所谓无菌包装就是在无菌环境条件下，把无菌的或预杀菌的产品充填到无菌容器并进行密封。因此，食品无菌包装基本上包括以下三部分操作：一是食品物料的预杀菌；二是包装材料或容器的灭菌；三是充填密封环境的无菌化。食品物料的预杀菌通常采用第十二章所述的热处理方法和设备。无菌包装机械主要指的是在无菌条件下将预杀菌好的食品装入无菌容器的机械设备。从时序上来说，食品包装材料或容器的无菌化处理可有两种情形，一是使用预制时已经作无菌化处理的容器进行包装，二是在无菌包装机中同步对包装材料或容器进行灭菌处理。
理论上讲，不论是液体还是固体食品均可采用无菌方式进行包装。但实际上，由于固体物料的快速杀菌存在难度，或者固体物料本身有相对的贮藏稳定性，因此，一般无菌包装多指液体食品的无菌包装。
已经出现的食品工业用无菌包装设备有多种形式。主要有以下几种类型：①卷材成型无菌包装设备，例如，瑞典利乐公司的TetraPak系列无菌包装设备；②预制纸盒无菌包装设备，典型的是德国的Combibloc的FFS设备；③箱中衬袋无菌大包装设备；④无菌瓶包装设备；⑤热灌装无菌包装系统等。
一、卷材成型无菌包装机
卷材成型无菌包装机以成卷的复合纸板做包装材料，包装时，包装机将卷材展开对其进行灭菌处理，同时制成包装单元筒，在无菌条件下进行灌装并封口。以下以图11-55所示的TetraPak型砖形盒无菌包装机为例对这类包装机进行介绍。
该主机工作过程为：包装卷材经一系列张紧辊平衡展开，进入双氧水浴槽灭菌，然后进入机器上部的无菌腔并折叠成筒状，由纸筒纵缝加热器封接纵缝；同时无菌的物料从充填管灌入纸筒，随后横向封口钳将纸筒挤压成长方筒形并封切为单个盒；离开无菌区的准长方形纸盒由折叠机将其上下的棱角折叠并与盒体黏接成为规则的长方形（俗称砖形），最后由输送带送出。该砖形盒无菌包装机的包装范围为124～355mL，生产能力为6000包/h。
图11-55 TetraPak卷材成型无菌包装机外形结构意图
（一）机器的灭菌
无菌包装开始正式进行包装操作之前，所有直接或间接与无菌物料相接触的机器部位都要进行灭菌。
TBA型无菌包装机的机器灭菌过程可用图11-56加以说明。首先将无菌空气加热器和纵向热封加热器的工作温度预热到360℃；然后将浓度为35%的双氧水溶液喷射到包材将经过的无菌区和机器其他待杀菌部分；最后用热空气将喷在机械内的双氧水溶液（以干燥挥发的方式）驱赶走。热空气的压力为0.015MPa，由水环泵（压缩机）输送，经过气水分离器后由空气加热器加热。加热后的热空气引入需要利用热空气的部位。机器灭菌的整个过程大约45min。
图11-56 TBA无菌包装机的灭菌系统
（二）包装材料的灭菌及灌装区的无菌化
图11-57所示为包装材料灭菌过程：纸板带进入温度约75℃、浓度为35%的双氧水浴槽进行杀菌，出来后用橡胶辊（挤压拮水辊）除去残留双氧水液，橡胶辊后紧接着用无菌热空气吹，以驱赶残留在包装材料表面的双氧水，并使表面干燥。
图11-57 包装材料的灭菌及灌装区的无菌化
由纸板带卷成筒形开始、经过纵缝封口直到筒内液面以上的区域，是灌装过程中无菌化程度要求较高的区域。这一区域的无菌化由两方面保证：一是通入的无菌空气；二是在纸筒液面上设置（温度可在450～650℃范围调节的）电加热器加热。加热器利用辐射方式对纸筒壁进行加热、同时加热周围的无菌空气。这种加热作用，既保证了充填环境的无菌，又使可能残留的双氧水分解成新生态“氧”和水蒸气，从而进一步减少其残留量，保障食品和生产者的安全。
（三）包装的成型、充填、封口和割离
