无菌包装技术应用和发展

无菌包装技术应用及发展
1 前言
目前,在世界上许多地方,无菌包装已成为与人们生活最密切相关的包装形式之一,在饮料、奶制品等食品的包装上得到广泛应用，为广大食品生长企业带来无限商机。

作为包装
是指经过杀菌的食品(饮料,奶制品,调味品等)在无菌环境中包装,封闭
,以期在不加防腐剂,不经冷藏的条件下取得较长的货架寿命。

简单的说无菌包装是将包装材料,包装容器,包装内容物先杀菌,然后在无菌条件下包装。

无菌包装最大的优点是在无菌条件下最大限度地保留食品原有的营养成分和风味,这一优点主要是运用了超高温瞬时灭菌技术,使食品在高温下只经受很短的时间(几秒,几十秒),迅速灭菌,然
包装。

无菌包装技术有许多优点：可以使食品的营养成分得以完好的保存；复合包装材料和真空状态可以使厂品免受光、气、异味和微生物的侵入，使食品不必加防腐剂，运输、仓储不需冷藏；无菌包装的产品外形呈砖形、包装材料使用纸质，产品的空间利用率高、重量轻，因此成本也不算高，据计算，以饮料为例，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；该包装符合现在环保包装的潮流。

由于无菌包装具有以上优点，该技术目前已被广泛应用于是品、饮料、乳制品、和食用油等多种行业。

另外，由于无菌包装技术具有明显的优越性，这项技术逐渐会在酿酒、
然后完成完整封合以防止再污染，从而生产出无菌产品。

流程图如下所示：包材的灭菌→无菌填充和包装→无菌产品
↓
产品灭菌→无菌输送
3 无菌包装系统
3.1 无菌包装原理
包装纸层数不同，产品的货架期不同，则无菌包装机结构不同，以六层纸无菌包装机为例，作一下简单介绍：包装材料从纸卷进入包装机，并上升到包装机背部。

这时，纵封贴条经热合粘到包装纸的一侧。

纵封贴条有两个功能：加强纵封的接合和防止产品接触到包装材料的纸层。

然后，包装纸进人双氧水槽进行灭菌，灭菌后，包装纸在无菌室内形成纸筒。

无菌室能有效地防止任何微生物的污染，在生产中一直通有无菌空气以保证正压，产品的液位始终控制在横封液面之上，能有效防止泡沫的形成和气体的混人。

两对横封压力爪连续不断地将包装纸拉过包装机，无菌产品连续不断地输出。

3.2 部件结构
机器上部结构；夹爪系统；终端折角成型系统；CU清洗系统；电器自控系统。

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浓度：35—50％(v／v) pH值：2～4 包材经贴条器贴条后进人具有一定液位的双氧水槽，在双氧水槽中浸泡10秒钟，双氧水温度为70℃，杀灭包材表面附着的微生物。

包材经过一对挤压辊轮去掉多余的双氧水，然后经过125℃无菌空气，所形成的“气刀”吹干包材表面双氧水。

通过向纸筒内不断通人125℃无菌空气，以便在包装的产品接触表面形成一道无菌空气屏障，能有效地防止微生物的再污染。

生产前：无菌室的灭菌是通过双氧水喷雾和无菌空气干燥来实现的，而无菌空气是通过包装机无菌空气加热器加热来实现的。

液态双氧水喷射到无菌热空气中并瞬间蒸发，无菌空气和双氧水气体的混合物进人无菌室进行灭菌，冷凝在内表面的双氧水，通过无菌热空气进行干燥，完成无菌室的灭菌。

生产中：无菌室内吹入无菌热空气，并保持其正压，20～40mm水柱，实现无菌状态。

4.2.1 双氧水的喷雾和静止：125m1双氧水在压缩空气作用下形成3kg／cm2的喷雾压力，通过双氧水雾化器形成360℃的双氧水雾，进入无菌灌装室的各个角落，然后静止2min形成液滴，杀死无菌灌装室、灌注管、纵封加热器、短停加热器、清洗阀到灌注管之间的管道等处微生物。

4.2.2 无菌灌装室的预消毒：生产准备阶段为270℃无菌热空气。

4.2.3 无菌室、灌注管、纵封加热器等处的热空气杀菌：杀菌温度为360℃，杀灭空气中的微生物。

4.2.4 在无菌环境下完成完整封合
纵封：纵封加热器向包材吹入无菌热空气，包材的聚乙烯层在280～320℃下熔化，在压力辊的作用下，融合在一起，完成纵封，形成纸筒。

