PET瓶飲料無菌冷灌裝的技術進展

王 鵬

隨著消費者越加注重飲料的安全與營養，飲料市場逐漸從微生物不敏感產品例如碳酸飲料，向微生物敏感型產品例如含乳飲料轉型；逐漸從包裝主流化向包裝個性化轉型從而帶來了整個飲料生產工藝的改變。這個變化過程中的驅動力包括：國家食品安全方面法規的強制性要求；含有天然原料飲料的消費需求；不含防腐劑飲料的消費需求；口感外觀更好的消費需求；需要長保質期儲存環境條件的分布經濟學；瓶子輕量化降低成本的需求；密集的市場營銷驅動擴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工藝—無菌冷灌裝。對比之前的飲料生產工藝，無菌冷灌裝采用了先進徹底的清洗殺菌工藝，全自動的生產流程的控制，完善的質量監控體系，嚴格的無菌性能驗證程序，能夠最大程度地降低微生物的風險，保證生產出來的飲料的安全。

無菌冷灌裝[1]（Aseptic Cold-filling）是指將經過滅菌的液體食品在常溫無菌條件下灌裝、密封在經過滅菌的容器中，使食品在保質期內能在常溫下運輸和貯存。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℃下進行灌裝，而其是在常溫條件下灌裝料液。由于包裝內最初已達到商業無菌，所以包裝后的食品可在不加防腐劑、不經冷藏條件下得到較長的貨架壽命[2]。無菌冷灌裝技術是一項對食品及藥品的安全性實現綜合技術保障的系統工程，集光機電一體化技術、現代化學、物理學、微生物學、自動控制、計算機通訊等多項高新技術為一體[3]。無菌冷灌裝生產線不僅需要滿足額定的產能，還必須通過無菌保證水平測試來驗證整條生產線是否滿足商業無菌的要求。無菌工藝，全面反映了整個生產過程采用無菌工藝生產無菌產品的能力，需要從以下方面進行驗證：塵埃粒子數檢測，灌裝環境的染色測試，沉降菌、浮游菌檢測，涂抹檢測，灌裝環境的殺菌強度測試，包材的殺菌強度測試，水包測試，LG培養基測試[4]，低酸性產品的批量生產測試等方面驗證[5]。無菌生產工藝引入的變量很多，諸如生產區的設計及其設備布局、生產時的環境狀況、所有與生產相關的設備及物料的污染狀況、人員操作和衛生狀況等，每一個環節對最終產品的質量都至關重要。一旦發現微生物的污染問題，可通過多種微生物的限量檢測方法來進行菌群分析最終找到生產線的問題點[6]。

1 無菌冷灌裝技術的現狀

PET無菌生產線的國外生產商有克朗斯、西得樂、基伊埃博高瑪、日本Shibuya等，國內生產商有樂惠、新美星、廊坊百冠、達意隆、普華盛等。國外生產商的無菌線的產能一般能達到48000BPH，Shibuya可達到72000BPH，機械效率在90%以上；能源利用率較高；設備運轉穩定；無菌驗證一次通過率高；無菌保證水平較高；低酸性產品的無菌周期可達72h，高酸性產品的無菌周期可達120h。國產無菌線發展水平參差不齊，目前只有樂惠和新美星的無菌線產能達到30000BPH并且能通過無菌驗證，其他廠家的產能一般在18000-24000BPH，且很多不能通過無菌驗證，同類產品的無菌周期也比國外的短，能源及化學品消耗很多。國產無菌線還普遍存在機械故障率高等問題。但國外生產線設備一次性投資高，維護成本高昂，售后服務周期長。

國產PET無菌冷灌裝生產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、風機達到灌裝環境的百級要求，還要再通過廢氣塔形成區域壓差，使得無菌區的壓力最高來隔絕外界污染；獲得無菌的管路系統先通過CIP清洗，殺菌則根絕管道的實際情況來定，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行殺菌。

PET瓶無菌灌裝生產線工藝流程示意圖

2 無菌冷灌裝的先行技術

2.1瓶坯干式殺菌技術

西得樂將PredisTM解決方案和其最新的Sensofill Fma無菌灌裝技術整合在一臺集吹瓶、灌裝和封蓋為一體的設備內，制造出Combi PredisTM Fma無菌灌裝機[7]。在克朗斯的Contiform AseptBloc中，瓶坯在紅外烘箱中經過加熱，然后在殺菌單元中經過氣態過氧化氫處理，此后直接進入無菌設計的吹塑單元[8]。容器在無菌條件下進行吹塑。瓶子進入無菌灌裝機灌裝，并封上瓶蓋。西得樂和克朗斯使用的瓶坯干式殺菌技術的原理是用過氧化氫蒸汽在吹瓶機加熱爐入口處對瓶坯進行干式殺菌。殺菌內壁光滑的小型瓶坯比不規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，使用該技術的無菌灌裝系統還具有節能、占地面積更小、可用于輕量瓶灌裝等優點。由于使用過氧化氫蒸汽對瓶坯進行干式殺菌，不需要使用化學品和水，因此，極大的減少了化學品和水的使用，在設備正常使用條件下，每天可節約用水200－300立方米以及減少150－200升化學品的使用，并且沒有污水產生。

