不好 不好 好 不好 不好 不好过滤 不好 不好 不好 很好 不好 不好超滤 不好 不好 好 很好 很好 很好蒸馏 很好 不好 好 很好 很好 很好
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电渗析 (ED)电渗析:在直流电场作用下,电解质溶液中的离子选择 性地通过离子交换膜,从而得到分离的过程。
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电渗析中的主要传递过程——反离子的迁移。
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电渗析过程的特点 ( 1 )能耗低;
( 2 )装置使用灵活,维修方便;( 3 )装置使用寿命长;( 4 )整个过程无污染物排放,属于清洁生产过程;( 5 )用于水的脱盐时,原水的回收率高。 离子交换膜( 1 )非均相离子交换膜( 2 )均相离子交换膜( 3 )半均相离子交换膜 对离子交换膜的要求:( 1 )有良好的选择透过性; ( 2 )膜电阻低;( 3 )有足够的化学稳定性和机械强度;( 4 )有适当的孔隙度。
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微滤 (MF)
分离范围: MF: 0.1~ 50 μm UF: MWCO5000~100000
微滤膜的孔径:集中在 0.1~ 0.2 μm
微滤所用的膜有机膜:纤维素、再生纤维素、聚氯乙烯、聚酰胺、
聚四氟乙烯( PTFE)、聚丙烯( PP)无机膜:氧化铝、氧化锆、不锈钢、碳纤维等
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超滤 (UF)超滤所用的膜
一般是不对称膜或复合膜
有机膜:聚丙烯( PP)、聚四氟乙烯( PTFE)、纤 维素酯、聚酰胺、聚砜( PS)、聚偏氟 乙烯( PVDF)等
• 无机膜:氧化铝、氧化锆、不锈钢、碳纤维等
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超滤操作
超滤的操作方式
单级间歇操作
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超滤的操作特点:过滤机理:筛分过滤温度:取决于膜和物料的耐热性过滤方式:切向过滤过滤压差:比常规过滤高
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提高通量的措施:
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反渗透
• 渗透压与反渗透现象
反渗透原理
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微滤、超滤和反渗透的比较
微滤 超滤 反渗透分离物质 粒径大于 相对分子质量 相对分子质量 0.1 μm 的粒子 大于 500的分子 小于 500的
分子分离机理 筛分 筛分 扩散膜的结构 多孔膜、 不对称膜、 不对称膜、 不对称膜、 复合膜 复合膜 复合膜压差范围 /Mpa 0.01~ 0.2 0.1~ 0.5 2~10
水通量 /(L/m2h) 约 1000 20~ 200 4 ~ 10
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反渗透所用的膜
纤维素膜
( 1 )离子电荷越大,脱除越容易;
( 2 )硝酸盐、高氯酸盐、氰化物、硫氰酸盐、氯化物、铵盐、苯基化合物均不易脱除;
( 3 )低分子量非电解质不易脱除;
( 4 )有机物脱除:醛 > 醇 > 胺 > 酸,叔 > 异 > 仲
> 伯
( 5 ) 25℃时每升温 1℃,渗透通量增加 3%。
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聚酰氨膜
( 1 )透水性和脱盐率均较好;
( 2 )机械强度高;
( 3 )耐高温,耐压密;
( 4 ) pH范围较宽
( 5 )对游离氯敏感。
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混凝和过滤
混凝
目的:添加混凝剂,中和胶体颗粒表面的电
荷,破坏胶体稳定性,促使小颗粒互
相聚合成大颗粒而下沉。
