無菌處理和包裝技術應用現(xiàn)狀
無菌處理和包裝技術誕生于20世紀30年代,至今已有70多年的歷史。在這70多年的發(fā)展過程中,無菌處理和包裝技術跨越了兩個光輝的里程碑。其一是在40年代初美國的馬?。罓枺∕artin-Dole)開發(fā)了馬口鐵罐無菌包裝系統(tǒng)。這個系統(tǒng)使用直接或間接加熱器對食品進行預殺菌,用過熱蒸汽對馬口鐵罐進行殺菌,在用過熱蒸汽殺菌的無菌環(huán)境中完成充填和密封。其二是在60年代初瑞典的羅林琪和雷奇(Loelinge&Regez)為乳品生產開發(fā)了使用過氧化氫對軟性包裝材料進行殺菌的包裝系統(tǒng)。這個系統(tǒng)采用蒸汽直接噴射殺菌牛乳,用過氧化氫殺菌包裝材料。這個系統(tǒng)就是現(xiàn)在的利樂包(TetraPak)無菌包裝系統(tǒng),除了使用蒸汽和過氧化氫作為包裝容器的殺菌劑之外,隨著時間的推進和技術的發(fā)展,相繼開發(fā)了其他許多重要的包裝材料殺菌方法,包括強力紫外線,熱空氣、γ-射線輻照、熱成形等。這些新殺菌方法的開發(fā)和成功應用使無菌包裝系統(tǒng)層出不窮,屢建新功,不僅僅可以使用多種包裝材料和容器,而且適用于不同的包裝容量?,F(xiàn)在,國際上已有30多家公司提供各種不同類型的無菌處理和包裝系統(tǒng)。
目前,國際上80%的零售無菌軟性包裝食品是乳或含乳制品,美國幾乎90%的無菌小包裝(零售容量)是果汁飲料產品。大量(220L)無菌包裝在美國應用十分廣泛,主要應用于番茄漿和果漿制品。
我國無菌包裝技術呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的美好前景,現(xiàn)在已有種類繁多,型號不一的無菌處理和包裝系統(tǒng)。雖然這些系統(tǒng)大部分是進口的,但也有不少國產設備。我國無菌小包裝產品主要是果汁及果汁飲料、乳和含乳材料。大容量無菌包裝產品主要是番茄漿和濃縮果汁,如濃縮蘋果汁等。
今天的無菌處理和包裝技術絕大部分還只能用于生產均質液態(tài)食品。含顆粒狀食品的無菌處理和包裝還有許多研究和開發(fā)工作要做,尤其是低酸性塊狀食品的無菌處理和包裝系統(tǒng)還需要數(shù)年的時間才能在工業(yè)中應用。
盡管如此,無菌處理和包裝技術已在食品工業(yè)中發(fā)揮了重要作用,不愧為一朵燦爛的“藝術之花”。
無菌處理和包裝基本要求
無菌處理和包裝是將預先滅菌的產品在無菌的環(huán)境中充填并密封在無菌容器中的加工技術,無菌包裝產品可以在室溫下長期貯存。
無菌包裝用到三個基本術語:無菌系統(tǒng),無菌處理系統(tǒng)和無菌包裝系統(tǒng)。
無菌系統(tǒng)是指為了生產密封包裝的商業(yè)無菌的產品所需要的整個系統(tǒng),包括產品殺菌系統(tǒng)和包裝系統(tǒng)。
無菌處理系統(tǒng)是指對產品進行殺菌并將無菌產品傳送到包裝設備的系統(tǒng)。
無菌包裝系統(tǒng)包括在無菌條件下將無菌產品充填在無菌容器中并加以密封的所有設備。
無菌處理關鍵技術。無菌處理系統(tǒng),即產品殺菌系統(tǒng)的主要組成有輸送泵、加熱器、保持管、冷卻器、背壓閥和無菌貯罐。由于無菌包裝產品是由泵連續(xù)輸送的,因此無菌包裝產品的殺菌是連續(xù)進行的,因此也稱之為連續(xù)殺菌。
無菌包裝產品連續(xù)殺菌所要求的無菌性與常規(guī)的罐頭食品相同。但無菌包裝產品在裝入容器之前通常采用高溫短時(HIST),甚至超高溫瞬時(UHTST)殺菌。高溫短時和超高溫瞬時殺菌除了與常規(guī)的罐頭食品殺菌相同之外,還有它的特殊性。
