減少啤酒包裝總氧

文 / Jorge Ramirez， Jacob Bowland

特別策劃

減少啤酒包裝總氧

文 / Jorge Ramirez， Jacob Bowland

本文闡明了一些個案研究結果，表明設計正確的超純水加熱器能夠改善作業狀況并有助于減少包裝啤酒的包裝總氧（TPO）——許多專家都認為，絕大多數啤酒產品在剛灌裝到容器時，其風味和品質最佳（Bamforth & Krochta，2010），其后，啤酒內氧氣的存在導致了啤酒發生氧化，而氧化是導致啤酒口味、品質和色澤降級的主要促成因素之一。據 Robertson 所述，即使低至 1 ppm的含氧量也會導致啤酒出現明顯可察的口味和色澤問題。氧化還給啤酒貯存期限造成不利影響，本文描述了一種大批量啤酒裝瓶作業超純熱水起泡裝置的實施方式。

整個啤酒釀造過程各個階段都會滲入氧氣。Klein和 Dunand 以氧氣探頭預期檢測范圍為例做了說明，參見表1。Robertson 解釋說，在包裝之前，發酵釀造過程實際上將啤酒氧氣濃度減少至 40～50 ppb。而氧氣主要在灌裝階段摻入，灌裝時空氣會進入包裝，其濃度可達 250～500 ppb。

釀造商采用了多種方式減少瓶裝啤酒含氧量。其目標是將剛包裝完的含氧量降低至 50 ppb 以下，并且致力于盡量長地保持這一濃度（Robertson）。包裝之后，氧氣還會滲透包裝外殼和/或包裝材料進入啤酒。

包裝總氧

對于商品級釀造商來說，常見做法是測量包裝總氧（TPO），然后用此值評估最終包裝啤酒內的含氧量。TPO 當中包括了啤酒液體內的溶解氧以及包裝頂隙內的氧氣量。TOP 計算公式是 TPO = DO + HO，即是 TOP 為 DO（液體內溶解 O2）加 HO（壓蓋前未能除凈的頂隙內 O2）之和。在采取其它工藝測量的同時，連續進行的TPO 測量為釀造商提供了統計上的保證，確保產品滿足質量參數要求，并且確保包裝啤酒在預定貯存期限內保持預期口味、品質和色澤。此外，TPO 測量還提供了定量值，可用于評估裝瓶作業、設備和工藝方面的新改進創意。

表1 整個釀造過程預期氧氣濃度

利用超純熱水降低 TPO

為了降低 TPO，啤酒裝瓶商已經開發了各種方法，用于排出容器內存在的空氣或大氣氧。早先系統包括用于引發起泡的敲瓶器和超聲波振動手段。較近期的系統則嘗試采用 CO2或液氮。

據 Oliver所述，有一種名為噴射的排出啤酒瓶頂隙空氣的方法，這種方法已經證實可靠且容易實現和控制。Oliver 用“就在封蓋置于容器開口之時，一股經常采用無菌熱水的高壓細流體將能量注入到啤酒內部，導致啤酒深處形成的可控氣泡和泡沫升起現象出現在頂隙當中”來描述這種方法。

典型飲料裝瓶裝置示例

為了進一步澄清噴射裝置的工作原理，以下描述了飲料裝瓶裝置的主要組成部分并在圖1當中示出。在典型裝瓶裝置當中，瓶子首先由一臺輸送機運送至清洗站。再由另一臺輸送機送入飲料灌裝機。

常見飲料灌裝機采用旋轉式設計，每個轉子負責收取和夾持1個用于灌裝的瓶子，灌裝作業同時在多個轉子處執行。每個瓶子都裝入預定數量的飲料。灌裝完的瓶子隨后繼續沿飲料裝配廠生產線移動至封瓶站。封瓶站包括一臺噴射裝置和一臺用于每個瓶子壓蓋的裝置。壓蓋后的瓶子隨后進入標簽粘貼站。

噴射起泡裝置詳細介紹

圖2提供了封瓶站內噴射裝置工作方式詳細信息。由于噴射裝置要求采用超純水，首先必須對飲用水進行處理，去除所有可能影響啤酒的物質。釀造商特別關注氯化物、沉淀物和礦物質，因此應當在水進入系統前先去除這些物質，避免給啤酒或設備帶來不利影響。

純化水典型情況下以80～90 psi壓力供應。為了精密控制最終水流，裝置采用高壓泵來控制和保持正確壓力。一臺壓力調節器將供至高壓泵的純水壓力降至25 psi。這樣有助于這臺高壓泵和一臺變頻器（VFD）更準確地獲得140 psi的最終預定壓力。變頻器從一臺壓力傳感器獲得反饋信號。