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水处理中常用的混凝剂铝盐和铁盐明矾 [KAl(SO4)2]2·4H2O用量: 0.001%~0.02%硫酸铝 Al2(SO4)3·18H2O 要求 pH近中性有效剂量: 20~100mg/L聚合氯化铝( PAC)效果好用量: 0.005%~0.01%铁盐( FeSO4·7H2O )最常用FeSO4+Ca(HCO3)2→Fe(OH)2+CaSO4+2CO2↑4Fe(OH)2+2HO+O →4Fe(OH)3Fe2(SO4)3+3Ca(HCO3)2→2Fe(OH)2+3CaSO4+6CO2↑结合石灰处理:Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2O助滤剂
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过滤
①砂滤
过滤原理:原水通过粒状(滤料)介质层时,其中
一些悬浮物和胶体物被截留在孔隙中或介质表面。
过滤过程是综合的过程:阻力截留、重力沉降和接
触凝聚。
过滤的工艺过程:过滤与冲洗
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②其他过滤器
砂滤棒过滤器适用于水质较好的情况
微孔膜过滤器(高分子材料的滤膜)
活性炭过滤器
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石灰软化电渗析
原理:通过具有选择透性和良好导电性的离子交换膜,在外加直流电场作用下,根据异性相吸、同性相斥原理,使原水中的离子分别透过阴离子和阳离子交换膜,从而降低水中溶解的固形物,达到净化的目的。
常用于海水和咸水淡化。
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结垢与去垢方法
倒换电极 3~8h
定期酸洗 浓度 1%~2% 的 HCl/2~3h→pH3~4
碱洗 有机杂质污染阴膜 0.1mol NaOH
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反渗透渗透与反渗透
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反渗透与超滤反渗透( RO)、超滤( UF)和微滤( MF)都是以压力差为推动力的膜分离过程,它们没有本质区别,只是不同的渗透膜截留物质的相对分子量不同。
超滤膜
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反渗透膜膜的种类:醋酸纤维素膜( CA膜)芳香聚酰胺膜高分子电解质膜无机质膜及其他
反渗透膜
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膜的主要参数①透水率单位时间通过膜面积的水的体积流量,单位:cm3/(cm2.s),最常用 cm3/(cm2.h)
②透盐率盐通过膜的速率,与压力无关。透盐率小好。
评价膜分离性能最常用的指标是脱盐率,其含义与透盐率相反(溶质截留百分率)。
③抗压实性操作压力和温度引起压实系数 m 越小越好,反渗透膜要求 m≯ 0.03。
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2.4.4 反渗透装置及流程
装置:膜组件和泵,反渗透膜组件形式:板
框式、管式、螺旋式和中空纤维式二级反渗透装置
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2.5 离子交换
离子交换剂主要有:
矿物质离子交换剂
碳质离子交换剂
有机合成离子交换树脂
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2.5.1 离子交换树脂软化水的原理
RSO3-· H++ Na+ →RSO3Na+ H+
R≡ N+OH-+ Cl-→ R≡ NCl+ OH-
2.5.2 离子交换树脂的分类与性能
分类:强酸性、弱酸性、强碱性、弱碱性
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性能:密度、含水率、溶胀性、机械强度、耐热性
酸性、碱性、选择性和交换容量。
离子交换树脂的选择原则
选择大容量、高强度树脂 同类型树脂中,弱
型比强型的交换容量大,但机械强度差
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根据原水中需除去离子的种类选择
吸附性较强的离子( Ca2+、 Mg2+),弱酸
性或弱碱性树脂
吸附性较弱的离子(K+、 Na+、 HCO3、 HSiO3-),强
酸性或强碱性树脂
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离子交换水处理装置
固定床
连续床
单级离子交换器(单床)多级(多床)固定床复合(复床)混合(混合床)双层(双层床)
移动床流动床
