1.1.1 碳酸饮料的定义
碳酸饮料(Carbonated Drinks)是指含有二氧化碳的软饮料。通常由水、甜味剂、酸味剂、香精香料、色素、二氧化碳气体及其他原辅料组成，俗称汽水。用发酵法生产而含有自身产生的二氧化碳气的饮料和二氧化碳气的含量（重量）在万分之五以下，酒精含量（容量）0.5%以上的硬饮料则不属于碳酸饮料[1]。 1.1.2 碳酸饮料的分类
根据GB107889-1996（软饮料的分类）、GB/T10792-1995（碳酸饮料）规定碳酸饮料（汽水）分为：果汁型碳酸饮料、果味型碳酸饮料、可乐型碳酸饮料和其他型碳酸饮料[2]。
1．果汁型：原果汁含量不低于 2.5%的碳酸饮料，它除了具有相应水果所特有的色、香、味之外，还含有一定的营养，有利于身体健康。如橘汁汽水、柠檬汽水等。
2．果味型：以食用香精为主要赋予香剂，以食用着色剂着色，原果汁含量低于 2.5%的碳酸饮料，赋予一定的水果香型和色泽。如橘子汽水、菠萝汽水等。
3．可乐型：特指含有焦糖色、可乐香精或类似可乐果和水果香型的辛香、果香混合剂的碳酸饮料。香气协调柔和，味感纯正、爽口，有清凉、刹口感，由于味道独特，含有咖啡因的产品同时具有提神作用，人们对这类产品往往有自己的偏爱，尤其可口可乐、百事可乐、非常可乐等知名品牌产品引导了消费方向。
4．其他型：除上述三种类型以外的碳酸饮料，如苏打水、盐汽水以及含有非果实的植物提取或非果实的食用香精的碳酸饮料。如茶汁汽水等。
1.2 设计意义
随着人类文明的进步，人民生活水平不断提高，中国宏观经济形势的持续良好发展，人民生活水平的稳步提高，饮料消费逐渐成为国民生活中必不可少的生活内容。面对这样一个巨大的潜在饮料需求市场，饮料行业具有广阔的发展空间。碳酸饮料作为饮料市场主要品种之一，其需求必将随整个饮料市场需求增长而增长。本设计结合当前消费市场对碳酸饮料的需求，对碳酸饮料进行生产。以扩大当前在中国饮料企业在中国市场的占有率，推进国内饮料行业的发展。
第2章 工艺流程确定及论证
2.1 产品及产量的确定
根据我国目前碳酸饮料的消费习惯和市场的发展需要确定日产量。越来越多的消费者追求既营养又包装时尚的产品，普遍接受的是橘子味和柠檬味的饮料。根据我厂设备生产能力及市场情况，预计日生产18吨的碳酸饮料。 2.1.1 班产量的确定
每年实际工作日按250天计算，符合国家规定。每月按4周计算，除去周末8天，实际工作日为22天，分一班生产，班产量18吨。由于两种产品只是调配时配方不同，其他工艺相同，所以每种产品每天生产4h，两种产品用一条生产线。
根据市场消费情况对所生产的碳酸饮料产量进行设计：
表2-1 产品及产量的确定
产品类型 日产量（吨）
橘子味 9
柠檬味 9
2.1.2 产品配方
本产品的配方设计中，甜味剂、防腐剂、色素的最大使用量以我国食品添加剂使用卫生标准的规定为依据，生产每瓶250ml容量的橘子汁汽水和柠檬汽水1000瓶。每瓶的调味糖浆注入量为50ml,基本配方[2]如表。
表2-2 橘子汁汽水配方
原料名称 砂糖 苯甲酸钠 糖精钠 柠檬酸 橘子汁
含量∕% 10 0.02 0.01 0.13 5
配方用量 25Kg 50g 25g 325g 12.5Kg
原料名称 橘子香精 加水至 糖浆共 浓度 每瓶注入量
日落黄色素
0.002
5g
含量∕% 0.15
配方用量 375g 50L 50L 42.5°BX 50mL
胭脂红色素
0.0001 0.25g
表2-3 柠檬汽水配方
原料名称 砂糖 苯甲酸钠 柠檬酸 柠檬-白柠檬香
精
含量∕% 11 0.015 0.15 0.1
配方用量 27.5 37g 375g 250g
