碳酸化对软饮料质量与口味的影响

2023-12-05 百科知识版权反馈

【摘要】：碳酸化的程度会直接影响碳酸饮料的质量和口味，是碳酸饮料生产的重要工艺之一。表4.20.1MPa不同温度下二氧化碳的溶解度4.5.1.3影响碳酸化作用的因素影响二氧化碳溶解度的因素主要有以下几个方面。

4.5　碳酸化

碳酸化是在一定的压力和温度下，在一定时间内，水吸收二氧化碳形成碳酸的过程，也称为二氧化碳饱和作用或碳酸化作用(carbonation)。碳酸化的程度会直接影响碳酸饮料的质量和口味，是碳酸饮料生产的重要工艺之一。

4.5.1　碳酸化原理与影响因素

4.5.1.1　碳酸化原理

水吸收二氧化碳的过程实际上是一个化学反应过程。

该反应服从亨利定律和道尔顿定律。

(1)亨利定律　气体溶解在液体中时，在一定的温度条件下，一定量液体中溶解气体量与液体保持平衡时的气体压力成正比，即:

V=H×p

式中V——溶解气体的量;

　　H——亨利常数，与溶质、溶剂及温度有关;

　　P——平衡压力。

(2)道尔顿定律混合气体的总压力等于各组成气体的分压力之和，即:

P=p₁+p₂+……+p_i

式中p_i——各组分气体在温度不变时，单独占据混合气体所占的全部体积时对器壁施加的压力。

4.5.1.2　二氧化碳在水中的溶解度

在一定温度和压力下，二氧化碳在水中的最大溶解量即为二氧化碳在水中的溶解度。这时气体从液面逸出的速度和气体进入液体的速度达到平衡，即为达到饱和，该溶液称为饱和溶液。未达到最大溶解量的溶液叫不饱和溶液。

关于气体溶解度的表示方法，我国一般用溶于液体中的气体容积来表示，对于二氧化碳来说，在0.1MPa、15.56℃时，1体积水可以溶解1体积的二氧化碳，也就是说0.1MPa、15.56℃时，二氧化碳的溶解度近似为1。欧洲则用每升溶液中所溶解的二氧化碳的质量(g/L)作为溶解度的单位。在0.1MPa不同温度下，二氧化碳的溶解度见表4.2。

表4.2　0.1MPa不同温度下二氧化碳的溶解度

4.5.1.3　影响碳酸化作用的因素

影响二氧化碳溶解度的因素主要有以下几个方面。

(1)二氧化碳的分压　当温度不变时，混合气体中二氧化碳的分压增高，二氧化碳在水中的溶解度就会增大。在0.5MPa以下的压力时，二氧化碳的分压与其在水中的溶解度成线性正比关系。

(2)液体的温度　压力较低时，在压力不变的情况下，水温降低，二氧化碳在水中的溶解度会增加，反之，温度升高，溶解度减少。温度影响的常数称为亨利常数，以H表示。从表4.3中可以看出，H随温度变化而变化。这仅指的是压力较低时，压力较高时会有偏离，因为H还是压力的函数。

表4.3　二氧化碳的亨利常数

(3)气体和液体的接触面积与时间　溶解不是瞬间完成的，需要一定的时间，但时间太长将会影响设备的生产能力。一般采用增大接触面积的方法，如将溶液喷雾成液滴状或薄膜状。(www.chuimin.cn)

(4)气液体系中的空气含量(水中空气含量)　根据道尔顿定律和亨利定律，各种气体的溶解量不仅决定于各气体在液体中的溶解度，而且决定于该气体在混合气体中的分压。在0.1MPa、20℃时，1体积空气溶解于水中可以排走50倍体积的二氧化碳。因而要尽量排除气液体系中的空气。常用有如下两种方法。

1)真空脱氧　迫使液体形成雾滴或液膜，并造成负压，借助于液体内部压力大于外部压力的压差，使溶解于液体中的空气逸出。

2)二氧化碳脱氧　利用水中二氧化碳的溶解度大于空气的特点，将水或未碳酸化的饮料进行预碳酸化。该法要求二氧化碳气体的纯度极高，较少采用。

(5)液体的种类及存在于液体中的溶质　不同种类的液体以及液体中存在的不同溶质对二氧化碳溶解度影响很大。在标准状态下，二氧化碳在水中的溶解度是1.713，二氧化碳在酒精中的溶解度则为4.329。另外，当液体中溶解有胶体、盐类等类似的溶质时，有利于二氧化碳的溶解，而当液体中含有悬浮类杂质时，不利于二氧化碳的溶解。

4.5.2　二氧化碳的需求量

(1)理论需要量的计算根据气体常数1mol气体在0.1MPa、0℃时为22.41L，因此1mol二氧化碳在T℃时的体积为:

V=(273+T)/273×22.41

则有:　　　G_理=V_汽×N/V_mol×44.01

式中　G_理——二氧化碳理论需要量;

　　　V_汽——汽水容量，L(忽略了汽水中其他成分对二氧化碳溶解度的影响以及瓶颈空隙部分的影响);

　　　N——气体吸收率即汽水含二氧化碳的体积倍数;

　　　44.01——二氧化碳的摩尔质量，g;

