软饮料工艺学

1、软饮料工艺学 食品科学系 蒲 彪,绪 论 一、软饮料的概念与分类 （一）饮料的定义 饮料是经过加工制作，供人饮用的食品,以提供人们生活必需的水分和营养成分，达到生津止渴和增进身体健康为目的。 （二）饮料的功能 1、消暑解渴 2、醒神兴奋 3、味感需要 4、补充营养 5、保健疗效,（三）饮料的分类 由于消费习惯、生产工艺、包装形式各异，从而导致分类方法各异，至今尚无世界统一的分类标准。主要有两种分类方法： 1、按是否含酒精分为两类： 含酒精饮料（硬饮料）：包括啤酒、果露酒、葡萄酒、黄酒、蒸馏酒等。 不含酒精饮料（软饮料）：并非完全不含酒精，如香精的溶剂、发酵饮料等均可能含有微量酒精。,2、按产品

2、组织形态分为三类： 固体饮料：是指水分含量在5%以下，具有一定形状，经冲溶后才能饮用的饮料。 共态饮料：是指那些既可是固态，又可是液态，在形态上处于过渡状态的饮料。 液态饮料：是指那些固形物含量为5%-8%（浓缩者达30%-50%），无一定形状，容易流动的饮料。,（四）软饮料的分类 何为软饮料，国际上无明确规定，一般认为不含酒精的饮料即为软饮料（soft drinks）。但各国规定差异较大。 美国 软饮料法规规定为：软饮料是指人工配制的，酒精（用作香精等配料的溶剂）含量不超过0.5%的饮料。但不包括果汁、纯蔬菜汁、乳制品、大豆乳制品、茶叶、咖啡、可可等以植物性原料为基础的饮料。 日本 没有软饮

3、料的概念，称为清凉饮料。包括：碳酸饮料、水果饮料、固体饮料，与美国法规差异最大的是将天然果汁列入软饮料，但又不包括天然蔬菜汁。,英国 法规定义为“任何供人类饮用而出售的需要稀释或不需要稀释的液体产品”。包括：各种果汁饮料、汽水（苏打水、奎宁汽水、甜化汽水）、姜啤以及加药或植物的饮料；不包括水、天然矿泉水（包括强化矿物质的）、果汁（包括加糖和不加糖的、浓缩的）、乳及乳制品、茶、咖啡、可可或巧克力、蛋制品、粮食制品（包括加麦芽汁含酒精的，但不能醉人的除外）、肉类、酵母或蔬菜等制品（包括番茄汁）、汤料、能醉人的饮料以及除苏打水外的任何不甜的饮料。 欧盟其它国家的定义与英国基本相似。 中国 GB107

4、89-1996规定：软饮料是指不含乙醇或乙醇含量小于0.5%的饮料制品。又称不含酒精饮料或非酒精饮料。,根据BG10789-1996，按照原辅料或产品形式的不同，将软饮料分为以下十类。 1、碳酸饮料类 2、果汁（浆）及果汁饮料类 3、蔬菜汁饮料类 4、含乳饮料类 5、植物蛋白饮料类 6、瓶装饮用水类 7、茶饮料类 8、固体饮料类 9、特殊用途饮料类 10、其他饮料类,二、我国软饮料工业的现状与发展前景 （一）经济地位和现状 1、我国软饮料行业改革开放以来取得的成就 （1）产量大幅度增长 （2）质量稳步提高 （3）品种丰富多彩、包装不断更新、设备日益完善 （4）生产规模化、企业集团化、产品名牌化

5、初见成效 （5）管理水平逐步提高，各类标准逐渐完善,2、我国软饮料工业发展中存在的主要问题 （1）发展的总体起点不高，企业规模普遍较小，专业化程度低，技术装备落后，产品质量低，经济效益差。 （2）品种仍嫌单调，结构不合理，假冒伪劣现象严重。 （3）国家投入偏少，企业包袱沉重，资金短缺。 （4）以可口可乐、百事可乐为代表的外资企业的严重冲击。 （5）布局不合理，发展不平衡。 （6）专业技术人才缺乏，企业研发能力弱。 （二）我国软饮料行业的发展前景 1、发展前景 我国软饮料的生产消费与发达国家比较，存在较大差距，目前我国年人均消费量约10kg，仅为世界平均水平的1/4，美国的1/30，因而发展前景

6、诱人。更不说还可开拓国际市场。,2、发展方向与战略目标 当今世界对食品和饮料的总体要求，可以归纳为： “四化” 多样化、简便化、保健化、实用化。 “三低”低脂肪、低胆固醇、低糖。 “二高”高蛋白、高膳食纤维。 “一无”无添加剂(防腐剂、香精、色素等)。,面对我国已加入WTO，全球经济一体化的现状，我们应充分利用和发展我国可利用的丰富资源优势，遵循天然、营养、同归自然的发展方向，适应消费者对饮料多口味的需要，积极发展果蔬汁、植物蛋白饮料、饮用天然矿泉水、乳、茶等天然饮料，并继续改进饮料包装，大力推广饮料主剂“集中生产，分散罐装”的产业政策。以名优产品为龙头，形成主剂生产厂与灌装厂专业化协作。重点

7、扶持名优产品，发展适销对路产品，打造我国饮料的民族品牌，积极开拓国际市场。,三、软饮料工艺学的主要研究内容 软饮料工艺学是食品工艺学的一个分支，是一门应用学科。是根据技术上先进、经济上合理的原则，研究软饮料生产中的原材料、半成品和成品的加工过程和工艺方法的一门学科。 软饮料工艺学不是一门简单的技艺学问，它需要生物学、化学、物理学、数学、食品微生物学、食品工程原理、食品机械与设备等诸多学科相关知识的融会贯通和灵活应用。要求学生素质和能力的综合体现。,推荐参考书目 1、邵长富、赵晋府主编软饮料工艺学，轻工出版社 2、吴永娴、蒋和体编著软饮料工艺学，成都科大出版社 3、田呈瑞、张富新主编软饮料工艺学

