生产线奶茶消泡沫工艺优化研究

周 洋，赵敏锋，文 进

（今麦郎饮品股份有限公司，北京 100000）

0 引言

国内生产奶茶的灌装方式多为无菌灌装［1］。奶茶在无菌灌装的过程中容易产生泡沫，导致出现糖斑，引起食品安全问题。生产过程中，减少泡沫的方法主要包括物理、化学及工艺控制等。物理消泡手段主要以机械消泡为主，比如使用破碎装置、振动与超声波装置、泡沫分离回收塔装置等［2］。物理消泡方法只能在泡沫出现时作为被动的消泡手段［3］，由于消泡效果不佳，且投资大，目前已鲜少使用；化学消泡剂消泡速度快，效果明显，广泛用于饮料工业的生产中［4］；工艺控制手段主要包括改变原料的形态、降低进料速度、降低出料温度等方式，这些因素对泡沫的减少有一定的作用，但也可能对产品的产量与质量产生影响。因此，通常需要工艺控制手段与其他消泡方式联合使用才能达到效果［5］。

奶茶的生产过程中，泡沫主要出现在以下环节：（1）为了充分溶解奶粉，高速搅拌产生大量泡沫，且不易消除；（2）物料高速传送时混入空气，且输送过程中，料液压力变化大，产生大量泡沫；（3）料液迅速冲出灌装阀产生泡沫，溢出瓶口。

本文通过添加不同量的消泡剂，使用真空溶粉机、脱气罐以及调整灌装单元的工艺参数等多方面生产工艺的优化，就奶茶灌装过程容易产生泡沫的问题进行改善，以期为饮料企业生产PET瓶装奶茶的消泡技术提供工艺参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

全脂奶粉，新西兰恒天然有限公司；茶叶，浙江茗皇天然食品开发有限公司；AFE-1520消泡剂（水、聚二甲基硅氧烷、聚氧乙烯山梨醇酐三硬脂酸酯、二氧化硅、甲基纤维素、单/双甘油脂肪酸酯、聚氧乙烯、硬脂酸酯、山梨酸、黄原胶），陶氏化学（上海）有限公司。

1.2 仪器与设备

Aseptic Filler FMa型灌装机（西得乐机械有限公司）；PDS-2000LMSF型真空溶粉机（上海弗鲁克科技发展有限公司）；DTANK型脱气罐（上海宋泰流体控制设备有限公司）；SL01-1型高精度游标卡尺（标康科技有限公司）。

1.3 奶茶生产工艺

奶茶生产工艺如图1所示。

图1 奶茶生产工艺Fig.1 Milk tea production technology

1.4 试验方法

1.4.1 消泡剂添加量的单因素试验

消泡剂的使用需符合国标GB 2760-2014《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》，限定聚二甲基硅氧烷及其乳液在饮料中的最大添加量为0.05 g/kg（即50 g/t），因此设计溶粉区和调配区的消泡剂添加量：5，10，15，20，25，30，35 g/t。

1.4.2 消泡效果的评价方法

泡沫高度测量：成品奶茶灌装后，传出输送带，立即平稳取出，使用游标卡尺测量成品饮料的泡沫高度。高度越低，消泡效果越好。

自然消泡时间：成品奶茶正反摇动10次后，静止观察，记录自然消泡的时间。时间越短，消泡效果越佳。

2 结果与分析

2.1 添加消泡剂的工艺设计

2.1.1 消泡剂的作用机理

泡沫可称为液体中的气体，气体是分散相，液体是分散介质，泡沫是气体在液体中的分散体系。为了降低饮料灌装过程中料液的表面张力，从而消除泡沫，消泡剂通常选用复合型乳化剂。不仅可以借助其表面活性剂间的协同效应，还可以降低原体系中乳化剂的添加量。

消泡剂的工作机制较复杂，其作用原理如图2所示。

图2 消泡剂作用原理Fig.2 Action principle of defoamer

最常见的消泡机制是桥联-去湿，桥联-拉伸和扩散流体夹带［6］。对于聚硅氧烷系列消泡剂发挥的消泡作用，可理解为桥联-去湿和桥联-拉伸机制，消泡剂与泡沫薄膜表面接触形成透镜结构后，产生桥联-去湿作用［7］。接触后的泡沫薄膜逐渐变薄，透镜结构再进入薄膜的相对表面，使薄膜从表面脱湿。通过桥联-拉伸作用，消泡剂泡沫薄膜表面形成乳液桥，乳液桥被水相的作用力拉伸，破坏液膜的力学稳定性，在整个泡沫的最薄部分发生破裂，破坏稳定的泡沫结构［8］。消泡剂的消泡机制，一般都是通过破坏泡沫的稳定因素实现［9］。