原料名称 加水至 浓度 成品浓度
含量∕%
配方用量 50L 46°BX 11°BX
2.2 工艺流程的确定
碳酸饮料的生产工艺流程
碳酸饮料在生产上有两种工艺：一次灌装法和二次灌装法。本设计中采用一次灌装法。将调味糖浆与水预先按照一定比例泵入汽水混合机内，进行定量混合后再冷却，然后将该混合物碳酸化后再装入容器。又称为预调式灌装法、成品灌装法或前混合法[3]。
工艺流程图，见图1-1。
饮用水 水处理 混合 冷却 碳酸化 灌装 密封
糖浆 调配 检验 容器 清洗
检验 成品饮料 图2-1 一次灌装法的生产工艺流程
2.3 工艺论证
2.3.1 调和糖浆的配制
碳酸饮料的甜味剂在成品饮料中产生可口甜味，并提供稠度而有助于传递香味，提供能量和营养价值。糖浆是碳酸饮料的主要原料之一，它的质量好坏决定碳酸饮料产品的质量。 2.3.1.1 原糖浆的制备
将糖溶解于水中，一般称为原糖浆或单糖浆。必须是优质砂糖，溶解于一定量的水中，制成预计浓度的糖液，再经过滤、澄清后备用。其水也必须是纯良的水，其水质可与灌装用水相同。
1.糖的溶解
制备糖溶液需先将砂糖溶解，从企业规模和生产成本结合生产工艺考虑，采用间歇式热水溶解法进行砂糖的溶解。边搅拌边把糖逐步加入到热水中溶解，然后加热杀菌、过滤、冷却。具体流程为：50℃～55℃热水搅拌溶糖→粗过滤→80℃杀菌→冷却至20℃→糖溶液。
优点：避免了用蒸汽加热时糖在锅壁上黏结，采用50℃～55℃热水，减少
了蒸汽给操作带来的影响；粗过滤可除去糖液中悬浮物和大颗粒杂质，减轻了后工序（精滤）的负担；糖液在低温下过滤可避免产生絮凝物，，不过温度不能太低，否则黏度上升影响过滤效率。
2.糖浆过滤：溶糖多采用不锈钢夹层锅、冷热缸（罐）或带有加热盘管的容器。对于高质量优质砂糖制备的糖浆，采取硅藻土过滤的方式。
3.净化：针对质量较差的砂糖，会导致饮料产生凝结物、沉淀物，甚至异味；装瓶时出现大量泡沫等；对一些特殊的饮料如白柠檬汽水对糖浆色度要求很高，一般要求净化处理：加入0.5－1％活性炭到热糖浆中，一边添加一边搅拌，活性炭与糖液接触15min，温度保持80℃，通过过滤器前加入0.1%硅藻土，避免活性炭堵塞过滤器面层。
4.糖液的配制
糖液净化处理后，应按生产要求，配置成一定浓度。根据糖浆浓度和体积，可求出糖和水的量，从而配制出所需浓度的原糖浆。一般汽水用量在10%左右，糖浆用量为装瓶容器容量的15%~20%。配制糖液时，如果糖液浓度高，则黏度大，特别是冷冻糖液，容易造成糖液注入量的不稳定，还会影响糖液与其他配料混合，若搅拌过度则会因空气严重影响汽水质量；但如果糖液浓度太低，则会有利于微生物的生长繁殖，容易造成发酵变质。一般把糖溶液溶解为65%的质量浓度，再经配料调整糖液质量度[4]。 2.3.1.2 糖浆调配
糖浆又称调和糖浆（果味糖浆或加香糖浆）指根据产品技术要求，配合好各种原料，可作灌装的糖浆，与碳酸水混合即成碳酸饮料。在配料室中进行。
1. 配料准备和处理
投料顺序（在不断搅拌的情况下，但不能太剧烈） 1) 原糖浆：测定其浓度及需要的容积 2) 防腐剂：称量后温水溶解 3) 甜味剂：温水溶解后加入
4) 酸味剂：50％、果汁（乳化剂、稳定剂）、色素、香精
加水到规定容积配合完毕后即可测定糖浆浓度，同时抽少量糖浆加碳酸水，观察色泽，评味，检查是否与标准样符合。
2. 调和方式
本设计采用间歇式热调合的方式对糖浆进行调配：在高温下进行配料，通常用热溶糖液直接配料，然后冷却；只经过一次加热就完成溶糖、调合与杀菌等工艺操作，节省能源，但破坏了果汁饮料的风味和营养成分，香精挥发损失大；所以要选耐热的香精，只适合于果味性饮料。
