第一章 软饮料及其水处理

1. 第一章 软饮料及其水处理 《食品工艺学》 www.themegallery.com

2. 主讲内容 第一节 概述 第二节 软饮料用水的处理 第三节 用水的消毒 www.themegallery.com

3. 第一节 概述 1 饮料和软饮料的概念 饮料：指供给人体水分，有益于人体健康的一种日常生活中不可缺少的食品。它是经过一定的加工程序（配料、调制、灭菌、包装等）而制成的食品。 “软饮料”在不同的国家里有不同的概念。 软饮料通常指的是非酒精饮料（无酒精饮料），主要以解渴为目的的饮用品（不包括口服液）。 www.themegallery.com

4. 我国GB10789-1996规定：软饮料是指不含乙醇或者乙醇含量小于0.5%的饮料制品。我国GB10789-1996规定：软饮料是指不含乙醇或者乙醇含量小于0.5%的饮料制品。 • 根据中华人民共和国国家标准GB 10789-2007 • 《饮料通则》的定义，饮料是指“经过定量包装的，供直接饮用或用水冲调饮用的，乙醇含量不超过质量分数为0.5%的制品，不包括饮用药品”。 www.themegallery.com

5. 2.饮料的分类（我国） 1、碳酸饮料(汽水类） 可乐型、果味型 2、果蔬汁饮料 原果汁：又称天然果汁，含原果汁100%；鲜果汁：含原汁量在40%以上；果汁饮料：原汁量在10%-30%以上； 浓缩果汁：果汁经浓缩1-6倍；带肉果汁：原汁量不少于45%，非溶性固体（磨细的果肉）20%以上。 3、矿泉水 4、蛋白饮料：牛奶类、豆奶类 5、发酵饮料：饮料酒、乳酸饮料、其它饮料 6、冷饮 7、固体饮料 www.themegallery.com

6. 国外对饮料的分类： （1）含醇饮料 （2）无醇饮料（软饮料） （3）其它饮料 www.themegallery.com

7. 2 软饮料的分类： 对软饮料有各种不同的分类方法 2.1 按照组织形态分： （1）液体饮料，固体饮料，共态饮料。 固体饮料：水分含量在5%以内，具有一定形状（粉末、颗粒、片状或块状等），以水溶解成溶液再饮用的饮料。 共态饮料：那些既可以是固态也可以是液态的，在形态上处于过渡状态的饮料。比如：冰棍，雪糕等。 www.themegallery.com

8. 2. 2按国家标准分类：GB10789-1996 碳酸饮料类(Carbonated Drinks) 果汁(浆)及果汁饮料类(Fruit Juices(Pulps) and Drinks) 蔬菜汁饮料类(Vegetable Juices Drinks) 含乳饮料类(Drinks Containing Milk) 植物蛋白饮料类(Vegetable Protein Drinks) 瓶装饮用水类(Bottled Water) 茶饮料类(Tea Drinks) 固体饮料类(Powdered Drinks) 特殊用途饮料类(Drinks for Special Use) 其它饮料类(Other Drinks) 按原辅料、产品形式及作用不同分为10类： www.themegallery.com

9. 2.3 按软饮料的加工工艺，可分为4类： 1.采集型：采集天然资源，不加工或只有简单的过滤、杀菌等处理的产品，如天然矿泉水。 2.提取型：天然水果、蔬菜或其它植物经破碎、压榨或浸提、抽提等工艺制取的饮料，如果汁、菜汁或其它植物性饮料。 3.配制型：用天然原料和添加剂配制而成的饮料，包括充二氧化碳的汽水。 4.发酵型：包括酵母、乳酸菌等发酵制成的饮料，包括杀菌的和不杀菌的。 www.themegallery.com

10. 3.国内外软饮料发展现状 世界软饮料10强国： 美国、日本、德国、巴西、英国、意大利、墨西哥、中国、加拿大。 软饮料发展的方向： 碳酸饮料为主流产品，其次发展果汁饮料、瓶装饮用水、咖啡饮料和茶饮料等。 世界碳酸饮料的三大品牌： 可口可乐、健怡可乐、橙汁汽水 三大香型占世界总产量的71.4%，其中可乐是世界第一香型，占52.7%。 www.themegallery.com

11. 我国软饮料工业发展状况 发展起步于八十年代初期，到2005年全国软饮料总产量3350万吨。2011年达到11762.32万吨。  www.themegallery.com

