饮料工艺学复习思考题

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GB10789-1996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

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。

1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。

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。

表1-6 饮用水和饮料用水在指标上的差异

指标饮用水饮料用水

浊度（度）<3 <2

色度（度）<15 <5

总固形物（mg/l）<1000 <100

<450 <500

总固形物（以CaCO3计）

（mg/l）

铁（以Fe计）（mg/l）<0.3 <0.1

高锰酸钾消耗量（mg/l）--- <10

总碱度（以CaCO3计）（mg/l）--- <50

游离氯2（mg/l）--- <0.1

致病菌--- 不得检出

注：1.溶解性总固体<1000mg/l

2.在与水接触30min后不低于0.3mg/l,集中式除出水厂应符合上述要求外，管网末梢水不应低于0.05mg/l。

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。

水的硬度：是指水中存在的金属离子沉淀肥皂的能力。硬度的大小由水中所含的Ca2+、Mg2+的多少决定。硬度的分为：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CaC l2、MgC l2、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

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）。我国的表示方法与德国同。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、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；CO3-2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-、CO32-、HCO-3的总含量称为水的总碱度。水中一般不含OH-；CO32-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CO32-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。

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）总碱度大于总硬度时，说明水中存在OH-、CO32-，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-、CO32-，属于非碱性水。如果Ca2+、Mg2+和OH-、CO32-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。

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，

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、反渗透法、电渗析法的软化原理、适用范围和注意事项。

硬水软化的常用方法：石灰软化法、离子交换法、反渗透法、电渗析法。

（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+H2O→Ca（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+MgCO3→CaCO3↓+Mg（OH）2↓ e

Ca（OH）2+NaHCO3→CaCO3↓+Na2CO3 + 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+H Mg+CO2 +0.175）

公式法：G=—————————————

KX103

式中：G——石灰消耗量（kg/h）；56——CaO的摩尔质量；D——软化水量（t/h）；Hca——原水中的钙硬度（mol/L）；

H Mg——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，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；106——Na2CO3的摩尔质量；a——纯碱的过剩量（mol/L）；E——纯碱的纯度（%）。

石灰—纯碱—磷酸三钠软化法

特点：此法以石灰—纯碱作为基本软化剂，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。

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。

离子交换树脂的再生

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。

反渗透的基本原理：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（膜及其表面特性）起主导作用。

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。

①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。

②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。

③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。

④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。

⑤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。

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

离子去除率（%）离子去除率（%）离子（或杂

质）

去除率（%）

Mn2+ Al3+ 95～99

95～99

S042-

C032-

90～99

80～95

N02-

B02-

50～75

30～50