液体食品无菌灌装技术装备进展及应用

   自从1961年世界首台用过氧化氢杀菌的利乐包无菌灌装机问世至今，无菌灌装技术已发展到日臻完善的程度，它已成为集机电一体化技术，现代化学、物理学、微生物学、自动控制、计算机通讯等多项高新技术于一体的高端技术[1]，并随着现代技术与日俱进地不断发展。就纸塑无菌包装机而言，有立式和卧式，在线成形纸盒和预成型纸盒，包装形式也从最早的多面体包装发展到具有不同容量的砖形纸盒包装和屋顶包装，式样更为新颖并尽可能地适合消费者的心理。PET瓶因质轻、透明、不易破碎、可再循环而得到迅速发展。从热灌装发展到无菌灌装使PET瓶的优点得到了充分的发挥，无菌灌装技术的应用使瓶器成本降低的同时瓶型更为多样化，可以实现从PET原料直接制瓶并在线无菌灌装，使整体成本进一步降低，这些技术的进步与微生物栅栏系统的不断完善，更立足于安全性，可靠性和环保是密不可分的。 

   液体食品灭菌技术的不断创新和完善是无菌灌装技术装备得以迅速发展的重要组成部分。流体控制系统的应用使液体食品的杀菌时间、温度得到了精确有效的控制，从而确保了产品质量的稳定和安全。随着人们对食品营养和色、香、味的追求，希望市售的液体食品、果汁、饮料和牛奶等更接近于食品原有风味和营养。多年来，科学家们为此不断探索和寻求更为先进的灭菌方法，其中除了经典的用蒸汽作为加热介质的HTST和UHT之外，微波杀菌、电阻加热技术、高压杀菌、高压脉冲电场、无线电波、激发态紫外光脉冲杀菌技术等物理方法的杀菌技术正在得到深入研究，有的已实现商业化。 

   以饱和蒸汽为热源的间壁式UHT系统 

   超高温杀菌系统（UHT）是由一组管式或板式换热器、物料罐、维持管、过热水制备系统和CIP装置组成[2]。这些设备通过管路和性能各异的阀门联接成有机的整体，整个系统由PLC控制以实现自动程序作业和工艺参数的自动调节。杀菌器的型式依据液体食品的种类而定。通常，对流动性好的产品多数采用板式换热器作杀菌-冷却器。对粘度较高的产品多数采用管式换热器，对更高粘度的产品则使用刮面式热交换器。管式杀菌器有多套管和多管式两种型式，前者是由一组不同直径、带有波纹的同心圆套管组成，根据需要可制成3-8个套管，热介质和物料的换热可以通过一个传热面或2个传热面进行，可以实现逆流操作。多管式杀菌器实际上可以将其视作用180°弯管将多个壳管式换热器联接起来的换热装置。它是在一个直径较大的管子（114-318mm）中装了7-92根φ 19-38mm的直管,管长3-6m,可实现多程流操作，这是目前使用较多的管式杀菌机的型式. 

   据意大利SIG曼兹尼公司介绍，该公司与帕尔马大学合作对波纹管和光滑管结构的管式杀菌机的传热进行了研究，认为对粘度不大的液体食品，如牛奶或果汁，当流体处于紊流或湍流流动时，流体在波纹管与光滑管加热或冷却时的总传热系数比较接近，流体在波纹管中的压力降则明显高于光滑管。对粘稠物料的加热和冷却，当流体处于过渡流时，波纹管的总传热系数和压力降均明显大于光滑管。 

   无线电波杀菌技术 

   据SIG曼兹尼公司介绍，该公司与意大利米兰大学合作，将无线电波用于液体食品加热的工业化装置已投入实际使用。ART30型装置已分别用于牛奶和果汁杀菌，其生产能力为3300l/h，杀菌温度140℃，无线电波的安装功率为100kw，最大使用热功率75kw（65000kcal/h）。整套装置的构造与传统的UHT系统相似，物料罐中的物料先泵入热回收装置，然后在无线电波加热单元中加热到设定的杀菌温度，高温物料经维持管、热回收装置并冷却到灌装温度后送到无菌灌装机灌装。 

   该装置采用的无线电波的频率为27.12MHZ被处理的液体食品因受磁场作用使极性分子产生高频振汤而升温，其加热时间只有传统的过热水加热方式的1/100。与食品接触的材料由聚四氟乙稀制成。采用无线电波杀菌的优点是食品受热均匀，不会在管壁上因过热而产生污垢，产品的风味更接近原料本身。无线电波杀菌技术可用于带块状物料的果蔬汁、果酱、奶和奶制品,以及对热敏感的果汁和果浆。 

   微波杀菌 

   微波是指频率300MHz～300GHz的电磁波,用于食品工业的微波频率为915MHz和2450MHz。微波对具有极性分子的液体食品的加热是物料本身将微波能转化为热能的结果。微波杀菌不仅是由于生物体吸收能量转换成热效应的作用，而且还借助其非热效应的作用。微波的非热效应是指生物体在电磁波的作用下虽然不产生明显的温升，但可使微生物细胞的正常代谢功能受到干扰破坏，抑制其生长，甚至停止生长或死亡。微波还能使微生物细胞的水分活度降低，破坏其生存环境。应用微波可以采用比传统加热方法更低的温度杀灭物料中的微生物[3]。 