2.2低速直線型灌裝技術

在西得樂的Combi PredisTM/CapdisTM FMa低速解決方案的設計過程中，使用直線型設計，以成熟的干式瓶坯和瓶蓋殺菌技術為基礎，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有工廠中。新型飲料產品在大規模上市前，飲料生產商通常先進行小批量生產，以便對這些產品進行市場測試并觀察消費者的反應，然后再進行大規模生產。這些定位于細分市場的高端產品必須在低速運轉的生產線上生產。同時，在產品需求量較小的區域性市場，低速生產也不失為一種實用的解決方案[9]。

3 無菌冷灌裝的現行研究

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。例如單獨采用紫外線對PET 瓶蓋殺菌，由于PET 瓶蓋內外表面結構的復雜性，殺菌效果一般，有研究成果表明，低濃度過氧化氫溶液+ 高強度紫外線照射結合使用會產生驚人的殺菌效果[10-11]。劉鳳臣等研究的低濃度過氧化氫噴霧+ 無菌熱空氣+高強度紫外線的PET 瓶蓋殺菌系統，與原有的過氧化氫溶液+ 熱空氣殺菌以及過氧化氫溶液+ 高強度紫外線殺菌方案相比，在殺菌機理上有所改進，殺菌強度明顯增加，同時，熱空氣蒸發和紫外線輻射能增強殺菌效果，有效促進過氧化氫分解，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、耗時少、無殘留的新型殺菌系統[12]。

3.2電子束輻照殺菌

相比于傳統的食品保鮮方法，電子束輻照不存在放射性污染及農、獸藥物殘留等問題，且節省能源，具有特別顯著的優勢[13]。電子束輻照技術是利用電子加速器產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胞內DNA或通過間接作用使小分子和水物質發生輻解，形成-OH、-H等活性自由基，與核內物質作用，發生交聯反應。目前，已有多家國外廠家使用電子束輻照技術對PET 空瓶進行殺菌并取得了良好效果。國內的新美星也已生產出一臺樣機，具體使用情況不詳。電子束輻照技術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

近年來，世界性的環境素質的下降和人群生活壓力的增加，使得處于亞健康狀態的人群日漸增多，而同時隨著生活水平的不斷提高，人們也越來越注重個人健康問題，受益于中國龐大的人口基數，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展迅速，在2014年取得了17.4%的增長，市場容量達到109.1億升。在2010年到2014年的5年時間里，行業平均增長率達到28.9%。預計到2019年行業將達到254.57億升的規模。植物蛋白飲品正成為飲料市場的亮點，以“天然”及“健康”的概念吸引消費者。飲料消費量的提升將直接導致飲料生產線的銷售量提升。而無菌冷灌裝生產線適用范圍廣，尤其是熱敏性的中性產品，將會成為最佳的選擇。

PET瓶無菌冷灌裝的客戶普遍追求設備好用、安全可靠、空間節約、節能減排、高性能、低成本。這些要求將引領PET瓶無菌線向以下幾個方面發展：

1、向高新技術集成性和高可靠度的方向發展。為滿足產品的安全性要求，系統本身的每一個子系統無不包含著新技術、新材料、新工藝的成果。為了滿足高可靠性的要求，每一個子系統從設計到制造，從運行實驗到運行監控，以及信息反饋與補償修正都要融入現代質量的理念，達到設備固有可靠性與運行可靠性相統一。

2、向多個產業的應用領域發展和延伸無菌的概念和要求是醫學發展的產物。隨著現代微生物學和應用滅菌技術的發展，人類對殺滅包括細菌芽孢在內的全部病原微生物和非病原微生物有了更新的認識和控制手段。商業無菌作為評價食品安全性的技術指標為相關行業和市場認同。

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

4、向以技術創新優化性價比的方向發展。雖然無菌包裝有很多優點，但是其設備昂貴令許多企業望而卻步。國內企業要推動無菌包裝行業的健康發展，為市場提供價格適中，性價比優良的設備以推動消費市場，需要優化性價比來降低投入。因此應采用技術創新，采取集成性與突破性相融合的技術策略。