在线折光仪蜂蜜甜度在线监测解决方案

在线折光仪蜂蜜甜度在线监测解决方案

蜂蜜的甜来自果糖和葡萄糖。加工车间用来盯过程的量，是它们和其余可溶物叠在一起的折射率，习惯读成白利度（Brix），也叫甜度值、浓度值。水分高，折射率低，甜度值就低；真空浓缩把水蒸走，甜度值往上走。玻璃瓶一旦封口，这一瓶的浓度就改不了。

不少蜂蜜车间仍从罐里舀一勺，用手持折光仪或波美计看一眼。真空浓缩还在出料，勾兑罐还在并批，样品回到桌边时，罐里的浓度已经换过一截。甜度偏低，水分就偏高，成品容易发酵，等级水分也不好过；甜度偏高，多半是浓缩过了头，色泽加深，羟甲基糠醛容易上去，香气也损。结晶蜜如果没融开就取样，读到的是液相，不是整罐。

杭州谱石科技用在线折光仪 OCA-N60 把这个甜度值收成连续曲线。仪表按全反射临界角测量折射率，换算成甜度值和浓度值。机身屏幕同时给出折射率、浓度和温度，同一路信号以 4～20 mA 或 RS485 送入 PLC，供浓缩终点和灌装放行。

测点放在融蜜之后、蜂蜜持续流动的管段。蜂蜜充满管道、漫过棱镜，读数对着当前这一刻的甜度。真空罐里的沸腾液面留给蒸发工序，探头不装进沸腾腔。OCA-N60 的工艺介质温度是 -20～70℃。融蜜、浓缩出料和灌装前保温，都把蜂蜜留在这个温区里再读。

图1  玻璃罐中的蜂蜜、巢脾和取蜜木勺（工况）。巢脾和结晶都要先融开、滤净，流动的蜂蜜才接触棱镜

一、蜂蜜的甜度，沿五道工序变化

一条典型加工灌装线可以收成五步。原料是不同蜜源、不同水分的蜂蜜，有的已经结晶。以“蜂蜜"作为产品名称时，加工过程不加水、不加糖、不加其他甜味剂。砂糖或糖浆一旦加进去，这罐东西就不能再叫蜂蜜。产线上的甜度调节，靠的是浓缩脱水，以及同类型原料蜜之间的勾兑。

1. 融蜜解晶。结晶蜜在夹层罐里缓缓升温。车间常见把温度放在 40～50℃，并避免长时间过高，以免淀粉酶活性掉得太快、羟甲基糠醛升高。结晶溶开、搅拌均匀之后，循环管上的甜度值才代表这一罐原料。没融开就读，晶体贴在棱镜上，分界会乱，读数也不代表整罐水分。

2. 粗滤除杂。融开的蜂蜜通过粗滤，去掉蜡屑、蜂尸和肉眼可见杂质。蜡膜贴上棱镜，临界角就读不准。测点放在粗滤之后、泵后稳流段，让清蜜不断更新镜面。

3. 真空浓缩。水分偏高的原料进入低温真空浓缩。负压下水的沸点下降，蒸发温度常见放在大约 45～60℃。这是甜度的主控工序。出料管上的表观甜度进入窗口，就停止浓缩。蒸过了头，甜度值还会往上走，色泽和羟甲基糠醛往往一起变差。已经落在窗口里的原料蜜，不必再进浓缩罐。

4. 精滤与勾兑。精滤去掉细小颗粒。不同批次、同一类型的蜂蜜按甜度勾兑，把浓度收到同一窗口，灌出去的口感才一致。勾兑循环管是第二主控点。这里只允许用蜂蜜勾蜂蜜。用水把甜度调低，或用糖浆把甜度调高，都不再是这条产线上的蜂蜜加工。

5. 灌装与封口。灌装前蜂蜜一般仍保持温热，以便在管道和灌装头里流动。缓冲罐出口是最后一道过程关口。表观甜度落在内控上下限内再灌装，窗口外报警并停灌。玻璃瓶封口之后，浓度没有回调的机会。

