PET瓶饮料无菌冷灌装的技术进展

王 鹏

随着消费者越加注重饮料的安全与营养，饮料市场逐渐从微生物不敏感产品例如碳酸饮料，向微生物敏感型产品例如含乳饮料转型；逐渐从包装主流化向包装个性化转型从而带来了整个饮料生产工艺的改变。这个变化过程中的驱动力包括：国家食品安全方面法规的强制性要求；含有天然原料饮料的消费需求；不含防腐剂饮料的消费需求；口感外观更好的消费需求；需要长保质期储存环境条件的分布经济学；瓶子轻量化降低成本的需求；密集的市场营销驱动扩大范围的方案以及迎合大容量PET瓶的趋势等等。

在这样的条件下，市场上迎来了新的饮料生产工艺—无菌冷灌装。对比之前的饮料生产工艺，无菌冷灌装采用了先进彻底的清洗杀菌工艺，全自动的生产流程的控制，完善的质量监控体系，严格的无菌性能验证程序，能够最大程度地降低微生物的风险，保证生产出来的饮料的安全。

无菌冷灌装[1]（Aseptic Cold-filling）是指将经过灭菌的液体食品在常温无菌条件下灌装、密封在经过灭菌的容器中，使食品在保质期内能在常温下运输和贮存。无菌冷灌装的“冷”是相对于热灌装来说的，热灌装工艺是在85～95℃下进行灌装，而其是在常温条件下灌装料液。由于包装内最初已达到商业无菌，所以包装后的食品可在不加防腐剂、不经冷藏条件下得到较长的货架寿命[2]。无菌冷灌装技术是一项对食品及药品的安全性实现综合技术保障的系统工程，集光机电一体化技术、现代化学、物理学、微生物学、自动控制、计算机通讯等多项高新技术为一体[3]。无菌冷灌装生产线不仅需要满足额定的产能，还必须通过无菌保证水平测试来验证整条生产线是否满足商业无菌的要求。无菌工艺，全面反映了整个生产过程采用无菌工艺生产无菌产品的能力，需要从以下方面进行验证：尘埃粒子数检测，灌装环境的染色测试，沉降菌、浮游菌检测，涂抹检测，灌装环境的杀菌强度测试，包材的杀菌强度测试，水包测试，LG培养基测试[4]，低酸性产品的批量生产测试等方面验证[5]。无菌生产工艺引入的变量很多，诸如生产区的设计及其设备布局、生产时的环境状况、所有与生产相关的设备及物料的污染状况、人员操作和卫生状况等，每一个环节对最终产品的质量都至关重要。一旦发现微生物的污染问题，可通过多种微生物的限量检测方法来进行菌群分析最终找到生产线的问题点[6]。

1 无菌冷灌装技术的现状

PET无菌生产线的国外生产商有克朗斯、西得乐、基伊埃博高玛、日本Shibuya等，国内生产商有乐惠、新美星、廊坊百冠、达意隆、普华盛等。国外生产商的无菌线的产能一般能达到48000BPH，Shibuya可达到72000BPH，机械效率在90%以上；能源利用率较高；设备运转稳定；无菌验证一次通过率高；无菌保证水平较高；低酸性产品的无菌周期可达72h，高酸性产品的无菌周期可达120h。国产无菌线发展水平参差不齐，目前只有乐惠和新美星的无菌线产能达到30000BPH并且能通过无菌验证，其他厂家的产能一般在18000-24000BPH，且很多不能通过无菌验证，同类产品的无菌周期也比国外的短，能源及化学品消耗很多。国产无菌线还普遍存在机械故障率高等问题。但国外生产线设备一次性投资高，维护成本高昂，售后服务周期长。

国产PET无菌冷灌装生产线获得无菌物料是通过UHT杀菌；获得无菌的灌装空间一般先通过COP/SOP清洗杀菌，再通过HEPA过滤器、风机达到灌装环境的百级要求，还要再通过废气塔形成区域压差，使得无菌区的压力最高来隔绝外界污染；获得无菌的管路系统先通过CIP清洗，杀菌则根绝管道的实际情况来定，常压的使用PAA消毒液法，密闭管路使用蒸汽法和过热水阀；获得无菌的包装容器通过PAA溶液对PET空瓶喷冲，对瓶盖浸泡或冲洗进行杀菌。

PET瓶无菌灌装生产线工艺流程示意图

2 无菌冷灌装的先行技术

2.1瓶坯干式杀菌技术

西得乐将PredisTM解决方案和其最新的Sensofill Fma无菌灌装技术整合在一台集吹瓶、灌装和封盖为一体的设备内，制造出Combi PredisTM Fma无菌灌装机[7]。在克朗斯的Contiform AseptBloc中，瓶坯在红外烘箱中经过加热，然后在杀菌单元中经过气态过氧化氢处理，此后直接进入无菌设计的吹塑单元[8]。容器在无菌条件下进行吹塑。瓶子进入无菌灌装机灌装，并封上瓶盖。西得乐和克朗斯使用的瓶坯干式杀菌技术的原理是用过氧化氢蒸汽在吹瓶机加热炉入口处对瓶坯进行干式杀菌。杀菌内壁光滑的小型瓶坯比不规则瓶型的瓶子更加有效和简单，残留物极少，一般瓶子中的残留物都低于0.5mg/kg，此外，使用该技术的无菌灌装系统还具有节能、占地面积更小、可用于轻量瓶灌装等优点。由于使用过氧化氢蒸汽对瓶坯进行干式杀菌，不需要使用化学品和水，因此，极大的减少了化学品和水的使用，在设备正常使用条件下，每天可节约用水200－300立方米以及减少150－200升化学品的使用，并且没有污水产生。

