冰淇淋
引言
最早的冰淇淋生产年代已无法确切考证。古代文献记载，中国人曾食用一种将果汁与雪混合而成的冷冻食品——即现今的“刨冰”。该技术后来传入古希腊和罗马，成为上层阶级享用的冷冻甜点。
消失数世纪后，多种形式的冰淇淋于中世纪重现意大利，这可能是马克·波罗于1295年从中国返回意大利带回的成果。他在中国呆了约17年，在此期间养成了对乳基冷冻甜品的喜好。17世纪，冰淇淋从意大利传遍欧洲，并长期作为皇室专享的奢侈品。
19世纪末，随着首批机械式冰箱的普及，冰淇淋的工业化生产拉开帷幕。
冰淇淋凝冻机的原理虽于19世纪发明，但直到20世纪初盐水凝冻机及1913年连续式凝冻机的问世，冰淇淋产业才奠定了基础。1929年可控注气的首台连续式凝冻机正式安装运行，自此该行业进入快速发展阶段。
冰淇淋类别
冰淇淋及相关冷冻产品可分为几大类别，但由于各国法规差异，以下分类仅作为参考指南。
冰淇淋的脂肪含量通常决定冰淇淋所属类别：不仅需达到规定脂肪标准方可称为冰淇淋，且在多数情况下脂肪应源自乳品。
一般而言，冰淇淋可按表21.1所列类别划分，但具体分类存在较大差异并受法律条款约束。
市场上还存在其他类别，包括软冰淇淋、奶昔和冰沙，这些冰淇淋在销售点进行冷冻。此外还有冷冻酸奶、软冰淇淋等品类，但其特性与上述五大主要类别无显著差异。
冰淇淋类型
冰淇淋的类型由生产过程中采用的成型工艺决定，包括：
- 模制
将冰淇淋灌入模具。将模具浸入冷冻盐水中，使模具内的物料凝固。脱模后的产品可涂上不同的涂层。 - 灌装
将冰淇淋灌入容器——从小型杯装到餐饮渠道用的大容量装均可。采用灌装技术还可生产平顶甜筒、球顶甜筒等甜筒制品。产品需从灌装生产线转移至速冻隧道，经硬化处理至贮存温度。 - 挤压
将冰淇淋挤压至由链条持续驱动的托盘上。产品被带入速冻隧道，进行速冻后从托盘上转移，进入下游设备实施不同的浸涂加工。
以上三种不同类型的成型方式通常会影响产品本身的质量，因为成型前产品中水分冻结比例越高，冰淇淋品质越优。鉴于模制与灌装均属间歇式流体灌装工艺，要求灌注前水分冻结少，避免因冻结水量过多导致黏度升高，这也会在灌注阀启闭时，引发灌装生产线上的高压积聚现象。相反，挤压属连续式工艺，生产线上不会产生压力积聚，因此能冻结更多水分，实现更优产品质量。
冰淇淋质地
图21.1 冰淇淋的显微镜图像
（A）带脂肪膜的气泡，（B）冰晶和（C）未凝冻相
冰淇淋是一种成分相对复杂的食品，其成品由空气、脂肪、冰晶及未凝冻相这四个独立相态构成。
标准冰淇淋的空气含量约为50%。这些空气在冰淇淋中以微小气泡形式分布，每个气泡均被一层薄薄的脂肪膜包裹固定。气泡与冰晶共同分散在未凝冻相中。
在连续凝冻过程中，冰淇淋浆料中约50%的水分逐渐冻结形成冰晶，导致物料的凝冻浓缩效应——糖、矿物质和蛋白质在液态物料中的浓度显著升高，冰淇淋的黏度也因此大幅提高。黏度升高会作用于物料连续凝冻过程中的物理变化：在气-水相界面发生搅动时，脂肪球形成部分脂肪包裹体。这些部分脂肪会在气泡表面形成一层包膜，并形成冰淇淋结构。
四相的平衡共同决定了冰淇淋的结构特性。若未冻结比例更高的冰淇淋，成品质地会更柔软（也称为“可勺取”）。反之，若未冻结占比较低，则食用温度下的成品质地较硬。这不仅会影响冰淇淋的食用体验，还会影响冰淇淋的生产过程。通过调节凝冻温度平衡各相比例。在凝冻过程中未冻结水会逐步形成冰晶，使得物料的冰点逐渐变低。
