概述 

    自從1961年世界首臺用過氧化氫殺菌的利樂包無菌灌裝機問世至今，無菌灌裝技術已發展到日臻完善的程度，它已成為集機電一體化技術，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于一體的高端技術^[1]，并隨著現代技術與日俱進地不斷發展。就紙塑無菌包裝機而言，有立式和臥式，在線成形紙盒和預成型紙盒，包裝形式也從最早的多面體包裝發展到具有不同容量的磚形紙盒包裝和屋頂包裝，式樣更為新穎并盡可能地適合消費者的心理。PET瓶因質輕、透明、不易破碎、可再循環而得到迅速發展。從熱灌裝發展到無菌灌裝使PET瓶的優點得到了充分的發揮，無菌灌裝技術的應用使瓶器成本降低的同時瓶型更為多樣化，可以實現從PET原料直接制瓶并在線無菌灌裝，使整體成本進一步降低，這些技術的進步與微生物柵欄系統的不斷完善，更立足于安全性，可靠性和環保是密不可分的。
 
　液體食品滅菌技術的不斷創新和完善是無菌灌裝技術裝備得以迅速發展的重要組成部分。流體控制系統的應用使液體食品的殺菌時間、溫度得到了精確有效的控制，從而確保了產品質量的穩定和安全。隨著人們對食品營養和色、香、味的追求，希望市售的液體食品、果汁、飲料和牛奶等更接近于食品原有風味和營養。多年來，科學家們為此不斷探索和尋求更為先進的滅菌方法，其中除了經典的用蒸汽作為加熱介質的HTST和UHT之外，微波殺菌、電阻加熱技術、高壓殺菌、高壓脈沖電場、無線電波、激發態紫外光脈沖殺菌技術等物理方法的殺菌技術正在得到深入研究，有的已實現商業化。 

   以飽和蒸汽為熱源的間壁式UHT系統 

   超高溫殺菌系統（UHT）是由一組管式或板式換熱器、物料罐、維持管、過熱水制備系統和CIP裝置組成^[2]。這些設備通過管路和性能各異的閥門聯接成有機的整體，整個系統由PLC控制以實現自動程序作業和工藝參數的自動調節。殺菌器的型式依據液體食品的種類而定。通常，對流動性好的產品多數采用板式換熱器作殺菌-冷卻器。對粘度較高的產品多數采用管式換熱器，對更高粘度的產品則使用刮面式熱交換器。管式殺菌器有多套管和多管式兩種型式，前者是由一組不同直徑、帶有波紋的同心圓套管組成，根據需要可制成3-8個套管，熱介質和物料的換熱可以通過一個傳熱面或2個傳熱面進行，可以實現逆流操作。多管式殺菌器實際上可以將其視作用180°彎管將多個殼管式換熱器聯接起來的換熱裝置。它是在一個直徑較大的管子（114-318mm）中裝了7-92根φ 19-38mm的直管，管長3-6m，可實現多程流操作，這是目前使用較多的管式殺菌機的型式. 

    據意大利SIG曼茲尼公司介紹，該公司與帕爾馬大學合作對波紋管和光滑管結構的管式殺菌機的傳熱進行了研究，認為對粘度不大的液體食品，如牛奶或果汁，當流體處于紊流或湍流流動時，流體在波紋管與光滑管加熱或冷卻時的總傳熱系數比較接近，流體在波紋管中的壓力降則明顯高于光滑管。對粘稠物料的加熱和冷卻，當流體處于過渡流時，波紋管的總傳熱系數和壓力降均明顯大于光滑管。 

    無線電波殺菌技術 

    據SIG曼茲尼公司介紹，該公司與意大利米蘭大學合作，將無線電波用于液體食品加熱的工業化裝置已投入實際使用。ART30型裝置已分別用于牛奶和果汁殺菌，其生產能力為3300l/h，殺菌溫度140℃，無線電波的安裝功率為100kw，最大使用熱功率75kw（65000kcal/h）。整套裝置的構造與傳統的UHT系統相似，物料罐中的物料先泵入熱回收裝置，然后在無線電波加熱單元中加熱到設定的殺菌溫度，高溫物料經維持管、熱回收裝置并冷卻到灌裝溫度后送到無菌灌裝機灌裝。
 