两套数字分开用。OCA-N60 给出的是折射率换算的表观可溶性固形物。屏幕可以按蔗糖标度显示 Brix，也可以显示现场标定后的浓度，服务浓缩终点和灌装放行。出厂等级里的水分，按 GH/T 18796-2012 引用的折光计法抽样出具，方法写在 SN/T 0852-2000 的 3.4。一级品中，荔枝蜂蜜、龙眼蜂蜜、柑橘蜂蜜、鹅掌柴蜂蜜、乌桕蜂蜜的水分不高于 23%，其他蜂蜜不高于 20%；二级品相应不高于 26% 和 24%。这是等级指标，不是产线要追的某一个点。车间内控窗口通常收得更窄，具体上下限写在本企业工艺里，投用时用本厂过程样品标定。

表观甜度与化验室折光水分反向对应：水分升高，折射率下降，甜度值下降。对应关系在现场标出来。在线 Brix 写进过程曲线，检验报告上的水分仍按折光计法出具。

现行食品安全国家标准 GB 14963-2011 的理化表考核果糖和葡萄糖（不低于 60 g/100g）、蔗糖（桉树蜂蜜、柑橘蜂蜜、紫苜蓿蜂蜜、荔枝蜂蜜、野桂花蜜不高于 10 g/100g，其他蜂蜜不高于 5 g/100g），方法是 GB/T 18932.22 液相色谱。水分不列在这张表上。折光仪分不开果糖、葡萄糖和蔗糖，也看不出掺入的糖浆。果糖比葡萄糖更甜，洋槐蜜、椴树蜜入口更清甜，这种差别来自糖的种类，不来自同一次 Brix。羟甲基糠醛、淀粉酶活性和碳-4 植物糖仍按 GB/T 18932.18、GB/T 18932.16、GB/T 18932.1 抽样。GH/T 18796-2012 里碳-4 植物糖不得大于 7%，这项靠同位素法。在线甜度只负责把各瓶浓度拉齐。

图2  五道工序与五个甜度测点：融蜜循环、粗滤后清蜜、浓缩出料、勾兑循环、灌装前缓冲

二、高糖、高黏、还会结晶，折光仪装在蜂蜜流动的管段

蜂蜜对仪表是四道坎：糖度高，温度要控，蜂蜜黏，结晶和蜡膜会贴镜面。

糖度高，量程要罩住窗口上沿。加工线上的蜂蜜多落在高糖段。同系列里，OCA-N10 的糖度量程到 70% Brix，OCA-N20 到 90% Brix，OCA-N60 到 100% Brix，折射率 1.33299～1.57041。蜂蜜选用 N60，读数留在量程里面。具体上下限写在本厂工艺里，投用时用过程样品标定。

温度分成测量和清洗两段看。折射率随温度变化，同一罐蜜热读和冷读会差一截。探头内置温度传感器，把读数补偿到约定基准，中控比较的才是同一把尺子。工艺介质温度是 -20～70℃，融蜜循环、浓缩出料和灌装前保温落在这段。清洗温度 0～120℃，支持 CIP。清洗温区用来走清洗程序。出厂 Brix 按蔗糖标度做温度补偿，蜂蜜以果糖和葡萄糖为主，温度系数和蔗糖溶液不相同，现场再用本厂不同温度的蜂蜜把读数收到车间认可的甜度。

黏度上来之后，镜面要靠流动更新。四十摄氏度上下的蜂蜜仍然发黏，容易在棱镜上铺成糖膜。膜一旦铺住界面，分界就乱。测点放在泵后稳流段，用卫生卡箍接入，蜂蜜自下而上漫过棱镜，避开罐底死角和停流管。结膜明显的工位，可以加超声波清洗或高压冲洗，清洗周期写进操作规程。

