概述 

    自從1961年世界首臺用過氧化氫殺菌的利樂包無菌灌裝機(jī)問世至今，無菌灌裝技術(shù)已發(fā)展到日臻完善的程度，它已成為集機(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、計算機(jī)通訊等多項高新技術(shù)于一體的高端技術(shù)^[1]，并隨著現(xiàn)代技術(shù)與日俱進(jìn)地不斷發(fā)展。就紙塑無菌包裝機(jī)而言，有立式和臥式，在線成形紙盒和預(yù)成型紙盒，包裝形式也從最早的多面體包裝發(fā)展到具有不同容量的磚形紙盒包裝和屋頂包裝，式樣更為新穎并盡可能地適合消費者的心理。PET瓶因質(zhì)輕、透明、不易破碎、可再循環(huán)而得到迅速發(fā)展。從熱灌裝發(fā)展到無菌灌裝使PET瓶的優(yōu)點得到了充分的發(fā)揮，無菌灌裝技術(shù)的應(yīng)用使瓶器成本降低的同時瓶型更為多樣化，可以實現(xiàn)從PET原料直接制瓶并在線無菌灌裝，使整體成本進(jìn)一步降低，這些技術(shù)的進(jìn)步與微生物柵欄系統(tǒng)的不斷完善，更立足于安全性，可靠性和環(huán)保是密不可分的。
 
　液體食品滅菌技術(shù)的不斷創(chuàng)新和完善是無菌灌裝技術(shù)裝備得以迅速發(fā)展的重要組成部分。流體控制系統(tǒng)的應(yīng)用使液體食品的殺菌時間、溫度得到了精確有效的控制，從而確保了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和安全。隨著人們對食品營養(yǎng)和色、香、味的追求，希望市售的液體食品、果汁、飲料和牛奶等更接近于食品原有風(fēng)味和營養(yǎng)。多年來，科學(xué)家們?yōu)榇瞬粩嗵剿骱蛯で蟾鼮橄冗M(jìn)的滅菌方法，其中除了經(jīng)典的用蒸汽作為加熱介質(zhì)的HTST和UHT之外，微波殺菌、電阻加熱技術(shù)、高壓殺菌、高壓脈沖電場、無線電波、激發(fā)態(tài)紫外光脈沖殺菌技術(shù)等物理方法的殺菌技術(shù)正在得到深入研究，有的已實現(xiàn)商業(yè)化。 

   以飽和蒸汽為熱源的間壁式UHT系統(tǒng) 

   超高溫殺菌系統(tǒng)（UHT）是由一組管式或板式換熱器、物料罐、維持管、過熱水制備系統(tǒng)和CIP裝置組成^[2]。這些設(shè)備通過管路和性能各異的閥門聯(lián)接成有機(jī)的整體，整個系統(tǒng)由PLC控制以實現(xiàn)自動程序作業(yè)和工藝參數(shù)的自動調(diào)節(jié)。殺菌器的型式依據(jù)液體食品的種類而定。通常，對流動性好的產(chǎn)品多數(shù)采用板式換熱器作殺菌-冷卻器。對粘度較高的產(chǎn)品多數(shù)采用管式換熱器，對更高粘度的產(chǎn)品則使用刮面式熱交換器。管式殺菌器有多套管和多管式兩種型式，前者是由一組不同直徑、帶有波紋的同心圓套管組成，根據(jù)需要可制成3-8個套管，熱介質(zhì)和物料的換熱可以通過一個傳熱面或2個傳熱面進(jìn)行，可以實現(xiàn)逆流操作。多管式殺菌器實際上可以將其視作用180°彎管將多個殼管式換熱器聯(lián)接起來的換熱裝置。它是在一個直徑較大的管子（114-318mm）中裝了7-92根φ 19-38mm的直管，管長3-6m，可實現(xiàn)多程流操作，這是目前使用較多的管式殺菌機(jī)的型式. 

