無菌罐在乳品加工中應用特點和質量控制

李為民 劉俊 常文玥

摘 要：無菌罐作為無菌液體產品的暫存罐，在乳品加工中應用非常廣泛。本文以某公司無菌罐為例，介紹無菌罐的構造和使用，總結其在無菌灌裝過程中的應用特點和質量控制，為乳品加工線選擇配置無菌罐及加工過程質量控制提供參考。

關鍵詞：無菌罐；乳品加工；質量控制

Application Characteristics and Quality Control of Aseptic Tank in Dairy Processing

LI Weimin， LIU Jun， CHANG Wenyue

（Guangdong Yantang Dairy Industry Co.， Ltd.， Guangzhou 510700， China）

Abstract： Aseptic tank equipment， as a temporary storage tank for sterile liquid products， is widely used in dairy processing. This article takes a sterile tank from a certain company as an example. It was expected to provide references of aseptic tank selecting and quality controlling in the aseptic filling process， by introducing the structure and use of aseptic tank， as well as summarizing the application characteristics and quality control in the sterile filling process.

Keywords： aseptic tank; dairy processing; quality control

超高溫殺菌（Ultra-High Temperature Instantaneous Sterilization，UHT）和巴氏殺菌是乳制品常用的殺菌工藝，UHT殺菌牛奶因保質期長、不需要冷藏、營養成分保留較好等原因在全世界被無數消費者和制造商所青睞。20世紀中后期，無菌灌裝技術開始商業化，其在液態乳制品與液態果汁等飲品的無菌包裝中得到廣泛應用與推廣[1]。無菌罐設備作為無菌液體產品的暫存罐，因其有延長灌裝機連續生產時間、避免原料奶被循環加熱、灌裝壓力穩定等特點，被廣泛運用于無菌灌裝線中，特別是生產帶果粒產品時必須用到無菌罐。本文以某公司的無菌罐為例，介紹其構造和使用，總結其在乳品加工中的應用優點和質量控制要點。

1 無菌罐簡介

無菌罐設備可以作為無菌液體產品的儲存罐，與產品滅菌設備及灌裝設備連接使用（圖1），用于UHT處理過乳制品的中間儲存，是無菌灌裝生產線中的關鍵設備之一。即使其中任何一臺機器進行計劃維護保養或者清洗，依舊可以與另外一方繼續生產。

無菌罐的出現對無菌灌裝技術的發展起到了良好的促進作用。為保證儲存時產品的無菌狀態完整性，對設備的無菌性能要求十分嚴格，部分設備存在無菌時間短、無菌性能不穩定、自動化程度不高、產量低等問題[2]。

圖1 帶無菌罐的乳品工藝流程圖

2 無菌罐構造和信號對接

2.1 無菌罐構造

無菌罐主要由罐體、閥組和控制電柜3部分組成。圖2顯示了無菌罐及產品加工通過設備的概況。無菌罐采取的是模塊化設計，主要包括以下7個模塊。

（1）無菌罐。將產品在無菌狀態下進行保存，稱重傳感器會對罐體進行稱重，頂部液位傳感器控制輸入閥來防止溢出，底部液位傳感器測量無菌罐中是否還有液體，罐頂攪拌裝置保證產品處于流動狀態以防沉淀。

（2）產品輸入。控制產品從滅菌器到無菌罐，該裝置由多個氣動閥門控制，并由蒸汽障蔽保護產品不受污染。當罐內液位達到1 L時，可以給下游灌裝輸送產品進行生產；當罐內液位達到高位時，UHT滅菌牛奶停止輸送到罐內。

圖2 無菌罐加工工藝簡圖

（3）冷卻水輸入。滅菌之后，通過給罐體冷卻夾層填充冷卻水來降低罐體的溫度，再排放，冷卻水用量為800 L/次，每次冷卻需進行2次填充和排放。

（4）蒸汽及CIP輸入。蒸汽保證滅菌過程中的蒸汽供應，用于各管道和罐體滅菌，以及生產過程中蒸汽障蔽的供給；CIP輸入保證CIP過程中的CIP溶液供給。

（5）蒸汽及CIP輸出。將在滅菌模式下排出蒸汽及在清洗模式下排出CIP。

（6）產品輸出。該部分保證產品由罐體輸出到灌裝機，罐底出口有溫度傳感器檢測產品溫度；為使灌裝機穩定供料，罐體底部的壓力始終保持恒定，由罐底的壓力傳感器和無菌空氣調節閥組聯動控制。

（7）無菌空氣輸入。用于供應和排放無菌空氣，罐頂有壓力傳感器會檢測頂部無菌空氣壓力。

2.2 無菌罐信號對接

（1）滅菌機與無菌罐信號。CIP（就地清洗）；PAM（產品信號）；PDS（灌裝信號）；RFP（生產請求信號）；RFW（供水請求信號）；SPS（生產中止信號）；SST（滅菌機滅菌）；WAM（供水信號）；CSB（清洗蒸汽障）；RSB（沖洗蒸汽障）。