   脉冲微波杀菌主要是利用非热效应，其法是：1、采用瞬时高功率脉冲微波能量而平均功率很低的脉冲微波杀菌技术，使物体在极短的时间里受到高能量微波照射使细菌等微生物在极高的电磁场的作用下失去生存能力从而达到杀菌等目的。2、以毫秒级持续和停断时间周期性地切断连续波微波功率，使细胞肌体受到周期性的连续作用，造成谐振状态，导致细菌细胞膜振破致细菌死亡。 

   高压杀菌技术 

   高压技术是将食品置于液体介质中，在100-1000MPa的压力下进行处理和加工，在加工过程中使食品中的酶、蛋白质和淀粉等高分子物质失去活性、变性和糊化，同时破坏微生物的细胞膜而达到杀菌之目的[4]。用高压技术对食品杀菌避免了热处理杀菌带来的一系列加工缺陷，它不会破坏维生素、色素、香味和使营养物质流失，不会产生热臭味，并能有效地节省能源。因此，自从1986年日本东京都大学林力丸提出了高压技术在食品中的应用研究报告后立即受到一些发达国家的重视，并取得了一定的进展。1990年日本用高压技术生产的果酱首先在超市出售，其加工工艺是在室温下将果酱加压到400-600MPa,保持10-30min。日本的POKKA、WAKAYAMA公司用半连续高压装置对柑桔汁杀菌。美国FMC公司和英国凯氏食品饮料公司也建立了用于果汁、豆奶的杀菌装置[5]。我国的一些高等院校和工业生产部门对高压技术在食品工业中的应用研究还处于实验阶段，至今末见商业应用的报导。兵器工业集团52研究所对含果肉的西瓜汁进行了高压杀菌试验，产品在常温下保存的有效期达6个月。合肥工业大学潘见等对密封于双层聚乙烯塑料袋中的草莓汁进行的高压杀菌试验表明，在压力为350MPa、对温度为29℃的草莓汁加压3min即可全部杀灭大肠菌群；在350MPa经10min可全部杀灭霉菌和酵母[6]。 

   连续式高压杀菌是将液体食品直接泵入压力容器，由一隔离档板将压力介质和液体食品分开，介质压力通过隔板传送给产品，处理完毕产品被泵入无菌罐。为防止污染，采用无菌水作压力介质，以实现高压杀菌与无菌包装系统的连续运行[4]。 

   无菌灌装机 

   自从1976年广东罐头厂引进第一台利乐公司的无菌灌装机生产菊花茶和番石榴汁至今已经历了近40个年头，现在全国已有超过400台纸塑复合材料包装的无菌灌装机在运转。此外，还有灌注浓缩果蔬汁或原浆的大袋无菌灌装机和复合塑料薄膜包装的无菌灌装机在运营。2001年北京汇源果汁和天津顶新集团率先引进了5条PET瓶无菌灌装生产线以来全国共引进了17条这样的生产线。这些无菌灌装生产技术装备的引进对推动和发展我国的饮料工业起到了促进作用，使我国饮料行业的生产技术装备进入了国际先进行列。 

   无菌灌装机的形式取决于包装材料，就其实现无菌灌装的关键技术而言，一台性能完备的无菌灌装机应包含对包装材料灭菌、无菌液体食品输送、在无菌氛围中灌注和密封等装置，此外还应具备CIP和SIP的条件。有多种方式对纸塑包装材料的灭菌。利乐公司的纸塑包装材料是浸没在浓度为35%的热过氧化氢溶液中然后形成圆柱状卷筒，在高温条件下将H2O2分解的O3对材料进行杀菌，并在充满O3的卷筒内完成物料灌注和密封的。PKL的康美包则是在成形纸盒中将雾化的H2O2充分喷射在纸盒内外，再用热空气使H2O2分解产生的O3对纸盒杀菌，同时也造成小环境中的O3氛围，并在此灌装和密封。作为大袋无菌灌装的多层薄膜复合袋是用类似柱塞的塞子将灌注口预先密封，再以足够剂量的CO60辐照以杀灭包装袋中的微生物，在灌装机的无菌室里对灌注口外消毒、拔盖、灌注和密封。早期的无菌室是用卤素或过氧化物等化学药剂进行消毒的，而现在已多数采用饱和蒸汽杀菌，无菌室的容积不足0.01M3。 

   纸塑包装材料的缺点是难以再循环，如果不加以专门回收，对环境的污染是不言而谕的。近年来，PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）瓶在饮料工业中的应用得到了迅速发展，其优点除了消费方面的便利外还可以实现制瓶和灌装的高效生产，材料可再循环。实现PET瓶无菌灌装的关键技术主要是瓶和盖的杀菌、灌装密封区的无菌氛围的保持，以及灌装机本身应满足无菌灌装的要求。 