    據(jù)意大利SIG曼茲尼公司介紹，該公司與帕爾馬大學(xué)合作對波紋管和光滑管結(jié)構(gòu)的管式殺菌機(jī)的傳熱進(jìn)行了研究，認(rèn)為對粘度不大的液體食品，如牛奶或果汁，當(dāng)流體處于紊流或湍流流動時，流體在波紋管與光滑管加熱或冷卻時的總傳熱系數(shù)比較接近，流體在波紋管中的壓力降則明顯高于光滑管。對粘稠物料的加熱和冷卻，當(dāng)流體處于過渡流時，波紋管的總傳熱系數(shù)和壓力降均明顯大于光滑管。 

    無線電波殺菌技術(shù) 

    據(jù)SIG曼茲尼公司介紹，該公司與意大利米蘭大學(xué)合作，將無線電波用于液體食品加熱的工業(yè)化裝置已投入實際使用。ART30型裝置已分別用于牛奶和果汁殺菌，其生產(chǎn)能力為3300l/h，殺菌溫度140℃，無線電波的安裝功率為100kw，最大使用熱功率75kw（65000kcal/h）。整套裝置的構(gòu)造與傳統(tǒng)的UHT系統(tǒng)相似，物料罐中的物料先泵入熱回收裝置，然后在無線電波加熱單元中加熱到設(shè)定的殺菌溫度，高溫物料經(jīng)維持管、熱回收裝置并冷卻到灌裝溫度后送到無菌灌裝機(jī)灌裝。
 
　該裝置采用的無線電波的頻率為27.12MHZ被處理的液體食品因受磁場作用使極性分子產(chǎn)生高頻振湯而升溫，其加熱時間只有傳統(tǒng)的過熱水加熱方式的1/100。與食品接觸的材料由聚四氟乙稀制成。采用無線電波殺菌的優(yōu)點是食品受熱均勻，不會在管壁上因過熱而產(chǎn)生污垢，產(chǎn)品的風(fēng)味更接近原料本身。無線電波殺菌技術(shù)可用于帶塊狀物料的果蔬汁、果醬、奶和奶制品,以及對熱敏感的果汁和果漿。 

    微波殺菌 

    微波是指頻率300MHz～300GHz的電磁波，用于食品工業(yè)的微波頻率為915MHz和2450MHz。微波對具有極性分子的液體食品的加熱是物料本身將微波能轉(zhuǎn)化為熱能的結(jié)果。微波殺菌不僅是由于生物體吸收能量轉(zhuǎn)換成熱效應(yīng)的作用，而且還借助其非熱效應(yīng)的作用。微波的非熱效應(yīng)是指生物體在電磁波的作用下雖然不產(chǎn)生明顯的溫升，但可使微生物細(xì)胞的正常代謝功能受到干擾破壞，抑制其生長，甚至停止生長或死亡。微波還能使微生物細(xì)胞的水分活度降低，破壞其生存環(huán)境。應(yīng)用微波可以采用比傳統(tǒng)加熱方法更低的溫度殺滅物料中的微生物^[3]。 

　脈沖微波殺菌主要是利用非熱效應(yīng)，其法是：1、采用瞬時高功率脈沖微波能量而平均功率很低的脈沖微波殺菌技術(shù)，使物體在極短的時間里受到高能量微波照射使細(xì)菌等微生物在極高的電磁場的作用下失去生存能力從而達(dá)到殺菌等目的。2、以毫秒級持續(xù)和停斷時間周期性地切斷連續(xù)波微波功率，使細(xì)胞肌體受到周期性的連續(xù)作用，造成諧振狀態(tài)，導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞膜振破致細(xì)菌死亡。 

    高壓殺菌技術(shù) 