　　　V_mol——T℃下1mol二氧化碳的容积(0.1MPa、15.56℃时为23.69L)。

(2)利用率　生产过程中二氧化碳的损耗很大，因而二氧化碳的实际消耗量在碳酸饮料生产中比理论需要量要大得多。一般来说，装瓶过程二氧化碳的损耗约为40%～60%。采用一次灌装时二氧化碳的实际用量为瓶内含气量的2.2～2.5倍;采用二次灌装时为2.5～3.0倍。常见提高二氧化碳的利用率方法包括以下几种:选用性能优良的灌装设备;在不影响操作和检修的前提下，尽量缩短灌装与封口之间的距离;经常对设备进行检修，提高设备完好率，减少灌装封口时的破损率(包括成品的);尽可能提高单位时间内的灌装、封口速度、减少灌装后在空气中的暴露时间，减少二氧化碳的逸散;使用密封性能良好的瓶盖，减少漏气现象等。

4.5.3　碳酸化的方式

碳酸化过程在汽水混合机或碳酸化罐中进行(参看本章4.2.3部分)。碳酸化是在一定的气体压力和液体温度下，在一定的时间内进行的。一般要求尽量扩大气液两相的接触面积，降低液体的温度和提高二氧化碳的压力。因为单靠提高二氧化碳的压力受到设备承压能力的限制，单靠降低水温碳酸化的效率低且能耗大，所以大都采用冷却降温和加压相结合的方法。首先对水或混合液进行冷却，冷却可采用直接冷却和间接冷却等不同方式，冷却到达终点后进行碳酸化。

(1)低温冷却吸收式　在二次灌装工艺中，低温冷却吸收式是把进入汽水混合机的水先预冷至4℃左右，在0.441MPa下进行碳酸化;在一次灌装中则把已经脱气的糖浆和水的混合液冷却至16～18℃，在0.784MPa下进行碳酸化。低温冷却吸收式的缺点是冷量消耗大，冷却时间长，生产成本高，还容易由于水冷却的程度不够而造成含气量不足。其优点是设备造价低，冷却后液体的温度低，可抑制微生物生产繁殖。

(2)压力混合式　压力混合式采用较高的操作压力来进行碳酸化，其优点是碳酸化效果好，节省能源，降低了成本，提高了产量。其缺点是设备造价高。

4.5.4　碳酸化过程中的注意事项

为了保证有效和一致的碳酸化水平，在碳酸饮料的实际生产中要注意以下一些关键问题。

1)保持合理的碳酸化水平　合理的碳酸化水平对于碳酸饮料的味道影响很大，因为碳酸化水平过高，容易使饮料自身的甜酸味减弱，碳酸化水平过低则会失去碳酸饮料应有的剎口感。对于风味复杂的碳酸饮料，如含挥发性成分低的柑橘型碳酸饮料，碳酸化的程度过高反而会冲淡饮料应有的独特风味。对于所用香精含易挥发的萜类物质的碳酸饮料，碳酸化水平过高则会破坏原有的果香味而变苦。一般果汁型汽水含2～3倍容积的二氧化碳，可乐型汽水和勾兑苏打水含3～4倍容积的二氧化碳。

2)保持灌装机一定的过压程度　混合机和灌装机的连接一般采用直接连接法，当饱和溶液从混合机流向灌装机时压力降低，温度可能升高，饱和溶液会立即变成过饱和溶液，从而导致其中的二氧化碳迅速涌出。因此灌装机需要保持一个高于在灌装机内饱和溶液所需要的压力(即过压力，又称额外压力)，这样在灌装完毕泄压时，首先由瓶中排出的是过压力，同时由于惯性作用，液体中二氧化碳气体的分子扩散方向不可能迅速转变为相反的方向，因此，溶液中溶解的二氧化碳气体不会迅速从液体中分离而产生反喷。

一个最佳的过压程度需要由经验决定，一般为98kPa。为了得到所需的过压，目前生产中通常使混合机的压力高于灌装机19.6kPa(通常是将混合机安装在高位，也有使用过压泵，或称去沫泵)，灌装机的压力又比最终产品含气量的压力高出98kPa。

3)将空气混入控制在最低限度　前已述及，在0.1MPa、20℃时，1体积空气溶解于水中可以排走50倍体积的二氧化碳，因而需要将气液体系中的空气混入控制在最低限度内。常用的方法是定期向混合机内灌注液体(水或者消毒剂)，然后用二氧化碳排出，以排除混合机内积存的空气。过夜时，碳酸化罐应经常保持一定的压力，以防止空气进入。

4)保证水或产品中无杂质　杂质的存在能促使气体过度逸出。常见的杂质有空气、二氧化碳中的油或其他杂质、瓶中的碱或小片碎标签、水中的杂质以及糖浆中未被溶解的杂质等。

5)保证恒定的灌装压力　混合机和灌装机的压力波动会产生如下几种影响:①产品最终的碳酸化程度随之波动;②灌装机内过压下降时会引起喷涌，导致碳酸化控制失灵;③灌装机内贮液槽液面升高会淹没反压阀，液面降低则灌装不了成品。因而保持恒定的灌装压力非常重要。

碳酸化对软饮料质量与口味的影响

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