无菌包装体系的杀菌方法优化方案

食品无菌包装技术的关键是包装体系的杀菌，即包装食品的杀菌、包装材料和容器的杀菌处理、包装系统设备及操作环境的杀菌处理。

（一）无菌包装食品的杀菌方法

1.UHT（ultra high temperature instantaneous time）　即超高温瞬时杀菌，是把食品在瞬间加热到高温（135℃以上）而达到杀菌目的。

（1）直接加热杀菌法　工作原理如图7-18所示，用高压蒸汽直接向食品喷射，使食品以最快速度升温，在几秒钟内达到140～160℃高温并维持几秒钟，再在真空室内除去多余水分，然后用无菌冷却机冷却到室温。这种方法特别适宜于对热特别敏感的流质食品的灭菌处理，但易使产品香味挥发损失。如牛奶的UHT杀菌工艺：原料（5℃）预热（15～20s）到75～80℃→迅速加热到140～150℃保持（2～4 s）→迅速降温至80 ℃→冷却（15～20 s）至室温。这种杀菌方式使牛奶在高温段时间很短，能使产品完全杀菌，且能基本保持牛奶的营养和风味。目前国际上采用的有UHT喷射式杀菌（UHT injection steriliser）和UHT注入式杀菌（UHT infusion steriliser）两种类型的设备。

（2）间接加热杀菌法　即采用换热器进行间接加热杀菌，根据食品的黏度和颗粒大小可选用片式换热器、管式换热器、刮板式换热器。片式换热器适用于果肉含量不超过1%～3%的液体食品，管式换热器对产品的适应范围较广，可加工高果肉含量的浓缩果蔬汁等液体食品，凡用片式换热器会产生结焦或阻塞，而黏度又不足用刮板式换热器的产品，都可采用管式换热器。刮板式换热器装有带叶片的旋转器，在加热面上刮动而使高黏度食品向前推送，达到加热杀菌的目的。

图7-19为间接加热灭菌法工艺原理图。

图7-18　直接加热杀菌法工作原理图

注：5→78→150（2～4 s）→80→20 ℃
（约29 s）　（约14 s）
1.原料箱　2.泵　3.第一预热器　4.第二预热器　5.泵（加压用）
6.流量调节器　7.蒸汽喷射装置　8.减压容器　9.液面保持槽
10.无菌泵（取出制品用）11.无菌均质机　12.制品冷却机
13.蒸汽流量调节阀　14.冷凝器　15.冷凝水泵　16.真空泵
17.温度差调节阀　18.蒸汽喷射式-温度控制器

图7-19　间接加热灭菌法工艺原理图

注：5→85.6→138 （2.5 s）→102→20 ℃
（约9 s）（约18 s）　（约9 s）（约12 s）
1.原料箱　2.泵　3.保持箱　4.均喷箱　5.流路转换阀　6.灭菌温度调节蒸汽阀　7.预热温度调节水阀
8.最后冷却器　9.第一热交换器　10.第一加热器　11.第二热交换器　12.第二加热器

图7-20　APV片式超高温杀菌设备流程图

1.平衡槽　2.预热片式交换器　3.贮槽　4.均质机　5、6.高温蒸汽热交换器
7.转向阀　8.分离冷却器　9、10.片式冷却热交换器　11.控制箱

片式超高温杀菌设备由一组片式热交换器组成，对流体物料连续预热、杀菌和冷却。图7-20是英国APV公司巴拉弗洛（Paraf low）片式热交换器组成的间接加热超高温杀菌设备流程图。原乳从平衡槽1用泵抽送至预热片式交换器2与杀菌牛乳热交换而升温至85 ℃，送入贮槽3并保持6 min，以便稳定浆液蛋白质，防止在高温加热区段内产生过多的沉淀物。经稳定处理的牛乳经泵送入均质机4均质，再送至高温蒸汽热交换器5、6与高温蒸汽热交换，加热杀菌到138～150 ℃，并视需要保温2～4s。接着灭菌乳流经转向阀7，如果温度等于或高于杀菌温度，杀菌乳流入快速片式冷却热交换器9与冰水热交换至100 ℃，再进入预热片式交换器2与原乳热交换进一步冷却，经片式冷却热交换器10再次与冰水热交换而使灭菌乳冷却到20℃左右，送入无菌包装机包装。图7-21为牛乳灭菌时间-温度曲线。

