[发明专利]液体饮料生产过程中现场测定其核心组分精确含量的方法和装置

说明书

本专利披露一种能够在液体醇类饮料生产过程中在线精确测量其核心组分的方法和装置这类测量能够有效提供及时的信息，大大提高品牌质量控制水平，降低生产成本. 

液体醇类饮料的口感和价值通常是由其中少量核心组分的含量所决定的.例如，对啤酒来说，核心组分是溶解状态的乙醇和二氧化碳；对白酒和果酒，是溶解状态的乙醇；对碳酸饮料是溶解状态的二氧化碳. 

本专利披露一种基于中红外线内部全反射原理的传感器，可以用于在生产线上同时对上述核心组分进行连续，准确测量.对溶解状态的乙醇，将选取其位于2.70和3.40微米的特征吸收峰并检测其比率.对溶解状态的二氧化碳，将选取其位于4.27微米的特征吸收峰.这种测量的准确率高于99％，并且可以有效排除来自大量存在的溶剂水分子的可能干扰. 

1.技术领域

本发明涉及用红外线光譜仪测量乙醇和二氧化碳的浓度.具体来说，本发明涉及测量乙醇在2.70和3.40微米的特征吸收峰，以及测量二氧化碳在4.27微米的特征吸收峰，来确定其浓度.更进一步，本发明涉及测量乙醇和二氧化碳在液体饮料中的浓度.这类测量是通过内部全反射方式完成的，籍此得以完全排除大量存在的溶剂水分子在上述光谱区段内的吸收，进而实现对乙醇和二氧化碳的高精确度测量.本发明所涉及的测量装置是全固体，无移动部件的小型仪器，可以直接安装在液体饮料的生产线上，对其中的核心组分进行在线连续测量.本发明所涉及的技术和测量装置亦可应用于在运输，储存和消费过程中对液体饮料实施有效的质量控制，品牌识别和监管. 

2.背景技术

酒类饮料中乙醇含量的通用测定方法是采用共沸点方法，即已乙醇的沸点78℃为一端，水的沸点100℃为另一端作出一条工作曲线，然后根据饮料的沸点在该工作曲线上的位置来推断其中的乙醇含量.但是，这项方法涉及蒸流，稀释和取样等复杂程序，精确度低并且耗时.美国专利6200772介绍了一种用聚氨脂薄膜覆盖的电化学装置(1)，以电流测量方式来间接得到乙醇含量.该仪器包括一个13.2厘米X 3.5厘米的探测器和更大尺寸的信号控制解析元件.该方法需要大量溶液取样，响应缓慢，而且要求多次进行温度和压力校正. 

美国专利6990015报告了一种光学方法测量液体饮料(2)，食品和化妆品中的醇类含量.该方 法采用近红外(1100-1300纳米)透射手段来测量醇类的吸收强度并以此定量其浓度.但是该方法面临水分子在相同光谱区间强吸收信号的挑战，难以应用于低醇饮料，比如啤酒.美国专利申请书2009/0321646A1建议用可见-近红外光谱方法来测量储存于原装罐中的酒品乙醇含量(3).但是此方法的灵敏度很低，而且难以区分水分子在相同光谱区段的强吸收信号，同时难以避免某些包装材料对光的反射. 

Ismail等人用红外透射和全反射方法测量了72种酒品的乙醇含量(4).其中的标准偏差为大约0.1％.这类方法的缺陷仍然是在所选择的光谱区段不能有效消除水分子在相同光谱区段强吸收信号的干扰. 

二氧化碳是啤酒的核心成分之一，具有多方面的特殊功效：赋予啤酒可口性，通过降低啤酒的pH值，促进酒花树脂析出，使啤酒的涩味更加柔和.也有利于啤酒芳香气味的散发；具有开胃、通气、清凉、消暑的作用；有利于啤酒泡沫的形成，促进泡沫的均匀性、稳定性和持久性；可以有效阻隔空气中氧分子进入，提高啤酒的抗氧化能力；可抑制杂菌污染，增强啤酒防腐能力，延长啤酒保存期. 

准确测量并控制啤酒里二氧化碳含量对于生产过程中的质量控制和最终产品的口感具有十分必要的意义.到目前为止，饮料行业主要依赖于利用温度-压力关系的方法来间接测量二氧化碳含量.事实上，这是根据一种修饰的亨利定律把温度和压力的测量值转换为二氧化碳的浓度.在计算过程中通常采用一个单一的密度常数和一个单一的二氧化碳溶解度常数，即(错误地)假设所有品牌的啤酒具有相同的密度和二氧化碳溶解度.啤酒行业近年来的变化加剧了这些误差.各类品牌酒精含量不同导致了密度的差异；而在高速瓶装生产线上引入氮气和氧气则破坏了系统中总气压与二氧化碳浓度之间的直接对应关系.所以现在通行的温度-压力测量方法会导致显著的误差. 

美国专利7159443披露了一种间接方法半定量测量液体饮料中溶解状态的二氧化碳浓度(5).该方法把高压下的饮料转移至常压下的管状容器，然后根据溢出气体与剩余液体所占据的管长比例来判断饮料中溶解的二氧化碳浓度.此方法准确性极差.