8、，陕西科技出版社 4、阎进福编，饮料学，经济日报出版社 5、杨桂馥 、罗 瑜编著现代饮料生产技术，天津科技出版社,第一章 软饮料用水及水处理 【教学目标】 1.了解水质对软饮料品质的影响 2.熟悉软饮料用水对水质的基本要求 3.掌握水处理的基本原理和常用方法,第一节 软饮料用水的水质要求 一、水源的分类及特点 （一）地表水 是指地球表层表面所存积的天然水，包括江、河、湖、池、库等所存在的水。其特点为： 1、矿物质含量少； 2、硬度低，一般为1.0-8.0mmol/L； 3、常含泥沙、水草、腐植质、钙镁盐、微生物等杂质。,（二）地下水 经过地层的渗透、过滤，进入地层并存积在地层中的天然水。其特点

9、为： 1、矿物质含量多，含盐量高，一般达100-500mg/L； 2、硬度大，一般为2-10mmol/L，甚至达10-25mmol/L ； 3、泥沙、腐植质、钙镁盐、微生物等杂质含量少，水质较澄清。 （三）自来水 已经过水处理，达到饮用水标准，饮料厂水处理较简单，但水价较高，小型工厂多采用。,二、水中的杂质及对饮料生产的影响 （一）天然水中杂质的特征 天然水中的杂质按其微粒分散程度可分为三类：悬浮物、胶体和溶解物。 1、悬浮物 是指粒径大于200nm的微粒，其特征为： （1）使水质混浊，静置后自行沉降； （2）主要成分是泥沙等无机物、悬浮生物和微生物； （3）造成饮料沉淀，影响CO2溶解，影响

10、风味，甚至导致产品变质。,2、胶体 粒径大小在1-200nm的微粒，其特征为： （1）具有光束通过被散射而成混浊的丁达尔现象； （2）具胶体稳定性，粒子间带相同电荷互相排斥而不能自行沉降； （3）多数是无机胶体（如硅酸胶体和粘土），由许多离子和分子聚集而成，是造成水混浊的主要原因。少数是有机胶体（如蛋白质、腐殖质等），是造成水带色的主要原因。 3、溶解物 粒径在1nm以下，以分子或离子状态存在于水中的微粒。 （1）溶解性盐类：其在水中的总含量称为“矿化度”或“盐度”。 （2）溶解性气体：可能影响饮料的风味和色泽。,（二）水中杂质对饮料生产的影响 1、水的硬度 是指水中存在的金属离子沉淀肥皂的能

11、力。硬度的大小由水中所含的Ca2+、Mg2+的多少决定。 （1）硬度的分类 分为：总硬度、暂时硬度和永久硬度。 暂时硬度（碳酸盐硬度），主要是水中的Ca（HCO3）2、Mg （HCO3）2和MgCO3等盐类，经加热大部分可变成溶解度很小的碳酸盐或氢氧化物沉淀而除去。 永久硬度（非碳酸盐硬度）是指水中的非碳酸盐如CaCl2、MgCl2、CaSO4、MgSO4造成的硬度。加热煮沸不能沉淀。 总硬度=暂时硬度+永久硬度，计算公式如下： Ca2+ Mg2+ 总硬度=+（mmol/L） 40.08 24.3,（2）硬度的表示方法 德国度（0d）：1L水中含有相当于10mg的CaO，定义为1德国度（10d

12、）。我国的表示方法与德国同。 美国度（mg/L）： 1L水中含有相当于1mg的CaCO3，称为1美国度（mg/L）。 法国度（0f）： 1L水中含有相当于10mg的CaCO3 ，称为1法国度（0f）。 英国度（0e）： 1L水中含有相当于14.28mg的CaCO3 ，称为1英国度（0e）。 通用硬度（mmol/L）： 1L水中含有相当于1 mmol（100.08mg）的CaCO3 ，称为1通用硬度（mmol/L）。 换算关系：1通用硬度=2.804德国度=50.045美国度,2、水的碱度 水的碱度是指水中能与H+结合的物质的总量。主要由NaOH、Ca（OH）2、NH3、碳酸盐、碳酸氢盐、硅酸盐

13、、磷酸盐等构成。在水中以OH-、CO32-、HCO3-、PO43-等离子形式存在，单位以mmol/L表示。其中： OH-的含量称为氢氧化物碱度； CO2-3的含量称为碳酸盐碱度； HCO-3的含量称为碳酸氢盐（重碳酸盐）碱度。水中OH-、CO2-3、HCO-3的总含量称为水的总碱度。水中一般不含OH-； CO2-3的含量也较低，只有在有碳酸钠、碳酸钾存在而使 水呈碱性时，才有CO2-3的存在；此外， OH-和HCO-3不能同时存在，因为二者将结合成碳酸盐和水。所以天然水中一般只有碳酸氢盐（重碳酸盐）碱度。,3、水的硬度与碱度的关系 总硬度=暂时硬度+永久硬度，总碱度通常与暂时硬度相符。 （1）

14、总碱度大于总硬度时，说明水中存在OH-、CO2-3， 属于碱性水； （2）总碱度小于总硬度时，说明水中存在Ca2+、Mg2+的氯化物，基本上不存在OH-、CO2-3，属于非碱性水。如果Ca2+、Mg2+和OH-、CO2-3同时存在，则会发生沉淀。 （3）总碱度等于总硬度时，说明水中只含有Ca2+、Mg2+的碳酸氢盐。,4、水的硬度与碱度对软饮料生产的影响 （1）硬度的影响：钙镁离子与有机酸反应产生沉淀，影响产品感官；非碳酸盐硬度过高时，使饮料出现盐味；在加工容器、管道、锅炉内形成水垢。 （2）碱度的影响：与金属离子反应形成水垢，并产生不良气味；和有机酸反应，改变饮料的糖酸比与风味；影响碳酸饮料

15、的二氧化碳溶解量；使饮料酸度下降，造成微生物感染；生产果汁型碳酸饮料时，与果汁的某些成分发生反应，产生沉淀。,三、软饮料用水的水质要求 水是软饮料生产最主要的原料，占80%-95%，水是质量好坏直接影响产品质量，因此，保证软饮料用水的质量极为重要。软饮料用水除符合GB5749-85 生活饮用水卫生标准（表1-5）外，还应强调如下指标，见表1-6。,第二节 软饮料用水的水处理 如前所述，从表1-1可见软饮料用水要求极为严格，对不符合要求的水，必须进行水处理，以改良品质，达到要求。在进行水处理前，首先要对水质进行全面分析，了解水中杂质的种类、状态，并确定用水量，从而合理选用水处理的工艺、设备。水处