12. 2008年中国食品工业100强企业，软饮料制造业12家。2008年中国食品工业100强企业，软饮料制造业12家。 杭州娃哈哈集团有限公司 维维集团 可口可乐（中国）饮料有限公司 北京汇源饮料食品集团有限公司 广东健力宝饮料有限公司 昆山统一企业食品有限公司 上海申美饮料食品有限公司 乐百氏(广东)食品饮料有限公司 露露集团有限责任公司 红牛维他命饮料有限公司 东莞雀巢有限公司 百事(中国)有限公司 软饮料的主要分布在东南沿海一带，如：广东、浙江、上海、河北、江苏等。 www.themegallery.com

13. 百事可乐 www.themegallery.com

14. 4.存在问题与发展方向 1.规模效益差，大多数企业达不到合理经济规模，专业化程度低，技术装备落后，技术人才缺乏（企业专业技术人才不到5％）； 2.品牌杂多，品种单调，结构不合理，配制饮料多，天然饮料少，假冒伪劣现象严重； 3.东西部发展不平衡：内地、沿海地区饮料总产量相差甚远； 4.生产、消费与发达国家之间有较大差距。 4.1 存在问题： www.themegallery.com

15. 当今世界饮料最大的市场在北美和西欧，1996年两市场销售额分别为640和400亿美元，占世界总市场量的62％。当今世界饮料最大的市场在北美和西欧，1996年两市场销售额分别为640和400亿美元，占世界总市场量的62％。 2000年，人均消费水平:我国＜10 L，世界平均消费41.7 L，美国约300 L。 我国软饮料行业发展空间巨大。 www.themegallery.com

16. 4.2 发展方向与措施： “天然、营养、优质、多品种、多档次” （1）鼓励和规范发展符合饮料消费市场规律的产品，重点发展茶饮料、果汁及果汁饮料、蔬菜汁饮料，植物蛋白饮料和矿泉水，降低碳酸饮料比重。 （2）支持饮料企业规模化生产，加快产品升级换代，提高附加值，搞好综合利用。 （3）形成一批技术装备良好，经营管理高效，具国际竞争力的生产企业，力创数个国际品牌。 （4）软饮料新产品开发。如：野生果蔬汁饮料、保健茶饮料、瓶装水（富氧太空水,负离子水）、特殊用途饮料（视力疲劳者、美容、专用）等。 www.themegallery.com

17. 碳酸饮料制造业属于软饮料行业中的传统龙头细分产业，其市场规模行 业排名在2003年以及2007年均位居第一；然而其市场规模成长性有明显放缓趋势，截至2011年底行业排名已下降至第二位，以827.69亿的总营收落后于排名第一的果蔬汁及果蔬汁饮料制造业103亿元。 茶饮料及其他软饮料制造业市场规模排名在2003年时已位居行业第二，在2007年时出 现过短时间排名下降的情况（第四位），但2011年行业排名又逐步恢复至第三位，以仅低于碳酸饮料制造业约48亿元的主营业务收入重新进入饮料行业前三甲。该行业2003年时与碳酸饮料制造业主营业务收入的差距却高达105.72亿元。 • 由此可见，茶饮料及其他软饮料制造业市场规模成长性较强，与碳酸饮料制造业差距不断缩小。 除了以上行业前三甲之外，我们可以看到，瓶（罐）装饮用水制造业在近十年内也经历了较好的成长性：该行业2003年市场规模行业排名仅为第五位，2007年则提高至第三位，2011年以731.01亿元排名第四，仅比排名第三的茶饮料及其他软饮料制造业同年主营业务收入低48亿元。 www.themegallery.com

18. 第二节 软饮料用水的处理 水是软饮料中占比例最大的部分，有的软饮料本身就是水，如瓶装水，因此，水的质量也就关系到软饮料的质量。 天然水源 全面处理 厂家的水源 不符合软饮料用水要求的指标进行处理 自来水源 除需符合饮用水的要求之外，一般需符合表1-1所示之各项指标的要求。 www.themegallery.com