    高壓技術(shù)是將食品置于液體介質(zhì)中，在100-1000MPa的壓力下進(jìn)行處理和加工，在加工過程中使食品中的酶、蛋白質(zhì)和淀粉等高分子物質(zhì)失去活性、變性和糊化，同時破壞微生物的細(xì)胞膜而達(dá)到殺菌之目的[4]。用高壓技術(shù)對食品殺菌避免了熱處理殺菌帶來的一系列加工缺陷，它不會破壞維生素、色素、香味和使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)流失，不會產(chǎn)生熱臭味，并能有效地節(jié)省能源。因此，自從1986年日本東京都大學(xué)林力丸提出了高壓技術(shù)在食品中的應(yīng)用研究報告后立即受到一些發(fā)達(dá)國家的重視，并取得了一定的進(jìn)展。1990年日本用高壓技術(shù)生產(chǎn)的果醬首先在超市出售，其加工工藝是在室溫下將果醬加壓到400-600MPa，保持10-30min。日本的POKKA、WAKAYAMA公司用半連續(xù)高壓裝置對柑桔汁殺菌。美國FMC公司和英國凱氏食品飲料公司也建立了用于果汁、豆奶的殺菌裝置^[5]。我國的一些高等院校和工業(yè)生產(chǎn)部門對高壓技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究還處于實驗階段，至今末見商業(yè)應(yīng)用的報導(dǎo)。兵器工業(yè)集團(tuán)52研究所對含果肉的西瓜汁進(jìn)行了高壓殺菌試驗，產(chǎn)品在常溫下保存的有效期達(dá)6個月。合肥工業(yè)大學(xué)潘見等對密封于雙層聚乙烯塑料袋中的草莓汁進(jìn)行的高壓殺菌試驗表明，在壓力為350MPa、對溫度為29℃的草莓汁加壓3min即可全部殺滅大腸菌群；在350MPa經(jīng)10min可全部殺滅霉菌和酵母^[6]。 

　連續(xù)式高壓殺菌是將液體食品直接泵入壓力容器，由一隔離檔板將壓力介質(zhì)和液體食品分開，介質(zhì)壓力通過隔板傳送給產(chǎn)品，處理完畢產(chǎn)品被泵入無菌罐。為防止污染，采用無菌水作壓力介質(zhì)，以實現(xiàn)高壓殺菌與無菌包裝系統(tǒng)的連續(xù)運行^[4]。 

    無菌灌裝機(jī) 

    自從1976年廣東罐頭廠引進(jìn)第一臺利樂公司的無菌灌裝機(jī)生產(chǎn)菊花茶和番石榴汁至今已經(jīng)歷了近30個年頭，現(xiàn)在全國已有超過400臺紙塑復(fù)合材料包裝的無菌灌裝機(jī)在運轉(zhuǎn)。此外，還有灌注濃縮果蔬汁或原漿的大袋無菌灌裝機(jī)和復(fù)合塑料薄膜包裝的無菌灌裝機(jī)在運營。2001年北京匯源果汁和天津頂新集團(tuán)率先引進(jìn)了5條PET瓶無菌灌裝生產(chǎn)線以來全國共引進(jìn)了17條這樣的生產(chǎn)線。這些無菌灌裝生產(chǎn)技術(shù)裝備的引進(jìn)對推動和發(fā)展我國的飲料工業(yè)起到了促進(jìn)作用，使我國飲料行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)裝備進(jìn)入了國際先進(jìn)行列。 

　無菌灌裝機(jī)的形式取決于包裝材料，就其實現(xiàn)無菌灌裝的關(guān)鍵技術(shù)而言，一臺性能完備的無菌灌裝機(jī)應(yīng)包含對包裝材料滅菌、無菌液體食品輸送、在無菌氛圍中灌注和密封等裝置，此外還應(yīng)具備CIP和SIP的條件。有多種方式對紙塑包裝材料的滅菌。利樂公司的紙塑包裝材料是浸沒在濃度為35%的熱過氧化氫溶液中然后形成圓柱狀卷筒，在高溫條件下將H₂O₂分解的O₃對材料進(jìn)行殺菌，并在充滿O₃的卷筒內(nèi)完成物料灌注和密封的。PKL的康美包則是在成形紙盒中將霧化的H₂O₂充分噴射在紙盒內(nèi)外，再用熱空氣使H2O2分解產(chǎn)生的O₃對紙盒殺菌，同時也造成小環(huán)境中的O₃氛圍，并在此灌裝和密封。作為大袋無菌灌裝的多層薄膜復(fù)合袋是用類似柱塞的塞子將灌注口預(yù)先密封，再以足夠劑量的CO60輻照以殺滅包裝袋中的微生物，在灌裝機(jī)的無菌室里對灌注口外消毒、拔蓋、灌注和密封。早期的無菌室是用鹵素或過氧化物等化學(xué)藥劑進(jìn)行消毒的，而現(xiàn)在已多數(shù)采用飽和蒸汽殺菌，無菌室的容積不足0.01M³。
 
