PET瓶飲料無菌冷灌裝的技術(shù)進(jìn)展

王 鵬

隨著消費(fèi)者越加注重飲料的安全與營養(yǎng)，飲料市場逐漸從微生物不敏感產(chǎn)品例如碳酸飲料，向微生物敏感型產(chǎn)品例如含乳飲料轉(zhuǎn)型；逐漸從包裝主流化向包裝個(gè)性化轉(zhuǎn)型從而帶來了整個(gè)飲料生產(chǎn)工藝的改變。這個(gè)變化過程中的驅(qū)動力包括：國家食品安全方面法規(guī)的強(qiáng)制性要求；含有天然原料飲料的消費(fèi)需求；不含防腐劑飲料的消費(fèi)需求；口感外觀更好的消費(fèi)需求；需要長保質(zhì)期儲存環(huán)境條件的分布經(jīng)濟(jì)學(xué)；瓶子輕量化降低成本的需求；密集的市場營銷驅(qū)動擴(kuò)大范圍的方案以及迎合大容量PET瓶的趨勢等等。

在這樣的條件下，市場上迎來了新的飲料生產(chǎn)工藝—無菌冷灌裝。對比之前的飲料生產(chǎn)工藝，無菌冷灌裝采用了先進(jìn)徹底的清洗殺菌工藝，全自動的生產(chǎn)流程的控制，完善的質(zhì)量監(jiān)控體系，嚴(yán)格的無菌性能驗(yàn)證程序，能夠最大程度地降低微生物的風(fēng)險(xiǎn)，保證生產(chǎn)出來的飲料的安全。

無菌冷灌裝[1]（Aseptic Cold-filling）是指將經(jīng)過滅菌的液體食品在常溫?zé)o菌條件下灌裝、密封在經(jīng)過滅菌的容器中，使食品在保質(zhì)期內(nèi)能在常溫下運(yùn)輸和貯存。無菌冷灌裝的“冷”是相對于熱灌裝來說的，熱灌裝工藝是在85～95℃下進(jìn)行灌裝，而其是在常溫條件下灌裝料液。由于包裝內(nèi)最初已達(dá)到商業(yè)無菌，所以包裝后的食品可在不加防腐劑、不經(jīng)冷藏條件下得到較長的貨架壽命[2]。無菌冷灌裝技術(shù)是一項(xiàng)對食品及藥品的安全性實(shí)現(xiàn)綜合技術(shù)保障的系統(tǒng)工程，集光機(jī)電一體化技術(shù)、現(xiàn)代化學(xué)、物理學(xué)、微生物學(xué)、自動控制、計(jì)算機(jī)通訊等多項(xiàng)高新技術(shù)為一體[3]。無菌冷灌裝生產(chǎn)線不僅需要滿足額定的產(chǎn)能，還必須通過無菌保證水平測試來驗(yàn)證整條生產(chǎn)線是否滿足商業(yè)無菌的要求。無菌工藝，全面反映了整個(gè)生產(chǎn)過程采用無菌工藝生產(chǎn)無菌產(chǎn)品的能力，需要從以下方面進(jìn)行驗(yàn)證：塵埃粒子數(shù)檢測，灌裝環(huán)境的染色測試，沉降菌、浮游菌檢測，涂抹檢測，灌裝環(huán)境的殺菌強(qiáng)度測試，包材的殺菌強(qiáng)度測試，水包測試，LG培養(yǎng)基測試[4]，低酸性產(chǎn)品的批量生產(chǎn)測試等方面驗(yàn)證[5]。無菌生產(chǎn)工藝引入的變量很多，諸如生產(chǎn)區(qū)的設(shè)計(jì)及其設(shè)備布局、生產(chǎn)時(shí)的環(huán)境狀況、所有與生產(chǎn)相關(guān)的設(shè)備及物料的污染狀況、人員操作和衛(wèi)生狀況等，每一個(gè)環(huán)節(jié)對最終產(chǎn)品的質(zhì)量都至關(guān)重要。一旦發(fā)現(xiàn)微生物的污染問題，可通過多種微生物的限量檢測方法來進(jìn)行菌群分析最終找到生產(chǎn)線的問題點(diǎn)[6]。

1 無菌冷灌裝技術(shù)的現(xiàn)狀

PET無菌生產(chǎn)線的國外生產(chǎn)商有克朗斯、西得樂、基伊埃博高瑪、日本Shibuya等，國內(nèi)生產(chǎn)商有樂惠、新美星、廊坊百冠、達(dá)意隆、普華盛等。國外生產(chǎn)商的無菌線的產(chǎn)能一般能達(dá)到48000BPH，Shibuya可達(dá)到72000BPH，機(jī)械效率在90%以上；能源利用率較高；設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定；無菌驗(yàn)證一次通過率高；無菌保證水平較高；低酸性產(chǎn)品的無菌周期可達(dá)72h，高酸性產(chǎn)品的無菌周期可達(dá)120h。國產(chǎn)無菌線發(fā)展水平參差不齊，目前只有樂惠和新美星的無菌線產(chǎn)能達(dá)到30000BPH并且能通過無菌驗(yàn)證，其他廠家的產(chǎn)能一般在18000-24000BPH，且很多不能通過無菌驗(yàn)證，同類產(chǎn)品的無菌周期也比國外的短，能源及化學(xué)品消耗很多。國產(chǎn)無菌線還普遍存在機(jī)械故障率高等問題。但國外生產(chǎn)線設(shè)備一次性投資高，維護(hù)成本高昂，售后服務(wù)周期長。