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离子交换树脂的处理、转型及再生( 1 )新树脂的处理及转型阳树脂由 Na型→H 型(水浸泡→等量 7%HCl浸泡 1h→水洗至
pH3~4→等量 8%NaOH浸泡 1h→水洗至 pH8~9→ 3~5倍 7%HCl浸泡
2h)
阴树脂由 Cl型→ OH型(水浸泡→等量 7%NaOH浸泡 1h→水洗至
pH3~4→等量 8%HCl浸泡 1h→水洗至 pH8~9→ 3~5倍 7%NaOH浸泡
2h)
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( 2 )离子交换树脂的再生
老化树脂再生机理:水处理的逆反应
阳树脂:反冲→树脂质量 2~3倍的 5%~7%HCl→去离子
水至 pH3.0~4.0
阴树脂:反冲→树脂质量 2~3倍的 5%~8%NaOH→去离
子水洗至 pH8.0~9.0
再生液适当加温(≯ 50℃)效果更好。
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水的消毒
消毒的方法:氯消毒、紫外线消毒、
臭氧消毒
氯消毒利用次氯酸 (HOCl)的强氧化作用破坏微生
物的酶系统。常用的氯消毒法:氯胺、漂白粉、次氯酸钠和二氧化氯
Cl2+H2O ƒ HOCl+H+Cl-
HOCl ƒ H++OCl-
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•紫外线消毒利用营养细胞中的蛋白质和核酸吸收紫外光谱的能量,导致蛋白变性,使微生物死亡。波长 200~295nm,装置:低压灯管
•臭氧消毒利用臭氧分解产生的原子氧(强氧化剂)与水中的细菌及其他微生物或有机物作用,使其失活。
臭氧的发生: 3O2 → 2O3 -148kJ/mol
臭氧不稳定,需随时制取当场应用 臭氧的加注装置:喷射法 臭氧的杀菌作用比氯快 15~30倍,但成本高
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思考题
1 概念:水的硬度(总硬度碳酸盐硬度非碳酸盐硬度)水的碱度2 常用的水处理方法有哪些?各自的原理、特点及适用条件。3 纯净水生产中常用的反渗透( RO)、超滤( UF)和微滤( MF)有什么区别?如何选择反渗透膜?4 水消毒的常用方法?各自的原理?
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第二节 碳酸饮料加工工艺
碳酸饮料:指含气饮料分类:果汁型果味型可乐型低热量型其他型
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1 碳酸饮料的原辅材料
1.1 二氧化碳
物理特性:临界温度 31.1 °,临界压力 7.38MPa
碳酸饮料对二氧化碳的质量要求:
CO2含量 >99%;水分 <0.1%;氢氧化钾吸物 <1%;不
得含有一氧化碳、二氧化硫、氢、氯化氢、氨等气
体成分;无臭,无矿物油等杂质。
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二氧化碳来源:
天然气:焦碳燃烧产物;烟道气回收等
二氧化碳的净化:
二氧化碳气→高锰酸钾塔 2~3% →水塔→活
性碳塔→净化气
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1.2 、 配料甜味料蔗糖、果糖、果葡糖浆、糖醇、甜菜苷、蛋白糖、甜蜜素、三氯蔗糖等酸味料酒石酸、延胡羧酸、柠檬酸、苹果酸、乳酸、抗坏血酸、醋酸等香精香料水溶性香精——澄清饮料乳浊香精——浑浊型饮料着色剂 其他添加剂
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1.3 包装容器与材料玻璃瓶金属罐 镀锡薄钢板(马口铁)——素铁、涂料铁 镀铬薄钢板 铝材轻、薄;延展性和拉拔性能好→两片罐 罐形:三片罐、两片罐塑料及复合材料①PE(聚乙烯)LDPE 透明度好、柔软、伸长率大抗冲击耐低温HDPE 耐高温,硬度气密性机械强度好,不透明
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②PVC(聚氯乙烯)良好的阻隔性(空气湿气)和透明性,机械强度好质轻
吹塑生产的 PVC瓶只适用于果汁和矿泉水注拉吹生产的 PVC瓶撑装碳酸饮料
③PP (聚丙烯)④PET或 PETP(聚酯)结晶好、无色透明且极为坚韧;性能优(耐压耐热),价格高。
吹塑法生产的 PET瓶最能充分发挥其特性:透明、表面光洁度高、呈玻璃外观。
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两种工艺流程:
现调式(二次罐装法):先配好调味糖浆灌入包装容器,再灌装碳酸水
预调试(一次罐装法):将调味糖浆和碳酸水定量混合,再灌装
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现调式工艺流程 饮用水→水处理→冷却→混合机
↑ 酸味剂、香精等 CO2气 ↓砂糖→溶解→过滤→糖浆调和→冷却→灌装机→装瓶机 ↑ ↓ 瓶(罐) → 清洗→空瓶检查 轧盖机 ↓ 混匀机 ↓ 成品检验
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预调式工艺流程 饮用水→水处理→脱气机 酸味剂、香精等 CO2气 ↓ ↓砂糖→溶解→过滤→糖浆调和→定量调和机→带冷却混合机 ↓ 瓶→清洗→空瓶检查→自动检瓶机→瓶装机 ↓ 轧盖机 ↓ 混匀机 ↓ 成品检验
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2 调味糖浆的制备及调和2.1 调味糖浆的制备2.1.1 原糖浆制备糖浆浓度测定:糖度表法、折光法2.1.2 调味糖浆的配制加料次序:①原糖浆:测定浓度,计算需要量。②苯甲酸钠溶液( 25%)③糖精钠(预先溶解)④酸溶液(多为 50%的柠檬酸溶液)⑤果汁(以含可溶性固形物 10%为基准)⑥香精⑦色素(热水溶化)⑧水
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2.2 调和2.2.1 调和系统( 1 )现调式(二次灌装法)——水先经冷却和碳酸化,然后再与调味糖浆分别灌入容器中调和成汽水优点:加料机比调和机结构简单,管道也有各自的 系统,容易分别清洗;灌水机漏水时不损失 糖浆。缺点:糖浆通常与混合机中出来的水温不一致,容 易起泡沫;糖浆事先未被碳酸气饱和,必须
提高碳酸水的含气量。
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( 2 )预调式(一次灌装法)——水与调味糖浆按一定比例预先调好,再经冷却混合,达一定含气量的成品灌入容器中。优点:糖浆与水的比例失误小,准确度高,容器容 量变化时无需改变加注量比例,产品质量一 致;糖浆和水混合温度一致,气泡小;但不 适宜灌装带果粒的汽水。2.2.2 碳酸化( 1 ) CO2的作用①清凉作用 ②阻碍微生物生长③舒适的刹口感
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( 2 ) CO2的溶解量影响因素①气液体系的绝对压力和液体的温度②CO2气的纯度和液体中存在的溶液的性质③气体和液体的接触面积和时间CO2的溶解度:在 0.1MPa( 1 个绝对大气压)下,温度为 15.56℃时,1 体积水可溶解1 体积 CO2。空气对碳酸化的影响:降低 CO2在水中的溶解度,且会促进霉菌和腐败菌的生长,并能氧化香气成分。1 容积空气对应 50倍容积的 CO2
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( 3 ) CO2净化( 4 )碳酸化系统①CO2调压站其他工业生产所得的副产品,天然 CO2气,自制CO2气等
贮于钢瓶中的液体 CO2
干冰②水冷却器③混合机(碳酸化罐、填料塔、文丘里管)
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3 洗瓶及罐装3.1洗瓶
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3.2灌装生产线
清洗后的空瓶→灌装→封盖
糖浆加料机的形式(现调式):量杯式、空气封闭式、液面静压式。灌装方式:等压式、负压式其他设备:检验机、贴标机和盖上打印机、包装机等。
人工检验→装塑料箱
温瓶→喷印编码→装纸箱
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第三节 果蔬汁加工工艺
无论是天然果汁(原果汁)饮料、果汁饮料还是带果肉果汁饮料等,其生产的基本原理和过程大致相同。主要包括:果实原料预处理、榨汁或浸提、澄清和过滤、均质、脱氧、浓缩、成分调整、包装和杀菌等工序(浑浊果汁不经澄清过滤)。
1 果蔬汁饮料生产的基本工艺
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1.1 原料的选择和洗涤
1.2 榨汁和浸提
1.2.1 破碎和打浆
破碎的目的:提高出汁率
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1.2.2 榨汁前的预处理
