概述 

    自從1961年世界首臺(tái)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(dòng)控制、計(jì)算機(jī)通訊等多項(xiàng)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(fèi)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(diǎn)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(shí)瓶型更為多樣化，可以實(shí)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(shí)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(duì)食品營(yíng)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(yíng)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(chǎng)、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(shí)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(gè)系統(tǒng)由PLC控制以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)程序作業(yè)和工藝參數(shù)的自動(dòng)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(duì)流動(dòng)性好的產(chǎn)品多數(shù)采用板式換熱器作殺菌-冷卻器。對(duì)粘度較高的產(chǎn)品多數(shù)采用管式換熱器，對(duì)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(gè)套管，熱介質(zhì)和物料的換熱可以通過一個(gè)傳熱面或2個(gè)傳熱面進(jìn)行，可以實(shí)現(xiàn)逆流操作。多管式殺菌器實(shí)際上可以將其視作用180°彎管將多個(gè)殼管式換熱器聯(lián)接起來的換熱裝置。它是在一個(gè)直徑較大的管子（114-318mm）中裝了7-92根φ 19-38mm的直管，管長(zhǎng)3-6m，可實(shí)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(duì)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(duì)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(dòng)時(shí)，流體在波紋管與光滑管加熱或冷卻時(shí)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(duì)粘稠物料的加熱和冷卻，當(dāng)流體處于過渡流時(shí)，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(shí)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(chǎng)作用使極性分子產(chǎn)生高頻振湯而升溫，其加熱時(shí)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(diǎn)是食品受熱均勻，不會(huì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)，甚至停止生長(zhǎng)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(shí)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(shí)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(chǎng)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(jí)持續(xù)和停斷時(shí)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(shí)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(duì)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(huì)破壞維生素、色素、香味和使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)流失，不會(huì)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(bào)告后立即受到一些發(fā)達(dá)國(guó)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(duì)柑桔汁殺菌。美國(guó)FMC公司和英國(guó)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(guó)的一些高等院校和工業(yè)生產(chǎn)部門對(duì)高壓技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究還處于實(shí)驗(yàn)階段，至今末見商業(yè)應(yīng)用的報(bào)導(dǎo)。兵器工業(yè)集團(tuán)52研究所對(duì)含果肉的西瓜汁進(jìn)行了高壓殺菌試驗(yàn)，產(chǎn)品在常溫下保存的有效期達(dá)6個(gè)月。合肥工業(yè)大學(xué)潘見等對(duì)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(yàn)表明，在壓力為350MPa、對(duì)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(shí)現(xiàn)高壓殺菌與無菌包裝系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行^[4]。 

    無菌灌裝機(jī) 

    自從1976年廣東罐頭廠引進(jìn)第一臺(tái)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(gè)年頭，現(xiàn)在全國(guó)已有超過400臺(tái)紙塑復(fù)合材料包裝的無菌灌裝機(jī)在運(yùn)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(yùn)營(yíng)。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(guó)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(duì)推動(dòng)和發(fā)展我國(guó)的飲料工業(yè)起到了促進(jìn)作用，使我國(guó)飲料行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)裝備進(jìn)入了國(guó)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(shí)現(xiàn)無菌灌裝的關(guān)鍵技術(shù)而言，一臺(tái)性能完備的無菌灌裝機(jī)應(yīng)包含對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)紙盒殺菌，同時(shí)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(duì)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(diǎn)是難以再循環(huán)，如果不加以專門回收，對(duì)環(huán)境的污染是不言而諭的。近年來，PET（聚對(duì)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(diǎn)除了消費(fèi)方面的便利外還可以實(shí)現(xiàn)制瓶和灌裝的高效生產(chǎn)，材料可再循環(huán)。實(shí)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(shí)，將其升溫、霧化、全方位地噴射到瓶器的各個(gè)部位，經(jīng)一定的反應(yīng)時(shí)間再用無菌水沖洗使瓶?jī)?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(jì)成三臺(tái)獨(dú)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(gè)龐大的無菌室里，其中灌裝-密封區(qū)的潔凈度達(dá)100級(jí)，無菌空氣在無菌室里自上而下作層流流動(dòng)，呈正壓狀。生產(chǎn)結(jié)束和開機(jī)前用發(fā)泡的消毒劑對(duì)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(dòng)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(shí)間，減輕化學(xué)藥劑對(duì)操作人員的污染，還便于對(duì)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(jì)或稱重法計(jì)量。此外，尤其要保證機(jī)器運(yùn)行的高度穩(wěn)定性，使其在數(shù)十小時(shí)的連續(xù)運(yùn)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(duì)材料、制造、熱處理、另部件檢驗(yàn)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(guó)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(tái)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(duì)送入加熱爐的瓶胚先進(jìn)行預(yù)殺菌，即用紫外線對(duì)瓶胚殺菌、再用0.3MPa的無菌空氣對(duì)其吹掃和真空吸塵。吹瓶機(jī)與灌裝機(jī)組合為一個(gè)機(jī)組。瓶器的殺菌和沖洗是在由4-9個(gè)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(gè)部位，再用120℃熱空氣激活殺菌劑，多工位消毒的優(yōu)點(diǎn)在于一旦個(gè)別噴頭堵塞也不會(huì)發(fā)生瓶器遺漏消毒的可能性。若干個(gè)星輪幾乎呈直線方式排列并被包容在層流流動(dòng)的百級(jí)凈化的無菌空氣中，整個(gè)系統(tǒng)的無菌空間只有十幾個(gè)立方米。 

    聯(lián)線生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，它首先減少了包裝物的運(yùn)輸和儲(chǔ)存，使其在最大限度地避免細(xì)菌污染的同時(shí)減少了中間費(fèi)用。 

    國(guó)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(guó)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(guó)無菌包裝技術(shù)自主設(shè)計(jì)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(bào)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(yùn)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(jì)、制造和試驗(yàn)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(jì)和制造精度、提高機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和高可靠性，使機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足無菌灌裝的要求，而不是依靠建立一個(gè)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(gè)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(guó)產(chǎn)液體食品的無菌灌裝技術(shù)裝備將在我國(guó)飲料行業(yè)迅速推廣使用，使我國(guó)國(guó)產(chǎn)飲料裝備制造水平提升到新的高度。