由聚结形成的脂肪膜会分隔气泡和未冻结相，从技术上讲，这层膜的强度决定了冰淇淋在加工和贮存过程中是否会发生结构变化。因此，脂肪的正确处理对冰淇淋生产至关重要。通过对冰淇淋浆料进行加工，脂肪被制备成可形成气泡膜的部分聚结体。
冰淇淋原料
冰淇淋的品质取决于原料的类型与配比组成。
脂肪
脂肪约占冰淇淋浆料的4-15%，可为乳脂或植物脂肪。脂肪通过稳定成品的气泡结构增强抗融性，同时提供稠度与口感。
乳脂的使用形态多样，常见的有全脂奶粉、奶油、黄油或无水乳脂（AMF）。乳脂也可通过植物脂肪替代，最常用椰子油或棕榈仁油。
如果使用植物油，至关重要的是必须确保脂肪能够再结晶，即在老化过程中从液态变为固态。连续凝冻过程中，脂肪结晶至关重要，其逐步的聚结作用形成气泡膜。
非脂乳固体
非脂乳固体（MSNF）是去除水分和脂肪后的乳成分，由蛋白质、乳糖和矿物盐组成。
为确保冰淇淋浆料配比平衡，可计算非脂乳固体与水的比率。
该比率称为MSNF系数，被冰淇淋行业广泛用于浆料配方优化和故障排除。
公式 21.1
冰淇淋行业普遍认为该系数应达到17以实现冰淇淋浆料平衡。然而，根据定义，MSNF系数与MSNF的类型和组成无关；若使用非传统MSNF类型，应基于蛋白质类型和含量计算MSNF添加量。
MSNF占冰淇淋浆料原料成本的比重较高，因此MSNF系数也会对经济性产生影响。然而，改变MSNF含量不仅会影响感官性能，还会给加工带来挑战。
MSNF含量对感官性能的影响表现为：MSNF系数过低（低于12左右）时，会导致口感稀薄和乳风味不足。此外，乳蛋白含量降低会导致连续凝冻过程中水合不足。由于蛋白质持水量不足，冰淇淋融化速度会加快，因此在食用时，冰淇淋快速融化会产生冰凉口感。蛋白质持水量不足还会影响连续凝冻过程：凝冻过程中游离水分过快凝冻可能导致凝冻筒内壁形成冰层，引发刮刀滑刀现象。冰层持续增厚的风险在于，当刮刀切入冰层时会导致连续式凝冻机完全停机，需要进行除霜操作。
高MSNF系数能赋予产品浓郁的乳风味，形成“高端冰淇淋产品”的感知。但过高的MSNF系数也可能引发乳糖结晶。正常情况下乳糖不会结晶，但当溶解乳糖的浓度过高时，则存在结晶风险。虽然常规贮存温度下结晶过程缓慢，但若冰淇淋在储运过程中经历温度波动（热冲击），就有可能形成乳糖晶体。由于乳糖晶体难溶于水，因此冰淇淋中若存在乳糖晶体，会呈现沙质口感，且这会明显影响口感。
高MSNF系数还会增强乳蛋白的持水量，从而导致冰淇淋浆料黏度升高。这种高黏度状态会影响其他工艺环节——不仅给板式热交换器的冷却工序带来挑战，在连续凝冻过程中也可能带来难以搅打的风险。
糖类/碳水化合物
往冰淇淋浆料中添加碳水化合物与其他糖类，可增加干物质含量并提供人们食用时更喜爱的甜味。
碳水化合物是糖类的统称，根据其在冰淇淋浆料配方中的功能可分为不同类别：
- 单糖，即右旋糖/葡萄糖和果糖
- 双糖，即蔗糖和乳糖
- 各种淀粉衍生物，即葡萄糖糖浆和果糖糖浆
- 多元醇，即甘油、山梨糖醇、木糖醇和乳糖醇
- 填充剂，即聚葡萄糖、菊粉和麦芽糊精
表21.3中，列出了冰淇淋所用不同配料的相对甜度（Rel S）。所有配料的相对甜度均以蔗糖（糖）为基准（定义为1.0），数值越高表明相同用量下甜度越高。这意味着要达到与1份果糖相同的甜度，需要添加1.9份蔗糖（糖）。