如果由于某种原因转向阀使牛乳温度下降到杀菌温度以下，牛乳将经分离冷却器8返回平衡槽，再行加工处理。

2.高温短时杀菌HTST （high temperature short time）　主要用于低温流通的无菌奶和低酸性果汁饮料的杀菌，可采用换热器在瞬间把液料加热到100℃以上，然后速冷至室温，可完全杀灭液料中的酵母和细菌，并能保全产品的营养和风味。

3.欧姆杀菌（ohm sterilising）　欧姆杀菌是一种借助通入电流使液态食品内部产生热量达到杀菌目的的新型加热杀菌技术。

图7-21　片式超高温杀菌牛乳的时间-温度曲线

对于带颗粒（粒径小于15 mm）的液态食品，常规的换热器间接加热杀菌方式，其热量首先由加热介质通过间壁传递给食品物料中的液体，然后靠液体与固体颗粒之间的对流和传导传给固体颗粒，最后是固体颗粒内部的传热。显然，要使颗粒内部达到杀菌温度，其周围食品介质必须过热，这必然导致含颗粒食品杀菌后质地软烂、外形变坏，影响产品风味和质量。采用欧姆杀菌技术，可使颗粒加热速度与液体加热速度相接近，并可获得比常规传热杀菌方法更快的加热速率（颗粒升温1～2 ℃/s），从而得到高品质的产品。

目前英国APV公司已推出工业化规模的欧姆加热系统（ohmic heating system），可使UHT技术应用到含颗粒（粒径可达25 mm）液态食品的加工。图7-22为欧姆加热系统的工艺流程示意图，主要由泵、管路、欧姆加热器、保温管、控制仪表等组成，其中核心部分是柱式欧姆加热器（图7-23），由4个以上电极室组成，每个电极室内有一个单独的悬臂电极。欧姆加热器以垂直或近乎垂直的方式安装，被杀菌物料自下而上流动，加热柱以每个加热区具有相同电阻抗的方式配置，因此，沿物料流动方向连接管长度逐段加长，以适应物料的电导率随温度升高而增大。

图7-22　欧姆加热系统工艺流程示意图

1.进料泵　2.电极加热器　3.保温管　4.冷却热交换器
5.无菌集液罐　6.无菌产品罐　7.无菌消毒液冷却热交换器
8.通入无菌包装机管道　9.接无菌包装机　10.杀菌液回流

欧姆杀菌工艺过程：首先是装置预杀菌，用热导率与待杀菌物料相近的一定浓度硫酸钠溶液循环加热，达到杀菌温度，从而使产品杀菌温度平衡有效地过渡到正常值。一旦系统杀菌完毕，杀菌液由循环管路中的片式换热器进行冷却，当达到稳定状态后，排掉杀菌液，同时将产品引入系统进行杀菌。系统中反压泵给系统提供反压，以防止产品在欧姆加热器中沸腾。高酸性产品杀菌时，反压维持在0.2 MPa，杀菌温度90～95 ℃；低酸性产品杀菌时，反压维持在0.4 MPa，杀菌温度可达120～140 ℃。物料通过欧姆加热组件时被逐渐加热至所需杀菌温度，然后依次进入保温管、冷却换热器和贮罐或直接供送给无菌包装机。

欧姆杀菌作为高新技术应用于含颗粒（诸如牛肉丁和胡萝卜丁）的汤汁类液态食品，对提高产品卫生安全性和品质风味质量，便于过程控制和降低操作费用，均有关键作用。

（二）无菌包装材料和容器杀菌方法

无菌包装材料的杀菌方法视材质而不同。目前无菌包装普遍使用纸塑类多层复合软包装材料或片材热成型容器，这类材料在复合加工时的温度高达200℃左右，这相当于对包装材料进行了一次灭菌处理，但贮运、印刷等加工过程会重新被微生物污染，如果直接用来包装食品则会造成微生物的二次污染，因此，在无菌包装时必须对包装材料单独进行杀菌处理。

图7-23　欧姆加热器原理图(www.xing528.com)