    紙塑包裝材料的缺點是難以再循環(huán)，如果不加以專門回收，對環(huán)境的污染是不言而諭的。近年來，PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）瓶在飲料工業(yè)中的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展，其優(yōu)點除了消費方面的便利外還可以實現(xiàn)制瓶和灌裝的高效生產(chǎn)，材料可再循環(huán)。實現(xiàn)PET瓶無菌灌裝的關(guān)鍵技術(shù)主要是瓶和蓋的殺菌、灌裝密封區(qū)的無菌氛圍的保持，以及灌裝機(jī)本身應(yīng)滿足無菌灌裝的要求。 

    用于瓶器和蓋子殺菌的主要方法是采用化學(xué)藥劑，目前使用較多的是過氧化氫、過氧乙酸和環(huán)氧乙烷等。使用時，將其升溫、霧化、全方位地噴射到瓶器的各個部位，經(jīng)一定的反應(yīng)時間再用無菌水沖洗使瓶內(nèi)的化學(xué)殘留物降到最低程度。 

    高速PET瓶無菌灌裝機(jī)是將瓶器殺菌-沖洗、灌裝和密封設(shè)計成三臺獨立的旋轉(zhuǎn)式機(jī)型，由星形轉(zhuǎn)輪將其連接為組合機(jī)，并被包容在一個龐大的無菌室里，其中灌裝-密封區(qū)的潔凈度達(dá)100級，無菌空氣在無菌室里自上而下作層流流動，呈正壓狀。生產(chǎn)結(jié)束和開機(jī)前用發(fā)泡的消毒劑對無菌室消毒。不少企業(yè)為縮小無菌空間作了努力，如SIG西蒙納西公司將灌裝閥和瓶器傳輸通道收容在只有9m³的潔凈區(qū)域內(nèi)，在回轉(zhuǎn)體與靜止的隔離罩之間采用動態(tài)液體密封，保持無菌區(qū)的正壓操作�？s小無菌區(qū)的好處是降低了消毒劑的用量，節(jié)省了消毒時間，減輕化學(xué)藥劑對操作人員的污染，還便于對無菌室以外的機(jī)械部件進(jìn)行維護(hù)。 

    灌裝機(jī)是無菌灌裝的核心，在機(jī)械構(gòu)件上普遍采用瓶頸夾持輸瓶方式，灌裝口不與瓶器接觸，用電磁流量計或稱重法計量。此外，尤其要保證機(jī)器運行的高度穩(wěn)定性，使其在數(shù)十小時的連續(xù)運行中基本不發(fā)生機(jī)械或控制方面的明顯故障。這就意味著對材料、制造、熱處理、另部件檢驗等等提出了很高的要求。 