（2）無菌罐與灌裝機信號。CIP（就地清洗）；FST（灌裝機滅菌）；PAM（產品信號）；PFM（灌裝生產信號）；RFP（生產請求信號）；RFW（供水請求信號）；TST（無菌罐滅菌）；WAM（供水信號）。

3 無菌罐使用

3.1 滅菌模式

整個產品回路灌入蒸汽，通過飽和蒸汽對設備及相連產品管進行升溫和滅菌，包括無菌空氣過濾器，溫度達到140 ℃并保持1 200 s，處于罐底出口處的溫度傳感器會對滅菌溫度進行測量和監控。啟動滅菌程序后系統自動執行以下步驟：預熱、充壓、無菌空氣排空、滅菌計時、無菌空氣入罐內冷卻、冷卻水入夾層冷卻以及手動選擇無菌水沖洗程序來冷卻罐體和排空無菌水。滅菌模式完成后，機器將變成無菌并可以進行生產。

3.2 生產模式

無菌罐從UHT接收到PAM信號，打開產品進料閥，產品從UHT流入導向無菌罐內。灌裝機發出產品請求信號后，打開產品供料閥，產品將輸送到灌裝機的產品輸入閥。在灌裝機下游產品管道至無菌罐前有一段回流管道，此管道末端閥組由蒸汽障蔽保護產品不受污染。

3.3 無菌沖洗模式

生產完一個品種，在切換到其他品種前，整個設備將會通過UHT供應的無菌水進行沖洗去除產品殘留，還可以將無菌水輸送給灌裝機進行無菌沖洗。當灌裝機發出RFW信號后，無菌罐會從滅菌機請求無菌水；當罐體中液位達到無菌沖洗液位后，會向灌裝機發出WAM信號。

3.4 CIP模式

堿、酸清洗劑通過CIP管道輸入設備中，按照CIP流程閉合循環清洗整個回路，需要達到設定的溫度和電導率才開始計時。清洗回路包括罐體和入料閥產品管兩路，CIP清洗液由頂部噴淋球進入罐內清洗罐內壁和供料管。啟動CIP程序后系統自動執行以下步驟：排空、增壓、預沖洗、堿洗、排空、水沖、酸洗、排空、最后水沖、排空及排氣泄壓。

3.5 待機模式

設備處于開啟狀態，排空并已清洗，無激活程序，須啟動滅菌模式后才能開始生產。

4 無菌罐在乳品加工中的應用特點

4.1 使灌裝機能夠長時間連續生產

在整個UHT滅菌乳生產工藝中，UHT殺菌設備往往是限制連續生產能力的重大因素，若配備無菌罐設備，當上游UHT設備生產一定時長需要CIP清洗時，產品已經儲存在無菌罐，下游灌裝機設備可以繼續灌裝。當UHT經過CIP清洗后再滅菌，又可以將無菌產品輸送到無菌罐中，灌裝機可以繼續生產，從而提高連續生產時間，降低清洗成本和提高產量。

4.2 生產純牛奶等中性奶時糠氨酸含量低

乳品中的糠氨酸是蛋白質在高溫條件下與乳糖發生美拉德反應所產生的系列產物之一，糠氨酸含量越低，則奶產品的營養質量越好。1992年歐盟各國將糠氨酸作為判斷乳品質量的重要指標，2004年國際標準化組織（ISO）發布ISO 18329—2004利用高效液相色譜法檢測乳制品中的糠氨酸含量，檢測乳品中糠氨酸含量判定是否摻有復原乳[3]。2005年原農業部制定《巴氏殺菌乳和UHT滅菌乳中復原乳的鑒定》（NY/T 939—2005）[4]，2016年原農業部修訂新版《巴氏殺菌乳和UHT滅菌乳中復原乳的鑒定》（NY/T 939—2016）[5]，也都將糠氨酸作為檢測復原乳的重要指標，規定UHT滅菌乳中每100 g蛋白質所含糠氨酸超過190 mg，或者當UHT滅菌乳每

100 g蛋白質所含糠氨酸為140～190 mg時，乳果糖含量（mg·L-1）與糠氨酸含量（mg蛋白質/100 g）比值小于2時，則鑒定為含復原乳。

在UHT下游直接連灌裝機生產純牛奶等中性奶過程中，若下游灌裝機處于故障停機時，牛奶會回流到UHT系統中循環加熱，當循環加熱時間超過一定時間后，隨著美拉德反應程度加深，產品的顏色、風味會發生明顯變化。若在UHT下游配備無菌罐設備，則可以極大避免此種情況，因為無論灌裝機處于生產或故障，產品都是一直輸送到無菌罐，產品不會回到UHT系統重復加熱，因此使用無菌罐時產品中糠氨酸含量普遍低于未使用無菌罐的產品[6]。