3. 注意事项
1）各种添加剂要分别溶解，按顺序边加边搅拌，但不能过分搅拌，否则会使糖浆混入过多的空气而影响碳酸化过程。
2）配制的基料必须当天使用，不能隔夜。
3）配料完毕后，立即测定糖浆的浓度，其测定方法与测定原糖浆浓度相同。同时抽出少量糖浆加碳酸水，观察其色泽，品味，检查是否与标准样符合。 2.3.2 碳酸化
碳酸化是在一定气体压力和温度下，在一定时间内二氧化碳和水的混合。碳酸化的程度会直接印象碳酸饮料的质量和口味，是饮料生产的和重要工艺之一。
1. CO2在碳酸化中的作用[5]
1）清凉作用：喝汽水实际上是喝一定浓度的碳酸，碳酸在腹中由于温度升高、压力降低，即进行分解。当二氧化碳从体内排出时，就把体内的热带出来，起到清凉作用。
2）阻碍微生物的生长，延长汽水的货架寿命：二氧化碳能致死嗜氧微生物，并由于汽水中的压力能抑制微生物的生长。国际上认为 3.5～4 倍含气量是汽水的安全区。
3）突出香味：二氧化碳在汽水中逸出时，能带出香味，增强风味。 4）有舒服的刹口感：二氧化碳配合汽水中其他成分，产出一种特殊的风味，各个不同品种需要不同的刹口感，有的要强烈，有的要柔和，所以各个品种的含气量不同。橘子汁汽水，含气量（容积倍数）为 1.5～2.5；柠檬汽水，含气量为3.5～4。
2. 碳酸化方式
碳酸化是在一定的气体压力和温度下，在一定时间内进行的。要求尽量扩大
气液相接触的面积，降低液温和提高二氧化碳的压力受到设备的限制，单靠降低水温效率低且能耗大，通常采用冷却降温和加压结合的方法。
一次灌装中把糖浆和水的混合液冷却至16～18℃，在0.784MPa下与CO2混合。此法缺点是制冷量消耗大，冷却时间长或容易由于水冷却程度不够而造成含气量不足，而且生产成本高。优点是冷却后液体的温度低，可抑制微生物生产繁殖，设备造价低。
根据本设计的工艺要求，采用的低温冷却吸收式的方式进行碳酸化。 3. 碳酸化过程中的注意事项 1）保持合理的碳酸化水平； 2）保持灌装机一定的过压程度； 3）将空气混入控制在最低限度； 4）保证水或产品中无杂质； 5）保证恒定的灌装压力； 2.3.3 碳酸饮料的灌装 2.3.3.1 灌装方法
灌装方法有一次灌装和二次灌装法两种。一次灌装法较先进，为了适应碳酸饮料发展的要求采用一次灌装法进行饮料的生产。
优点是糖浆和水的比例准确，灌装容量容易控制；当灌装容量发生变化时，不需要改变比例，产品质量一致；灌装时糖浆和水的温度一致，气泡少，CO2气的含量容易控制和稳定；产品质量稳定，含气量足，生产速度快。缺点是不适合带果肉碳酸饮料，设备复杂，混合机与糖浆接触，洗涤和消毒不方便[6]。
一次灌装方法流程：
混合糖浆加入定量水混合→冷却→冲CO2→灌装→密封 2.3.3.2 灌装系统
灌装系统：指灌糖浆、碳酸水和封盖等操作的组合体系。
碳酸饮料的一次灌装法多采用等压方式。等压灌装是先往瓶中充气，使瓶内的气压与储液箱中的气压相等，然后进行灌装。现在大多采用这种灌装机，这种设备的灌装阀能使在灌装时液体无直接冲击，瓶内灌装平稳，压力恒定，液体中的二氧化碳损失少，且灌装过程中产生破瓶时液阀能自动关闭，避免液体损失。
2.3.3.3 灌装生产线
碳酸饮料灌装生产线有玻璃瓶、易拉罐和PET瓶等类型。本设计中主要采用PET瓶灌装线进行灌装。
聚酯（PET）瓶多用于碳酸饮料的灌装。主要设备有冲瓶机、灌装机、旋盖机、温瓶机等。灌装PET瓶时，灌装机与旋盖机连接。
UHT灭菌乳生产所用设备自原料乳收购工序起，至无菌灌装封合工序止，均采用CIP清洗方式进行清洗消毒，清洗程序由中央控制室控制。包括水洗、碱洗、酸洗、水洗[7]。 2.3.4 CIP清洗