该表还列出了冰点降低系数（FPDF）。所有配料的冰点降低能力均以蔗糖（糖）为基准（定义为1.0），数值越高表明相同用量下冰点降低能力越强。这意味着，例如：要达到与1份果糖相同的冰点降低效果，需要添加1.7份蔗糖（糖）。反之，要达到与1份葡萄糖糖浆42DE相同的冰点降低效果，所需蔗糖（糖）的用量可减少0.3倍。
计算冰淇淋浆料的相对甜度，需将各种配料的相对甜度乘以其添加量，逐项累加获得综合相对甜度值。冰点降低系数的计算采用相同方法。
在示例2（软质）中，2.0%的蔗糖被2.5%的甘油取代，而甘油的冰点降低系数比蔗糖高。对比两例可发现，两例的综合相对甜度均为12.9，这表明两款冰淇淋的感官甜度近似。
两个示例的冰点降低系数存在显著差异，示例1（硬质）在-18℃的食用温度下质地坚硬，而示例2（软质）在相同温度下仍可勺取。这种差异源于食用温度下凝冻水量的不同，示例1（硬质）的冰晶相比例显著高于示例2（软质）。
硬质与软质冰淇淋的差异对加工过程有重大影响。软质型冰淇淋（FPDF<12）在连续凝冻过程中可能会引发问题：连续凝冻过程中水分过快凝冻可能导致凝冻筒内壁形成冰层，引发刮刀打滑现象。冰层持续增厚的风险在于，当刮刀切入冰层时（可能会导致连续式凝冻机完全停机）必须对凝冻机进行除霜操作。
若综合冰点降低系数过高（硬质冰淇淋），产品会因热冲击（储运过程中的温度波动）变得相对不稳定，因为凝冻成冰晶的水量较少。这将导致最小冰晶融化消失后形成较大冰晶，且产品可能会有冰渣感。
综合冰点降低系数过高会给连续凝冻过程带来挑战：需要将冰淇淋浆料温度降至更低才能使凝冻水量达到目标值。若连续凝冻过程中凝冻的水量不足，筒内黏度下降会干扰脂肪的搅打。脂肪搅打不充分则无法形成气泡膜，或只能形成相当薄弱的气孔膜，这样就无法形成冰淇淋的微观结构。
乳化剂
乳化剂是通过降低两相之间的表面张力来帮助乳化的物质。冰淇淋生产中使用的乳化剂类型多种多样，其中主导且最有效的当属单双甘油脂肪酸酯（E471）。
图21.2 单双甘油脂肪酸酯
单双甘油脂肪酸酯由植物油/脂肪产品（甘油三酯）制备而成，通过移除甘油分子上的一个或两个脂肪酸获得。这样产生的分子具有亲脂（“爱脂”）部分和亲水（“爱水”）部分，能在脂肪与水之间建立连接，从而形成水包脂型乳液。
单双甘油脂肪酸酯在冰淇淋加工中具有两大主要功能：一方面促进乳脂或植物脂肪在老化过程中的再结晶，另一方面协助置换脂肪表面膜中的乳蛋白。
单双甘油脂肪酸酯的功能性取决于制备所用的植物油/脂肪来源。例如，葵花籽油和菜籽油会使分子的亲脂部分产生不饱和脂肪酸链。这会在很大程度上影响它们的功能性，其中不饱和单双甘油脂肪酸酯在老化过程中具有更高的再结晶与乳蛋白置换效率。这对冰淇淋产品是有利的，但在老化过程和连续凝冻过程中都会造成工艺挑战。
蛋黄也可作为冰淇淋乳化剂使用，但其成本更高且效率低于单双甘油脂肪酸酯，目前主要用于注重天然成分的产品中。
稳定剂/亲水胶体
稳定剂在冰淇淋应用中兼具多重功能，既体现在加工过程中，也作用于成品上，包括：
- 防止老化过程中的相分离
- 在冰淇淋浆料中结合水，有助于：
- 在连续凝冻过程中提供黏度，即促进脂肪搅打
- 防止水分过快冻结，即降低滑刀风险
- 挤压成型时防止产品与托盘粘连
- 抑制成品中的冰晶生长
- 增加成品黏度，提升食用时的口感
不同稳定剂的组合可赋予成品感官特性与功能的差异化，且多种稳定剂组合时会产生协同增效作用。