16、理的工艺步骤一般为： 一、混凝沉淀 混凝是指在水中加入某些溶解盐类，使水中的细小悬浮物或胶体微粒互相吸附结合而成较大颗粒，从水中沉淀下来的过程。这些溶解盐类称为混凝剂。 机理：一方面混凝剂溶解于水后，带与悬浮物或胶体微粒等杂质相反的电荷，能中和其电性；另一方面是吸附作用。 （一）混凝剂 铝盐：如明矾、硫酸铝、碱式氯化铝等。 铁盐：如硫酸亚铁、硫酸铁、三氯化铁等。,（二）助凝剂 助凝剂是指为了提高混凝效果，加速沉淀，在混凝沉淀时加入的辅助试剂。它本身不起混凝作用，仅帮助絮凝的形成。 常用的助凝剂有：活性硅胶、海藻酸钠、CMC、粘土、聚丙烯酰胺（PMA）、聚丙烯等以及用来调节pH的石灰、碳酸钠、氢

17、氧化钠等。 （三）混凝条件的确定 在确定混凝条件时，应先作小试，并主要考虑以下因素： （1）原水的状况，包括水温、 pH值及其他理化性质； （2）混凝剂的性质及添加量； （3）助凝剂的性质及添加量； （4）混凝沉淀的设备、装置状况； （5）混凝沉淀的工艺操作。,二、水的过滤 （一）过滤的原理 原水通过多孔介质及由介质组成的具有空隙结构的滤层时，水中的一些悬浮物、胶体等杂质被截留在空隙中或介质表面，使水得到净化，这一过程称为水的过滤。水的过滤是一系列不同过程的综合，包括阻力截留、重力沉降和接触吸附。 1、阻力截留 当原水自上而下通过过滤介质（滤料）时，直径较大的悬浮杂质首先被截留在过滤介质的空隙

18、之间，使过滤介质表层的空隙越来越小，从而截留更多的杂质，并在滤层表面逐渐形成一层由截留颗粒组成的新的滤层，该滤层同样起到过滤作用。阻力截留作用发生在滤料的表层。,2、重力沉降 过滤介质及其所构成的滤层提供了巨大的沉降面积，如1m3粒径为5X10-4m的球形砂粒，可提供400m2的有效沉降面积。重力沉降作用发生在滤料层各滤料颗粒的表面。 3、接触吸附 过滤介质因吸附带电微粒而带新的电荷，从而具有新的吸附作用，而达到除去水中杂质的目的。据报道：砂粒在水中带负电荷，能吸附铁、铝及硅酸盐等带正电荷的的胶体微粒，形成带正电荷的薄膜，进一步吸附粘土及其他有机物等带负电荷的微粒。接触吸附作用发生在整个滤料层

19、，尤以深层为多。,（二）过滤介质 过滤介质是保证过滤作用的重要条件之一，其性能与结构直接影响过滤和净化的质量。对过滤介质的基本要求是： （1）应具有足够的化学稳定性； （2） 应具有足够的机械强度； （3）不溶于水； （4）不产生有毒、有害物质。 常见的过滤介质有：砂粒、石英砂、磁铁矿石、无烟煤、活性炭、玻璃纤维、石棉、纸板等。,（三）过滤的形式 1、池式过滤 是指将过滤介质（滤料）填于池中的过滤形式。其特点是：含污能力大（以kg/m3表示），水处理能力大(以m3/m2.h或m3/h表示)。 滤料层应有足够的空隙率和适宜的级配。所谓空隙率是指滤料的空隙体积与整个滤层体积的比值。通常石英砂为0.

20、42，无烟煤为0.5-0.6。级配是指滤料粒径范围及在此范围内各种粒径的数量比例，常用不均匀系数K表示。,d80 K= d10 式中：d80通过滤料质量80%的筛网孔径； d10通过滤料质量10%的筛网孔径。 K值大，滤料粒径差异大，空隙率小，过滤效果差，且冲洗更新时过大的颗粒冲不动，过小的颗粒则易流失； K值小，说明滤料粒径比较均匀一致，过滤效果较好。一般普通快滤池的K值为2-2.2。,2、砂滤棒过滤 砂滤棒又称砂芯，其过滤原理是利用中空的多孔陶瓷滤芯的作用，除去已经过预处理的水中残留细微杂质和大多数微生物的过程。砂滤芯有棒状和板状两种类型，我国主要用棒状，国外大多用板状。 使用砂滤棒时应注

21、意： （1）应控制适当的压力大小； （2）长时间连续过滤后，应对砂滤棒进行冲洗、消毒； （3）冲洗可用反向水冲，并借助毛刷或钢丝球刷洗干净滤棒表面水垢；消毒通常用10%的漂白粉溶液浸泡30分钟左右，或用75%的酒精浸泡杀菌。 对于以自来水为原水的饮料厂，水处理可不行混凝沉淀，而直接采用砂滤棒过滤器过滤。,3、活性炭过滤 活性炭具多孔性，可吸附异味，除去各种杂质，其“活性位”还能起催化作用，吸附过量的余氯（反应式见P24），因此广泛应用。 活性炭使用一段时间后需要进行清洗再生。生产上常将活性炭过滤器与砂滤棒过滤器串联使用。活性炭具有腐蚀性 ，一般用不锈钢容器盛装。 4、其他过滤装置 （1）钛棒过

22、滤器 （2）化学纤维蜂房式过滤器 （3）大孔离子树脂过滤器,三、硬水的软化 （一）石灰软化法 是饮料工业中常用的硬水软化法，主要有石灰软化法、石灰-纯碱软化法、石灰-纯碱-磷酸三钠软化法等三种方式。 1、石灰软化法 适用范围 适用于碳酸盐硬度较高，非碳酸盐硬度较低的水；不要求高度软化的水；作为离子交换法的前处理。 软化原理 CaO+H2OCa（OH）2 （生石灰熟石灰） a Ca（OH）2+CO2 CaCO3+H2O b Ca（OH）2+Ca（HCO3）2 CaCO3+H2O c Ca（OH）2+Mg（HCO3）2 CaCO3+Mg（OH）2 d Ca（OH）2+MgCO3CaCO3+Mg（O