消泡剂需要有比泡沫表面活性物质更高的活性，才能进入到产生气泡的液体中，快速地在液体气液界面上铺展。消泡剂的混合表面活性物层发挥消除及抑制原液中物质结合的功效。在液体中，消泡剂消除泡沫的效果取决于其铺展液体表面及渗透泡沫的性能，分别用铺展系数S和渗透系数E表示，具体计算如下：

式中 σ2——奶茶的表面张力；

σ1——消泡剂的表面张力；

σ1，2——消泡剂与奶茶之间的界面张力。

当S＜0时，没有完全湿润，无法达到消泡的效果。

当S＞0时，消泡剂依靠自身张力向液体表面铺展。消泡剂的消泡效果与界面张力相关，界面张力越低，则消泡效果越好。消泡效果也受到消泡剂黏度的制约，黏度越低，消泡剂铺展系数和渗透系数越高。

当E＞0时，消泡剂可以穿透泡沫，产生消泡的效果。

2.1.2 消泡剂的添加量对奶茶的影响

添加消泡剂后，观察灌装奶茶泡沫的高度与持续时间。对比未添加消泡剂奶茶发现，添加消泡剂可以有效地减少泡沫的持续时间。消泡剂的添加量越大，泡沫持续的时间越短，同时降低泡沫的高度峰值。

消泡剂的添加量对泡沫高度的影响如图3所示。

图3 不同消泡剂添加量对奶茶泡沫高度的影响Fig.3 Variation of bubble height of milk tea with different dosage of defoamer

在溶解区添加不同量的消泡剂后，奶茶灌装后泡沫的高度随着消泡剂添加量的增加而降低。添加量＜15 g/t时，灌装过程仍存在较多泡沫，泡沫高度略有降低；添加量达到20 g/t时，出现明显降低；添加量＞25 g/t时，泡沫消失较快，传送出灌装机时，已无明显肉眼可见泡沫。添加消泡剂有助于在气泡出现后快速消除泡沫，降低泡沫高度，但是灌装过程还是会产生少量泡沫，消泡剂的添加并未从根本上避免泡沫的产生。

在调配区添加不同量的消泡剂后，泡沫消除的情况与溶解区基本相同，随消泡剂添加量的上升，泡沫逐渐减少。调配区添加消泡剂灌装后，产生的泡沫高度略低于溶解区。

消泡剂的添加量对消泡时间的影响如图4所示。成品奶茶正反摇动10次后，观察奶茶灌装后泡沫的持续时间。当消泡剂添加量＜15 g/t时，泡沫消除时间为354～408 s，调配区泡沫消除时间为342～425 s；当消泡剂添加量＞20 g/t时，溶解区泡沫消除时间为19～161 s，调配区泡沫消除时间为15～125 s，呈明显下降趋势，泡沫消失较快。说明当消泡剂添加量＞20 g/t时，可以有效缩短泡沫消除的时间。

图4 不同消泡剂添加量对奶茶消泡时间的影响Fig.4 Defoaming time of finished milk tea with different dosage of defoamer

2.2 添加真空溶粉机工艺设计

真空溶粉机是高效的混料单元，用于奶粉等蛋白粉类复原及胶体分散。粉末在真空中投入液体中，罐体底部装有高剪切搅拌设备，转子高速旋转所产生的高切速度和高频机械效应带来强劲动能，使物料在定、转子的间隙中受到强烈的机械及液力剪切、液层摩擦、撞击撕裂和湍流等综合作用，迅速减小液滴尺寸，使料液分散均匀，乳化稳定，并去除物料中的空气。真空溶粉机可以快速混料，降低料液与空气接触的时间，减少溶粉过程中混入多余的空气。调整真空溶粉机指标参数，真空度调至-0.083 MPa。但使用真空溶粉机后，从图5可以看出，灌装泡沫高度与未使用时对比，差异不大，无明显改善。

图5 使用真空溶粉机后奶茶灌装图Fig.5 Filling diagram of milk tea after using vacuum powder disintegrator

2.3 添加脱气罐工艺设计

饮料生产过程中，奶液溶合的过程会混入空气，将混合均匀的奶液输入脱气罐。脱气罐是密闭的容器，可以使液体在低温状态下沸腾。液体进入脱气罐后旋转1圈，可以扩大蒸发面积，更有效地将液体中的空气及杂味等不凝结气体蒸发；水蒸汽遇冷凝器凝结成液体，回落到脱气罐中，不凝结气体通过真空泵排出。脱气罐的使用可以消除可溶性气泡，同时保护均质头，减少杀菌机结垢。脱气罐工作时，内部压力一般是-0.05～-0.07 MPa，调节压力至最小，灌装泡沫高度与未使用脱气罐时对比，差异不大，无明显改善。