目前國際上對高溫短時殺菌還沒有明確的定義,但一般都認為對于pH大于4.6的低酸性食品,溫度138~145℃、時間為1~30s的殺菌方式,是高溫短時殺菌,這也是大多數(shù)無菌包裝低酸食品殺菌常用的工藝規(guī)程。殺菌溫度在150~166℃,時間在0.1~0.01s,稱之為超高溫瞬時殺菌,少數(shù)蒸汽直接噴射加熱的產品殺菌系統(tǒng)有所采用。對于pH≤4.6的酸性食品,溫度93℃~96℃,時間為15~30s,稱之為高溫短時殺菌,更確切地說,應該是高溫巴氏殺菌,這是大多數(shù)無菌包裝酸性食品殺菌系統(tǒng)采用的殺菌規(guī)程。
無菌包裝產品殺菌計算和控制是無菌包裝能否取得成功的關鍵技術之一。無菌包裝產品殺菌計算依賴于殺菌溫度和殺菌時間。如果無菌處理系統(tǒng)采用的是間接式熱交換器,除了產品在高溫下的保持管中取得殺菌值之外,加熱和冷卻過程中也產生一定的殺菌值。這兩部分的殺菌值加起來是整個殺菌過程的殺菌值。
無菌包裝的關鍵技術在于包裝材料或包裝容器的殺菌,無菌性的獲得和保持。為了達到上述兩個目的,對無菌包裝系統(tǒng)關鍵控制點的監(jiān)控和記錄是很重要的。與傳統(tǒng)的生產方式相比,無菌系統(tǒng)的自動記錄和監(jiān)測任務要重得多,這是因為無菌包裝固有技術的復雜性和諸多關鍵因子的關聯(lián)性決定的。
所采用的記錄和監(jiān)測系統(tǒng)的種類取決于生產過程中的各種因子的波動性。例如,預先設定的灌裝速度波動性是很小的,當灌裝速度是關鍵因子時,操作員進行監(jiān)測以保證灌裝速度處在關鍵限值之內。但如果關鍵因子是溫度,情況就大不相同了。由于溫度受很多因素的影響,波動性很大,因此需要溫度自動記錄儀或監(jiān)測儀。
無菌包裝系統(tǒng)的記錄有兩類:一類是生產記錄,另一類是儀表記錄。儀表記錄提供了無菌包裝系統(tǒng)操作狀態(tài)的連續(xù)性記錄。對于自動記錄儀,操作員應保持記錄紙清晰,并標明開始殺菌、生產或殺菌結束、生產結束的時間。如果由于某種原因如殺菌溫度偏低,無菌空氣壓力不足或灌裝出現(xiàn)問題而停止生產,在記錄紙上應標明停止生產以及從新開始生產的時間。生產記錄是無菌系統(tǒng)保持過程中的手工記錄。操作員應該在記錄上寫明事情發(fā)生的時間以及與糾正行動有關的任何信息。
對于無菌貯罐,記錄應表明罐已經過殺菌,罐內無菌空氣的壓力是否正常,如果無菌空氣是由過濾器產生的,則過濾器以及無菌空氣供應系統(tǒng)的殺菌溫度和時間應該監(jiān)控并記錄。記錄還應該表明在生產開始時滿足其他關鍵因子的要求。過濾介質應在適當?shù)臅r間間隔進行更換。
果蔬汁飲料生產時對原料進行沒處理和加熱處理是因為防止渾濁果蔬汁沉淀和分層。在榨汁前后對果蔬原料,或果蔬汁進行加熱處理,破壞果膠酶的活性,嚴格均質脫氣和殺菌操作是防止渾濁果蔬汁沉淀和分層的主要措施。
而今,市面上功能飲料主打的健康、運動、活力等特點廣受上班族和學生的歡迎。
并且隨著年輕人熬夜比例的增加以及上班族工作壓力日益加大,功能飲料的消費場景也逐漸增多,在整個飲料市場中的地位也愈發(fā)重要。
有行業(yè)人士分析表示,健康化、個性化、年輕化、功能化或將成為2020年飲料消費市場的主流需求。
受城鎮(zhèn)化進程加快、居民可支配收入增長以及消費升級趨勢等多重因素的推動,中國軟飲料市場持續(xù)增長。
近年來,功能飲料的概念逐漸被越來越多的人所接受,許多的品牌開始聚焦這一市場。