　該裝置采用的無線電波的頻率為27.12MHZ被處理的液體食品因受磁場作用使極性分子產生高頻振湯而升溫，其加熱時間只有傳統的過熱水加熱方式的1/100。與食品接觸的材料由聚四氟乙稀制成。采用無線電波殺菌的優點是食品受熱均勻，不會在管壁上因過熱而產生污垢，產品的風味更接近原料本身。無線電波殺菌技術可用于帶塊狀物料的果蔬汁、果醬、奶和奶制品,以及對熱敏感的果汁和果漿。 

    微波殺菌 

    微波是指頻率300MHz～300GHz的電磁波，用于食品工業的微波頻率為915MHz和2450MHz。微波對具有極性分子的液體食品的加熱是物料本身將微波能轉化為熱能的結果。微波殺菌不僅是由于生物體吸收能量轉換成熱效應的作用，而且還借助其非熱效應的作用。微波的非熱效應是指生物體在電磁波的作用下雖然不產生明顯的溫升，但可使微生物細胞的正常代謝功能受到干擾破壞，抑制其生長，甚至停止生長或死亡。微波還能使微生物細胞的水分活度降低，破壞其生存環境。應用微波可以采用比傳統加熱方法更低的溫度殺滅物料中的微生物^[3]。 

　脈沖微波殺菌主要是利用非熱效應，其法是：1、采用瞬時高功率脈沖微波能量而平均功率很低的脈沖微波殺菌技術，使物體在極短的時間里受到高能量微波照射使細菌等微生物在極高的電磁場的作用下失去生存能力從而達到殺菌等目的。2、以毫秒級持續和停斷時間周期性地切斷連續波微波功率，使細胞肌體受到周期性的連續作用，造成諧振狀態，導致細菌細胞膜振破致細菌死亡。 

    高壓殺菌技術 

    高壓技術是將食品置于液體介質中，在100-1000MPa的壓力下進行處理和加工，在加工過程中使食品中的酶、蛋白質和淀粉等高分子物質失去活性、變性和糊化，同時破壞微生物的細胞膜而達到殺菌之目的[4]。用高壓技術對食品殺菌避免了熱處理殺菌帶來的一系列加工缺陷，它不會破壞維生素、色素、香味和使營養物質流失，不會產生熱臭味，并能有效地節省能源。因此，自從1986年日本東京都大學林力丸提出了高壓技術在食品中的應用研究報告后立即受到一些發達國家的重視，并取得了一定的進展。1990年日本用高壓技術生產的果醬首先在超市出售，其加工工藝是在室溫下將果醬加壓到400-600MPa，保持10-30min。日本的POKKA、WAKAYAMA公司用半連續高壓裝置對柑桔汁殺菌。美國FMC公司和英國凱氏食品飲料公司也建立了用于果汁、豆奶的殺菌裝置^[5]。我國的一些高等院校和工業生產部門對高壓技術在食品工業中的應用研究還處于實驗階段，至今末見商業應用的報導。兵器工業集團52研究所對含果肉的西瓜汁進行了高壓殺菌試驗，產品在常溫下保存的有效期達6個月。合肥工業大學潘見等對密封于雙層聚乙烯塑料袋中的草莓汁進行的高壓殺菌試驗表明，在壓力為350MPa、對溫度為29℃的草莓汁加壓3min即可全部殺滅大腸菌群；在350MPa經10min可全部殺滅霉菌和酵母^[6]。 

　連續式高壓殺菌是將液體食品直接泵入壓力容器，由一隔離檔板將壓力介質和液體食品分開，介質壓力通過隔板傳送給產品，處理完畢產品被泵入無菌罐。為防止污染，采用無菌水作壓力介質，以實現高壓殺菌與無菌包裝系統的連續運行^[4]。 