19. 表1-1 一般软饮料用水标准 www.themegallery.com

20. 1.2.1天然水中的杂质 表1-2 天然水中的杂质 www.themegallery.com

21. 1.2.2 水的硬度 水的硬度是指水中离子沉淀肥皂的能力。通常，与水中的钙、镁离子相关，其它离子的含量很小，所以水的硬度的大小，一般指水中钙、镁离子盐类的含量。 硬脂酸钠+钙或镁离子→硬脂酸钙或镁↓ （脂皂） （沉淀物） 硬度分为总硬度、碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。 碳酸盐硬度（又称暂时硬度）加热煮沸去除 总硬度 Ca(HCO3)2/Mg(HCO3)2/CaCO3/MgCO3 非碳酸盐硬度（又称永久硬度）： CaCl2/MgCl2/CaSO4/MgSO4/Ca(NO3)2/Mg(NO3)2 www.themegallery.com

22. 硬度单位 mmol/L meq/L 德国度 mg/L CaCO3 mmol/L 1 1 2.804 50.045 meq/L 1 1 2.804 50.045 德国度 0.35663 0.35663 1 17.847 mg/L CaCO3 0.01998 0.01998 0.0560 1 硬度的单位是mmol/L或mg/L CaCO3。过去使用的有meq/L（毫克当量/升）和德国度（1L水中含有10mgCaO为1度），它们之间有如表1-3所示的关系： 表1-3 不同硬度表示方法之间的关系 www.themegallery.com

23. 水的性质 总 硬 度 mmol/L 德国度 mg/L CaCO3 很 软 水 0-1.4265 0-4度 0-71.388 软 水 1.4635-2.8530 4-8度 71.388-142.776 中等硬水 2.8530-5.7061 8-16度 142.776-285.552 硬 水 5.7061-10.6989 15-30度 285.552-535.410 很 硬 水 ＞10.6989 ＞30度 ＞535.410 一般所谓的软水和硬水的范围见表1-4 表1-4 水的硬度分类 www.themegallery.com

24. 1.2.3 水的碱度 水中碱度取决于天然水中能与H+结合的OH—、CO32—和HCO3—的含量（氢氧化物碱度、碳酸盐碱度和重碳酸盐碱度），三种碱度的总量为总碱度。 天然水中不含OH-，仅HCO3-存在 表1-5 水中碱度和硬度的关系 H—表示硬度，A—表示碱度，H负—表示水的负硬度 H负包括：NaHCO3/KHCO3/Na2CO3/K2CO3 www.themegallery.com

25. 1.2.4 混凝和过滤 （1）混凝 目的：向水中投加一些药剂（混凝剂），使水中难以沉淀的胶体颗粒能相互聚合，长大至能自然沉淀的程度。 1．明矾：0.001-0.02% Al(OH)2+ 2．硫酸铝:Al(OH)3+石灰（浑浊） 3．聚合氯化铝(PAC):0.005-0.01% 4．铁盐：Fe(OH)3 硫酸亚铁（石灰处理法结合CO2） 最常用的混凝剂 铝盐和铁盐 混凝助剂：海藻酸钠、活化硅酸钠、碱性淀粉、CMC、粘土等 www.themegallery.com

26. 混凝反应的条件受下列因素的影响： ①原水的性质。 ②混凝剂的种类。 ③混凝剂的添加量。 ④混凝时的pH。 ⑤搅拌的时间。 ⑥搅拌的强度。 ⑦水温。 混凝反应的条件要通过试验确定。 www.themegallery.com

27. （2）过滤 以细砂、无烟煤等作为综合水处理的初级过滤材料；对基本满足软饮料用水的原水采用砂滤过滤器；除色和味用活性炭过滤器；精滤效果采用微孔滤膜过滤器。 （A）砂过滤 （一）砂过滤原理： 原水通过粒状过滤材料（简称滤料）层时，其中一些悬浮物和胶体物被截留在孔隙中或介质表面上，这种通过粒状介质层分离不溶性杂质的方法称为过滤。 www.themegallery.com

28. 滤料的表层 1．阻力截留：上层粗下层细；滤层表面形成一层主要由截留的颗粒组成的薄膜，起到过滤作用。 2．重力沉降：滤料形成大量的沉降面积，当原水通过滤层，速度适宜，其中的悬浮物就会向这些沉淀面沉淀。 3．接触凝聚：构成滤料的物质具有巨大的表面积，具有吸附微小物的作用。 以上3种作用在同一过滤系统中是同时发生的。 滤料的深层 www.themegallery.com