CIP清洗装置作为不分解生产设备，又可用简单操作方法安全自动清洗系统，几乎被引进到所有的食品饮料及制药等工厂使用。
CIP清洗装置不仅能清洗机器，而且是还能控制微生物繁殖的清洗方法。CIP清洗装置有以下优点：
1. 能使生产计划合理化及提高生产能力。
2. 与手洗相比较，不但没有因作业者之差异而影响清洗效果，还能提高其
产品质量。
3. 能防止清作业中的危险，节省劳动力。 4. 可节省清洗剂、蒸汽、水及生产成本。 5. 能增加机器部件的使用年限。
2.4 碳酸饮料的质量控制
2.4.1 碳酸饮料常见问题
碳酸饮料存在的问题比较复杂，主要问题有CO2含量低，剎口感不明显，有固形物杂质，沉淀，黏性物质，风味异常变化，霉味、腐臭，异味，变色，过分起泡或不断冒泡等。与质量有关的因素时多方面的，包括物理、化学、以及微生物等多方面的原因。应根据不同的情况采取不同的措施，以减少或避免质量问题的出现。
杂质的主要来源主要有瓶子或瓶盖不干净；水、糖及其他辅料含有杂质；机件碎屑或管道沉淀物；操作人员责任感不强等。
混浊与沉淀的出现主要是由于物理性变化、化学性变化和微生物的活动引起
的。
2.4.2 饮料用水要求及检验
水是饮料生产中的重要原料之一，水质的好坏直接影响成品的品质，高质量的饮料是与高品质的水分不开的。它是保证饮料质量稳定的关键因素之一。例如水中的悬浮物质、胶体物质和溶解的物质都会是饮料易产生沉淀、变质、变色等现象。因此，饮料用水的来源及处理对饮料生产具有重要的意义。饮料用水必须符合我国《生活饮用水卫生标准》（GB-5749-2006）[8]。 2.4.2.1 饮料用水的水质处理
按规定对饮料生产用水进行采样，检验，取得水质检验报告.如果采用不同的果汁饮料等以及纯水等对水质的要求较高。浊度、总固形物含量、总硬度、游离氯、碱度、铁猛含量以及微生物指标等都必须在规定的标准指标范围内。
根据原水的质量和水质要求的不同，可选用各种不同的水处理方案：
表2-4 天然水源中杂质的分类和处理方法
分类 粒径 特征 识别 常用处理 方法
溶解物 ﹤1nm 透明 电子显微镜 离子交换
胶体 1nm~200nm 光照下浑浊 超显微镜
混凝、澄清、过滤、自然沉降
悬浮物 ﹥200nm 浑浊（肉眼可见）
普通显微镜 过滤
2.4.2.2 产品质量鉴定指标 1．感官指标
（1） 均匀度：没有分层现象，液面距瓶口3~6cm。 （2） 瓶盖：不漏气，不带锈。 （3） 商标：端正，与内容一致。
（4） 透明度：呈现产品所应有的颜色，澄清透明，无杂质。 （5） 口味：无异味，具有本品的芳香味或酒精香味。
（6） 泡沫：倒入杯内，泡沫高2cm以上，持续时间2min以上。 2．微生物指标
细菌数/每毫升≤100个。 大肠杆菌/每毫升≤5个。 不得检出致病菌。
保质期：3个月无沉淀变质。 3．理化指标
表 2-5 理化指标
项目
可溶性固形物（20℃折光计法）% 二氧化碳气容量（20℃容积倍数） 总酸（以 1 分子水柠檬酸计）（%）
甜味剂
苯甲酸钠含量（克/千克）
乳化剂 着色剂 食用香料
砷（以 As 计）（毫克/千克） 铜（以 Cu 计）（毫克/千克） 铅（以 Pb 计）（毫克/千克）
≥0.12 ≥10
≥6.5 ≥2.5 ≥0.10 按 GB 2760 规定
0.20 按 GB 2760 规定 按 GB 2760 规定 按 GB 2760 规定
0.5 10.0 1.0
≥0.06 ≥4.0
高糖
中糖
低糖
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