横封：包材内层的聚乙烯通过“电感加热”，即高频电流通过夹爪内U型金属圈，在包装纸的铝箔层形成反向电感电流，从而使铝箔受热并将热量传递给内层聚乙烯，在力和热
，通过超高温瞬时灭菌机来完成，产品的灭菌温度和时间为137℃／4秒或135℃／15秒。

由于温度高、时间短，这样以来，即保持产品的原来营养成分尽量不损失，同时，杀灭产品中的微生物。

4.3.2 产品的无菌输送
超高温瞬时灭菌机输出的135℃／137℃的热水，经过产品管道—灌装机—产品回流管道—超高温瞬时灭菌机，循环20min，对管道进行灭菌，形成无菌管道。

灭菌后的产品经过无菌管道，进行输送，从而完成产品的无菌输送。

4.3.3 蒸汽阀所形成的蒸汽障对产品阀内的产品起到保护作用：在产品阀与清洗阀之间安装一个蒸汽阀，用130℃、1.7kg／cm2的蒸汽形成屏障，避免产品与外界接触，起到保障作
素直接影响清洗效果，进而影响包装产品质量。

清洗程序：①50～60℃热水冲洗5～10min②浓度为1.5～2.0％、温度为75℃③用水冲洗3～5min，达到中性85℃的NaoH溶液循环20min④浓度为1.0～1.5％、温度为65～75℃的HN03溶液循环20min⑤清水冲洗3～10min达到中性。

5 包装特性
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材的灭菌系统以及清洗系统。

5.1 包装材料的无菌
无菌包装材料一般有金属罐、玻璃瓶、塑料容器、复合罐、纸基复合材料、多层复合软包装等几种。

5.1.1 金属罐
无菌包装使用最早的包装材料之一，主要分马口铁罐和铝罐两种，目前世界上金属罐无菌包装的最先进的典型代表是美国的多尔无菌装灌系统。

多尔系统所采用的金属罐杀菌方法是干热杀菌，即采用高温过热蒸汽来杀菌，当空罐在输送链上通过杀菌室时，过热蒸汽车上下喷射45s，这时罐温上升到221～224℃，罐盖也采用287～316℃的过热蒸汽杀菌75～90s，这些温度足以杀灭全部的耐热细菌。

该灌装系统的特点是:所有容器和设备均采用过热蒸汽杀菌，无菌程度高;罐头内部顶隙残留空气极少，几乎处于高真空状态，产品的质量安全可靠。

5.1.2 玻璃瓶
随着制造技术的发展，近年出现了轻量强化玻璃瓶，该技术的发展大大提高了玻璃瓶的耐热冲击性，大大推动了无菌包装技术的应用。

我们可以采用饱和蒸汽对该玻璃瓶进行杀菌,接着进行灌装和压盖。

杀菌时,温度为154℃，时间为1.5秒.
5.1.3 塑料容器
塑料是无菌包装中发展最快应用最广泛的材料，具有成本较低，形状多样化，机械适应性强等特点，近年来随着塑料薄膜的共挤复合以及容器成形技术的不断发展，塑料将成为无菌包装材料的主角。

对于塑料包装材料的要求主要是具有对食品的保护保存性、适应流通的机械强度、包装机的适应性以及商品性等，尤其要求对氧气和水蒸汽有较高的阻隔性，因此当前世界各国所采用的无菌塑料材料主要是复合薄膜。

5.1.4 复合罐
一般是由两种以上材料组成的三片罐，即底和盖用金属罐，身用铝箔、纸板或聚丙烯等材料制成。

复合罐具有印刷装潢效果好，成本低，质量轻，处理方便而不造成公害等优点，但复合罐的气密性比金属罐差，耐热性也差.
由于复合罐的耐热性较差，因此一般采用127℃左右的热空气杀菌，果汁在93℃以上温度杀菌后冷却到80℃进行热罐装，在灌装和密封区都采用无菌空气来保持正压，以防细菌污染。

复合罐仅限于灌装高酸性的果汁这种低温和高酸性的条件下。

5.1.5 纸基复合材料
纸基复合材料容器是由纸、聚乙烯、铝箔等多种材料组成，西欧各国的无菌包装较多采用这类容器，尤以瑞典的利乐包装公司生产的无菌砖形盒、菱形袋为典型。