除了紅牛、卡拉寶、飛活這些國外功能飲料開始進入中國,如東鵬、戰(zhàn)馬、盼盼、農夫山泉、達利園這樣的食品飲料巨頭也躋身這一領域。
近年來,功能飲料是除了軟包裝水外,增長非常迅速的行業(yè),蛋糕越做越大。
根據(jù)相關公開統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,從2011年到2019年,中國功能飲料零售額年均復合增長率達到16%。
若依照這個增速,預計2020年功能飲料零售額將達到1635億元。
其實,與發(fā)達國家相比,我國功能飲料的人均消費量每年僅為0.5公斤,距離人均7公斤的消費量尚有較大空間。
這也從側面反映著我國功能飲料存在巨大的發(fā)展空間。
然而,隨著越來越多企業(yè)入局,功能飲料市場競爭日趨激烈。
從整體來看,新品大多集中在能量飲料領域,趨同化嚴重。
為了尋求改變以應對競爭以及不斷變化的市場環(huán)境,有企業(yè)另辟蹊徑,創(chuàng)變風味尋找新鮮感。
也有企業(yè)迎合國內消費市場需求,一改國外罐裝包裝,采用瓶裝。
據(jù)了解,歐美市場的功能飲料,主要以罐裝為主,但在中國市場,消費者對于飲料的整體習慣還是以瓶裝為主。
因為相較于罐裝,瓶裝飲用、攜帶、保存都方便些。
像農夫、娃哈哈等多元化飲料集團的產品都是瓶裝主打,就目前來看,整個市場仍是瓶裝飲料占據(jù)先進地位。
東鵬特飲洞悉到這一點,功能飲料采用瓶裝,并用自己的策略打開了市場。
不過,為了尋求產品的差異化,該企業(yè)包裝樣式較多,除了功能飲料常用的罐裝外,有瓶裝,也有盒裝,不同于目前一些企業(yè)功能飲料包裝只有罐裝。
當然,同其它飲料一樣,功能飲料包裝離不開飲料包裝機械。
隨著飲料包裝行業(yè)快速發(fā)展,在打破單一的玻璃容器壟斷市場的格局之后,金屬罐裝、塑料瓶裝等相繼出現(xiàn),飲料包裝呈現(xiàn)了多元化發(fā)展趨勢。
飲料包裝多元化發(fā)展趨勢也不斷促進飲料包裝機械的進步,并且隨著市場對無菌、健康等灌裝需求增加,無菌包裝技術在行業(yè)得到應用。
無菌包裝技術主要是在常溫下,整個產品的灌裝和密封是在無菌的環(huán)境中完成。
換一句話說,在無菌的環(huán)境下將無菌的產品灌裝到無菌的包裝容器中,然后進行密封。
相比傳統(tǒng)灌裝,飲料灌裝更安全。
而今國內飲料包裝機械設備廠家都在不斷加強自身設備的技術研發(fā)力度,并致力于飲料包裝技術的開發(fā)應用,例如瞬時殺菌冷灌裝等技術,既可以快速殺菌,又更好地保留產品原有風味,同時不添加任何防腐劑和甜味劑。
目前,國內飲料包裝機械裝備供制造企業(yè)已經在這方面取得了巨大的進步,并在價格及售后服務上具備了很強的競爭實力。
隨著功能飲料市場的進一步規(guī)范和人們對營養(yǎng)和保健意識的增強,功能飲料的比重將有所提高,功能飲料市場前景可期。
不過,功能飲料加工企業(yè)要不斷尋求改變,尋求產品的差異化等,才能更好地應對競爭以及不斷變化的市場環(huán)境,同時還要借助無菌冷灌裝等先進的飲料包裝機械,提高灌裝質量,或將更好地應對提高市場競爭力。
飲料瓶蓋的殺菌及其應用? ? ? ?改革開放以后中國飲料行業(yè)的發(fā)展非常迅速,飲料的品種也從過去單純的碳酸飲料逐步發(fā)展到礦泉水、果汁、果蔬汁飲料和功能性飲料等;灌裝方式也從冷灌裝發(fā)展到現(xiàn)在的熱灌裝、中溫灌裝、無菌冷灌裝等;包裝形式也從單一的玻璃瓶到現(xiàn)在的易拉罐、PET瓶等。針對不同產品和不同的包裝形式,對包裝物瓶蓋的殺菌處理也很關鍵,本文就目前使用的各種飲料瓶蓋殺菌方法進行討論。?