纸板带通过导向辊进入无菌区并在三个成型件作用下折叠成纸筒，由纵向热封器进行封合。沿纸筒内侧的搭接纵缝引入一条塑料密封带，由纵向热封器将密封带黏合到搭接纵缝上。图11-58是纸盒纵缝密封的结构。
图11-58 纸盒纵缝密封的结构
物料无菌充填管见图 11-59，无菌料液从进料管进入纸筒，其液面由浮子与节流阀控制。产生每个包装盒的横向封口均在物料液面下进行，因而可得到完全充满物料的包装。横向封口钳同时起热封和导引纸筒向下移位的作用。横向封口应用高频感应加热原理，200ms的高频脉冲电流通过使横缝实现热封合，同时横封模具将连体包装切割成单体。
TAB包装机配上顶隙填充装置后，就可用来对高黏度、带颗粒或纤维的产品进行填充包装。充填前预先设定好物料的流量，通过导入无菌空气或惰性气体来形成包装体的顶隙（图11-60）。纸筒借助于一个特殊的密封环使料液上面的顶隙区与包装机的无菌腔隔离，密封环还有协助纸筒成型的作用。这种装置只对单个包装体的顶隙充以惰性气体，所以不会像某些设备那样要求过量供应惰性气体而造成浪费。TBA8型包装机可用于有顶隙的包装，配备的双流充填装置适合于含颗粒食品的包装。该机型配有用于充填含颗粒食品的正位移泵和控制产品流量的恒流阀。
图11-59 充填管
图11-60 顶隙包装的充填装置
（四）包装盒顶部、底部折叠和黏合
经过充填和封口的包装被分割为单个包装，送到两个折叠机上，将包装盒的顶部和底部折叠成角并下屈，然后用电加热的热空气将折叠角与盒体黏合。
二、预制盒式无菌包装机
与普通包装一样，无菌包装也可用预制包装容器进行包装。康美盒（Combibloc）无菌包装机（图11-61）是采用这种方式进行无菌包装的典型设备。现以此机型为例对预制盒式无菌包装机进行介绍。
康美盒无菌包装机结构及主要工艺过程分别如图11-62和图11-63所示，从叠扁状的预制盒坯开始，经过多道工序，直到包装成小盒无菌产品后从机器出来。
图11-61 康美盒无菌包装机的外形
（一）盒坯输送与成型(www.xing528.com)
已完成纵封的预制盒坯通过输送台依次送到定形轮旁，由活动吸盘吸牢和拉开成无底、无盖的长方盒，并推送至定形轮中。长方盒随定形轮转动，进入盒底部加热熔化区，两个热空气喷嘴伸入盒内，使盒底四壁的塑料面受热熔化，由型芯张开并送入封底转轮，盒底在转轮转动过程中得到密封；当转到底部折叠区时，开口的纸盒即被折叠器纵横折压出折纹。然后，在封底器压力下将盒底封闭。空盒被定形轮封好底后，随即被链式输送带扣住往前移动。在进入杀菌区前，包装容器顶部被一折叠器由顶向下折纹，以备最后封口用。盒顶折纹后即进入正压无菌区。
图11-62 康美盒无菌包装机结构
图11-63 康美盒无菌包装机的工艺过程示意
（二）容器灭菌
容器灭菌也在其无菌区内进行。进入无菌区的容器，首先利用定量喷雾装置将H2O2和热空气喷入空盒，然后通入热无菌空气使H2O2分解成为无害的分子氧和水，以保证H2O2在包装内容物中的残留量小于0.1mg/kg。
该包装机的无菌区是从执行容器灭菌开始到容器封顶结束的一段区域。该段区域在机器开机之前，先要采用H2O2蒸气和热空气的混合物进行灭菌。正常运转期间，无菌区通入无菌空气，并保持该区域处于一定的正压状态，以确保该环境的无菌条件。无菌空气在该区以呈层流状态流动分布。
（三）无菌充填系统
康美包装机的充填也在其无菌区内完成。充填系统由缓冲罐、定量泵和灌装头等组成。此灌装系统有两个灌装头，可单独对包装盒灌装。但一般采用两头同时灌装，即每一头灌装每盒容量的一半。充填过程的定量有两种方式，对于含颗粒料液或黏度大的料液采用柱塞式容积泵定量，对于黏度小的料液采用定时流量法。
