软饮料行业的在线过程测量

1 引言

多种不同的添加剂(例如浓缩果汁、香料、酸和盐)结合甜味剂和二氧化碳有助于作为解渴饮料改善水质，形成前所未有的软饮料类型。过去几十年，随着软饮料的生产和消费增长，质量控制标准也变得细化。人们在生产过程中和对于成品都会在线检查糖含量、无糖饮料浓度和 CO2 含量等参数，以确保符合法律和企业要求。

安东帕可为饮料行业的软饮料和酒精饮料生产提供可靠、快速和精确的加工设备以及实验室质量控制方案。

2 软饮料生产

图 1 以示意图形式简要概述了软饮料的生产工艺。按正确的混合比例将糖浆与水混合，然后对产品进行碳酸化。将成品装入玻璃瓶、PET 瓶、易拉罐或预混合容器。

2.1 水由于软饮料是水性饮料，所以水处理通常是生产任何种类的软饮料的第一步。过滤生产用水，有时候需要进行软化，然后用二氧化碳冲洗或应用真空去氧。成品中含有氧气会导致产品过早老化，溶解的空气可能导致在罐装含 HFCS 的软饮料过程中形成气泡。 2.2 糖浆糖浆是调味剂、酸(柠檬酸和/或磷酸)、防腐剂和色素等不同成分的浓缩物。不过，其中最重要的成分是甜味剂。软饮料生产使用的传统甜味剂为糖(即蔗糖)，糖来源于甘蔗或甜菜。一般的糖浆中糖的占比约为 60 % w/w。

在西方国家/地区，人们已采用高果糖玉米糖浆(HFCS 或异构糖浆)代替糖作为甜味剂来生产软饮料。HFCS 主要是果糖和葡萄糖组成的混合物。软饮料所用的 HFCS 混合物多种多样，它们的差别在于果糖浓度(42%、55% 和 90%)。鉴于消费者的健康意识越来越高，所以软饮料公司开始生产低卡路里饮料。这些“健康”、“低糖”或“无糖” 软饮料包含甜化效果比蔗糖高许多倍的人工甜味剂。例如，天冬甜素的甜化效果约比蔗糖高 200 倍，糖精的甜化效果约比蔗糖高 300 至 700 倍。由于甜化效果如此之高，所以人工甜味剂的使用浓度非常低。因此，在许多无糖饮料中，酸或调味剂成分的含量比甜味剂的含量高。

3 软饮料质量控制

为了保证稳定的产品质量，软饮料必须严格遵守特定的配方。必须检查罐内饮料成分的糖浆浓度。下一步则是对最后的浓缩饮料进行稀释和碳酸化。由于密度是物理测量值，不能外推，所以它是软饮料生产当中最重要的质量控制参数之一。为了计算糖浆与水的正确混合比例，必须知道糖浆中的糖或无糖饮料浓度。糖浓度以水溶液中的蔗糖 % w/w 形式表示，测量其 °Brix 并进行分析以确保获得稳定的产品质量。在含糖软饮料的质量控制方面，“糖转化”是一项重大问题。随着时间推移，在酸的推动下，溶解的蔗糖会转化为葡萄糖和果糖，这个过程叫做糖转化。

由此，糖密度会增加，所以在涉及到糖转化的情况下仅仅测量密度并不足够。因此，必须通过组合测量密度和声速来同时确定糖转化的程度，安东帕应用报告“软饮料中的糖转化和 °Brix：Cobrix 5500/5600 同时测量两种”中对此进一步进行了说明!此外，还必须监测无糖糖浆和饮料中的人工甜味剂浓度以控制质量，它们通常以无糖饮料浓度或 ml NaOH (来自滴定器)或 g/l TA(总酸)形式表示。无糖饮料浓度说明测量结果与目标值的接近程度。要检测无糖糖浆的稀释是否恰当，需测量成品饮料中的酸含量。通过磷酸方法可测量可乐饮料中的磷酸。对于其他饮料，可使用可滴定酸 (TA) 滴定法。要测量含酒精的柠檬汽水(果酒、麦芽酒、FAB...)的酒精含量，Cobrix 5500/5600 在线饮料分析仪可使用密度和声速组合测量法。