23、H）2 e Ca（OH）2+NaHCO3 CaCO3+Na2 CO3 + H2O f,反应式a除去了二氧化碳，有利于c、d、e的进行，f是水中碱度大于硬度时才会出现。石灰软化法除除去碳酸盐硬度外，还可除去部分铁和硅的化合物。 石灰添加量 56DX（Hca+ HMg + CO2 +0.175） 公式法：G= KX103 式中：G石灰消耗量（kg/h）；56CaO的摩尔质量； D软化水量（t/h）； Hca原水中的钙硬度（mol/L）； HMg原水中的m镁硬度（mol/L）； CO2原水中游离CO2量 0.175石灰的过剩量；K石灰的纯度。 经验法：每降低一吨水中的暂时硬度10，需加CaO10g，

24、每降低水中CO2浓度1mg/L，需加CaO1.27g。 经石灰软化后，一般可将碳酸盐降至0.2-0.4mmol/L，碱度降至0.4-0.6mmol/L，原水中的铁残留量小于0.1mg/L。,2、石灰纯碱（苏打）软化法 适用范围 用于总硬度大于总碱度的水，对钠盐含量要求不高的水。 软化原理 石灰除去碳酸盐硬度，苏打除去非碳酸盐硬度。反应式见P27。 纯碱（苏打）消耗量 106XD（H永+a） 经验公式：G= E 式中：G纯碱消耗量（g/h）；D软化水量； 106Na2CO3的摩尔质量；a纯碱的过剩量（mol/L）； E纯碱的纯度（%）。,3、石灰-纯碱-磷酸三钠软化法 特点 此法以石灰-纯碱作为

25、基本软化剂，以少量的磷酸三钠作为辅助软化剂，同时通入蒸汽加热，并加入混凝剂。方法较新，效果较好。 原理 用石灰-纯碱除去大部分钙镁离子，残存的钙镁离子则通过与磷酸三钠反应生产磷酸盐沉淀除去，从而使水得到软化。,（二）离子交换法 离子交换法是利用离子交换树脂的离子交换能力，按水处理的需要交换水中的离子，从而使水达到使用要求的方法。 1、离子交换树脂的分类 一般根据离子交换树脂所带的化学功能团的性质进行分类，所带的化学功能团能与水中阳离子交换的叫阳离子交换树脂；能与阴离子交换的叫阴离子交换树脂。由于树脂上化学功能团的酸碱性强弱程度不同，又可把阳离子交换树脂分为强酸性和弱酸性树脂；把阴离子交换树脂分

26、为强碱性和弱碱性树脂。见表1-9。,2、离子交换树脂净化水的工作原理 离子交换树脂是一种由有机分子单体聚合而成的，具有三维网络结构的多孔海绵状高分子化合物。在构成网络的主链上有许多活动的化学功能团，这些功能团由带电荷的固定离子和以离子键与固定离子相结合的反离子所组成。树脂吸水膨胀后，化学功能团上结合的反离子与水中的离子进行交换，从而除去水中需要除去的离子。反应式见 P29。 生产中一般将几组离子交换树脂串联使用，经几组树脂反复处理后，水的硬度和碱度都能得到较好控制。含盐量可降至5-10mg/L以下，硬度接近0，pH值近中性。,3、离子交换树脂的交换性能 （1）交换容量 指一定数量的树脂可交换离

27、子的数量，分为： 全交换容量（E全）树脂交换基团所有可交换离子全部被交换时的交换容量。数值上等于交换基团中阴（阳）离子总数，单位为mg/ml（湿树脂）或mg/g（干树脂）。 工作交换容量（E工）树脂在动态工作状态下的交换容量。单位为mg/ml（湿树脂）或mg/g（干树脂）.。,（2）交换性能 离子交换树脂对于水中不同离子的交换能力是不相同的，易于吸附某些离子而难于吸附另一些离子，也就是说具有离子交换的选择性。一般说来，在常温、低浓度下，离子所带的电荷越多，越容易被吸附交换，如三价离子比二价离子易被吸附；同价离子原子量越大，则越容易被吸附；但在高浓度下，树脂的选择吸附性消失。 4、离子交换树脂的

28、再生 阳离子树脂多用盐酸浸泡清洗再生，也可用5%以下的硫酸溶液再生。阴离子树脂则多用氢氧化钠再生，对于高交换量、易再生的弱碱性阴离子树脂也可用纯碱、氨水进行再生。,（三）反渗透法 反渗透法是60年代发展起来的一项新型膜分离技术，对于原水中的有机物、金属氧化物、微生物及胶体物质具有较强的去除能力。 1、反渗透的基本原理 1.1 基本原理 半透膜是只能让溶液中的溶剂单独通过而不让溶质通过的选择透性膜。当用半透膜隔开两种不同浓度的溶液时，稀溶液中的溶剂就会透过半透膜进入浓溶液一侧，这种现象叫渗透。由于渗透作用，溶液的两侧在平衡后会形成液面的高度差，有这种高度差所产生的压力叫渗透压。如果在浓溶液一侧施

29、加一个大于渗透压的压力时，溶剂就会由浓溶液一侧通过半透膜进入稀溶液中，这种现象称为反渗透。P34图1-1。,反渗透作用的结果，使浓溶液变得更浓，稀溶液变得更稀，最终达到脱盐的目的。 反渗透主要是利用溶剂或溶质对膜的选择性原理，在反渗透过程中虽然与膜的微孔孔径大小有一定关系，但主要取决于膜的选择性。当膜表面孔的直径小于溶剂分子或溶质分子直径时，溶质依然可以分离，这说明筛分过滤原理对反渗透是不适用的。 反渗透膜的选择透过性与组分在膜中的溶解、吸附和扩散有关，除与膜孔的大小、结构有关外，还与膜的化学、物理性质有密切关系，即与组分和膜之间的相互作用密切相关。由此可见，反渗透分离过程中化学因素（膜及其表