? ? 一、紫外線殺菌?
? ? 微生物受紫外光照射后,其蛋白質和核酸吸收了紫外光譜能量,會導致蛋白質變性,引起微生物死亡。?
? ? 飲料灌裝生產設備中,輸蓋機為壓蓋機或者擰蓋機輸送瓶蓋。在輸蓋機儲料倉的上部或者輸送帶的上部安裝紫外線殺菌燈管,瓶蓋在被輸送的過程中接受紫外線照射,紫外線照射到的地方可以達到較好的殺菌效果。由于瓶蓋的透光性差,紫外線無法穿透瓶蓋照射到瓶蓋的另一側。因此,瓶蓋只能達到部分殺菌,且殺菌的表面是隨機的。為了有針對性地對瓶蓋表面殺菌,在壓蓋機或擰蓋機的瓶蓋下滑道上安裝紫外線殺菌燈,通過此處的瓶蓋已經被整理成方向一致,紫外線照射的一面就是瓶蓋與飲料接觸的一面,有效提高了殺菌效果。?
? ? 紫外線殺菌設備簡單,無需配套設備,成本低,操作管理方便,使用比較廣泛。由于滑道的結構特點及紫外線對微生物的殺滅特性,紫外線殺菌方式一般適合在以下幾類飲料灌裝的瓶蓋中使用:?
? ? 1.碳酸飲料 ? ?碳酸飲料中含有CO2,呈酸性,能抑制微生物的生長,因此碳酸飲料的瓶蓋采用紫外殺菌即能滿足需求。該方法在生產時,批量包裝的新瓶蓋倒入輸蓋機的儲料倉,瓶蓋在輸蓋機的儲料倉內或輸送帶上接受紫外線的照射殺菌;還可以在擰蓋機下蓋滑道上設置紫外線殺菌燈,讓瓶蓋的內表面接受紫外線的照射殺菌,殺菌后直接輸往擰蓋機。?
? ? 2.礦泉水飲料 ? ?國家對礦泉水的生產制定了比較嚴格的規(guī)定,其中對礦泉水的菌落總數(shù)、霉菌計數(shù)和大腸桿菌都嚴格限制為零。無論是否經過過濾殺菌處理的礦泉水,其總細菌數(shù)、霉菌計數(shù)和大腸桿菌數(shù)都必須符合國家標準。由于礦泉水中只含無機鹽,不含微生物營養(yǎng)源,缺少供微生物生產發(fā)育的營養(yǎng)成分,因而對其瓶蓋也可以采用紫外線殺菌。?
? ? 3.高溫灌裝的茶飲料、果汁飲料 ? 茶飲料和果汁飲料中存在著各種微生物(細菌、霉菌和酵母等),飲料的殺菌就是要殺滅這些微生物。目前一般都采用高溫短時殺菌法,也稱瞬時殺菌法。高溫灌裝是讓經過瞬時殺菌后的飲料冷卻在85℃~92℃之間的一個溫度區(qū)間進行灌裝,飲料瓶選用結晶耐熱的熱灌裝瓶,瓶蓋選用耐85℃的耐熱瓶蓋,灌裝方式采用滿瓶灌裝,灌裝壓蓋(或擰蓋)后增加倒瓶裝置:瓶身傾倒90°~180°,利用飲料自身的高溫對瓶蓋內部進行殺菌處理。因此瓶蓋的前期處理也可以采用紫外線殺菌。?