风味与颜色
口味和颜色是消费者选择冰淇淋的关键因素，也为生产商提供了打造产品独特印记的机会。
冰淇淋生产
冰淇淋制作中的加工包括不同的阶段：混料、巴氏杀菌、均质、老化，以及凝冻、成型、硬化等进一步加工。
图21.3 冰淇淋生产和进一步加工的各个阶段
混料
混料的目的是在进一步加工前实现所有原料的均匀分布，其本质是通过产生湍流实现干湿原料的高效分散。冰淇淋原料混料技术存在多种形式和层次。
批次式混料
图21.4 批次式混料罐
批次式混料基于配备液体原料（如水、牛奶和奶油）管路的混料罐。液体原料在进入混料罐前，通常经板式热交换器加热至混料温度。
混料罐可配备加热夹套以维持或加热至混料温度。干燥原料通过舱口/人孔手动或半手动添加，罐内搅拌装置完成原料混料。
批次式混料非常灵活，且因所有原料均在同一批次中混合，可追溯性很高。但该系统易受人为错误影响——原料投放过快或混料方案错误均可能引发问题。
此类混料设备能耗也相对较高，混料时间往往长于其他在线混料工艺，从而延误生产过程。
在线混料
在线混料基于多个封闭式水化罐，浆料在粉末漏斗装置上循环流动。水化罐配备液体原料（如水、牛奶和奶油）管路，液体原料在进入水化罐前通常经板式热交换器加热至混料温度。水化罐可配备加热夹套以维持或加热至混料温度。
干料通过粉末漏斗装置加入浆料中，依靠循环过程中的机械处理实现混合。
粉末漏斗常被高剪切混料机取代，这不仅能显著提高原料添加速度，还能最大限度减少浆料中空气的混入。若需完全避免空气混入，可安装真空高剪切混料机以彻底消除浆料中空气混入的现象。
图21.5 使用高剪切混料机进行在线混料
混料方案
虽然还存在其他混料流程，但建议遵循以下最低指导标准：
- 乳清粉/脱脂奶粉替代品应在脂肪添加后加入，以尽量减少泡沫产生。
- 乳化剂与稳定剂应尽可能在流程后期添加，且建议与糖预混（干混）以确保完全分散。
热处理/巴氏杀菌
冰淇淋行业最常用的热处理方式是通过板式热交换器（PHE或HTST）进行连续巴氏杀菌。在3至5个工段加热与冷却冰淇淋浆料，从而灭活致病菌。由于冰淇淋浆料通常具有较高黏度，板式热交换器必须针对这一特定目的进行设计和优化。
热处理分为不同的步骤或在不同工段进行：
- 加热至均质温度（>75℃）并进行均质
- 加热至巴氏杀菌温度（>80℃）并保温（>25秒）
- 冷却至老化温度（<5℃）
在加热过程中，原料和功能性成分也会被激活。
图21.6 板式热交换器
均质
均质是将冰淇淋浆料置于高压下，使其通过静态阀座和对应活塞之间的狭窄开口进行挤压的过程，操作期间采用液压系统施加50-200巴的高压。
图21.7 均质机
为优化连续凝冻过程中形成的气泡脂肪膜结构，并调节脂肪球的蛋白质稳定效果，应根据浆料中脂肪的类型与含量调整均质压力。
下图展示了使用HD100均质设备处理三种不同脂肪类型（即奶油、黄油、植物脂肪/无水黄油）时，推荐采用的一级与二级均质压力范围。压力值对应浆料中的7种不同脂肪含量（2-14%）。
图21.8 均质压力与脂肪含量指南（采用HD100设备）
冰淇淋混料装置
混料加工中的各个单元通常集成于一体化设备中，通过统一的自动化控制系统实现各组件协同运作。
图21.9 冰淇淋混料装置
老化
为进一步处理做好了准备，冰淇淋浆料的老化至关重要。在此过程中，冰淇淋浆料内会发生以下变化：
- 稳定剂水合
- 蛋白质水合
- 脂肪球