4.3 無回流奶損耗

當牛奶長時間內無法被灌裝時，牛奶會經過多次循環加熱，產品的顏色、風味會發生較大變化，工業上采取的措施一般是將此段循環加熱的牛奶排空后，重新將新鮮的奶輸送到UHT系統中，此時會造成幾百公斤奶的損失。若在UHT下游配備無菌罐設備，則可以避免此種情況發生，減少原奶損耗。

4.4 可以生產帶果粒的產品

添加果粒的乳制品將富含維生素的水果和牛奶結合起來，能夠達到膳食平衡，提升乳制品的附加值和顧客體驗感，因此添加果粒的UHT乳制品是許多乳品企業近年來研究開發的產品之一，但也面臨著果粒不均勻、果粒易破碎等難題[7-8]。目前，添加果粒乳制品存在前混合工藝、后添加工藝兩種可能的生產工藝[9]。這兩種工藝均需用到無菌罐來暫存滅菌后的產品，無菌罐頂的攪拌裝置保證產品處于流動狀態以防果粒沉淀堆積，造成果粒不均勻的情況。

4.5 無需頻繁維護保養

相比灌裝機和UHT設備，無菌罐除了攪拌槳之外，基本無運動磨損部件，所以通常只需定期更換管道閥門密封圈等，無需做大規模周期性保養計劃。

4.6 自動化程度高

除了生產模式和清洗模式切換時需拆卸彎管接頭，操作人員主要通過人機操控面板完成作業，在選定所需操作模式后將自動執行設定的所有程序步驟，人工干預少。

5 無菌罐在乳品加工中的質量控制

5.1 蒸汽必須潔凈

因滅菌過程中使用大量的蒸汽對罐體進行滅菌，以及生產過程中需提供蒸汽保持蒸汽障蔽，蒸汽與產品或產品表面直接接觸，必須要保證蒸汽達到食品級標準。除了安裝蒸汽過濾器外，還可以考慮使用潔凈蒸汽發生器裝置來保證蒸汽潔凈度。

5.2 攪拌槳軸密封圈更換

在生產過程中，通過不斷往攪拌槳軸的機械密封處注入高溫蒸汽，從而預防產品通過攪拌軸處受到污染，但攪拌軸密封件在高溫下往往易老化，導致罐內產品帶菌風險。

5.3 無菌空氣過濾網更換

無菌空氣是用除水除油后的壓縮空氣經過兩個0.01 μm級無菌空氣過濾網和壓力調節閥形成，開始生產前必須對無菌空氣過濾器進行蒸汽滅菌。為保證過濾效果，需定期更換，140 ℃、30 min滅菌條件下建議使用次數為100次。

5.4 確保CIP清洗效果良好

CIP清洗必須使罐體和管道徹底清潔，需要采取合理的清洗程序，同時通過適宜的清洗劑濃度、溫度、時間、流量等參數來保證清洗效果，尤其是攪拌槳等不能有清洗死角。

5.5 無菌空氣壓力

生產過程中罐頂無菌空氣需保持一定正壓來預防產品不受外界空氣污染，當罐頂無菌空氣壓力低于安全限值時，可能會導致罐內產品帶菌風險。

5.6 其他

無菌罐處于UHT下游無菌工序，無菌罐無菌性的維持至關重要。另外，還要考慮設備滅菌、蒸汽障蔽溫度、管道閥組泄漏、存放時間等多方面因素，需要評估各自風險性并制定相應的管控對策，從而保證產品無菌。

6 結語

近年來隨著乳制品和飲料行業的迅速發展，無菌灌裝技術也日益發展成熟，無菌罐的使用也越來越廣泛。當前中國市場對無菌罐設備需求量較大，且國內一些設備廠家也在研發無菌罐，但國產無菌罐相對于進口的無菌罐，無菌性能和自動化程度等仍有一定差距。乳制品企業應該根據自身產品特性、加工工藝和產線布局等，選擇性地配備無菌罐，并制定合理的質量控制手段，確保產品無菌狀態，從而達到延長連續生產時間的目的。

參考文獻

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[4]中華人民共和國農業部.巴氏殺菌乳和UHT滅菌乳中復原乳的鑒定：NY/T 939—2005[S].北京：農業出版社，2005.

[5]中華人民共和國農業部.巴氏殺菌乳和UHT滅菌乳中復原乳的鑒定：NY/T 939—2016[S].北京：農業出版社，2005.

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[8]張晶.利樂中國推出果粒奶無菌灌裝系統 光明“Hi優果粒”常溫果粒酸牛奶飲品系列盛裝上市[J].中國包裝，2009（4）：84.

[9]楊清貴，袁京紅，何松，等.常溫果粒酸性乳飲料工藝流程和設備選型探討[J].乳業科學與技術，2007，30（3）：125-127.