30、面特性）起主导作用。,1.2 反渗透膜的分离（脱盐）机理 自20世纪50年代末以来，许多学者先后对不对称反渗透膜和离子性渗透膜提出了多种透过机理和模型，不同程度地解释了膜的透过现象，主要有以下几种。 氢键理论及扩散模型 氢键理论最早是由Reid等人提出，该理论认为在醋酸纤维膜中，在压力的作用下，溶液的水分子和醋酸纤维素的活化点羰基上的氧原子形成氢键，原来水分子间的氢键断开，解离出来的水分子转移到下一个活化点并形成新的氢键，通过这样一连串的氢键形成与断开，使水分子离开膜表面的致密活性层而进入膜的多孔层，导致毛细管水过量，这些过多的水分子便自由地流出膜外。,氢键理论指出，用作反渗透的膜材料必须是亲

31、水性的并能与水形成氢键，水在膜中的迁移主要是依靠扩散作用。 氢键理论的不足之处在于将水和溶质在膜中的迁移仅归结于氢键的作用，而忽略了溶质溶剂膜材料之间的各种相互作用。另外，溶质在孔壁与孔中心部位的流动情况有很大的差别，不同的流动类型会造成不同的分离特性。, 优先吸附毛细孔流动理论 Sourirajan提出了优先吸附毛细孔流动理论。以氯化钠水溶液为例，当溶液与高分子多孔膜接触时，膜的界面性质使膜的表面能选择性的优先吸附水而排斥氯化钠，于是在膜与界面附近的溶液浓度急剧下降，界面上形成一层被膜吸附的纯水层。在外界压力作用下，优先吸附的水通过膜，溶质则滞留下来从而达到脱盐的目的。图19为优先吸附-毛细

32、孔流动理论模型（表面力-孔流动模型）示意图。 显然这种现象与界面的物理化学作用有关。优先吸附毛细孔流动理论给出了选择和制备反渗透膜的依据，即膜材料对水要优先选择性地吸附，对溶质要有选择性地排斥。, 溶解扩散理论 Lonsdale和 Riley等用扩散理论解释了反渗透现象。该理论假定膜是无缺陷的“完整膜”，溶剂与溶质透过膜的机理是由于溶剂与溶质在膜中溶解，再在化学位差的推动下，从膜的一侧向另一侧扩散，这种扩散服从菲克（Fick）定理，即物质的透过率取决于扩散系数及其在膜中的溶解度。溶质的扩散系数一般都较水分子的扩散系数小得多，因此，在外压下水分子在膜中的扩散速度比溶质的扩散速度快得多，故水分子的

33、透过率也大得多。 此理论是将膜定义在完整膜（实质是指均质膜）的基础上，它忽略了膜结构对膜性能的影响。另外，用溶质扩散理论还不能解释有些膜材料对水具有高吸附性和低渗透性，而另一些膜材料对水具有低吸附性，对盐具有高渗透性的现象。, 扩散细孔流理论 Sherwood等提出了扩散细孔流理论。该理论认为膜的表面存在细孔，水能透过细孔，溶质也能通过溶解扩散透过细孔。膜的透过特性取决于细孔流及水、溶质在溶胀膜表面中的扩散系数。通过细孔的溶液量与整个膜的透水量之比愈小，同时水在膜中的扩散系数与溶质在膜中的扩散系数之比愈大，则膜的选择性就愈好。 该理论对透过现象的解释介于溶解扩散理论与优先吸附毛细孔流动理论之间

34、。, 自由体积理论 Yasauda等提出了膜的自由体积理论。膜的自由体积包括聚合物的自由体积和水的自由体积两部分。 聚合物的自由体积是指在无水溶胀的无规则高分子线团堆筑而成的膜中，未被高分子占据的空间；水的自由体积是指在水溶胀的膜中纯水所占的空间。 水可以在膜的自由体积中迁移，而盐只能在水的自由体积中迁移，从而使膜具有选择性。 膜的自由体积并不是膜结构中固定的孔洞 而是水溶胀性膜中由于高分子运动起伏波动而产生的孔隙和孔道，它们的尺寸、形状可以连续变化，水在这些空隙和孔道中迁移。不过有些研究却表明：膜的含水率与膜的透过特性无良好的相关性。,2、反渗透膜的性能 反渗透膜对水中各种杂质的去除能力见表

35、1-10，各种膜的透水量和脱盐性能见表1-11。 表1-10 反渗透膜对杂质的去除能力,表1-11 各种膜的透水量与脱盐能力,3. 反渗透器的特点及对水质的要求,为了使反渗透器顺利工作，提高水处理效果，对进入反渗透器的水质有一定的要求，见表1-13。 表1-13 反渗透器进口水的水质要求,4、反渗透器的污染及处理 反渗透器经使用一段时间后，由于膜的污染和膜的老化将导致脱盐效果变差，压力损失增大，产水量降低，这时需及时清洗。清洗主要有物理和化学两种方法。 （1）物理清洗法 最简单的方法是用低压高速水冲洗膜面30分钟，此法可使膜的透性得到一定改善，但经短期运转后会再次降低。采用空气与水的混合流体冲

36、洗膜面20分钟，对初期受到有机物污染的膜效果较好。但对严重污染的膜效果较差。,（2）化学清洗法 根据污染物质的不同，选择不同的化学试剂。 对于无机物（特别是金属氢氧化物）污染，可用1%-2%的柠檬酸水溶液冲洗，或在柠檬酸液中加入适量氨水，再加盐酸调整pH至2-2.5后冲洗，或在190L去离子水中加入277g柠檬酸铵，用盐酸调整pH至2.5-4，将此溶液在膜系统内循环清洗6小时。若将上述溶液加热至35-400C，冲洗效果更佳。为防止低pH时醋酸纤维膜的水解，可将溶液pH控制4-4.5为好。 对于胶体污染，可采用过硼酸钠、尿素、硼酸、或醇、酚等溶液清洗，也可用浓盐酸或浓盐水清洗。 对于有机污染，特

