第八讲 食品的无菌包装和杀菌新技术概述

第八讲食品无菌包装和杀菌新技术
无菌包装是一种高技术的食品保存方法，是指被包装的食品在包装前经过短时间的灭菌，然后在包装物、被包装物、包装辅助器材均无菌条件下、在无菌的环境中进行充填和封合的一种包装技术，以达到食品不添加防腐剂、不经冷藏条件下，就得到较长的货架寿命（在常温下可以保持一年至一年半不变质）的目的，大大节省了能源和设备。

也可以简单的说，无菌包装是先灭菌后包装，非无菌包装是先包装后灭菌或者只包装不灭菌。

无菌包装食品，是指包装前使食品呈无菌状态，用无菌材料包装，不需要再加热杀菌的食品。

1.无菌包装的基本概念和基本原理
1.1无菌包装的概念
食品的无菌包装技术就是将食品与包装容器分别灭菌，再将已灭菌的产品在无菌条件下充填入已灭菌的包装容器中并密封而成产品的技术。

无菌包装技术是在包装物、被包装物、包装辅助器材均无菌的条件下，在无菌的环境中进行充填和封合的一种包装技术。

目前，用于无菌包装的食品主要分为以下两大类：一是能在低温下保存的无菌食品，即在无菌环境下将没有杀菌的新鲜产品，如发酵乳、甜食、酸乳酪等包装起来；二是能在常温下保存的无菌食品，即采用包装机把连续杀菌过程的物料和无菌容器包装组合在一起，形成乳及乳制品、甜食、蔬菜、果汁等包装产品。

1.2无菌包装的特点
优点：①对包装的内容物可以采用最适宜杀菌方法如HTST法、UHT法等进行杀菌，使色泽、风味、质构和营养成分等食品品质少受损害。

无菌包装的主要优点是在保证无菌的条件下能最大限度地保留食品中原有的营养成分和风味，减少损失。

②由于包装容器和食品分别进行杀菌处理，所以不管容器容量大小如何，都能得到品质稳定的产品，甚至还能生产出普通罐装法根本无法生产的大型包装食品。

再者与包装后杀菌
相比，食品与容器之间不易发生反应，包装材料成分向食品迁移减少。

③由于容器表面杀菌技术较易，且与内容物杀菌无关，故对包装材料的耐热性要求不高，强度也没有那么严格。

④适合于进行自动化连续生产，既省工又节能。

以饮料为例，据计算，用软包装的成本只有金属罐的四分之一，装满后总重量的 97%是饮料。

⑤无菌包装符合现在环保包装的潮流。

无菌包装材料使用纸质，易于降解，有利于保护环境。

由于无菌包装具有以上优点，该技术目前已被广泛应用于食品、饮料、乳制品等多种行业。

今天，发达国家的绝大多数牛奶和半数以上的果汁均采用了无菌包装。

缺点：①无菌包装技术很难用于包装流动性差的高黏度的食品。

②它所采用的设备复杂、规格一般比较大、造价高，因此其初始成本较高。

③对操作管理要求十分严格，一旦发生污染，整个一批产品就要全部报废。

④一般设备都是高度自动化、系统化，不能面向小规模生产，设备应用缺乏广泛性。

1.3无菌包装的分类
目前,国际上的无菌包装按用途和容量通常分为两大类。

①无菌袋式大包装,主要用于包装水果和蔬菜的浓缩汁等粘稠物料,其包装容量一般从几升到200L,大容量的甚至可以达到1000L。

具有代表性的生产商是美国CHERRY - BURRELL公司和 SCHOLL ECOR公司,这种包装方式具有保鲜好、便于存储运输、无须冷藏的特点,一般可在常温下保持 9～12个月不变质, 风味可保持6～8个月。

②无菌小包装,主要是包装直接饮用品,以供市场零售。

目前主要有杯式与盒式两种形式。

具有代表性的是国际纸业 ( International Paper)的无菌液体包装系统、法国ERCA公司无菌杯式包装生产线的“埃卡包”(Erca Pak)；另一种是瑞典利乐(L EAL ER)公司无菌盒式包装线生产的“利乐包”(Tet ra Pak) 。