- 脂肪球内脂肪再结晶
- 乳蛋白脱离脂肪球膜
必须将冰淇淋浆料在<5℃的温度下缓慢搅拌至少4小时。此阶段为连续凝冻做准备，老化不足会给进一步加工带来巨大挑战，并导致成品出现严重质量缺陷。
图21.10 老化罐
稳定剂与蛋白质的水合
稳定剂需经水合后才能发挥功能，老化不足会导致其持水量下降。
冰淇淋生产可使用多种不同的蛋白质，包括植物蛋白与乳蛋白。大多数蛋白质都需要一定的水合时间才能与水结合。
持水量不足会导致多种工艺缺陷：
- 浆料黏度降低会导致连续式凝冻机内搅打不足，脂肪部分聚结不充分，成品定型性差且更快融化。
- 未结合水的凝冻风险升高，导致凝冻过程中出现滑刀与冻结现象。
- 产品表面湿润，导致挤压成型产品的粘连性增加
- 成品感官性能上的品质缺陷，表现为口感单薄且冰冷感增强。
脂肪球
均质过程中乳化剂进入脂肪球，促进脂肪再结晶（凝固）。脂肪再结晶将乳化剂推至脂肪表面膜，形成单甘油酯层。单甘油酯比蛋白质更能有效降低脂肪与水间的表面张力，从而取代膜上的蛋白质。
图21.11 脂肪球的老化过程
老化前，脂肪球表面被乳蛋白覆盖。老化过程中，乳化剂（单甘油酯）促进脂肪再结晶，推动其向脂肪球膜移动；由于单甘油酯降低了脂肪与水间的表面张力，乳蛋白被置换。脂肪再结晶继续进行，老化结束时，脂肪球内的再结晶脂肪含量增多，且脂肪球膜被单甘油酯层覆盖。
脂肪再结晶继续进行，使再结晶脂肪含量不断增多，进而使脂肪球在后续连续式凝冻机处理中能够发生部分聚结。
脂肪再结晶与蛋白质置换这两个过程对于冰淇淋浆料向成品的转化至关重要，且均发生在老化阶段。老化不足会导致以下缺陷：
- 连续凝冻过程中脂肪过度搅打
- 无法达到膨胀率（空气混合不足）
- 产品定型性差
- 产品表面潮湿/发亮
- 产品过快融化
- 感官品质劣化
因此必须遵守老化参数：至少在低于5℃的温度下老化4小时。
连续凝冻
连续凝冻是冰淇淋生产的核心工艺，直接决定了整条冰淇淋加工生产线的运行效能，因此必须根据冰淇淋浆料的成分匹配正确的操作与参数。
图21.12 连续凝冻过程
连续式凝冻机由一个搅刮器（搅拌装置）构成，其旋转产生机械剪切力，用于加工冰淇淋。搅刮器位于凝冻筒内，筒体外围包裹冷却夹套。在此冷却夹套中，制冷剂（氨、二氧化碳或氟利昂）蒸发时带走能量。
凝冻筒由金属合金制成，优秀的导热性，可将能量从物料侧（内部）输送到制冷剂，从而在制冷剂蒸发时降低筒内温度。当筒内温度下降时，冰淇淋浆料中的水分会凝冻成冰晶，附着在筒体内壁。搅刮器装有刮刀，可刮削筒内形成的冰晶。
随着水分凝冻成冰晶，液相中蛋白质、碳水化合物及添加稳定剂的浓度会因冷冻浓缩效应而上升，黏度也会相应升高。机械剪切力随黏度升高而增强，促使脂肪球发生逐渐聚结（搅拌）。
脂肪的搅打会形成部分聚结脂肪球网络，这些脂肪球会主动向气泡膜移动。当气泡被一层脂肪球包裹后，在机械剪切力的作用下，它们会被分割成更小的气泡。
经过连续凝冻过程后，浆料中约50%的水分被凝冻成晶体，空气被部分聚结的脂肪球包裹（以膨胀率表示）。
下文为连续式凝冻机各组件说明（对应图示标注）：
图21.13 连续式凝冻机（含文中所述组件标记）
1. 进料泵
调节进入连续式凝冻机的冰淇淋浆料流量。
2. 进料流量计
对浆料进行体积计量，并将数据反馈至PLC单元。PLC单元通过调节浆料泵，来确保输送至连续式凝冻机的浆料符合设定流量要求。