? ? 二、熱水噴沖殺菌?
? ? 加熱殺菌法是食品保藏的最傳統(tǒng)方法之一。微生物細胞若被加熱至一定溫度,細胞內的生理活性物質(例如酶蛋白質、核蛋白質、脫氧核糖核酸等)會發(fā)生變性和鈍化,從而失去活性死亡。把微生物殺死的加熱溫度和時間,按微生物的種類、細胞生理狀態(tài)、細胞濃度等的不同有明顯不同。對于殺滅具體一個菌種,提高殺菌溫度可以縮短加熱時間,降低溫度需要延長加熱時間,溫度太低,則對某些耐熱菌種就起不到殺菌效果。?
? ? 熱水噴沖殺菌就是利用噴嘴對瓶蓋多方向噴射熱水,在進行殺菌的同時也去除瓶蓋內外表面的灰塵。該方法在生產時,理蓋后的瓶蓋按一致方向在瓶蓋通道內行進,在通道的上下方設置多組噴嘴,噴嘴對前進的瓶蓋進行多方位熱水噴沖,熱水的溫度就是殺菌溫度,接受噴沖的時間就是殺菌時間。?
? ? 金屬蓋由于其耐高溫,噴沖的熱水溫度可以超過85℃,噴沖時間可以隨著熱水溫度提高而減少;對于塑料瓶蓋,噴沖熱水溫度一般控制在85℃。熱水殺菌后需要對瓶蓋噴無菌空氣,促使瓶蓋的干燥。?
? ? 熱水噴沖殺菌需要提供熱水和無菌空氣,需要相應的配套設備,生產時會消耗熱能和少量水資源,為其配套的是常用的通用設備。熱水噴沖殺菌可以用于高溫灌裝的茶飲料和果汁飲料的瓶蓋處理,也可用于礦泉水的瓶蓋殺菌。?
? ? 三、臭氧殺菌?
? ? 臭氧具有極強的氧化性質,它可以直接破壞病毒的核糖核酸或脫氧核酸并將其殺滅。臭氧也可以損傷細菌、霉菌類微生物的細胞膜,抑制其生長,并進一步滲透破壞膜內組織,直至細菌、霉菌類微生物死亡。臭氧溶解于水,在濕度大的環(huán)境里殺菌效果非常好,也可以利用臭氧水對瓶蓋進行殺菌。有關臭氧水殺菌將在后面討論。臭氧的濃度越大殺菌效果越好,在臭氧濃度為4.0mg/m3時,殺菌時間一般需要45分鐘到1小時。?
? ? 由于臭氧殺菌需要的時間很長,對于具備一定生產能力的自動化飲料生產線來說,如果既要滿足殺菌效果又要讓瓶蓋殺菌過程在殺菌設備內連續(xù)完成的話,殺菌設備需要做得非常龐大。實際生產過程中,瓶蓋臭氧殺菌是在具備一定生產能力的自動化飲料生產線上,在較大的密封空間里放置一定量的瓶蓋,然后對瓶蓋所在的空間充填一定濃度的臭氧并保持一段時間。放置的瓶蓋數(shù)量以維持生產所需瓶蓋數(shù)量而定。殺菌后的瓶蓋存放時間越長,受污染的危險越大,所以一般存放時間不超過一周。殺菌后的瓶蓋需要與外界隔離,待輸蓋機需要瓶蓋時送往輸蓋機。?
? ? 目前,直接采用臭氧殺菌的獨立設備多見于小型柜式瓶蓋殺菌柜。這種瓶蓋殺菌柜的殺菌空間小、生產能力小、間隔生產、非自動化。使用這種臭氧殺菌柜時,需要人工把殺菌的瓶蓋搬出殺菌柜放入輸蓋機,容易造成瓶蓋的二次污染。因此,臭氧殺菌只適合非自動化生產線,或對瓶蓋有一定殺菌要求的小型生產線。?
? ? 四、殺菌水殺菌?
? ? 殺菌水中存在不穩(wěn)定元素,它們會自行分解。殺菌水殺菌就是利用這個分解過程(氧化過程)對物體表面的微生物進行氧化,從而達到殺菌目的。?