國產(chǎn)PET無菌冷灌裝生產(chǎn)線獲得無菌物料是通過UHT殺菌；獲得無菌的灌裝空間一般先通過COP/SOP清洗殺菌，再通過HEPA過濾器、風(fēng)機(jī)達(dá)到灌裝環(huán)境的百級要求，還要再通過廢氣塔形成區(qū)域壓差，使得無菌區(qū)的壓力最高來隔絕外界污染；獲得無菌的管路系統(tǒng)先通過CIP清洗，殺菌則根絕管道的實(shí)際情況來定，常壓的使用PAA消毒液法，密閉管路使用蒸汽法和過熱水閥；獲得無菌的包裝容器通過PAA溶液對PET空瓶噴沖，對瓶蓋浸泡或沖洗進(jìn)行殺菌。

PET瓶無菌灌裝生產(chǎn)線工藝流程示意圖

2 無菌冷灌裝的先行技術(shù)

2.1瓶坯干式殺菌技術(shù)

西得樂將PredisTM解決方案和其最新的Sensofill Fma無菌灌裝技術(shù)整合在一臺集吹瓶、灌裝和封蓋為一體的設(shè)備內(nèi)，制造出Combi PredisTM Fma無菌灌裝機(jī)[7]。在克朗斯的Contiform AseptBloc中，瓶坯在紅外烘箱中經(jīng)過加熱，然后在殺菌單元中經(jīng)過氣態(tài)過氧化氫處理，此后直接進(jìn)入無菌設(shè)計(jì)的吹塑單元[8]。容器在無菌條件下進(jìn)行吹塑。瓶子進(jìn)入無菌灌裝機(jī)灌裝，并封上瓶蓋。西得樂和克朗斯使用的瓶坯干式殺菌技術(shù)的原理是用過氧化氫蒸汽在吹瓶機(jī)加熱爐入口處對瓶坯進(jìn)行干式殺菌。殺菌內(nèi)壁光滑的小型瓶坯比不規(guī)則瓶型的瓶子更加有效和簡單，殘留物極少，一般瓶子中的殘留物都低于0.5mg/kg，此外，使用該技術(shù)的無菌灌裝系統(tǒng)還具有節(jié)能、占地面積更小、可用于輕量瓶灌裝等優(yōu)點(diǎn)。由于使用過氧化氫蒸汽對瓶坯進(jìn)行干式殺菌，不需要使用化學(xué)品和水，因此，極大的減少了化學(xué)品和水的使用，在設(shè)備正常使用條件下，每天可節(jié)約用水200－300立方米以及減少150－200升化學(xué)品的使用，并且沒有污水產(chǎn)生。

2.2低速直線型灌裝技術(shù)

在西得樂的Combi PredisTM/CapdisTM FMa低速解決方案的設(shè)計(jì)過程中，使用直線型設(shè)計(jì)，以成熟的干式瓶坯和瓶蓋殺菌技術(shù)為基礎(chǔ)，集吹瓶、灌裝和旋蓋于一體，適用于各種類型的瓶坯和瓶蓋殺菌，減少設(shè)備的占地面積，能憑借超小的占地面積輕松嵌入到新建或現(xiàn)有工廠中。新型飲料產(chǎn)品在大規(guī)模上市前，飲料生產(chǎn)商通常先進(jìn)行小批量生產(chǎn)，以便對這些產(chǎn)品進(jìn)行市場測試并觀察消費(fèi)者的反應(yīng)，然后再進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。這些定位于細(xì)分市場的高端產(chǎn)品必須在低速運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)線上生產(chǎn)。同時(shí)，在產(chǎn)品需求量較小的區(qū)域性市場，低速生產(chǎn)也不失為一種實(shí)用的解決方案[9]。

3 無菌冷灌裝的現(xiàn)行研究

3.1組合式殺菌

多種殺菌方式的組合能起到良好的殺菌效果。例如單獨(dú)采用紫外線對PET 瓶蓋殺菌，由于PET 瓶蓋內(nèi)外表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，殺菌效果一般，有研究成果表明，低濃度過氧化氫溶液+ 高強(qiáng)度紫外線照射結(jié)合使用會產(chǎn)生驚人的殺菌效果[10-11]。劉鳳臣等研究的低濃度過氧化氫噴霧+ 無菌熱空氣+高強(qiáng)度紫外線的PET 瓶蓋殺菌系統(tǒng)，與原有的過氧化氫溶液+ 熱空氣殺菌以及過氧化氫溶液+ 高強(qiáng)度紫外線殺菌方案相比，在殺菌機(jī)理上有所改進(jìn)，殺菌強(qiáng)度明顯增加，同時(shí)，熱空氣蒸發(fā)和紫外線輻射能增強(qiáng)殺菌效果，有效促進(jìn)過氧化氫分解，使得瓶蓋表面無過氧化氫殘留的作用，避免了對飲料口味和飲用者身體的影響，是一種殺菌徹底、耗時(shí)少、無殘留的新型殺菌系統(tǒng)[12]。

