摘要：探讨新型咖啡和茶饮品通过低温冲泡法和氮气充填法制作过程中的挑战，此文分析了当前制作技术中在低温冲泡负压（真空度或低气压）及氮气充填正压（高气压）自动化控制方面的难题，并提出了相应的解决方案。关键在于通过程序化控制温控冲泡容器的负压和正压，以实现低温冲泡和氮气填充，为新型饮品的直接产出提供所需的真空和压力条件，程序化与自动化的控制手段能满足不同饮品制作的各种真空压力需求。

1. 问题的提出

冷冲泡（Cold Brewing）作为传统咖啡和茶热冲泡的替代方式，已在全球流行多年。由于其独特的质地与风味，深受欢迎。冷冲泡饮品制作基于低温萃取原理，即在真空条件下利用水的低沸点特性进行低气压和低温度的萃取。

此外，近年来兴起的氮气饮品通过高压氮气充填，在冷冲泡后改变了咖啡和茶的质地、风味及视觉效果。

冷冲泡与氮气饮品制作的核心技术在于负压（低气压）及正压（高气压）的形成与精确控制，相关领域已有许多专利：

（1）2019年 CN208909811U 真空萃取冲泡的茶叶座结构，深圳市三维远东科技有限公司：具有真空功能的茶叶萃取冲泡装置；

（2）2019年 CN209423009U 一种真空萃取仪，广州市净宇科学仪器有限公司：具有真空功能的低温萃取装置；

（3）2019年 CN209610844U 真空咖啡机，东莞市欣能电器有限公司：具有真空功能的咖啡冲泡机；

（4）2020年 CN107279331B 一种冷泡茶的制备方法，安徽农业大学：一种24℃下5分钟冷冲泡的茶叶颗粒加工处理方法；

（5）2020年 US10624491B1 真空冲泡饮料装置，Valiquette, Jr., Michael Anthony：带有真空功能的冲泡装置；

（6）2020年 US10863854B2 通过受控真空实现咖啡等饮品的温控及相关系统和方法，Voga咖啡公司：带有真空调节功能的咖啡冲泡机；

（7）2021年 CN113244655A-一种真空膨化快速萃取系统及萃取方法，黄春荣：带真空功能的膨化和快速萃取系统；

（8）2021年 CN214964623U 一种智能真空萃取咖啡机，韦芳芳：具有真空功能可冷热冲泡的咖啡机；

（9）2021年 EP3808185A1 冷泡咖啡提取物及其生产方法，Mastercoldbrewer股份有限公司：多种咖啡冷泡方法；

（10）2021年 US11185087B2 咖啡提取物粉末（速溶咖啡）及其使用智能大容量咖啡冲泡机和对流冷冻干燥装置的制备方法，VINAMIT美国有限责任公司：具有真空度控制的咖啡冲泡和冷冻干燥设备；

（11）2021年 US2021007536A1 冷泡咖啡机，公式133有限责任公司：具有制冷和真空功能的咖啡冷泡机；

（12）2021年 US2021369043A1 真空冲泡饮料机及真空冲泡方法，BKON有限责任公司：具有真空度控制和真空脉冲萃取功能的冲泡方法和设备，真空度控制为静态控制模式；

（13）2022年 CN215427406U 一种全自动真空萃取机用真空萃取槽，苏州易尔斯泰自动化设备有限公司：具有真空功能的真空萃取装置；

（14）2022年 EP3244747B1 具有快速和或多重提取过程特征的咖啡机以及相关系统和方法，Voga咖啡公司：具有初步真空脉冲功能的冲泡方法和咖啡机，真空度控制为静态控制模式；