1.4无菌包装的基本原理
食品的无菌包装基本上由三部分构成：食品物料的预杀菌；包装容器的灭菌；充填密封环境的无菌。

这也可以说是食品无菌包装的三大要素。

由于无菌包装技术的关键是保证无菌，所以它的基本原理是以一定方式杀死微生物，并防止微生物再污染为依据。

2.无菌包装的国内外现状
无菌包装属于现代高新技术的包装手段，真正用于生产实践仅有几十年的历史。

随着科技的飞速发展以及相关应用技术不断提高，无菌包装在食品包装中的应用日益广泛。

食品安全性第一与营养功能兼顾性原则逐步为消费者所认同，为无菌包装技术及装备市场化应用开
拓了广阔的空间，以致业内公认无菌包装是未来食品包装业的发展方向。

虽然早在1913年丹麦人金森就开始了对牛奶的无菌灌装，而美国人佟克莱于1917年也得到了食品无菌保藏方法的世界首项专利，但无菌包装技术的广泛兴起还是上世纪70年代末以后展开的。

由于无菌包装的优越性很快为广大消费者所认识，市场迅速扩大。

无菌包装技术，设备，材料得到迅速发展。

到90年代初，无菌包装在食品包装中所占的比例，大包装超过80%，小包装超过50%。

截至90年代中期，国外共有30多家公司生产各种无菌包装设备，另有许多生产杀菌系统，包装材料，元器件的配套厂家。

国内研制生产无菌包装设备及配套杀菌系统，包装材料的单位也在逐渐增加。

生产大包装设备的厂家有意大利ELPO公司，ASTEPO公司，瑞典利乐公司，德国KF公司，芬兰ELECSTER公司等。

生产砖型包及屋顶包设备的厂家有瑞典利乐公司，美国国际纸业公司，德国的PKL公司，KF公司等。

生产塑料杯型包装设备的厂家有德国的GASTI公司，BOSCH 公司，HASSIA公司，法国ERCA公司等。

生产塑料袋包装设备的厂家有德国KF公司，芬兰ELECSTER公司，日本城南公司等。

生产塑料瓶包装设备的厂家有瑞士TOMMELAG公司，法国SERAC公司，意大利SIPA-PROCOMAC公司，荷兰STORK公司等。

此外，为了增强竞争能力，有些公司组成了集团。

例如，利乐公司和阿法拉伐公司联合组成了利乐拉伐公司，ERCA公司加入了JAGENBERG集团。

有些大的集团公司开发生产了无菌包装设备，例如，美国国际纸业，德国BOSCH，荷兰STORK等公司都生产无菌包装设备。

国内有关领导机关从一开始就十分重视无菌包装技术的发展，“七五”期间轻工业部（现轻工总会）就把开发食品无菌包装技术列入国家“七五”重点科技攻关计划项目之内。

中国包装技术协会，中国食品工业协会都建立了无菌包装委员会以推动无菌包装技术的发展。

中国乳业协会，中国饮料工业协会都对无菌包装给予特别的关注。

越来越多的国内单位从事无菌包装设备，材料，工艺，元器件的开发与生产。

北京航空工艺研究所开发生产了大袋无菌包装生产线，通过了国家鉴定，获得了国家级奖励。

沈阳自动化仪表研究所，广东远东食品包装机器公司分别开发生产了大袋，砖型包无菌包装设备。

宁波轻工机械厂开发生产了盘管式换热器。

扬州昌隆无菌包装公司，陇西复合软包装材料厂，广州金威龙实业公司分别开发生产了大袋无菌包装用袋。

北京长空公司片材厂，河北埃卡包装材料公司分别开发生产了塑料杯无菌包装用复合片材，标材和顶盖材料。

3.无菌包装的操作要点
进入无菌灌装系统的食品物料、包装容器、操作设备及环境都应是无菌的,任一环节未能彻底杀菌都将影响产品的无菌效果，因而进行无菌包装应注意各个环节的灭菌操作。

3.1无菌包装食品的灭菌方法
（1）食品的性质决定采用的热杀菌工艺
①均质液体食品：高速流动的低粘度均质液体可以进行很好的温度平衡，有很高的热传导系数，因而加热温度可以较高,均质液体食品的加热时间很短。

②含有较小固体颗粒的液体食品需要较长的加热、保温和冷却时间来平衡颗粒的内部温度，所以其温度平衡只能在缓慢的热传导过程中完成。

如果其液相物质的粘度较高，就需要采用刮板式热交换器进行加热和冷却；反之则采用片式或管式热交换器进行加热和冷却。

如果食品中固体颗粒的直径或边长达到了15mm，可以采用双层管式和刮板式热交换器进行加热和冷却。

③含有较大固体颗粒的液体食品：这种食品要达到温度平衡，就需用很长的时间，因而加热、保温和冷却的时间均必须大大延长。

例如液体中含有边长达15～25mm的土豆块或块状蔬菜。

这类食品的常用高温杀菌工艺为：将液相与固相分离，对液相物质进行连续作业的UHT 工艺；对固相物质则在无菌容器中断续地用蒸气直接进行杀菌，然后在无菌的条件下将液相与固相重新混合并灌注。