高壓超純水流經過濾器外殼、流量計、壓力傳感器和超純水加熱器。結果體現為按預定供 應 壓力 140 psi和 190 °F 供 應170～200 mL/min 的經過濾超純水。噴射水經由一條隔熱的管道或短管流入，并通過 1 個 15 mL 噴嘴進行分配并噴入每個啤酒瓶。

圖1 飲料裝瓶裝置主要組成部分

圖2 噴射裝置詳細運行說明

噴射裝置關鍵設計因素

我們的具體個案研究呈現與Oliver 相符的結論。他指出，成功 水 壓 為 1～1.7 Mpa（145～246 psi）， 噴 嘴 尺 寸 為 0.2～0.25 mm（0.008～0.010 英寸）。

壓力、孔板尺寸和離壓蓋機距離均為影響著整體結果的重要參數，并應根據包裝容量、啤酒特性和生產線速度進行調整。最重要的預定目標是可重復性、降低成本和保持高品質。Oliver 還解釋了噴嘴應當定期清理。不符規格的噴嘴會影響氣泡形成，產生不合格的液體損失或導致灌裝液位不正確。

管線內加熱器和設計要素

極少有人注意到噴射裝置管線內電加熱器的作用。釀造行業傳統上集中于使用蒸汽加熱式的噴射器，于是需要配備成本高昂的鍋爐。通過仔細考慮選定管線內加熱器的設計要素，我們發現可以改善正確起泡特性的達成。

工藝純度也需關注。啤酒裝瓶線的每一個組成部分都需要保持在釀造廠級的高清潔度標準和衛生條件。加熱器也不例外。

我們選擇了衛生水平好的不銹鋼加熱器，其特色體現為加熱器與容器之間的接口衛生度好。典型情況下，加熱器采用管螺紋或較為笨重的法蘭，但這兩種連接方式都會形成顆粒物混入和細菌生長。這種衛生的加熱器接口采用了超純保證設計方案，非常易于清潔，并且選擇了一款電拋 光 316 L 不銹鋼加熱器以確保潔凈。

表2 加熱器設計要素和優點

另一項提升工藝純度的設計要素是保持噴嘴盡可能無菌和干燥，最大程度減少裝瓶線的清潔作 業 和 停 運。 加 熱 至 165°F 能夠殺滅細菌和保持噴嘴干燥。加熱器具備在更高溫度下運行的能力，確保在噴嘴嘴尖處也能獲得165 °F 的目標衛生溫度。

另一項顧慮領域就是安全性，特別是當涉及到所使用的壓力容器和加熱器的電氣特性時。我們通過確保加熱器外殼（壓力容器）達到 ASME U-stamp 認證，消除了對壓力容器是否能夠耐受工作壓力的顧慮。通過 ASEME U-stamp認證的容器只能由通過全美認證制造設施生產，并每2年由第三方檢驗員評估工廠質量管理手冊和焊工考試。壓力容器還內置了壓力釋放閥，能防止加熱器內積蓄出不安全的壓力。

通過采用接地加熱器解除了電氣安全顧慮。此外，所選加熱器帶有一個工藝熱電偶，可用于測量液體溫度，并另帶一個嵌在加熱元件內部的過熱保護熱電偶。這個過熱保護擔保能夠比單設冗余液體傳感器更早提供信號給控制電路。更早提供信號讓控制電路有更多時間針對變化條件做出安全反應。

圖3 Heateflex 牌衛生管線內加熱器

液體內氧氣也有可能從可透入空氣的管接頭和管道工程處滲入。但由于液體并無明顯的滲漏現象，這些情況難以察覺。我們選用的加熱器在入口和出口都采用了衛生度好的三葉式管件，提供了可靠密封。

總體上看，所選用的加熱器應當提供恒定可靠的功效，采用衛生的設計方案，并且確保安全。圖3 所示為由 Heateflex 公司面向TPO 減少應用開發的加熱器產品，表2所概述了產品設計要素和優點。

結論

本文展示了超純熱水噴射裝置通過形成正確泡沫特性減少TPO 的基本原理。啤酒內氧氣會導致氧化現象，降低啤酒的口味、品質和色澤。啤酒內氧氣絕大多數在灌裝期間進入過程。

TPO 為啤酒溶解氧和容器頂隙氧氣之和。釀造商采用 TPO 指標來指示其裝瓶工序的質量，并有助于確定產品的預期貯存期限。

研究發現，超純熱水噴射（起泡）裝置能夠降低啤酒裝瓶作業當中的包裝總氧（TPO）。起泡裝置采用經改進的加熱器產品將有助于改進啤酒包裝和減少 TPO。理想的加熱器產品應當包括衛生的接口設計、ASME U-stamped認證容器和一體化安全傳感器和特色。 ●

本文作者系 Heateflex 公司職員。本文來源于《啤酒和飲料工業》國際版。