灌装阀需要根据产品类型而定。已有灌装阀可供黏度范围80～100mPa·s、内含最大粒径20mm的含颗粒料液灌装。允许的颗粒含量最高达50%。
灌装后对于易起泡沫产品，用除泡器吸取泡沫并送回另一贮槽回用。
（四）容器顶端的密封
容器封顶是无菌区内的最后工位。对充填好的容器，采用超声波进行顶缝密封。超声波密封法由于热量直接发生在密封部位上，故可保护包装材料。密封发生在声极与封口之间。振动频率为20000Hz的声极使PE变柔软。密封时间约0.1s。超声波可绕过微小粒子或纤维而不影响密封质量。
康美无菌包装机可进行多种规格的产品包装。目前市场上有4种不同截面积的包装规格，其容积从150～2000mL不等。该机生产能力为5000～16000盒/h。
（五）预制盒无菌包装机的特点
这种包装机有以下优点：①灵活性大，可以适应不同大小的包装盒，变换时间仅需2min；②纸盒外形较美观，且较坚实；③产品无菌性很可靠；④生产速度较快，而设备外形高度低，易于实行连续化生产。
它的不足之处是必须用制好的包装盒，从而会使成本有所增加。
三、大袋无菌包装机
大袋无菌包装是将灭菌后的料液灌装到无菌袋内的无菌包装技术。由于容量大（范围在20～200L），无菌袋通常是衬在硬质（如盒、箱、桶等）外包装容器内，灌装后再将外包装封口。这种既方便搬运又方便使用的无菌包装也称为箱中袋无菌包装。
在大袋无菌包装机中，有代表性的是STAR-ASEPT大袋无菌包装机，其外形如图11-64所示。采用这种无菌包装机灌装的无菌袋，有一个特殊的硬质开袋器（或称灌装阀）。此开袋器允许在无菌条件下打开灌装，并且，灌装后的产品可以多次打开使用，而不造成污染。
图11-65所示为无菌袋的灌装过程：大袋由包装机夹钳夹住，灌装阀盖被拉开，灌装阀口注入蒸汽以规定的时间和温度杀菌（1）；杀菌过程到终结时，开袋器将袋张开，灌装阀打开进行灌装（2）；灌装到规定质量后灌装阀关闭，在阀口的小空间再通入蒸汽冲洗（3）；灌装阀盖与开袋器复位（4）；最后机器夹钳放开已完成灌装的包装袋。由于留在袋口的蒸汽冷凝成水，因而最终袋内无空隙。STAR-ASEPT大袋无菌包装系统可用于包装浓缩果汁、牛乳、液态乳制品、冰淇淋等多种低酸性食品。
图11-64 STAR-ASEPT大袋无菌包装机外形
图11-65 STARASEPT灌装阀的灌装过程
四、其他形式无菌包装设备
除了以上介绍的采用多层复合纸（或膜）袋（盒）形式的典型无菌包装设备以外，其他包装形式的包装容器（塑料瓶、玻璃瓶、塑料盒和金属罐等）也有相应的无菌包装设备。
以塑料瓶为包装容器的无菌包装设备有两种型式。第一种型式直接以塑料粒子为原料，先制成无菌瓶，再在无菌环境下进行无菌灌装和封口。第二种是预制瓶无菌包装设备，这种无菌包装设备先用无菌水对预制好的塑料瓶盖进行冲洗（注意，不能完全灭菌），然后在无菌条件下将热的食品液料灌装进瓶内并封口，封口后瓶子倒置一段时间，以保证料液对瓶盖的热杀菌。这种无菌包装系统只适用于酸性饮料的包装。
使用玻璃瓶和金属罐的无菌包装设备工作原理相类似，均可用热处理（如蒸汽等）方法先对包装容器（及盖子）进行灭菌，然后在无菌环境下将预灭菌食品装入容器内并进行密封。
另外，前述的全自动热成型包装机如果配有无菌系统，也可成为无菌包装机。
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