37、别是蛋白质、多糖类、和油脂类，可用中性洗涤剂或双氧水清洗。 对于细菌污染，醋酸纤维膜用次氯酸钠，芳香聚酰胺膜用甲醛清洗。,（四）电渗析法 电渗析也是一种膜分离技术，其设备昂贵，成本较高，对膜要求也较高。当水中含盐量在200-10000mg/L时，可采用此法脱盐。 1、电渗析脱盐的基本原理 电渗析是在外加直流电场的作用下，利用阴离子交换膜（简称阴膜，只允许阴离子透过而阻挡阳离子）和阳离子交换膜（简称阳膜，只允许阳离子透过而阻挡阴离子）的选择透过性，使一部分离子透过交换膜迁移到另一部分水中，而使一部分水淡化，另一部分水浓缩的工艺过程。其工作原理如图1-2所示。,电渗析器通电后，两端的电极表面会发生

38、电化学反应，与普通电极反应相同。以NaCl水溶液为例，反应如下：,在阳极室，由于0H-减少，极水呈酸性，并产生性质非常活泼的初生态氧和氯，这些都会对电极造成强烈的腐蚀。所以一定要考虑电极材料的耐腐蚀性。 在阴极室，由于H+减少，极水呈碱性，当极水中有Ca2+、Mg2+和HC03-等离子时，则与0H-生成CaC03和Mg（0H）2等水垢，结集在阴极上，同时阴极室还有氢气排出。,2、电渗析器的结构 (1) 电渗析器的结构 电渗析器主要由膜堆、极区及夹紧装置三个部分组成。参见图1-3。,膜堆：位于电渗析器的中间，由浓、淡水隔板和阴、阳离子交换膜交替排列构成浓水室和淡水室组成。 2) 极区: 阴、阳极

39、区分别位于膜堆两侧，包括电极和极水隔板，电极与直流电源相连，为电渗析器供电。极水隔板比浓、淡水隔板厚，内通极水，供传导电流和排除废气、废液之用。 电极的形式有板状、网状及金属细棒状多种。电极材料应耐腐蚀、导电性能好、超电位低、机械强度高、价格便宜且易得。常用的有二氧化钌电极、石墨电极、不锈钢电极等。 3)其他部件： 根据需要，在电极室和膜堆之间可设保护室隔板和隔膜。另外，膜堆两侧还应具备导水板，多采用电极框兼作。,3、电渗析器对原水的水质要求 混浊度1mg/L；化学耗氧量3mg/L；游离余氯0.3mg/L；铁含量0.3mg/L，锰含量0.1mg/L；非电解杂质含量少；水温4-400C范围内。

40、4、电渗析器使用的注意事项 新膜使用前要在纯水和1%的NaOH溶液中各浸泡24h，再用清水洗净；使用前应冲洗管道、阀门，检查和调整电流、电压，启动时先通水后通电，停机时先断电后关水；为防止水垢，可适时倒转电极，或加酸调整浓水pH至4-6；有机污染主要发生在阴膜上，可用碱水或酸液进行清洗；如设备短时停用，应注满水，防膜干缩，如长期不用，应拆膜清洗晾干保存。,四、水的消毒 软饮料用水经混凝、过滤、软化等处理后，大部分微生物已随悬浮物、胶体、溶解物等杂质被除去，但仍有部分微生物存在于水中，为了确保卫生，还应对水进行杀菌消毒。目前国内外常用的水消毒方法主要有： （一）氯消毒 1、原理 氯溶解在水中会分

41、解成次氯酸（HOCL）。次氯酸是弱酸，可分解成H+和次氯酸根（OCL-），此反应可逆。,一般认为氯气的杀菌作用在于生成的次氯酸，次氯酸是中性分子，可以扩散到带负电荷的细菌表面，穿过细胞膜而进入细菌体内，由于氯原子的氧化作用，而破坏细菌的某些酶系统，导致细菌的死亡。 虽然次氯酸根（OCL-）也带氯原子，但由于它带负电荷，不能扩散到细菌表面，也就不能进入细菌体内，因而杀菌作用远远比不上次氯酸。 氯气在水中解离生成次氯酸的反应受pH的影响较大，以在pH7以下时杀菌作用较强。,2、加氯方法和加氯量 （1）加氯方法：当原水水质差，有机污染多时，在原水过滤前加，耗氯量较大；一般情况下在原水过滤后加，效果好

42、且耗氯量小。 （2）加氯量：要考虑作用氯和余氯两方面。作用氯用于当时杀菌，余氯用于持续杀菌。我国饮用水质标准规定管网末端自由余氯量保持在0.1-0.3mg/L之间。一般总投氯量为0.5-2.03mg/L。,3、常用的氯消毒剂 有效氯凡能与氧原子直接结合的氯。 除氯气外，常用氯消毒剂还有： （1）漂白粉 是氯气与石灰水作用制得的混合物，市售漂白粉有效氯含量为28%-35%。 （2）漂粉（白）精 制造方法与漂白粉基本相同，有效氯含量为60%-75%。 （3）氯胺 是氨分子中的氢原子被氯原子取代后的产物，生产中按比例加入氯剂和氨生产。 （4）次氯酸钠 杀菌能力较强，但制造成本较高。,（二）紫外线消毒

43、 1、原理 紫外线是一种波长在1360-3900的不可见光线。其中波长小于2000 的称为真空紫外线，它很容易被空气吸收，实用价值不大；而波长在2500-2600 的紫外线杀菌效率最高。 紫外线的杀菌原理在于：微生物受紫外线照射后，其核酸的结构遭到破坏，影响嘌呤与嘧啶的正常配对，破坏核酸的正常生理功能，从而导致微生物死亡。由于紫外线对水有一定穿透能力，故可用于水的消毒。 2、紫外线杀菌装置 目前多采用可发射波长为2537 紫外线的低压汞灯和对紫外线透过率90%以上、污染系数小、耐高温的石英管及外筒、电源系统等组成的装置。,3、紫外线杀菌器对原水的要求及使用注意事项 要求原水色度15度，浊度 5

44、度，总铁0.3mg/L，细菌总数900个/mL。使用时一是要严格控制水的流量；二是要保持紫外灯管周围的温度在25-350C；三是应尽量减少灯的启闭次数，每开关一次会缩短3h寿命，并保持电压稳定，波动范围不得超过额定电压的5%。 （三）臭氧消毒 臭氧（O3）分解成O2和O， O具有很强的氧化能力，其杀菌作用比氯快15-30倍，还可除去异味、色泽和金属污染。已在矿泉水、纯净水中应用。,复习思考题 1. 简述水在软饮料生产中的重要性。 2. 简述软饮料用水对水质的一般要求。 3. 什么是水的硬度、碱度，说明水的硬度、碱度对饮料生产的影响。 4硬水软化的常用方法有那些？分别说明石灰软化法、离子交换法、