? ? 常見的具有強氧化性的物質有:過氧乙酸、臭氧水和氯水,臭氧的瞬時殺菌性質優(yōu)于氯。目前,飲料瓶蓋殺菌的殺菌水基本采用過氧乙酸和臭氧水,其中絕大多數(shù)為過氧乙酸。殺菌水的濃度越大,需要的殺菌時間也相應縮短。對于65℃2000PPM的過氧乙酸,通過30秒~60秒時間殺菌,可以使瓶蓋達到商業(yè)無菌的要求。由于殺菌水的殺菌時間短、殺菌效果好,被廣泛應用于果蔬汁飲料的瓶和蓋殺菌。利用殺菌水對飲料瓶蓋進行殺菌的方式主要有噴沖式和浸泡式。?
? ? 1.噴沖式 ?是采用多組噴嘴,對瓶蓋的多個方向噴射殺菌水進行瓶蓋表面殺菌,瓶蓋接受噴射的時間應保證微生物能被完全殺滅。具體方法為:經過理蓋后的瓶蓋方向一致地進入瓶蓋軌道,在軌道的上下方設有多組噴頭,每組噴頭可以從不同角度對瓶蓋噴射殺菌水,噴射的殺菌水既對瓶蓋進行殺菌也推動瓶蓋沿著軌道前行。?
? ? 利用過氧乙酸作為殺菌水時,殺菌水噴沖后的瓶蓋需要接受無菌水的沖洗,以去除瓶蓋上殘留的過氧乙酸,使之殘留量低于相關標準;無菌水沖洗后再用無菌空氣吹干瓶蓋。?
? ? 利用臭氧水作為殺菌水時,由于臭氧水分解后的產物是水和氧氣,不存在任何有害的殘留物質,理論上無需對瓶蓋再作處理,但實際生產過程中,由于瓶蓋殺菌機出口與旋蓋機距離很近,無法使殘留臭氧完全分解,因此,瓶蓋經過臭氧水殺菌后還需要經過無菌水沖洗和無菌空氣吹干處理。?
? ? 由于噴射水的直線性,無菌水噴沖殺菌可以用于礦泉水瓶蓋殺菌,也可以用于茶飲料和果汁飲料熱灌裝時的瓶蓋殺菌。熱灌裝采用滿瓶灌裝,灌裝旋蓋后倒瓶加熱瓶蓋,進行內部殺菌處理。?
? ? 2.浸泡式 ?是把飲料瓶蓋完全浸泡在殺菌水中,使瓶蓋的所有內外表面都接受殺菌水殺菌,浸泡時間應滿足瓶蓋完全殺菌的時間要求。一種方法是:方向一致的瓶蓋固定在瓶蓋架上,瓶蓋架連接在鏈條上,鏈條的運動帶動瓶蓋架進入裝有殺菌水的殺菌池內并使瓶蓋完全浸泡在殺菌水中,浸泡的時間應滿足完全殺菌的時間要求。與噴沖殺菌方式一樣,殺菌水浸泡后的瓶蓋同樣需要無菌水的噴洗和無菌空氣的噴沖,使瓶蓋既干燥又無菌。?
? ? 采用無菌水殺菌方式時,為其配套的殺菌水、無菌水和無菌空氣需要制作和處理,外圍的配套設備比較多,配套成本高,消耗成本大,管理要求高,因此這種殺菌工藝一般應用于果汁飲料的無菌冷灌裝。?
? ? 五、電解液殺菌?
? ? 電解是利用惰性電極在液體中通電,其陽極發(fā)生氧化反應,陰極發(fā)生還原反應。目前國外有關人員已經研究利用完全除鹽的飲用水與氯化鈉稀溶液發(fā)生電化反應,在陽極區(qū)得到殺菌效果好于傳統(tǒng)殺菌水的殺菌液。如果把電解原理直接用于瓶蓋殺菌,就可以大大降低運輸和倉儲成本,省時省力,安全有效。?
? ? 總結?
? ? 分析以上各種瓶蓋殺菌方式,可以根據(jù)不同飲料的成分特性和品質要求,選用不同的蓋殺菌工藝,如表中所示:?
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