29. （二）滤料层和垫层 饮料生产厂通常使用的是单流压力式过滤器，其主体是一个圆柱形罐体容器，配备有进水系统、出水系统、压缩空气系统等（见图1），主体内是滤料层和垫层。 www.themegallery.com

30. 1．滤料的选择： ①足够的化学稳定性，过滤时不溶于水，不产生有害和有毒物质。 ②足够的机械强度。 ③适宜的级配和足够的孔隙率。 滤料的孔隙体积和整个滤层体积的比例。 滤料粒径范围及在此范围各种粒径的数量比例。 K越大，滤料粒径差别越大，降低孔隙率，对过滤不利。 K=d80/d10 不均匀系数 通过滤料质量的80%或10%的筛孔直径 www.themegallery.com

31. 2．滤料层的结构： （1）含污能力（kg/m3表示）大。 （2）产水能力[m3/(m2·h)或m/h表示]高。 适合以上条件的过滤池才能保证处理水的质量。 过滤时水流方向：从上向下的下向流（保持过滤速度和较好的反冲效果）： 滤料粒径上细下粗 （孔隙上小下大） 滤料粒径下粗上细 （反冲洗；双层或多层滤料） 悬浮物截留表面，底层未充分利用； 滤层含污能力低，使用周期短 砂和无烟煤两者粒径的选择重要（混层（10cm）） www.themegallery.com

32. 3．垫层 为了防止过滤时滤料进入配水系统，以及冲洗时能均匀布水，在滤料层和配水系统之间设置垫层（承托层）。 垫层应满足下列要求： （1）在高速度水流反冲洗的情况下应保持不被冲动。 （2）要形成均匀的孔隙以保证冲洗水的均匀分布。 （3）材料坚固，不溶于水。 一般采用天然卵石或碎石。选择的最小粒径为2mm。最大粒径32mm。 www.themegallery.com

33. （三）过滤的工艺过程 过滤的工艺过程基本上由两个过程组成，即过滤和冲洗两个循环的过程。 过滤为生产清水的过程；而冲洗是从滤料表面冲洗污物，使之恢复过滤能力的过程。 水流方向相反（冲洗称为反冲或反洗） 冲洗的效果取决于冲洗强度。可采取辅助措施如表面冲洗、空气冲洗和机械冲洗等。 www.themegallery.com

34. 二．其它过滤器 （1）砂滤棒（砂芯）过滤器： 清洗或更换（消毒） 用水量较少，原水中硬度、碱度指标基本合乎要求，只含少量的有机物、细菌及其杂质时。 过滤效果：操作压力、原水水质、砂滤棒的体积。 硅藻土和骨灰等可燃物高温制成 砂滤棒过滤器 www.themegallery.com

35. （2）活性炭过滤器：多孔性物质，吸附作用（气体、臭味、氯离子、有机物、细菌及铁、锰等杂质，除去有机物90%以上）（2）活性炭过滤器：多孔性物质，吸附作用（气体、臭味、氯离子、有机物、细菌及铁、锰等杂质，除去有机物90%以上） 反冲洗和再生 （3）微孔膜过滤器：滤芯为高分子材料的滤膜 （4）钛棒过滤器 （5）化学纤维蜂房式 （6）大孔离子吸附树脂 www.themegallery.com

36. 硬水软化 硬水软化的方法 石灰软化法、离子交换法、电渗析法和反渗透法 www.themegallery.com 饮料用水（包括洗瓶用水、锅炉用水、配制饮料用水、清洗用水、卫生用水）对水的要求很高。特别是配制饮料用水、锅炉用水和洗瓶用水，除了对水的卫生条件要求较高外，对水的硬度要求更高。

37. 1.2.5 石灰软化 在原水总硬度中碳酸盐硬度较高的情况下，在水中加入石灰，可以降低碳酸盐硬度和碱度。 这是加入水中的OH-和Ca2+与水中的HCO3-发生反应的结果。 www.themegallery.com

38. 1.2.5.1 与石灰软化有关的反应 将生石灰CaO配制成石灰乳：CaO+H2O→Ca(OH)2 用石灰乳除去水中的重碳酸钙Ca(HCO3)2、重碳酸镁Mg(HCO3)2和CO2 CO2+Ca(OH)2→CaCO3↓+H2O (a) Ca(HCO3)2+Ca(OH2)→2CaCO3↓+2H2O (b) Mg(HCO3)2+Ca(OH)2→MgCO3+CaCO3↓+2H2O (c) MgCO3+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaCO3↓ (d) 2NaHCO3+Ca(OH)2→CaCO3↓+Na2CO3+2H2O (e) www.themegallery.com