这种厚约0.35mm的复合材料由8层材料构成，对氧气和水蒸汽的阻闭性极佳，而且印刷装饰效果也很好，饮用方便，产品的货架期长，是饮料无菌包装的理想材料。

纸容器的灭菌是采用过氧化氢与加热相结合的方法。

先将包装材料经过过氧化氢水浴，然后在灌装时在进料管部位采用管形加热元件，使其间空气温度高达430℃，使纸表面的过氧化氢液膜迅速分解成水和新生态氧，这种氧具有极强的杀菌能力，使容器达到无菌的要求。

以德国PKL生产的康美盒为例,它是一种6层结构的复合软包装材料。

最外层为聚乙烯，然后依次是白纸板、聚乙烯、铝箔、粘结层，最里层也是聚乙烯，采用白板纸代替牛皮纸作为基衬，使得纸盒的刚性大大加强。

5.1.6 新的无菌包装材料
纳米抗菌包装材料是近几年来刚刚兴起的新的无菌包装材料,它运用纳米技术对纯天然的基础材料进行改造，使之发挥出惊人的杀菌效果。

抗菌、无菌包装能使菌体变性或沉淀，一旦遇到水，便会对细菌发挥更强的杀伤力，且吸附能力强，渗透力也很强，多次洗涤后也还有较强的抗菌作用。

5.2 包装产品的无菌
食品物料的杀菌分为热力杀菌和冷菌。

食品无菌包装的物料杀菌到目前为止主要是热力杀菌，其又分超高温杀菌和高温短时杀菌两种。

物料的冷杀菌方法主要指紫外线和微波杀菌。

超高温杀菌是指在温度和时间分别为135～150℃和2～8s的条件下，对乳品或其他食品进行处理的一种工艺。

它具有许多优点，在杀死产品中的微生物的同时能较好的保持食品品质与营养价值，现已被广泛应用于牛乳、果汁及果汁饮料、豆乳、茶、酒、矿泉水及其它产品的生产。

对超高温杀菌有蒸煮味的物料可采用高温短时杀菌，在温度为70～75℃和时间为15～20s的条件下进行杀菌处理，此种方法可较好保持产品的营养、风味，其典型应用是对牛乳制品的杀菌以及部份蔬菜制品杀菌。

5.3 包装环境的无菌
无菌包装系统主要分为两大类系统，敞开式无菌包装系统和封闭式无菌包装系统。

它们之间最大的区别是封闭式无菌包装系统比敞开式无菌包装系统多了无菌室；包装材料要在无菌室内杀菌、成形、灌装。

由于无菌室一直通有无菌气体保持其正压，所以无菌室能有效防止微生物的污染，因此在生产中应用广泛。

作为环境的杀菌一般采用洗涤、加热、药物和紫外线照射等措施，对与食品相接触的装置和整个容器表面进行杀菌处理，空间环境则多采用药物杀菌，整个包装系统无菌状态的维持则靠进入无菌空气并使整个系统保持一定的正压，以阻止外部空气中微生物侵入。

设备停机时微生物会繁殖，可能导致大量微生物不能充分杀死。

因此设备在清洗后应尽量抽干，以便没有水或溶液残留。

5.4 包装设备的无菌
要实现无菌化包装,我们就必须确保包装设备的无菌，对于包装设备来说,主要杀菌方法有加热法和化学法。

对敞开式无菌包装机而言，在无菌充填之前，包装机内与产品接触的表面必须经过杀菌。

其杀菌是通过包装机自身产生的无菌热空气（或无菌热蒸汽）来实现的。

在杀菌过程中，无菌热空气直接接触包装机与产品接触的表面进行杀菌。

封闭式无菌包装机的杀菌只通过无菌热空气是不够的，还要保证封闭空间的无菌，即无菌室的杀菌。

生产前，无菌室一般用双氧水喷雾和无菌空气的干燥来实现，无菌空气是通过包装机内的无菌空气加热器将其加热至一定温度所得到的；杀菌时，液态双氧水喷射至无菌热空气中并瞬时蒸发，这样无菌空气和双氧水气体的混合物进入无菌室进行杀菌，冷凝在内表面的双氧水通过无菌热空气进行干燥，从而完成无菌室的杀菌。

5.4.1 刮板式杀菌机
刮板式杀菌机主要由刮板式热交换器、无级变速输送泵、保持器、水桶、物料桶、无菌水装置及控制柜等组成。

其中二级刮板式热交换器用于加热，四级用于冷却。

该设备热交换效率高，具有升温时间短和物料不结焦等特点，是加工流体及流动性较差的半流体食品的理想设备，如蕃茄酱等。

5.4.2 套管式杀菌机
套管式杀菌机是在刮板式杀菌机的基础上改进而成，用套管热交换器代替刮板式热交换器，简化了结构、降低了成本和能耗，适合于流动性较好的果蔬原汁、浆的杀菌和冷却，如芒果汁和浓缩苹果汁等。