45、反渗透法、电渗析法的软化原理、适用范围和注意事项。 5饮料生产上水消毒的方法有那些？分别说明其杀菌原理。 6以某饮料企业为例，分析水源及其中的杂质类型，设计出水处理方案。,第二章 软饮料常用的辅料 参见教材P48-79，自学。深入学习可参考食品添加剂方面书籍。 本章参考书目： 1、地矿部水文地质研究所编著，水的分析，地质出版社，1990 2、中国食品添加剂协会编著，食品添加剂手册，轻工出版社，1996 3、天津轻院主编，食品添加剂，轻工出版社，1993,第三章 碳酸饮料 碳酸饮料是指含有二氧化碳的软饮料。俗称汽水。因含二氧化碳，能使饮料风味突出，口感刺激，给人以清凉舒爽的感觉，是消热解暑的良好

46、饮品。 碳酸饮料是从含气矿泉水得到启发而生产的，1820年德国人史特鲁夫在世界上首次人工合成含气矿泉水，1853年后外商建立小型汽水厂，但发展缓慢，改革开放以前，全国年产量仅几十万吨，现已达700万吨左右。 第一节 碳酸饮料的分类及产品技术要求 一、碳酸饮料的分类（GB10789-1996） 1、果汁型碳酸饮料 是指果汁含量在2.5%以上的碳酸饮料。如各种果汁汽水。具有果实特有的色香味，不仅可消暑解渴，而且还有一定营养，属大力发展的高档汽水。,2、 果味型碳酸饮料 是指以食用香精为主要赋香剂或原果汁含量低于2.5%的碳酸饮料。如桔子汽水、柠檬汽水等。主要起清凉解暑作用，营养价值较低，目前产量较

47、大。 3、可乐型碳酸饮料 指含有焦糖色素、可乐香精、水果香精或类似有可乐果、古柯叶、白柠檬等辛香果香混合香气的碳酸饮料。无色可乐（如雪碧）可不含焦糖色素。 4、低热量型碳酸饮料 以甜味剂全部或部分代替糖类的各型碳酸饮料和苏打水，其热量不高于75KJ/100mL。 5、其他碳酸饮料 除上述四类以外的碳酸饮料，如、姜汁汽水、运动员汽水（能量较高、含气较低）、沙示汽水等。 二、产品技术要求 按GB10792-1995执行。,第二节 碳酸饮料的生产工艺流程 一、二次灌装法（现调式） 酸味剂、色素、防腐剂、香精等添加剂分别溶解过滤 砂糖溶解过滤杀菌糖浆调配 杀菌 浓度调整 冷却 容器清洗消毒检验灌糖浆（

48、第一次灌装） 原水 水处理冷却 气水混合灌碳酸水（第二次灌装） 二氧化碳净化减压 瓶盖清洗消毒封口（压盖） 混匀检验成品,二、一次灌装法（预调式） 原水 水处理冷却脱气 砂糖溶解过滤杀菌糖浆调配杀菌、冷却定量混合 酸味剂、色素、防腐剂、香精等溶解过滤 二氧化碳净化减压冷却碳酸化 容器清洗消毒检验灌装 瓶盖清洗消毒封口（压盖） 检验 成品,第三节 糖浆的制备,糖浆制备的一般工艺流程为： 砂糖称重溶解净化过滤杀菌冷却脱气浓度调整配料精滤（均质） 杀菌冷却贮存成品糖浆 一、糖溶液（原糖浆）的制备 制备糖溶液首先需要将砂糖溶解，其溶解方法有间歇式和连续式两种；间歇式又分热溶和冷溶两种；热溶又分蒸汽溶解

49、和热水溶解两种。,1、间歇式 （1）冷溶：在室温下把砂糖加到水中搅拌溶解。此法不行加热，成本低，但耗时长，对砂糖质量要求高，易遭受微生物污染。 （2）热溶： 蒸汽加热溶解：将水和砂糖按比例加到溶糖罐内，通入蒸汽加热，在高温下搅拌溶解。优点是溶糖速度快，可杀菌，缺点是直接通入蒸汽会带入部分冷凝水，影响糖液浓度，夹层锅加热则锅壁温度较高，搅拌不匀容易粘结或焦化。 热水溶解：用50-550C的热水搅拌溶解，过滤后用900C的温度杀菌，再行精滤，冷却到常温即可。国内厂家普遍采用。 2、连续式 溶糖全过程连续化、自动化，国外大多采用。效率高，糖液质量好，但设备投资大。,3、溶糖设备与糖液的净化 溶糖设备

50、多采用夹层锅、冷热缸、或带有加热盘管的容器。 食糖溶解成糖液后，必须进行净化处理，主要方法有： （1）以过滤为主要手段 对于高质量的优质白砂糖或饮料专用糖，可采用普通的过滤形式净化。筛网、滤布、纸浆、棉饼等均可作过滤介质，可根据具体情况采用冷滤或热滤，常压过滤或加压过滤。 （2）以吸附为另一手段 如果白砂糖质量较差，或生产无色透明的饮料，对糖液色度要求很高，则要用活性炭吸附脱色、硅藻土助滤的办法。生产上多采用活性炭过滤器和硅藻土过滤机，也可使用糖浆过滤器。,二、糖浆（调和糖浆）的调配,根据不同碳酸饮料的要求，在糖液中加入香精、色素、防腐剂、果汁及定量的水等，混合均匀，此过程称为糖浆的调配。 1