39. 石灰软化的设备（自学） 石灰软化处理水常与混凝、消毒过程同时进行。 www.themegallery.com

40. 石灰软化不适宜于非碳酸盐硬度较高的水的处理。过去曾将石灰—纯碱共同作用，以达到软化目的。但用石灰—纯碱软化，水中固形物的含量不会减少。 因此，非碳酸盐硬度较高的水的处理以采用以下方法为宜。 电渗析 反渗透 离子交换法处理水 www.themegallery.com

41. 1.2.6 电渗析和反渗透（膜分离技术） 1.2.6.1电渗析 纯净水生产 混凝、过滤等预处理 一、电渗析软化水原理: 通过具有选择通透性和良好导电性的离子交换膜，在外加直流电场作用下，根据异性相吸、同性相斥原理，使原水中的离子分别透过阳离子和阴离子交换膜，从而降低水中溶解的固形物，达到净化的目的。 常用于海水和咸水淡化。 www.themegallery.com

42. 电渗析工作原理如图 www.themegallery.com

43. 在阳极: H2O↔ H++OH- 2OH-－2e→[O]+H2O ↓ 1/2O2 Cl-－e→[Cl] ↓ 1/2Cl2 H++Cl-↔ HCl • 在阳极室，由于OH—减少，极水呈酸性，并产生性质非常活泼的初生态氧和氯，这些都会对电极造成强烈腐蚀。所以一定要考虑电极材料的耐腐蚀性。 www.themegallery.com

44. 在阴极: H2O↔ H++OH- 2H++2e→H2↑ Na++OH-↔ NaOH • 在阴极室，由于H+减少，极水呈碱性，当极水中有Ca2+、Mg2+和HCO3—，则与OH—生成CaCO3和Mg(OH)2等水垢，结集在阴极上。同时阴极室还有氢气排出。 www.themegallery.com

45. 二、电渗析器的结构 电渗析器有立式和卧式两种形式，其基本部件是浓淡水室的隔板、离子交换膜、电极、极水隔板、锁紧装置等。 离子交换膜：这是一种由具有离子交换性能的高分子材料制成的薄膜，按透过性能分为阳离子交换膜和阴离子交换膜。 目前常用的阳离子膜为磺酸基型；阴离子膜为季胺基型。 www.themegallery.com

46. 根据离子交换膜制造工艺可分为异相膜和均相膜两种，两种膜的性能对比见表1-6。 表1-6 离子交换膜性能对比 www.themegallery.com

47. 三、水垢的形成和去垢方法 电渗析器运行中，浓水室一侧的阴膜和阳膜面上以及阴极极板上都会出现结垢现象，此现象称沉淀结垢。 消除沉淀的方法： （一）倒换电极：定期倒换，即运行一定时间后把阴极改为阳极，阳极改为阴极。由于电场方向改变，可使已生成的沉淀消除。 （二）定期酸洗：采用浓度1%-2% （一般不超过3%）的盐酸定期酸洗，周期视结垢情况而定。酸洗时间为2-3h，使pH达3-4。 （三）碱洗：当水中含有机杂质时，由于天然水中的有机物一般是阴离子，造成阴膜污染，称为受污。一般每隔几个月用0.1mol/LNaOH溶液清洗。 www.themegallery.com

48. 四、对原水的要求 如果原水中悬浮物较多，会造成隔板中沉淀结垢，增加阻力，降低流量，所以原水水质应符合下列要求(见表1-7)。 表1-7 电渗析处理水时对原水的要求 预处理：混凝、过滤、杀菌，除去杂质 www.themegallery.com

49. 讨论: 电渗析处理水的优缺点 1.通过电渗析法处理的淡水，脱盐率可达到80%以上。 2.优点：耗电少，操作简单，检修较方便，可连续处理，脱盐率较高，设备占地面积小。 3.缺点： 水的利用率低 电渗析过程是靠水中离子传递电流，不可制备高纯水 www.themegallery.com

50. 1.2.6.2 反渗透水处理 • 一、渗透与反渗透 • 理想半透膜：只透过溶剂而不透过溶质的膜 • 渗透：纯溶剂自发流向溶液（低浓度 高浓度） • 反渗透 www.themegallery.com