4 在线测量原理

4.1 密度测量安东帕 L-Dens 7500 密度传感器根据 U 型振荡管原理测量密度。激发样品管，使其按自然频率持续振荡。振荡频率与管内流过的样品的密度直接相关。测量密度和样品温度，并将样品输送到 mPDS 5 二次表，在此计算温度补偿后的密度和 °Brix。根据安东帕基于 ICUMSA 表制定的糖浓度公式，将密度和温度转换为 °Brix。在测量碳酸化软饮料的密度时，必须补偿二氧化碳对密度读值的影响。因此，可使用 Carbo 510 或 Carbo 520 Optical 智能传感器测量 CO2 浓度。

4.2 密度和声速测量

安东帕 L-Com 5500 传感器还可根据上述振荡信号处理方式和声速来测量密度。通过 U 型管一侧的超声波发射器和接收器可测量声速，它测量的是超声波脉冲通过样品的传播时间(图 2)。

密度、声速和温度会传送到 mPDS 5 二次表，用来计算各种浓度。 L-Dens 7500 或 L-Com 5500(图 3)可以使用 Inline Adapter 或 Inline Pump 520 直接安装在主管道或旁路上。对于黏度较高的糖浆或者主管道流速较慢的情况，建议使用 Inline Pump 520。

4.3 折光率测量

L-Rix 5200 在线折光仪可基于下面所示的临界角测量来测定液体的折光率。折光率就是在常规软饮料和无糖软饮料中直接测量的糖浓度。测量棱镜可作为 L-Rix 5200 与样品液体之间的界面。光源照射棱镜与样品液体之间的边界层。某些光线会根据照射角度被完全反射，而其他光线则会被部分反射，

同时大部分光线会被折射到液体中。一种 CMOS 阵列可检测反射光并测量临界角。该角度用于测定折光率(规定为 nD)并计算浓度值(图 4)。

4.4 CO2 测量

要分析溶解的 CO2，可使用两种不同的仪器和测量方法。 4.4.1 传统 p/T CO2 测量 Carbo 510 智能传感器根据亨利定律将传统的 CO2 分析方法与安东帕的体积膨胀法结合起来，后者所依据的事实为 CO2 在饮料中的溶解度远高于空气的溶解度。在测量池装入样品，紧紧密封，然后测量池将会膨胀。体积膨胀会形成真空，而转子快速旋转会使压力和温度快速实现平衡。由于空气的分压比 CO2 的分压下降得多，所以可测量确切的 CO2 含量，而不是总气体量。

打开测量池后，样品会随着转子生成的高流速而快速更换，从而加快样品替换速度并全面冲洗整个样品路径。每 15 秒会重复进行测量(图 5)。根据帕德博恩大学 Manfred H. Pahl 博士教授、 Dipl.Ing. Markus Rammert 的计算公式，饱和压力和温度会转化为 CO2 含量。对于预计会形成大量沉淀物的应用场合，最好应用 Carbo 510 传感器。对于其他情况，最好使用安东帕光学 CO2 传感器 Carbo 520 Optical。

4.4.2 光学 CO2 测量安东帕光学 CO2 传感器 Carbo 520 Optical 的测量原理为通过 ATR(衰减全反射)进行红外光谱吸收。一束红外光会穿过晶体，并在接触样品的内表面形成反射，如图 6 所示。

红外光谱吸收发生在样品的晶体表面层(消逝场)中。通过检测器测量反射光束的特定吸收带的强度，并计算相应的 CO2 值。 Carbo 520 Optical 免维护，并已获得卫生应用场合的认证 (EHEDG)。图 7 显示了一部使用红外光谱吸收方法分析 CO2 的 Carbo 520 Optical 智能传感器。

5 Cobrix 5500/5600 Cobrix 5500/5600

在线饮料分析仪是一套完整的模块化测量系统，包括以下部分： L-Com 5500 密度和声速组合传感器，用于 ° Brix 和无糖饮料浓度分析、糖转化和酒精含量测量 Carbo 510 或 Carbo 520 Optical CO2 智能传感器 mPDS 5 二次表 用于直路安装的集成样品泵或用于旁路安装的独立 Inline Pump 520  流量传感器 适用于 WindowsTM 的 Davis 5 数据采集和控制软件(图 8)