结晶和气泡分开处理。晶体和蜡屑先通过融蜜、过滤解决，再让清蜜接触棱镜。真空出料若夹带闪蒸气泡，复核点放到缓冲之后的满管上。贴住镜面的大气泡，靠流速和安装角度排开。琥珀色不决定临界角。洋槐蜜浅，荞麦蜜深，临界角读的是棱镜与蜂蜜界面的明暗分界，汁色不挪动这道分界。

波美计仍常见于原料收购。它要取样、静置、看温度，结晶和气泡会把密度读歪，读数也送不进 PLC。电导率对矿物和离子敏感，蜜露蜜和花蜜的电导率本来就不同，电导率和甜度不同步。折光法按临界角读取水相里的可溶物，量程覆盖 0.0%～100% Brix，测量不消耗试剂。三种方法都代替不了实验室的掺假检验。

图3  波美密度法、电导率法与折射率法对照。蜂蜜甜度取 OCA-N60：量程到 100% Brix，结晶融开后在满管上测量

三、OCA-N60 怎么把折射率变成能进 PLC 的甜度

杭州谱石科技有限公司从事工业液体浓度在线监测。这条蜂蜜线上用的型号是 OCA-N60 在线溶液浓度分析仪，也就是在线折光仪。它属于 OCA-N10 / N20 / N60 系列，三款都测折射率、温度、浓度和 Brix。N60 的糖度量程是 0.0%～100% Brix，对应高糖蜂蜜。表头为紧凑型圆形结构，面板设有 Mode 键、上下方向键、确认键和返回键，机身 1.14 寸屏分行给出折射率（nD）、浓度和温度。锅边不用开盖取样，就能核对这一刻的甜度。屏上的浓度是过程值，投用后按本厂蜂蜜样品标定成车间认可的甜度。产品资料画面里的数字只说明显示内容，那张画面上的浓度在低糖段，用来展示三行读数。蜂蜜的目标窗口以本厂工艺为准，落在高糖段。

图4  在线折光仪 OCA-N60 表头。屏上同时给出折射率、浓度和温度，浓度值同步以 4～20 mA 或 RS485 送入 PLC。画面中的数值为显示示例，蜂蜜目标甜度按本厂工艺窗口标定

检测原理。高亮度 LED 发出的光经光纤从一侧进入蓝宝石棱镜，到达棱镜与蜂蜜的接触面。蜂蜜折射率不同，全反射临界角就不同，全反射光在棱镜另一侧形成的明暗分界跟着移动。线性阵列 CCD 读取这道分界的位置，每个位置对应一个折射率 nD。探头同时测量界面温度。变送器拿到 nD 和温度后做温度补偿，换算成 Brix、浓度等过程值。测量在管线上原位完成，蜂蜜不进实验室，也不加试剂。

图5  临界角折光：LED 经光纤进入蓝宝石棱镜，CCD 读取明暗分界位置，位置对应折射率，补偿后换算甜度

性能按 OCA-N60 的产品参数选用。糖度 0.0%～100% Brix，折射率 1.33299～1.57041。分辨率：Brix 0.01%，折射率 0.00001，温度 0.1℃。测量精度：Brix ±0.1%，折射率 0.0001，温度 0.5℃。触液材质为 SS316L 加蓝宝石，可选哈氏合金、钛材、钽材。过程连接为紧凑型卡箍，可按管径配 DN25 / DN50 / DN65 / DN80 四通。供电 24V DC，也可选 100～240V AC。信号输出 4～20 mA 与 RS485。触液部分防护 IP68，耐压 ≤1.6 MPa。线缆标准 2 米，可延长。探头在出厂时于折射率约 1.31～1.54（对应 0～100 Brix 的蔗糖标度）范围校准，带温度补偿，并支持现场 RI 校准、自助建模和浓度曲线修正。

蜂蜜的溶质组合与蔗糖标液不同。投用时用本厂不同甜度的过程样品，把折射率标定成车间认可的表观甜度。标定点至少覆盖融蜜后的原料、浓缩出料和灌装前缓冲三个浓度段，并带上这几段的实际温度。换蜜源、换浓缩批次之后重新标定。