（2）液体食品的超高温短时杀菌 (UHT) 及高温短时杀菌 (HTST)
超高温短时杀菌是将食品在瞬间加热到高温而达到杀菌目的，有二种方法:
①直接加热法：用高压蒸气直接向食品喷射，使食品以最快速度升温，几秒钟内达到140～160℃,维持数秒钟，再在真空室内除去水分，然后用无菌冷却机冷却到室温。

如对牛奶采用直接加热的UHT杀菌技术，可先将牛奶迅速 (15～20s) 加热到 140～150 ℃, 保持 2～4s , 随后在 15～20s内冷却至室温。

②间接加热法：根据食品的粘度和颗粒大小，选用板式换热器、管式换热器、刮板式换热器。

高温短时杀菌( HTST)：HTST杀菌法主要用于果汁等饮料的灭菌。

可采用换热器在瞬间把果汁加热到接近100℃, 然后速冷至室温，可完全杀灭果汁中的酵母和细菌，并能保全果汁中的丰富的维生素等营养成分。

3.2包装容器的灭菌方法
（1）纸塑料类包装容器的杀菌
用于纸塑料包装容器的杀菌方法有物理方法和化学方法两种。

物理方法有加热处理、紫外线辐射、高频电场处理等。

对纸塑料包装材料进行彻底的热处理会使其材料发脆而难以封口；单独使用紫外线照射杀菌处理和高频电场杀菌处理，其杀菌效果差。

因此，实际工程中
常采用化学药物灭菌技术或化学方法与物理方法相结合的灭菌技术。

纸基包装材料采用药物灭菌方法有较好的效果，所用的杀菌剂必须杀菌力强，对设备无腐蚀，杀菌过程中不会生成有害物质，同时在包装材料上的药物残留少。

目前最常用的杀菌剂是过氧化氢 (H2O2 )。

过氧化氢的杀菌力与其浓度和温度有关，浓度越高且温度越高，杀菌效力就越好。

常用于杀菌的H2O2的浓度为 25 %～30 % , 温度为 60～65 ℃。

杀菌采用溶槽浸渍或喷雾方法，使包装材料或容器表面有一层均匀的H2O2液，然后对其进行热辐射加热使存留在包装材料或容器表面上的H2O2和热空气一起完全蒸发，分解成无害的水蒸气和氧。

（2）金属罐、盖的杀菌方法
金属罐、盖一般采用过热蒸气杀菌。

在容器内外加热 45s , 使容器温度达到 221～232 ℃, 罐盖用过热蒸气加热 75～90s , 使其温度达到 289～325 ℃, 即达到完全灭菌之目的。

（3）玻璃瓶的杀菌方法
关于玻璃瓶的无菌包装，最初是由美国 VOSE 公司研究的，英国乳业研究所建立了 NIRD 无菌充填系统，即向玻璃瓶吹送154℃418MPa的蒸气加热115～2s，杀菌之后充填无菌牛奶，封口即形成无菌包装产品。