1.电极管　2.50 Hz三相电源
3.中间管　4.电极

纸塑类包装容器的杀菌有物理和化学两种方法：物理方法常用紫外线辐射杀菌，化学方法常用H2O2杀菌。

1.紫外线杀菌　紫外线在波长250～270 nm范围内有较好的灭菌效果，且与照射强度、时间、距离和空气温度有关，如采用高强度的紫外杀菌灯照射长度为76.2 cm的软包装材料，照射距离为1.9 cm，照射时间为45 s，就能获得较好的灭菌效果。紫外杀菌还与材料表面状态有关，对于表面光滑无灰尘的包装材料，采用紫外线可杀灭表面上的细菌；对于压凸的铝箔表面，杀菌时间比光滑表面长3倍；对不规则形状的包装容器表面，则灭菌照射时间要比平面长5倍。同时，采用紫外杀菌时还需考虑材料的特性，特别是复合材料的内层，如PVC、PVDC、LDPE等材料受紫外线照射后会降低其热封强度约50%。如果紫外线与空气加热、H2O2和乙醇等灭菌方法结合使用，则可大大增强其杀菌能力。

2.过氧化氢（H2O2）杀菌　H2O2是一种杀菌能力很强的杀菌剂，毒性小，在高温下可分解成氧和水：

H2O2→H2O+［O］

“新生态氧” ［O］极为活泼，有极强的杀菌力。

H2O2对微生物具广谱杀菌作用，但其杀菌力与H2O2的浓度和温度有关，H2O2浓度越高、温度越高，其杀菌效力就越好。H2O2浓度小于20%时，单独使用杀菌效果不好，当22%浓度H2O2在85℃杀菌时可得到97%的无菌率，而浓度为15% H2O2在125℃时杀菌可得到99.7%的无菌率，由此可见，使用H2O2溶液灭菌时浓度和温度对包装材料无菌率的影响很大，温度的影响更大。但杀菌温度受包装材料的限制。

H2O2杀菌常采用溶槽浸渍或喷雾方法，使包装材料表面有一层均匀的H2O2液，然后对其进行热辐射，减少H2O2在包装材料表面的残留量，使H2O2完全蒸发分解成无害的水蒸气和氧，同时增强灭菌效果。

3.H2O2和紫外线并用的杀菌方法　此方法比H2O2杀菌结合加热处理的杀菌效力更显著。图7-24为各种杀菌方法灭菌效果比较，即使采用低浓度H2O2（＜1%）溶液，加上高强度的紫外线辐射杀菌处理，也可取得惊人的杀菌效果。这种杀菌方法只需在常温下施行就可产生立即的杀菌效果，比单一使用H2O2（即使在高温下用高浓度的H2O2）或单一使用紫外线照射杀菌，其杀菌效果大上百倍。

4.紫外线与乙醇或柠檬酸并用的杀菌方法　图7-25和图7-26为紫外线与乙醇和柠檬酸并用的杀菌效果图。70%的乙醇、柠檬酸液单独使用时无杀菌效果，但与紫外线并用后均可在3～5s内达到杀菌要求，其中最引人注意的是紫外线与柠檬酸并用的杀菌效果，当枯草杆菌孢子污染程度达106个/cm2时，可在3s内达到无菌状态。日本FFS塑料杯无菌包装系统采用这种杀菌方法对成型的杯材和盖材进行杀菌处理。

图7-24　H2O2和紫外线并用的杀菌效果

图7-25　紫外线与乙醇并用的杀菌效果

图7-26　紫外线与柠檬酸并用的杀菌效果

（三）包装系统设备及操作环境的杀菌方法

包装系统设备及操作环境的杀菌包括两方面的内容：

1.包装系统设备的杀菌　食品经杀菌到无菌充填、密封的连续作业生产线上，要防止食品受到来自系统外部的微生物污染，因此在输送过程中，要保持接管处、阀门、热交换器、均质机、泵等的密封性和系统内部保持正压状态，以保证外部空气不进入。同时要求输送线路尽可能简单，以利于清洗。无菌包装系统设备杀菌处理一般采用CIP原位清洗系统实施，根据产品类型可按杀菌要求设定清洗程序，常用的工艺流程：热碱水洗涤→稀盐酸中和→热水冲洗→清水冲洗→高温蒸汽杀菌。

2.操作环境的杀菌　操作环境的无菌包括除菌和杀菌两项工作。杀菌可采用化学和物理方法并用进行，并定期进行紫外线照射，杀灭游离于空气中的微生物。除菌是防止细菌和其他污物进入操作环境，除菌主要采用过滤和除尘方法实现，一般无菌操作空间的空气需经消毒、二级过滤和加热消毒产生无菌过压空气，其过压状态保证避免环境有菌空气渗入无菌工作区。