3.温度和压力仪表
在通往凝冻筒的进口管路中对浆料进行温度与压力测量。所测压力为筒内压力，即筒压。
4. 进气系统
空气通过止回阀注入筒体。PLC单元根据浆料流量计测得的特定浆料流量，调节空气质量流量计，以添加满足设定膨胀率要求的空气量。
膨胀率指相对于浆料流量的空气添加比例，100%的膨胀率对应含50%空气的冰淇淋成品。
5. 凝冻筒
凝冻筒由四个不同的组件构成：
- 筒体
- 搅刮器
- 刮刀
- 搅拌器（搅拌叶片）
筒体由金属合金制成，优秀的导热性，可将能量从工艺侧（内部）输送到制冷剂，在凝冻过程中为冰淇淋提供最佳冷却效果。此外，筒体设计追求冷却侧最大表面积，以实现冷量传输的最高利用率。筒体内部镀铬，耐磨性更高。
搅刮器（搅拌装置）在凝冻筒内旋转，产生机械剪切力，其额定转速为230-350rpm，具体取决于连续式凝冻机的尺寸。若连续式凝冻机配备主电机转速调节装置，则可调节机械剪切力。
刮刀活动安装在搅刮器上，通过刮削凝冻筒内壁去除因水分凝冻而不断形成的冰晶。
搅拌器（搅拌叶片）固定安装于筒内，对筒内产品进行机械加工。搅拌器有多种设计形式，可实现不同的机械加工效果。
6. 冷却系统
冷却系统可连接至外部冷却系统，或配备自有内部冷却系统。两种系统均基于制冷剂运行，制冷剂的蒸发需要吸收能量。两种系统通过PLC单元对蒸发过程进行差异化控制。
连续式凝冻机的冷却系统根据所处理产品的特性，采用两种不同的控制回路进行调控。
- 黏度测量值以主电机负载百分比表示。筒内黏度升高时，主电机能耗增加，因此可通过主电机负载对连续式凝冻机进行调控。若主电机负载低于PLC设定值，凝冻机会将冷却系统调节至更低温度，从而使更多水分凝冻，黏度随之上升。在连续式凝冻机中，主电机负载设定值以黏度形式表示，并与主电机总负载百分比相关联。此调控适用于大多数应用场景。
- 温度测量值以浆料出口温度（℃）为准。可根据浆料温度（出口温度）对冷却系统进行调控，此时冷却系统以浆料温度为调控目标。此调控适用于主电机负载（黏度）较低的产品，即浆料出口温度较高的情况。
7. 回气阀
回气阀用于控制配备外部冷却系统的连续式凝冻机的冷却系统。回气阀位于连续式凝冻机与冷却系统低压侧之间。当回气阀开启时，蒸发的制冷剂从凝冻机冷却系统（蒸发器）中被抽出，在冷却系统中蒸发并吸收筒体能量。
8. 出料泵
出料泵位于凝冻筒出口处，用于控制筒内压力。
筒压会影响筒内空气的压缩程度。空气压缩既可增加浆料在筒内的处理时间，又能增大冰淇淋浆料与筒壁的接触面积，从而提高凝冻效率。
此外，出料泵可确保灌装生产线可能产生的高背压不会影响凝冻过程。
默认筒压为4巴。筒压通常根据膨胀率进行调整，低膨胀率工况所需的筒压也较低。
9. 主电机
主电机通过皮带传动连接至搅刮器。可通过更换皮带轮获得二级传动来调节主电机转速；若凝冻机配备主电机转速调节装置（VFD），则可通过操作面板调节转速。
10. 主电机转速调节
主电机可通过配备变频驱动器（VFD）来实现搅刮器转速调节。调整搅刮器转速会影响筒内产品的机械剪切力，从而优化凝冻过程。提高搅刮器转速可增强机械剪切力，进而促进脂肪球的部分聚结（搅打），这通常会使产品结构更结实、奶油感更强。然而，搅刮器转速提升会为筒内凝冻过程提供更多能量，这可能会导致过程中凝冻水量减少。
11. 操作面板
操作面板或人机界面（HMI）用于调整和监测PLC单元。主要可调参数包括：