（4）包装机械及操作环境的灭菌处理
食品包装前，首先应对包装机械及操作环境进行无菌处理。

包装机械可用热碱水洗涤，经稀盐酸中和，热水冲洗，再用高温蒸气杀菌。

操作环境可采用化学灭菌和物理灭菌并用的方法进行无菌处理，并定期地进行紫外线照射以杀灭游离于空气中的微生物。

一般无菌室安装有空气过滤装置和紫外线灭菌装置用以保持无菌室经常性的无菌状态。

无菌室的洁净度、温度和湿度都应符合规定的标准(温度一般为18±2℃,湿度一般为55% ±10%RH)。

无菌包装要求从杀菌到包装密封的整个工艺过程中防止外部微生物的侵入污染，食品流经的各个连接部位要保证可靠的密封。

在无菌包装过程要充分注意微生物二次污染的可能性，尽量缩短杀菌过的食品和包装容器与空气直接接触的时间。

一般要在无菌操作环境设立检测装置以监控环境中微生物数量，保证包装产品的无菌。

4.无菌包装在食品中的应用
物品由于在生产、包装、运输、储存过程中不断受到各种微生物的污染，而使得物品带有种类繁多的微生物。

虽然可以运用化学药剂、气调、高温、低温等灭菌技术进行杀菌。

然而仅仅进行杀菌是不够的，因为许多物品不可能随保存在杀菌环境中，特别是某些食品，所以，无菌包装技术被广泛地应用到食品包装中。

所谓无菌包装技术是在被包装物、包装容器或材料、包装辅助器材无菌的情况下，在无菌的环境中进行充填和封合的一种包装技术。

4.1无菌包装在乳品行业的应用
乳品营养丰富，又易被人体消化吸收，是一种理想食品。

目前，我国人均年消费乳制品约10kg左右，不足世界平均消费水平的十分之一，发达国家消费水平的三十分之一。

虽然这与饮食习惯有关，但从另一方面也看出我国乳制品行业有极大的发展空间。

事实上，我国乳制品行业一直持续发展，年增长率超过20％。

2004年，奶类产量达2300万吨，2005年前两个季度增幅达25％。

乳品产业的发展带动了乳品包装的发展，适宜乳品包装又促进了乳品的消费。

乳品含有大量的蛋白质、脂肪、乳糖、矿物质等多种营养成份，在环境中受到氧气、光线、温度、尘埃等因素作用，易发生腐败变质。

面对鲜乳这种复杂而又极易腐败的液体食物，包装储存就不可避免地成为其最重要环节之一。

包装对食品的保护性、方便储运和消费、便
于货架展示，提高商品价值、增加花色品种的功能，在乳品包装上获得了最充分的体现。

保质、营养、卫生、安全、食用方便，对于乳品包装的这些要求不断促进了其包装方式、包装结构、包装机械的发展和进步。

乳品包装与乳品加工技术相辅相成，乳品包装促使了无菌包装系统的发展。

包装已成为乳品品牌的重要载体，对包装的依赖度之高在食品工业中是绝无仅有的。

利乐包、利乐枕、百利包几乎成了乳制品本身品牌的一部分。

乳品包装直接影响到乳品的质量、档次和市场销售，乳品市场的竞争在一定程度上演化为乳品包装的竞争。

乳制品包装的分类：
乳品包装的多样性使得超市货架琳琅满目，以下面就从各种不同角度对乳品包装进行分类：按包装形式可分为盒包装、杯包装、袋包装、瓶包装；
按包装系统及材料生产厂家的不同，可分为利乐包、屋顶包、康美包、埃卡杯、百利包、芬包、爱克林新鲜壶、怡乐包、好利包、万客包等；
按包装的档次分为高档包装：无菌砖、屋顶包、埃卡杯、怡乐包；中档包装：无菌枕、芬包、爱克林爱克包、高阻隔百利包；低档包装：普通黑白膜、单层塑料；按照包装材料分为纸铝塑复合材料、纸塑复合材料、铝塑复合材料、金属材料、玻璃材料、塑料共挤膜、塑料容器。

目前，无菌包装在我国乳制品中仅占 10%，而发达国家占 65%。

另外，牛奶在我国人均占有量为 5.1 千克，而世界人均 38 千克。

按照我国“十五”计划，到 2005 年，我国人均奶类占有量将达到 10 千克，总产量达到 1350 万吨；到 2030 年，我国奶类人均占有量将达到 25 千克，总产量为 4250 万吨。

同时，国家已将液态奶无菌包装列为优先开发项目，并斥资 20 亿元扶持液态奶工业的发展。

由此可见，我国液态奶无菌包装具有极大的发展空间，市场前景光明。

无菌包装技术在乳制品行业的应用具有其独特的优越性。

无菌包装的主要优点是在保证无菌的条件下能最大限度地保留食品中原有的营养成分和风味，减少损失。

它能较方便地使用超高温瞬时杀菌方法来消毒包装前的食品，而其他包装方法则很难做到这一点。

由于乳制品具有保鲜要求高、加工周期短、难于储存与运输等特点，决定了其对包装技术的要求非常高。

采用超高温瞬间灭菌技术（UHT）解决了液态奶运输、储存、保鲜难的问题，目前发达国家已普遍采用这一技术进行鲜奶加工：将牛奶加热至超过摄氏 135 度，仅保持几秒便迅速降至常温，然后在密封无菌条件下，用 6 层纸铝塑复合无菌材料灌装、封盒而成。