2.4 灌装机工艺优化设计

企业生产的成品饮料达到商业无菌是PET无菌灌装技术的关键［10］。灌装设备是液态食品包装生产线中的核心设备，灌装充填精度与灌装速度是整套生产线产品质量和生产效率的保证。灌装成功的必要基本条件：液体食品无菌、包装材料无菌、环境及介质无菌［11］。满足成品商业无菌的情况下，才能进行产品的生产。物料中含有泡沫会降低充填精度。在灌装过程中，出料速度较快，会引起强大的冲击力，定量不准确；出料速度过慢，则降低设备的运行速度，会导致生产效率较低。系统平稳的进料可以提高充填精度，需要控制灌装时料缸出口料液的流速，以保持系统平衡。为了保证产品风味，需要降低灌装温度，但灌装温度的降低会导致产品黏度上升，进而影响阀门的关闭速度。黏度越高，阀门开关速度越慢，因此设置料液进出速度和充填精度需要结合料缸的容积、输料管的结构和内径等［12］。根据物料特性优化灌装系统，减少物料的黏度、密度及温度在充填过程的波动，能避免泡沫的产生。黏度高、不易产生泡沫的饮料进料速度设置在1.0～1.2 m/s，易产生泡沫的饮料应设置在0.8 m/s以下。电磁流量计被应用于乳制品灌装中，为维持良好的灌装精度，需控制电导率≥20 S/m，灌装时间≥0.5 s。灌装时间≥1.5 s时，重复率可以降低到0.4%以下。灌装速度在1～4 m/s时，灌装精度可以提高到±0.25%［13］。此外，流量计阀可以调整流体速度，降低灌装结束前产生的冲击波，设置灌装阀开闭流量≤50 mL/s，对抑制泡沫的产生有良好的效果，能保证饮料的灌装精度［14-15］。

在大气压力下，料液依靠自重流入包装容器内，使用旋转型灌装机，灌装PET瓶，完成灌装操作。通过对奶茶产品特性的分析，结合灌装设备实际情况，从以下几个方面做出改善：（1）对灌装系统进行工艺优化设计和参数调整，维持灌装物料的物理特性在充填过程中稳定；调整灌装阀开度，利用低速气缸控制慢灌，高速气缸扩大充填区扇形面积；修改慢灌速度，做梯度验证，总灌装速度为4.5 s/瓶，设定慢速灌装速度为0.45，0.9，1.35 s/瓶，观察灌装起泡的程度，发现1.35 s/瓶效果最好，因此设定慢速灌装速度为1.35 s/瓶；（2）控制灌装压力，重点是控制背压，将背压从0.5 MPa调整至0.6 MPa；（3）对每圈设备出现卡瓶、不灌装等问题的灌装阀做统计，调整出现重复问题的阀门，优化灌装阀的结构设计，对出现问题的灌装阀逐个调试。

调整后，灌装速度从原40 000瓶/h提升至48 000瓶/h，灌装500 mL所需时间为3.75 s，灌装角度从180 °增加至200 °。如图6所示，灌装工艺的调整有效减少奶茶料液的损失，提升奶茶的产量，极大地减少灌装控制不当引起的产品质量风险。通过灌装阀改善前后对比，发现灌装过程中的泡沫明显减少。

图6 灌装机调整灌装状态对比Fig.6 Comparison of filling state adjusted by filling machine

3 结语

通过分析奶茶灌装过程产生泡沫的原因，在溶粉区、调配区添加不同量的消泡剂后，泡沫消除的趋势基本相同。当添加量达到20 g/t时，泡沫明显减少，传送出灌装机时已无明显肉眼可见泡沫，说明添加消泡剂有助于快速消除泡沫，降低泡沫高度峰值。但是灌装过程中还是会出现少量泡沫溢出瓶口，造成料液的损失和微生物问题，并没有从根本上避免泡沫的产生。

在饮料的生产过程中，使用真空溶粉机、脱气罐脱出空气，以减少泡沫的产生。但真空溶粉机、脱气罐使用后，灌装泡沫高度与未使用时对比，差异不大，无明显改善。对灌装单元进行优化设计，通过调整灌装阀开度，控制灌装压力和背压，改善了灌装过程中料液的冲击力造成的气泡溢出。因此，灌装机的工艺优化及参数调整与消泡剂的结合使用，可以有效降低奶茶灌装过程产生的泡沫，提升奶茶的产量，极大减少灌装控制不当所引起的产品质量风险。