51、、物料处理 为了使配方中物料混合均匀，所有物料应预先配成一定浓度的溶液，并经过过滤，才能进行混合配料。 （1）甜味剂：生产中往往使用两种或两种以上的甜味剂，这样风味更好。值得注意的是，用其他甜味剂代替白砂糖时，饮料的固形物和粘度会下降，口感也会稀薄，必须加入增稠剂。国内多用0.05%-0.15%的CMC，国外多用黄原胶。 （2）酸味剂：一般先配成50%的溶液，不同的碳酸饮料用不同的酸味剂。,（3）色素：使用色素时应注意 色泽应与名称相符，并尽量接近天然色泽； 使用范围和使用量应符合GB2760-1996之规定； 色素应用煮沸冷却水或蒸馏水先配成5%的水溶液； 溶解色素应采用不锈钢或塑料容器；

52、色素大多耐光性较差，应避光保存； 色素溶液应随配随用，并要过滤。 （4）防腐剂：碳酸饮料因含过饱和二氧化碳，具有一定的压力和酸度，故不利于微生物的生长繁殖，一般防腐剂的用量较少，使用量按GB2760-1996执行，并预先配成20%-30%的水溶液。,2、糖浆调配的投料顺序 投料顺序应遵循以下原则：,用量大的先调入，如糖液、水； 相互间易发生化学反应的隔开调入，如酸味剂与防腐剂； 粘度大、易起泡的配料较迟调入，如乳浊剂、稳定剂； 挥发性的配料最后调入。 一般顺序如下： 糖液防腐剂甜味剂酸味剂果汁 乳化剂色 素香精加水定容 3、调和设备 调和设备一般采用带搅拌器和容量刻度标尺的不锈钢配料罐。,4、

53、调和工艺,（1）间歇式：国内多采用此法，又分冷调和热调两种。 热调糖浆-用热溶糖的糖液直接调配，然后冷却。优点是只经一次加热就完成了溶糖、调和、与杀菌的全部操作，可节省能源。缺点是破坏风味物质和营养成分，一般只用于果味型的调配，并要选用耐热香精。 冷调糖浆-在常温下进行调配，然后巴氏杀菌、冷却。多用于含热敏性香料多的果汁型饮料的糖浆配制。 （2）连续式：此法配制糖浆，精度可达0.05Bx，可大量降低原辅料的损耗，且全封闭、全自动操作，卫生状况好，但设备一次性投资大，国内仅部分大型企业采用。,第四节 碳酸化,将二氧化碳与水混合的过程称为碳酸化。是碳酸饮料生产中的重要工艺步骤。二氧化碳在此过程起着

54、非常重要的作用。 一、二氧化碳在碳酸饮料中的主要作用 1、带出人体内的热量，清凉解暑； 2、抑制微生物生长，延长货架期； 3、突出香味，增强风味口感； 4、具有特殊的刹口感，增加对口腔的刺激。 我国大多数饮料厂一般采用钢瓶装液态二氧化碳，其质量标准应符合GB1791-1994,二、二氧化碳的来源与净化 1.二氧化碳的来源 酿造工业的副产品：在酿酒时，常将微生物的发酵作用所产生的二氧化碳气进行回收、净化，制得液化碳酸气，用于制造碳酸饮料。 煅烧石灰的副产品：利用碳酸钙在高温下煅烧生成氧化钙，同时排出二氧化碳，将所排出的二氧化碳进行回收、净化、利用。 天然二氧化碳气：如天然气气井中喷出的气体，其纯

55、度可达到99.5%，气体经过脱硫净化后，装入钢瓶出售。 化工厂的废二氧化碳气：将焦碳或石油燃烧产生二氧化碳，再将二氧化碳采用碳酸钠或乙醇胺及其它吸收剂吸收，分离制得纯净的二氧化碳。 中和法生产二氧化碳气：用硫酸与小苏打反应，收集其产物二氧化碳。,2、 二氧化碳的净化 市场上供应的二氧化碳气，一般是在酒厂酿酒时收集的气体或者是在煅烧石灰时收集的气体，这两种气体均含有杂质，应当加以净化，否则会使饮料出现异味。通常在饮料加工前用1%3%的高锰酸钾溶液进行氧化水洗，然后将二氧化碳气通过活性炭过滤器过滤。 来源于由中和法生产的二氧化碳气，可先通过5%10%的碳酸钠溶液，以中和气体带来的酸雾，再通过5%1

56、0%的硫酸亚铁溶液，最后通过1%3%的高锰酸钾溶液，去掉还原性杂质。 来源于化工厂的废二氧化碳气，大多是收集了生产合成氨、尿素的过程中所产生的废气。这种二氧化碳气通常带有显著的硫化氢味和各种异味。必须经过碱洗、水洗、干燥和用活性炭脱臭处理。 净化后的二氧化碳气若需液化，则需要将净化后的气体首先经过分子筛干燥，再加压、冷却液化。,3、二氧化碳的质量标准 液体二氧化碳质量应符合国家标准GB1791一94。其主要要求为: 二氧化碳含量: 99.0%； 气味:无异常臭味和杂味； 酸度:水溶液呈微酸性； 油：符合规定。,4、使用中应注意的问题 防止因减压而造成的影响 液态二氧化碳减压气化时会吸热，使得周

57、围温度下降，会造成减压阀冻结、堵塞，因此在减压阀前要加装气体加热器。 必须注意二氧化碳对人体的影响 二氧化碳本身无毒，但空气中二氧化碳过量时会造成缺氧，对人体有害,如二氧化碳在空气中的浓度达34时，引起头痛，甚至贫血；15时，会造成致命性假死；30即为致死量。 二氧化碳对饮料风味的影响 二氧化碳的溶解量对饮料质量有一定的影响，尤其是对于风味复杂多样的饮料，二氧化碳含量对其甜酸呈味影响很大，甚至可完全改变风味、口感。例如橙类饮料，含有易挥发的萜类物质，二氧化碳量过大时，会破坏香味而让人感觉出苦味；二氧化碳量过少时，又会失去碳酸饮料的特色，难以给消费者轻微的刺激，满足不了消费者的心理需求。,三、碳酸化原理 水和二氧化碳的混合过程实际上是一个化学反应过程。即： 压力 CO2+ H2O H2 CO3 此过程服从亨利定律和道尔顿定律： 亨利定律：气体溶解在液体中时，在一定温度下，一定量液体中的气体溶解量与平衡时的气体压力成正比。 V=Hp V溶解气体量；p平衡时的压力； H-与溶质、溶剂、温度有关的常数,道尔顿定律：混合气体的总压