- 浆料流量：含气冰淇淋的体积
- 膨胀率：相对于浆料体积的空气添加比例
- 黏度：凝冻过程的黏度（主电机负载值）
- 出料温度：凝冻工艺出口处的冰淇淋温度
- 筒压：凝冻筒内压力（空气压缩度）
- 主电机转速：搅刮器的旋转速度
图21.14 连续式凝冻机。带刮刀的搅刮器在凝冻筒内旋转
配料添加
图21.16 果粒添加机
连续凝冻完成后，可在进一步加工前向冰淇淋中添加配料。这些配料的尺寸与类型多样。
配料添加单元设置在加工生产线中，负责将凝冻机输出的半凝冻产品与配料混合。
配料添加单元可实现不同程度的自动化。由于配料价值往往高于冰淇淋本身，通过更高程度的自动化来调节其添加量往往是合理的选择，因为这可确保降低配料过量投入的风险。
配料投入料斗后，搅刮器可确保料位均匀并减少结块风险。给料螺杆将配料输送至进料泵。料斗装置通常放置在称重传感器上，通过重量损失调整配料的连续用量，确保投料精度。
图21.17 配料添加与进料泵（旋转叶片泵）的工作原理
进料泵是一个旋转叶片泵，转子上装有三片叶片。连续式凝冻机推动其中输出的产品通过叶片泵，同时料斗输出的配料被持续注入料流中。
在线混料机可确保颗粒在冰淇淋中均匀分布。
图21.15 生产线中添加配料单元
模制工艺
冰淇淋的进一步加工可通过多种方式完成。较简单的方法是将液态浆料或半凝冻产品注入模具，并将模具浸入冷却盐水中。若模具中填充的是半凝冻产品，其黏度必须足够低，以确保产品能顺利流入并填充模具。模具采用微锥形设计，便于产品硬化后脱模。
图21.18 灌装工作原理（以抽壳注芯型产品为例）
图21.19 圆盘型雪糕生产线
模制是一种用途广泛的加工解决方案，能够生产多种不同的产品。
模具浸没在冷却至-40℃至-38℃的盐水溶液中，使模具内的产品冷却冻结。
上图为抽壳注芯型产品的制作示例：首先向模具内注入水冰浆料，其中外层被凝冻。通过真空泵抽吸未凝冻的水冰混合浆料后，再向模具内注入冰淇淋浆料。待产品部分冻结时插入雪糕棒。硬化完成后，产品进入解冻区，在模具外表面喷洒15℃至25℃的温水，从而便于产品脱模。
然后，产品可进行巧克力浸涂、干果喷洒等后续加工，随后经包装、装箱后直接移送至冷库贮存。
模制单元可采用圆形模盘设计，其中模盘可进行动停步进。
模制单元也可采用直线排列设计，其工作区域不受圆盘型雪糕生产线360°的限制，能够生产更复杂的产品。其功能配置与旋转式模制单元完全相同。
图21.20 直线型雪糕生产线
灌装工艺
连续凝冻后的冰淇淋可灌装入不同规格、形状及类型的杯子或容器中，亦可直接灌注于蛋筒内。大多数平顶蛋筒产品在灌装装置上制造，该设备采用动停步进模式。
图21.21 冰淇淋灌装机
平顶冰淇淋甜筒制作流程：
- 插入附带纸套的蛋筒
- 蛋筒压入到位（确保纸套正确放置且保持圆形轮廓）
- 在蛋筒内壁涂覆巧克力涂层
- 灌注冰淇淋
- 在产品顶部添加液态配料
- 在产品顶部添加干性配料
- 可添加其他组分（如巧克力块）
- 放置纸质顶盖
- 密封纸质顶盖
- 产品移出并输送至后续硬化工序
图21.23 带机器人灌装臂的半自动装置
该加工生产线要求产品在进入仓储前，经速冻隧道完成完全硬化。
可采用机器人灌装装置实现灌装。协作式机器人的优势在于无需安全防护装置，因其在被接触时会立即停止移动，还可通过手动示教学习特定灌装模式，从而实现独特样式的灌装。
图21.22 冰淇淋灌装机