    無菌灌裝機 

    自從1976年廣東罐頭廠引進第一臺利樂公司的無菌灌裝機生產菊花茶和番石榴汁至今已經歷了近30個年頭，現在全國已有超過400臺紙塑復合材料包裝的無菌灌裝機在運轉。此外，還有灌注濃縮果蔬汁或原漿的大袋無菌灌裝機和復合塑料薄膜包裝的無菌灌裝機在運營。2001年北京匯源果汁和天津頂新集團率先引進了5條PET瓶無菌灌裝生產線以來全國共引進了17條這樣的生產線。這些無菌灌裝生產技術裝備的引進對推動和發展我國的飲料工業起到了促進作用，使我國飲料行業的生產技術裝備進入了國際先進行列。 

　無菌灌裝機的形式取決于包裝材料，就其實現無菌灌裝的關鍵技術而言，一臺性能完備的無菌灌裝機應包含對包裝材料滅菌、無菌液體食品輸送、在無菌氛圍中灌注和密封等裝置，此外還應具備CIP和SIP的條件。有多種方式對紙塑包裝材料的滅菌。利樂公司的紙塑包裝材料是浸沒在濃度為35%的熱過氧化氫溶液中然后形成圓柱狀卷筒，在高溫條件下將H₂O₂分解的O₃對材料進行殺菌，并在充滿O₃的卷筒內完成物料灌注和密封的。PKL的康美包則是在成形紙盒中將霧化的H₂O₂充分噴射在紙盒內外，再用熱空氣使H2O2分解產生的O₃對紙盒殺菌，同時也造成小環境中的O₃氛圍，并在此灌裝和密封。作為大袋無菌灌裝的多層薄膜復合袋是用類似柱塞的塞子將灌注口預先密封，再以足夠劑量的CO60輻照以殺滅包裝袋中的微生物，在灌裝機的無菌室里對灌注口外消毒、拔蓋、灌注和密封。早期的無菌室是用鹵素或過氧化物等化學藥劑進行消毒的，而現在已多數采用飽和蒸汽殺菌，無菌室的容積不足0.01M³。
 
    紙塑包裝材料的缺點是難以再循環，如果不加以專門回收，對環境的污染是不言而諭的。近年來，PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）瓶在飲料工業中的應用得到了迅速發展，其優點除了消費方面的便利外還可以實現制瓶和灌裝的高效生產，材料可再循環。實現PET瓶無菌灌裝的關鍵技術主要是瓶和蓋的殺菌、灌裝密封區的無菌氛圍的保持，以及灌裝機本身應滿足無菌灌裝的要求。 

    用于瓶器和蓋子殺菌的主要方法是采用化學藥劑，目前使用較多的是過氧化氫、過氧乙酸和環氧乙烷等。使用時，將其升溫、霧化、全方位地噴射到瓶器的各個部位，經一定的反應時間再用無菌水沖洗使瓶內的化學殘留物降到最低程度。 

    高速PET瓶無菌灌裝機是將瓶器殺菌-沖洗、灌裝和密封設計成三臺獨立的旋轉式機型，由星形轉輪將其連接為組合機，并被包容在一個龐大的無菌室里，其中灌裝-密封區的潔凈度達100級，無菌空氣在無菌室里自上而下作層流流動，呈正壓狀。生產結束和開機前用發泡的消毒劑對無菌室消毒。不少企業為縮小無菌空間作了努力，如SIG西蒙納西公司將灌裝閥和瓶器傳輸通道收容在只有9m³的潔凈區域內，在回轉體與靜止的隔離罩之間采用動態液體密封，保持無菌區的正壓操作。縮小無菌區的好處是降低了消毒劑的用量，節省了消毒時間，減輕化學藥劑對操作人員的污染，還便于對無菌室以外的機械部件進行維護。 