它可最大限度地保持牛奶的营养成分，又杀灭了细菌，解决了保鲜难的问题，使人们可以更方便、放心地享用营养丰富、美味的牛奶。

4.2无菌包装在饮料行业的应用
随着国内消费者对牛奶、果汁等饮料需求量的不断上升，乳品、饮料行业迅速崛起，饮料无菌包装市场的需求也在以每年20％～30％的速度增长。

国内的主要乳品、饮料企业都在使用瑞典利乐以及瑞士SIG集团康美包技术生产线。

其中排名第一的利乐和排名第二的康美包垄断了国内九成市场份额，二者比例分别占到75％和15％。

目前，利乐手头已握着伊利、光明、三元、蒙牛、娃哈哈、汇源等国内几大乳业及饮料行业巨头，康美包也拥有汇源、完达山等客户。

国内九成以上的无菌包装市场被这两大巨头垄断。

目前，我国饮料包装制品主要包括聚酯瓶（PET）、金属易拉罐、纸塑复合材料、玻璃瓶等形式，其中PET、玻璃瓶的比重均达到30％左右。

今后几年，这四大类型饮料包装制品将面临不同的市场机遇。

5.无菌包装的发展趋势
纵观无菌包装业近几十年的发展历史，我们可以清楚地看到，无菌包装技术的发展无不伴随着现代高新技术的进步而发展，并日益显现出四大显著趋势。

5.1向高新技术集成性和高可靠要求的方向发展
无菌包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，它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。

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。

为了满足高可靠度的要求，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统一。

高可靠度意味最终产品的高安全性，而实现高可靠度必须有诸多相关学科的高新技术做支撑。

尽管各类无菌包装设备的技术指标与最终产品的环境特性相关而存在着差异性，但最终必须以实现安全性保障为终极目标。

5.2向多个产业的应用领域发展和延伸
众所周知，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。

无菌包装技术进入食品工业首先以乳制品为切入点，以TETRA.PAK公司为代表率先解决了牛乳这种高营养和高时效性食品的无菌包装技术，打破了牛乳生产与销售的时间与空间的限制，无疑是一项革命性的突破。

近几十年来，伴随着新型包装材料和灭菌新工艺的不断涌现，以及生物技术产品的市场消费的推动，无菌包装从药品到乳品向啤酒、果汁、软饮料行业的热敏性食品领域
扩展延伸，最具代表性的是啤酒、果汁、茶饮料的无菌包装。

欧美发达国家的先进无菌包装设备逐步进入国内市场，而国内厂商为了构建和引领更新的市场消费理念和销售热点，不惜重金引进设备，也正说明了这一点。

5.3无菌包装设备向单一高速型方向发展
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，应用领域涵盖了药品、食品的各个行业。

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。

虽然设备使用厂商为了构建自身产品的差异化优势而具有产品多样化的需求，但要达到装备的固有可靠性和运行可靠性的统一，从而保障投资的回报，单一高速型应该是最佳选择。

5.4向以技术创新优化性价比的方向发展
无菌包装设备本身的高技术含量和可以创造与众不同的产品商机的特殊功能，决定了其高投入的特点。

引进国外的一条生产线，少则上千万元，加上可观的运行费用，使多少企业望而却步。

显然国内装备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。

那么要达到这一目的的惟一出路，就是走技术创新的道路。

技术创新应采取集成性与突破性相融合的技术策略。

所谓集成性，就是对国内外现已发展成熟的相关技术成果进行集成整合，以降低研发成本，简化人机界面。

突破性则是对关键工艺和器件进行重点研究和突破。

目前，国内致力于无菌包装发展的厂商在乳品、啤酒和果汁行业的无菌灌装设备的研发上已取得了长足的进步，为市场提供优良性价比的无菌包装设备已为期不远了。

无菌包装技术是一门多学科的系统工程。

每一台无菌包装设备都具有不可或缺的机械、控制、微生物栅栏和质量监控保障系统。

每个系统彼此既相对独立又相互联系，在主控计算机的监控下整体协同运行。

随着科技成果向应用技术领域的转化速度加快，现代工程技术领域的技术创新是以工程技术专家对技术要素的优化整合为特征，无菌包装作为行业的前沿和高端技术自然给新技术的应用开拓了新的天地。

一台性能优良的无菌包装设备可以集中体现现代科技、现代制造与控制技术的精华，也是一个企业乃至一个国家整体技术水平的综合体现。

就机械与控制系统而言，光机电一体化技术的应用，使整机的固有可靠性和运行可靠性得到了空间的提升。

从传动到终端执行部件，从物料输送到精确计量灌装，从控制到信号测。