加热适用于红葡萄、红西洋樱桃、李、山楂等水果。原理:加热使细胞原生质中的蛋白凝固,改变细胞 的半透性,同时使果肉软化、果胶质水解, 降低汁液的粘度,从而提高出汁率。处理条件: 60~70℃/15~30min
加果胶酶
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榨汁方法依果实的结构、果汁存在的部位、组织性质以及成品的品质要求而异。大部分水果果汁包含在整个果实中——破碎压榨;
柑橘类和石榴等有一层厚的外皮——逐个榨汁或先去皮。
果实的出汁率取决于果实的质地、品种、成熟度和新鲜度、加工季节、榨汁方法和榨汁效能。
1.2.4粗滤
1.2.3 榨汁
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1.3 果汁的澄清和过滤
1.3.1 澄清
①自然澄清
②明胶单宁澄清法
原理:果汁中带负电荷的胶状物质和带正电荷的明
胶相互作用,凝结沉淀,使果汁澄清。
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③加酶澄清法
原理:利用果胶酶制剂水解果汁中的果胶物质,使
果汁中其他胶体失去果胶的保护作用而共同沉淀。
果胶酶的作用条件: 50~55℃最适,一般用2~4kg/T
果汁,可直接加入榨出的新鲜果汁中或在果汁加热
杀菌后加入。
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④冷冻澄清法
原理:冷冻改变胶体的性质,而在解冻时形成沉淀。
尤适用于苹果汁。
⑤加热凝聚澄清法(简便、效果好)
原理:果胶物质因温度剧变而变性,凝固析出。
方法:在 80~90s内加热至 80~82℃,然后快速冷却至
室温。
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1.3.2 过滤
1.4 果汁的均质和脱气
1.4.1 均质
浑浊果汁生产中的特殊要求,多用于玻璃瓶包装的
产品,马口铁罐产品很少采用。冷冻保藏果汁和浓
缩果汁无须均质。
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1.4.2 脱气
果汁中存在大量的氧气,会使果汁中的 Vc遭破坏,
氧与果汁中的各种成分反应而使香气和色泽恶化,
会引起马口铁罐内壁腐蚀。在加热时更为明显。
真空脱气法、氮气交换法
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1.5 果汁的糖酸调整与混合绝大多数果汁成品的糖酸比例在 (13:1)~(15:1)。许多水果能单独制得品质良好的果汁,但与其他品种的水果适当配合则更好。
1.6 果汁的浓缩真空浓缩法(一般 23~35℃/94.7kPa)冷冻浓缩法(可溶性物质≯ 50%)反渗透浓缩法(主要选用醋酸纤维膜和其他纤维素膜)芳香物质回收
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1.7 果汁的杀菌和包装
1.7.1 果汁的杀菌
杀菌工艺的选择原则:既要杀死微生物,又要尽可
能减低对产品品质的影响。
最常用的方法:高温短时( 93±2℃/15~30s)
杀菌后的灌装:高温灌装(热灌装)和低温灌装(
冷灌装)
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1.7.2 果汁的包装
碳酸饮料一般采用低温灌装果实饮料,除纸质容器外,几乎都采用热灌装(由于满量灌装,冷却后果汁容积缩小,容器内 形成一定的真空度)罐头中心温度 >70℃。
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2 典型果蔬汁生产工艺2.1柑橘汁 柑橘原料 ↓ 验收检验 ↓ 暂 存 ↓ 洗 净(水洗、化学溶液洗、 ↓ 水洗净) 选 果 ↓ 全果榨汁 ↓
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2.2浓缩苹果汁 固体 液体 湿沉 果渣 果渣 淀物 ↑ ↑ ↑ 选料→选果→检果→磨碎→压榨→加热→初滤→脱胶 →精滤→提香兼巴→浓缩→冷却→灌装 ↓ 氏杀菌 液体 果渣浓缩苹果混浊汁比清汁少脱胶和精滤两道工序。
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浓缩果汁生产线
原料暂存 输送选果 压榨
酶解 超滤 浓缩
成品
无菌灌装
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思考题
1 碳酸饮料生产的两种主要工艺?它们的本质区别和各自的特点?
2 某饮料厂夏季生产碳酸饮料,其产品中二氧化碳含量不足,试问如何改进?
3 果汁澄清及浓缩各有哪些方法?各自的特点?