    灌裝機是無菌灌裝的核心，在機械構件上普遍采用瓶頸夾持輸瓶方式，灌裝口不與瓶器接觸，用電磁流量計或稱重法計量。此外，尤其要保證機器運行的高度穩定性，使其在數十小時的連續運行中基本不發生機械或控制方面的明顯故障。這就意味著對材料、制造、熱處理、另部件檢驗等等提出了很高的要求。 

    制瓶機與灌裝機的聯線 

    為最大限度減少灌裝過程可能發生的細菌污染和包裝材料的物流環節，越來越多的企業采用制瓶與灌裝聯線的生產方式。目前國內引進的西帕制瓶機與博克瑪無菌灌裝機的組合，PET片材注胚和吹瓶在同一臺機器上完成，瓶器通過氣流直接送到無菌灌裝機。SIG集團的科伯拉斯與西蒙納西，以及利樂-西得樂集團的COMBI系統是用預制瓶胚為基材，吹瓶機與灌裝機直聯的生產線，在生產線中還可以插入旋轉式等離子涂層設備以增加PET瓶的阻隔性能。為了確保PET瓶的衛生安全，利樂-西得樂的超潔凈無菌灌裝系統對送入加熱爐的瓶胚先進行預殺菌，即用紫外線對瓶胚殺菌、再用0.3MPa的無菌空氣對其吹掃和真空吸塵。吹瓶機與灌裝機組合為一個機組。瓶器的殺菌和沖洗是在由4-9個星形輪組成的輪系的傳送過程中完成的。瓶器被星形輪傳送的過程中得到多次消毒和清洗，消毒液以高壓脈沖方式噴射到瓶器內外的各個部位，再用120℃熱空氣激活殺菌劑，多工位消毒的優點在于一旦個別噴頭堵塞也不會發生瓶器遺漏消毒的可能性。若干個星輪幾乎呈直線方式排列并被包容在層流流動的百級凈化的無菌空氣中，整個系統的無菌空間只有十幾個立方米。 

    聯線生產的優點是顯而易見的，它首先減少了包裝物的運輸和儲存，使其在最大限度地避免細菌污染的同時減少了中間費用。 

    國內無菌灌裝技術裝備的進展 

    液體食品無菌灌裝是屬于最有發展前景的包裝技術領域，新的無菌包裝產品，新的無菌灌裝機，以及使其應用范圍擴大的新包裝材料層出不窮，國內外眾多的廠商都在為這一領域的發展開展研究工作。 

    1990年航空部工藝研究所研制成功的大袋無菌灌裝系統標志著我國無菌包裝技術自主設計的開端。此后，廣東遠東食品包裝機械公司推出了2500CPH的磚型紙塑無菌包裝機。杭州中亞和航空集團工藝研究所又分別研制了UHT殺菌奶的塑料薄膜包裝的無菌灌裝裝置。2001年美星順峰報導了該廠與廣東樂百氏集團共同研制的36000BPH PET瓶無菌灌裝機投入試運行以來，合肥中辰、南京輕機、廊房包裝設備制造和樂惠集團也加快了研制步伐，其設計、制造和試驗是在十分嚴謹的氣氛中進行的。
 
    開發和研制無菌灌裝機首先要立足于提高灌裝機本身各另部件的設計和制造精度、提高機器運轉的穩定性和高可靠性，使機械結構設計滿足無菌灌裝的要求，而不是依靠建立一個無菌區來適應機器的需要。此外，還應該注意外圍裝置的配套，如無菌水、殺菌劑、無菌空氣的制備和無菌室的清洗和消毒等。性能優良的無菌灌裝技術裝備是現代科技、現代制造和控制技術的集中體現，也是一個企業整體技術水平的綜合表現。深信在不久的將來我們期待的國產液體食品的無菌灌裝技術裝備將在我國飲料行業迅速推廣使用，使我國國產飲料裝備制造水平提升到新的高度。