3.2電子束輻照殺菌

相比于傳統(tǒng)的食品保鮮方法，電子束輻照不存在放射性污染及農(nóng)、獸藥物殘留等問題，且節(jié)省能源，具有特別顯著的優(yōu)勢[13]。電子束輻照技術(shù)是利用電子加速器產(chǎn)生的低能或高能電子束射線（10MeV以下的電子束），利用高能脈沖直接作用破壞活體生物細(xì)胞內(nèi)DNA或通過間接作用使小分子和水物質(zhì)發(fā)生輻解，形成-OH、-H等活性自由基，與核內(nèi)物質(zhì)作用，發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。目前，已有多家國外廠家使用電子束輻照技術(shù)對PET 空瓶進(jìn)行殺菌并取得了良好效果。國內(nèi)的新美星也已生產(chǎn)出一臺樣機(jī)，具體使用情況不詳。電子束輻照技術(shù)的難道是電子束的穿透能力較弱，對PET空瓶較厚的瓶口處殺菌存在問題。

4 小結(jié)

近年來，世界性的環(huán)境素質(zhì)的下降和人群生活壓力的增加，使得處于亞健康狀態(tài)的人群日漸增多，而同時(shí)隨著生活水平的不斷提高，人們也越來越注重個(gè)人健康問題，受益于中國龐大的人口基數(shù)，功能飲料和植物蛋白飲料的快速增長會值得期待。中國功能飲料市場最近幾年發(fā)展迅速，在2014年取得了17.4%的增長，市場容量達(dá)到109.1億升。在2010年到2014年的5年時(shí)間里，行業(yè)平均增長率達(dá)到28.9%。預(yù)計(jì)到2019年行業(yè)將達(dá)到254.57億升的規(guī)模。植物蛋白飲品正成為飲料市場的亮點(diǎn)，以“天然”及“健康”的概念吸引消費(fèi)者。飲料消費(fèi)量的提升將直接導(dǎo)致飲料生產(chǎn)線的銷售量提升。而無菌冷灌裝生產(chǎn)線適用范圍廣，尤其是熱敏性的中性產(chǎn)品，將會成為最佳的選擇。

PET瓶無菌冷灌裝的客戶普遍追求設(shè)備好用、安全可靠、空間節(jié)約、節(jié)能減排、高性能、低成本。這些要求將引領(lǐng)PET瓶無菌線向以下幾個(gè)方面發(fā)展：

1、向高新技術(shù)集成性和高可靠度的方向發(fā)展。為滿足產(chǎn)品的安全性要求，系統(tǒng)本身的每一個(gè)子系統(tǒng)無不包含著新技術(shù)、新材料、新工藝的成果。為了滿足高可靠性的要求，每一個(gè)子系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到制造，從運(yùn)行實(shí)驗(yàn)到運(yùn)行監(jiān)控，以及信息反饋與補(bǔ)償修正都要融入現(xiàn)代質(zhì)量的理念，達(dá)到設(shè)備固有可靠性與運(yùn)行可靠性相統(tǒng)一。

2、向多個(gè)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展和延伸無菌的概念和要求是醫(yī)學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物。隨著現(xiàn)代微生物學(xué)和應(yīng)用滅菌技術(shù)的發(fā)展，人類對殺滅包括細(xì)菌芽孢在內(nèi)的全部病原微生物和非病原微生物有了更新的認(rèn)識和控制手段。商業(yè)無菌作為評價(jià)食品安全性的技術(shù)指標(biāo)為相關(guān)行業(yè)和市場認(rèn)同。

3、無菌包裝設(shè)備向單一高速型發(fā)展。發(fā)展無菌包裝設(shè)備無論從技術(shù)含量和技術(shù)指標(biāo)要求上都屬于包裝機(jī)械中的高端產(chǎn)品。對于使用廠家而言，這種技術(shù)和資本雙重密集性的設(shè)備定位必須以提高生產(chǎn)效率為方向，而不同于現(xiàn)代包裝機(jī)械向多功能和單一高速型兩極化發(fā)展。從技術(shù)層面上講，高可靠度的裝備向多功能型發(fā)展，將意味著諸多工程技術(shù)中有待解決的問題出現(xiàn)，將加大技術(shù)上的難度。

4、向以技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)化性價(jià)比的方向發(fā)展。雖然無菌包裝有很多優(yōu)點(diǎn)，但是其設(shè)備昂貴令許多企業(yè)望而卻步。國內(nèi)企業(yè)要推動無菌包裝行業(yè)的健康發(fā)展，為市場提供價(jià)格適中，性價(jià)比優(yōu)良的設(shè)備以推動消費(fèi)市場，需要優(yōu)化性價(jià)比來降低投入。因此應(yīng)采用技術(shù)創(chuàng)新，采取集成性與突破性相融合的技術(shù)策略。