（15）2022年 US11266160B2 注入氮的可溶性冷冲泡速溶咖啡及其制备方法，雀巢公司：具有真空冷泡功能的冲泡和制备方法。

综观现有的低温冲泡与氮气制作新型饮品的方法，存在以下共性问题：

（1）真空（负压或低气压）控制基本采用静态方式，缺乏精准动态真空控制技术及合理的配套功能和结构设计。

（2）氮气充填过程中所需的高压（正压或高气压）控制，同样缺乏精准控制技术方法。

（3）尚未见到将负压和正压精确控制综合使用以实现低温冲泡和后续氮气充填的成熟技术和设备。

（4）此外，当前新型饮品制作过程中气压控制的自动化能力欠缺，多为手动操作，缺少与温度控制集成的自动化装置，限制了新型饮品的大规模或小规模生产能力。

针对上述新型饮品制作过程中的压力自动化精确控制问题，本文提出了相应的解决方案。核心是对温控冲泡容器进行负压（真空度或低气压）和正压（高气压）的控制，以实现低温冲泡及氮气充填，为新型饮品提供所需的真空压力条件。程序化及自动化的控制手段满足不同饮品的各种真空压力需求。

2. 解决方案

由于新型饮品制作基于低温冲泡法并结合高压氮气充填，其真空压力变化过程是在受控真空环境下先完成低温冲泡，再在高压下完成氮气填充。因此，这一过程需具备真空压力精密程序控制的设备。

为此，需要解决的核心问题是如何实现真空压力的可编程自动控制。本文提出的解决方案结构如图1所示。为了更直观地描述，图1未包含一些所需的进出液管、过滤器、冷凝器和常规阀门等。

图1 真空压力自动控制解决方案结构示意图

图1所示方案能够分别控制饮品容器的真空度和高压压力，采用了真空计和压力计进行相应测量。

在该方案中，针对真空度和压力控制设计了两套闭环控制回路。为了降低成本和减小体积，这两套闭环回路共用进出气阀门和控制器，独立部分则是真空计和压力计。

（1）真空度的自动控制

在真空度控制过程中，首先启动真空泵和高压气源，可选用常压大气。容器的出气速率大于进气速率时，容器内将形成低压真空状态。

然后，控制器根据设定的真空度值或程序及采集的真空计信号进行对比。控制器依据PID控制算法输出控制信号，调节进气和排气阀门的开度，使真空计测量值接近并等于设定值，实现真空度动态控制。

由于不同咖啡和茶叶在低温冲泡中的真空度和变化速度要求不同，控制器需具备可编程功能，阀门应具有快速调节能力。

（2）充氮高压压力的自动控制

在完成真空度控制及低温冲泡后，可进行氮气填充和高压压力控制，关闭真空泵。容器的出气速率小于进气速率时，容器内将形成高压状态。

控制器根据设定的压力值或程序及压力计信号进行对比。依据PID控制算法输出控制信号，调节进气和排气阀门的开度，使压力计测量值接近并等于设定值，实现高压压力动态控制。

由于不同咖啡和茶叶在氮气充填中的压力需求不同，控制器需具备可编程功能，阀门应具有快速调节能力。

为了实现图1所示方案的工程化，配置了相应的真空压力控制系统，具体结构如图2所示。

图2 真空压力自动控制系统结构示意图

图2所示系统主要包括真空压力传感器、电动针阀、双通道真空压力控制器及真空泵等。下面介绍电动针阀和双通道真空压力控制器。

（1）电动针阀

NCNV系列电动针阀由步进电机驱动，具有极小的漏率，适合在真空系统中应用。其最大可耐压至7bar，因此也能用于7bar以下的高压气体控制。电动针阀具有全开到全闭小于1秒的响应时间，很适合小尺寸腔体对真空压力的快速调节要求。采用不锈钢阀体和FKM氟橡胶密封件，也可选用耐强腐蚀的FFKM全氟醚橡胶，可用于各种腐蚀性气体和液体。

（2）双通道真空压力控制器

VPC2021系列双通道真空压力控制器是一种高精度工业PID调节器，具备24AD、16位DA及0.01%最小输出百分比。通过连接外部传感器，可精确控制真空、压力、温度等变量，适用于饮品制作过程中对真空度、压力和温度的精细化控制。独立双通道可用于进气阀和排气阀的闭环控制，PID参考可自整定。关键是其程序控制功能，可编辑和存储多条控制曲线对真空压力进行自动程序控制。

总之，通过本文提出的真空压力控制解决方案及其控制系统，此方法可彻底解决新型咖啡和茶饮品的低温冲泡和氮气充填制作中的真空压力控制问题，实现了程序化与自动化。控制系统功能强大，适用于批量和小批量的新型饮品生产。