2.2低速直线型灌装技术

在西得乐的Combi PredisTM/CapdisTM FMa低速解决方案的设计过程中，使用直线型设计，以成熟的干式瓶坯和瓶盖杀菌技术为基础，集吹瓶、灌装和旋盖于一体，适用于各种类型的瓶坯和瓶盖杀菌，减少设备的占地面积，能凭借超小的占地面积轻松嵌入到新建或现有工厂中。新型饮料产品在大规模上市前，饮料生产商通常先进行小批量生产，以便对这些产品进行市场测试并观察消费者的反应，然后再进行大规模生产。这些定位于细分市场的高端产品必须在低速运转的生产线上生产。同时，在产品需求量较小的区域性市场，低速生产也不失为一种实用的解决方案[9]。

3 无菌冷灌装的现行研究

3.1组合式杀菌

多种杀菌方式的组合能起到良好的杀菌效果。例如单独采用紫外线对PET 瓶盖杀菌，由于PET 瓶盖内外表面结构的复杂性，杀菌效果一般，有研究成果表明，低浓度过氧化氢溶液+ 高强度紫外线照射结合使用会产生惊人的杀菌效果[10-11]。刘凤臣等研究的低浓度过氧化氢喷雾+ 无菌热空气+高强度紫外线的PET 瓶盖杀菌系统，与原有的过氧化氢溶液+ 热空气杀菌以及过氧化氢溶液+ 高强度紫外线杀菌方案相比，在杀菌机理上有所改进，杀菌强度明显增加，同时，热空气蒸发和紫外线辐射能增强杀菌效果，有效促进过氧化氢分解，使得瓶盖表面无过氧化氢残留的作用，避免了对饮料口味和饮用者身体的影响，是一种杀菌彻底、耗时少、无残留的新型杀菌系统[12]。

3.2电子束辐照杀菌

相比于传统的食品保鲜方法，电子束辐照不存在放射性污染及农、兽药物残留等问题，且节省能源，具有特别显著的优势[13]。电子束辐照技术是利用电子加速器产生的低能或高能电子束射线（10MeV以下的电子束），利用高能脉冲直接作用破坏活体生物细胞内DNA或通过间接作用使小分子和水物质发生辐解，形成-OH、-H等活性自由基，与核内物质作用，发生交联反应。目前，已有多家国外厂家使用电子束辐照技术对PET 空瓶进行杀菌并取得了良好效果。国内的新美星也已生产出一台样机，具体使用情况不详。电子束辐照技术的难道是电子束的穿透能力较弱，对PET空瓶较厚的瓶口处杀菌存在问题。

4 小结

近年来，世界性的环境素质的下降和人群生活压力的增加，使得处于亚健康状态的人群日渐增多，而同时随着生活水平的不断提高，人们也越来越注重个人健康问题，受益于中国庞大的人口基数，功能饮料和植物蛋白饮料的快速增长会值得期待。中国功能饮料市场最近几年发展迅速，在2014年取得了17.4%的增长，市场容量达到109.1亿升。在2010年到2014年的5年时间里，行业平均增长率达到28.9%。预计到2019年行业将达到254.57亿升的规模。植物蛋白饮品正成为饮料市场的亮点，以“天然”及“健康”的概念吸引消费者。饮料消费量的提升将直接导致饮料生产线的销售量提升。而无菌冷灌装生产线适用范围广，尤其是热敏性的中性产品，将会成为最佳的选择。

PET瓶无菌冷灌装的客户普遍追求设备好用、安全可靠、空间节约、节能减排、高性能、低成本。这些要求将引领PET瓶无菌线向以下几个方面发展：

1、向高新技术集成性和高可靠度的方向发展。为满足产品的安全性要求，系统本身的每一个子系统无不包含着新技术、新材料、新工艺的成果。为了满足高可靠性的要求，每一个子系统从设计到制造，从运行实验到运行监控，以及信息反馈与补偿修正都要融入现代质量的理念，达到设备固有可靠性与运行可靠性相统一。

2、向多个产业的应用领域发展和延伸无菌的概念和要求是医学发展的产物。随着现代微生物学和应用灭菌技术的发展，人类对杀灭包括细菌芽孢在内的全部病原微生物和非病原微生物有了更新的认识和控制手段。商业无菌作为评价食品安全性的技术指标为相关行业和市场认同。

3、无菌包装设备向单一高速型发展。发展无菌包装设备无论从技术含量和技术指标要求上都属于包装机械中的高端产品。对于使用厂家而言，这种技术和资本双重密集性的设备定位必须以提高生产效率为方向，而不同于现代包装机械向多功能和单一高速型两极化发展。从技术层面上讲，高可靠度的装备向多功能型发展，将意味着诸多工程技术中有待解决的问题出现，将加大技术上的难度。

4、向以技术创新优化性价比的方向发展。虽然无菌包装有很多优点，但是其设备昂贵令许多企业望而却步。国内企业要推动无菌包装行业的健康发展，为市场提供价格适中，性价比优良的设备以推动消费市场，需要优化性价比来降低投入。因此应采用技术创新，采取集成性与突破性相融合的技术策略。