   用于瓶器和盖子杀菌的主要方法是采用化学药剂，目前使用较多的是过氧化氢、过氧乙酸和环氧乙烷等。使用时，将其升温、雾化、全方位地喷射到瓶器的各个部位，经一定的反应时间再用无菌水冲洗使瓶内的化学残留物降到最低程度。 

   高速PET瓶无菌灌装机是将瓶器杀菌-冲洗、灌装和密封设计成三台独立的旋转式机型，由星形转轮将其连接为组合机，并被包容在一个庞大的无菌室里，其中灌装-密封区的洁净度达100级，无菌空气在无菌室里自上而下作层流流动，呈正压状。生产结束和开机前用发泡的消毒剂对无菌室消毒。不少企业为缩小无菌空间作了努力，如SIG西蒙纳西公司将灌装阀和瓶器传输通道收容在只有9m3的洁净区域内，在回转体与静止的隔离罩之间采用动态液体密封，保持无菌区的正压操作。缩小无菌区的好处是降低了消毒剂的用量，节省了消毒时间，减轻化学药剂对操作人员的污染，还便于对无菌室以外的机械部件进行维护。 

   灌装机是无菌灌装的核心，在机械构件上普遍采用瓶颈夹持输瓶方式，灌装口不与瓶器接触，用电磁流量计或称重法计量。此外，尤其要保证机器运行的高度稳定性，使其在数十小时的连续运行中基本不发生机械或控制方面的明显故障。这就意味着对材料、制造、热处理、另部件检验等等提出了很高的要求。 

   制瓶机与灌装机的联线 

   为最大限度减少灌装过程可能发生的细菌污染和包装材料的物流环节，越来越多的企业采用制瓶与灌装联线的生产方式。目前国内引进的西帕制瓶机与博克玛无菌灌装机的组合，PET片材注胚和吹瓶在同一台机器上完成，瓶器通过气流直接送到无菌灌装机。SIG集团的科伯拉斯与西蒙纳西，以及利乐-西得乐集团的COMBI系统是用预制瓶胚为基材，吹瓶机与灌装机直联的生产线，在生产线中还可以插入旋转式等离子涂层设备以增加PET瓶的阻隔性能。为了确保PET瓶的卫生安全，利乐-西得乐的超洁净无菌灌装系统对送入加热炉的瓶胚先进行预杀菌，即用紫外线对瓶胚杀菌、再用0.3MPa的无菌空气对其吹扫和真空吸尘。吹瓶机与灌装机组合为一个机组。瓶器的杀菌和冲洗是在由4-9个星形轮组成的轮系的传送过程中完成的。瓶器被星形轮传送的过程中得到多次消毒和清洗，消毒液以高压脉冲方式喷射到瓶器内外的各个部位，再用120℃热空气激活杀菌剂，多工位消毒的优点在于一旦个别喷头堵塞也不会发生瓶器遗漏消毒的可能性。若干个星轮几乎呈直线方式排列并被包容在层流流动的百级净化的无菌空气中，整个系统的无菌空间只有十几个立方米。 

   联线生产的优点是显而易见的，它首先减少了包装物的运输和储存，使其在最大限度地避免细菌污染的同时减少了中间费用。 

   国内无菌灌装技术装备的进展 

   液体食品无菌灌装是属于最有发展前景的包装技术领域，新的无菌包装产品，新的无菌灌装机，以及使其应用范围扩大的新包装材料层出不穷，国内外众多的厂商都在为这一领域的发展开展研究工作。 

   1990年航空部工艺研究所研制成功的大袋无菌灌装系统标志着我国无菌包装技术自主设计的开端。此后，广东远东食品包装机械公司推出了2500CPH的砖型纸塑无菌包装机。杭州中亚和航空集团工艺研究所又分别研制了UHT杀菌奶的塑料薄膜包装的无菌灌装装置。2001年美星顺峰报导了该厂与广东乐百氏集团共同研制的36000BPH PET瓶无菌灌装机投入试运行以来，合肥中辰、南京轻机、廊房包装设备制造和乐惠集团也加快了研制步伐，其设计、制造和试验是在十分严谨的气氛中进行的。 

   开发和研制无菌灌装机首先要立足于提高灌装机本身各另部件的设计和制造精度、提高机器运转的稳定性和高可靠性，使机械结构设计满足无菌灌装的要求，而不是依靠建立一个无菌区来适应机器的需要。此外，还应该注意外围装置的配套，如无菌水、杀菌剂、无菌空气的制备和无菌室的清洗和消毒等。性能优良的无菌灌装技术装备是现代科技、现代制造和控制技术的集中体现，也是一个企业整体技术水平的综合表现。深信在不久的将来我们期待的国产液体食品的无菌灌装技术装备将在我国饮料行业迅速推广使用，使我国国产饮料装备制造水平提升到新的高度。

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