推荐测点：

1. 融蜜循环管：结晶溶开之后看原料底浓，决定这一罐进不进浓缩；

2. 粗滤后清蜜管：蜡屑去掉之后再读，作为浓缩进料的浓度；

3. 浓缩出料管：甜度上下限的主控点，到窗口就停止浓缩；

4. 勾兑循环管：同类型原料蜜并批，把批次甜度拉齐；

5. 灌装前缓冲罐出口：封口前的最后一次复核，窗口外停灌。

安装要让蜂蜜充满并漫过棱镜，检测面不朝下。四种接法按工位选。方案 I 从主管引出旁路，前后可以切断，仪表维护时主管继续走料，黏稠的浓缩出料和勾兑循环优先用这一路。方案 II 直接装在管道上，接口少，后期把探头切出来清洗比较费劲。方案 III 走流量稳定的测量支路，灌装前复核适合用它。方案 IV 装在罐壁，前提是罐内蜂蜜连续更新镜面，搅拌桨碰不到窗口。带框式搅拌的融蜜罐，桨叶在罐内扫过，探头放在罐外循环管上。出厂按蔗糖标度校准，到现场再用蜂蜜做一次配方标定后投用。

图6  四种安装。蜂蜜的主控点优先走方案 I 旁路或方案 III 稳流支路，蜂蜜自下而上漫过棱镜

图7  金色蜂蜜灌入玻璃瓶（工况）。画面里没有折光仪，甜度在灌装前缓冲管上已经复核，窗口内灌装才连续进行

甜度上限和甜度下限写在 PLC 里。4～20 mA 把甜度变成一路连续电流，模拟量模块按电流比较上下限。RS485 把甜度、折射率和温度一起送进中控，限值可以在画面上改。锅边屏幕与中控看的是同一路浓度。低于下限，继续真空浓缩，或并入水分更低的同类型蜂蜜，不加水、不加糖；高于上限，停止浓缩，不往回加水；灌装前仍越限，灌装停下，蜂蜜留在罐里处理。

图8  折射率经温度补偿和配方标定后进入 PLC。低于下限继续浓缩或并入更浓的蜜，高于上限停止浓缩，窗口外停灌

四、甜度进中控之后，瓶子怎么被拉齐

浓缩段看终点。出料甜度还低于下限，保持真空浓缩；曲线进入窗口，停止浓缩。终点由曲线判断。手持折光仪和波美计改作抽查、原料收购核对和标定对照。

勾兑段看窗口。这是把不同批次拉到同一口感的主回路。循环管读数低于下限，并入更浓的同类型蜂蜜；高于上限，并入水分略高、仍符合原料要求的同类型蜂蜜。调节对着当前读数做。读数进窗口后，再去灌装。

灌装段看放行。缓冲罐出口的表观甜度落在已经收窄的上下限内，灌装才允许进行。窗口外报警并触发停灌，偏稀的蜜和浓缩过度的蜜留在罐里，不进玻璃瓶。同一条灌装线上的产品，甜度用的是同一个放行条件。封口速度再快，各瓶浓度仍落在同一个窗口里。

图9  玻璃瓶旋盖包装（工况）。封口之前甜度已经落在同一个上下限里，封口之后浓度不再回调

图10  瓶装灌装线（工况）。画面为灌装设备，甜度复核在灌装前的缓冲管上完成，窗口内才往下灌装

每一罐的甜度和温度留在历史曲线里。工艺员可以回看融蜜、浓缩、勾兑和清洗对读数的影响。出厂水分、糖组成、羟甲基糠醛、淀粉酶、碳-4 植物糖和微生物仍按相应标准抽样。在线值负责把过程拉齐，出厂报告按标准方法出具。

杭州谱石科技可按测点勘察、卫生卡箍配套、配方标定和 PLC 通讯调试交付。原料蜜、浓缩出料和灌装前的蜂蜜，按介质温度和结膜情况分别建立浓度模型。结膜明显的管段，配套超声波清洗或高压冲洗。

让每一瓶蜂蜜的甜度，都在线、在控、在同一个灌装窗口里。