软饮料生产所用的 Cobrix 5500/5600 可测量： 转化前的 °Brix、转化后的 °Brix、实际 °Brix  无糖饮料浓度 酒精浓度 密度 溶解的 CO2 浓度 管道压力 温度 NaOH 浓度。由于采用模块化设计，所以 Cobrix 5500 和 Cobrix 5600 均适用于极端狭小的旁路或直路管道，可提供实时测量的参数数据，在超出预先选定的浓度界限时会激活警报，并可提供信号来控制或记录设备。

6 应用场合和优势

在软饮料生产过程中，从原材料到成品基本要经过四个工艺步骤。安东帕的实验室和工艺仪器仪表可随时提供解决方案，以确保从原材料到包装产品的整个过程都按正确的程序进行。 1. 监控糖溶解过程 2. 在糖浆生产期间监测糖浆 3. 监测混比和碳酸化 4. 罐装前检查质量下面介绍了软饮料生产工艺在线过程测量的主要应用领域： 6.1 监控糖溶解过程在热交换器中对水加热，并将水输送到溶解罐中。强有力的搅拌器和/或糖溶液循环确保高效溶解。为了保证持续分配糖液，溶解站将以串联模式运行或使用过滤器。为了确保糖含量正确，可以使用 L-Rix 5200 折光仪来监控该过程。优点： 持续监控糖溶解过程。

确保正确的糖水比。 6.2 在糖浆生产期间监测糖浆向糖浆中添加浓缩饮料和水，以获得最终的饮料糖浆。可以监测最终糖浆和初始糖浆的浓度。在低卡路里软饮料中，部分或全部蔗糖已被甜味剂替代。使用 L-Dens 7500 测量的密度或使用在线折光仪 L-Rix 5200 测量的折光率可指示含糖饮料和无糖饮料的糖浆浓度。

优点： 确保按糖浆与水的混合比获得正确的糖浆浓度。持续监控糖浆质量。大量节省糖浆与水，提高生产效率。 6.3 监测混比和碳酸化适当的甜味剂量(即水与糖浆的混比正确)对于遵从成品规范至关重要。

密度测量代表快速检测浓度质量使用 L-Com 5500 组合测量的密度和声速指示有多少糖被转化，并可量化软饮料中的蔗糖、葡萄糖和果糖的比例，避免糖浆的剂量超额或不足。在整个生产链中监控软饮料的关键质量参数还包括分析溶解的二氧化碳。

CO2 过少会导致口味平淡，而 CO2 过多会增加包装爆裂的风险。此外，还会构成相当大的成本因素。根据混比机的设计，在产品被输送到灌装机之前，仍有机会调整不符合规范的关键质量参数。另外，测量送入糖浆的浓度。测量会检测出糖浆浓度过低的问题，这是开始生产时管道和罐内有残余水人导致的。然后，可根据糖浆浓度来更正混比(图 9)。

通过安东帕带 Carbo 510 或 Carbo 520 Optical CO2 传感器的在线饮料分析仪 Cobrix 5500/5600，可直接清晰了解产品质量、一致性和生产效率，同时可在保质期内确保稳定性和口感。优点： 显著改善启动时间，不会延迟取样时间。消除不合格产品。大大提高生产效率，大幅节省糖浆、水和 CO2。快速确定生产问题。通过自动记录和存储数据实现实时、可追踪的质量控制。 6.4 送入灌装机前的质量检查为了紧在罐装前监控成品并实现最严密的罐装质量控制，可直接将 Cobrix 5500/5600 安装在灌装机前(图 10)。

这是向消费者出售产品前，确保产品符合所有规范的最后机会。使用安东帕的 O2 传感器 Oxy 5100 也可以直接在灌装机之前测量氧气，以确认氧气水平是否低于允许的界限。优点：消除不合格罐装产品。提高生产效率，大幅节省糖浆、水和 CO2。快速确定生产问题。 通过自动记录和存储数据实现实时、可追踪的质量保证。

7 结论无论消费者喜欢什么口味，始终不变的一个事实是：不管何时何地享用饮料，消费者都期望它们的口味能够始终如一。借助在线饮料分析仪 Cobrix 5600(图 11)等强大的多参数测量系统，可以同时测量这些参数并快速获得结果，从而对质量参数实现可追踪、可靠且精确的监控。这些测量装置有助于确保无论在哪个工厂或国家/地区生产软饮料，都能获得完全相同的成分。