    制瓶機(jī)與灌裝機(jī)的聯(lián)線 

    為最大限度減少灌裝過程可能發(fā)生的細(xì)菌污染和包裝材料的物流環(huán)節(jié)，越來越多的企業(yè)采用制瓶與灌裝聯(lián)線的生產(chǎn)方式。目前國內(nèi)引進(jìn)的西帕制瓶機(jī)與博克瑪無菌灌裝機(jī)的組合，PET片材注胚和吹瓶在同一臺機(jī)器上完成，瓶器通過氣流直接送到無菌灌裝機(jī)。SIG集團(tuán)的科伯拉斯與西蒙納西，以及利樂-西得樂集團(tuán)的COMBI系統(tǒng)是用預(yù)制瓶胚為基材，吹瓶機(jī)與灌裝機(jī)直聯(lián)的生產(chǎn)線，在生產(chǎn)線中還可以插入旋轉(zhuǎn)式等離子涂層設(shè)備以增加PET瓶的阻隔性能。為了確保PET瓶的衛(wèi)生安全，利樂-西得樂的超潔凈無菌灌裝系統(tǒng)對送入加熱爐的瓶胚先進(jìn)行預(yù)殺菌，即用紫外線對瓶胚殺菌、再用0.3MPa的無菌空氣對其吹掃和真空吸塵。吹瓶機(jī)與灌裝機(jī)組合為一個機(jī)組。瓶器的殺菌和沖洗是在由4-9個星形輪組成的輪系的傳送過程中完成的。瓶器被星形輪傳送的過程中得到多次消毒和清洗，消毒液以高壓脈沖方式噴射到瓶器內(nèi)外的各個部位，再用120℃熱空氣激活殺菌劑，多工位消毒的優(yōu)點在于一旦個別噴頭堵塞也不會發(fā)生瓶器遺漏消毒的可能性。若干個星輪幾乎呈直線方式排列并被包容在層流流動的百級凈化的無菌空氣中，整個系統(tǒng)的無菌空間只有十幾個立方米。 

    聯(lián)線生產(chǎn)的優(yōu)點是顯而易見的，它首先減少了包裝物的運輸和儲存，使其在最大限度地避免細(xì)菌污染的同時減少了中間費用。 

    國內(nèi)無菌灌裝技術(shù)裝備的進(jìn)展 

    液體食品無菌灌裝是屬于最有發(fā)展前景的包裝技術(shù)領(lǐng)域，新的無菌包裝產(chǎn)品，新的無菌灌裝機(jī)，以及使其應(yīng)用范圍擴(kuò)大的新包裝材料層出不窮，國內(nèi)外眾多的廠商都在為這一領(lǐng)域的發(fā)展開展研究工作。 

    1990年航空部工藝研究所研制成功的大袋無菌灌裝系統(tǒng)標(biāo)志著我國無菌包裝技術(shù)自主設(shè)計的開端。此后，廣東遠(yuǎn)東食品包裝機(jī)械公司推出了2500CPH的磚型紙塑無菌包裝機(jī)。杭州中亞和航空集團(tuán)工藝研究所又分別研制了UHT殺菌奶的塑料薄膜包裝的無菌灌裝裝置。2001年美星順峰報導(dǎo)了該廠與廣東樂百氏集團(tuán)共同研制的36000BPH PET瓶無菌灌裝機(jī)投入試運行以來，合肥中辰、南京輕機(jī)、廊房包裝設(shè)備制造和樂惠集團(tuán)也加快了研制步伐，其設(shè)計、制造和試驗是在十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臍夥罩羞M(jìn)行的。
 
    開發(fā)和研制無菌灌裝機(jī)首先要立足于提高灌裝機(jī)本身各另部件的設(shè)計和制造精度、提高機(jī)器運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和高可靠性，使機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足無菌灌裝的要求，而不是依靠建立一個無菌區(qū)來適應(yīng)機(jī)器的需要。此外，還應(yīng)該注意外圍裝置的配套，如無菌水、殺菌劑、無菌空氣的制備和無菌室的清洗和消毒等。性能優(yōu)良的無菌灌裝技術(shù)裝備是現(xiàn)代科技、現(xiàn)代制造和控制技術(shù)的集中體現(xiàn)，也是一個企業(yè)整體技術(shù)水平的綜合表現(xiàn)。深信在不久的將來我們期待的國產(chǎn)液體食品的無菌灌裝技術(shù)裝備將在我國飲料行業(yè)迅速推廣使用，使我國國產(chǎn)飲料裝備制造水平提升到新的高度。