挤压工艺
冰淇淋加工中最具挑战性的成型工艺是挤压成型。该工艺不仅需要好的操作员，还需要有适应该技术的冰淇淋配方。挤压可分为垂直挤压与水平挤压两种方式。此外，也有应用时间控制阀采用时序挤压方式生产的挤压类产品。
图21.24 挤压隧道
与模制和灌装技术的分度式作业不同，挤压工艺采用连续流生产方式。由于启闭阀工作时的不连续流特性避免了灌装生产线产生背压，系统可处理黏度更高的物料。这意味着连续式凝冻机中可凝冻更多水分，从而可改善质地并提升冰淇淋成品的品质。
挤压工艺的特点在于能实现各种形状与色彩的组合，且产品具有极高的技术品质。这些产品包括支棒类、趣味娃娃头雪糕、冰淇淋蛋筒、三明治冰淇淋、迷你块及长条冰淇淋等。
图21.25 挤压隧道工作台上的工位
挤压工艺在专用设备上进行，产品成型落在托盘上，托盘在整个过程中连续运行，因此所有操作单元均与托盘运动保持同步。
产品被落置在工作台上的托盘上。工作台上还可完成多种工艺组合，例如：为三明治产品放置上下饼干层、放置蛋筒、在产品顶部添加液态或干性配料以及其他装饰品。根据产能需求，托盘上最多可设置四个挤压工位。
托盘通过链条驱动从工作台至速冻隧道。速冻隧道既可设计为一座隔热库体设备，也可以是利用现有建筑做隔热改造。速冻隧道内布置的蒸发器可将空气温度降至-40℃。
在隧道内，托盘由链条拖动在一个机体框架内循环运转，确保产品获得足够的硬化时间。根据隧道结构及驱动速度差异，该过程通常需要18至25分钟。为增强凝冻效果，隧道内设有风机，利用高风速最大限度地提升产品硬化效率。
当产品中至少80%的水分凝冻为冰晶时即完成硬化，随后载有产品的托盘离开隧道。
图21.26 挤压隧道用速冻隧道内的链条和风机
由于产品在速冻过程中会与托盘粘连，需进行脱盘步骤（产品分离）。此时采用气动锤击装置，在固定产品的同时实现分离。若产品发生位移，则可能无法被正常抓取，导致生产线废品率上升。
最终通过伺服机械臂的抓取装置完成产品转移。
装有夹爪的模条会抓取产品，传送至各个浸涂工位进行处理。
图21.27 用于产品转移的不同抓取装置
根据不同的配置差异，模条携产品下降进入浸涂缸进行浸涂，也可能浸提缸提升浸涂产品。浸涂工艺可从常规的单层巧克力浸涂，延伸至包含多层巧克力、焦糖和/或果酱的复杂产品制作。此类工艺需在不同涂层间采用液氮浸渍处理，以凝冻内层和/或中间层。制作果汁涂层时也需多次使用液氮浸渍工艺。
涂层完成后，产品被输送至下一操作单元，进行独立包装。
包装工艺
图21.28 模条将产品从托盘上转移到浸涂缸位置进行浸涂，凝干后进行包装的浸涂及转移装置
冰淇淋产品可采用纸质材料进行独立包装。这一操作在包装机上完成：产品置于连续运行的包装纸上，包装纸在产品下收拢并密封（纵封），随后沿垂直于纸张走向的方向进行横向密封以及切断（横封），最终使每个产品都实现独立包装。
图21.29 多道包装机
包装过程中，多个传感器通过检测纸张上的光标记号，确保横封线与包装印刷图案精准对位。
图21.30 用于确保产品和横封线与包装纸装饰图案精准定位的光标记号
冰淇淋工厂
图21.31的工厂布局展示了冰淇淋生产中的加工单元布局和产品流。
- 浆料准备
- 老化罐
- 连续式凝冻机
- 大盒灌装
- 蛋筒灌装
- 模制
- 挤压
- 成品装箱
- 贮存
图21.31 每小时产能为5000至10000升生产多种冰淇淋的工厂