5.4.3 组合式杀菌机
该杀菌机加热单元采用刮板式加热器，冷却单元采用套管式冷却器，它同时具有刮板式和套管式杀菌机的特点，适合于各种果蔬的原汁、浓浆和原酱(除流动性较差的高浓度酱外)的生产。

在无菌灌装生产方面，对于杀菌机的设计和生产的要求极高。

无菌保证第一位，其生产工艺分三步，分别是清洗、设备杀菌及产品杀菌和冷却。

设备杀菌是以122℃的热水杀灭设备的冷却管道中的所有细菌，过程维持30min。

在产品杀菌过程中，冷却进口的温度绝对不能低于临界温度，一旦出现这种情况(管道的无菌性便会遭到破坏)，必须立即停机，否则，以后的产品均会出现涨袋等严重质量事故。

6 高新技术在无菌包装中的应用
6.1 欧姆法加热杀菌技术
欧姆法加热技术在国外已经进入工业应用阶段，一些厂家已生产出可供食品生产厂家应用的欧姆加热器，其优点是可加工粘度较高或颗粒较大的液体食品，颗粒直径可达2.5厘米。

目的存在的主要问题是系统的预杀菌仍需采用过热蒸汽。

因此，在无菌系统的配置时要配成混合式。

6.2 微波连续灭菌技术
微波灭菌与欧姆加热杀菌的主要区别在于前者采用高频(2500兆赫左右)，后者采用工频。

微彼灭菌除了加热效应以外，还有相当的非热杀菌效应。

生物体内的极性分子在微波场中产生强烈的旋转效应，这种旋转使微生物的营养细胞失去活性或破坏微生物的酶系统，造成微生物的死亡。

微波灭菌的工业规模的研究目前还不充分，例如，功率消耗、微波的防护、微波对常见菌种的热死系数、微波对有益的氨基酸的影响等。

因此，在国外尚
未查找到工业应用的微波加热器资料。

可以预测，微波灭茵在固体食品方面会首先得到应用。

6.3 放射线杀菌技术
将产品放入由钻“为原料的放射室中，由其产生的γ射线进行杀菌。

目前，这种方法主要用于无菌大包装袋的成批杀菌。

由于放射线的方向控制难度很大，防护技术要求很高，预计直接用在无菌包装生产线上的可能性不大。

6.4 超高压杀茵技术
将食品原料充填到塑料或其它柔软容器中密封，再投入到1000～6000个大气压力的高压装置中加压处理，导致微生物的蛋白质变性，酶失去活性，最终导致细菌死亡。

处理后发现，可溶性固形物、氨基酸、维生意C、蛋白质均无减少，食品的色泽、香味不受影响。

这种方法作为工业应用，在设备设计及制造上将会遇到很大的困难。

首先，大产量的高压泵系统(每小时超过1吨)制造费用会非常昂贵，防泄漏问题将非常重要并难以解决。

另外，定性的研究虽已进行不少，定量的研究尚有大量工作要做。

6.5 磁力杀菌
把需杀菌的食品放入0.6伏特磁场的N极与S极之间，经过连续搅拌，不需加热，即可达到杀菌的效果，而对食品中的营养成份无任何影响。

此种技术主要适合于流动性食品的杀菌。

6.6 高压电场杀菌
将食品送入装有相互平行的两个脉冲管内，触点接通后电容器通过一对碳极放电，在几秒钟内完成杀菌，该技术可以克服因加热而导致的蛋白质变性和微生物破坏，可用于果品蔬菜的杀菌与贮藏保鲜技术。

6.7 静电杀菌
食品不直接处在电场中，而是利用电场放电形成的粒子空气和臭氧处理，可以取得良好的杀菌效果，该技术可用于瓶装食品、罐装食品、谷粮类、果蔬类食品的杀菌与保鲜。

6.8 膜分离技术
膜分离技术在水的净化、乳清的分离中已有广泛应用，在食品加工中则是组合膜的开发和应用。

主要用于浓缩果汁，方法是将水果原汁超滤得澄清汁与果酱，前者成分为水、维生素C、芳香成分等低分子物，后者成份为悬浮固形物、细菌、真菌等物。

将澄清汁反渗透除去一部分水，将果酱杀菌后与脱去水的浓缩果汁。

膜分离技术浓缩果汁产品浓度高，风味与营养成份损失很少，是果汁饮料加工有效的浓缩法和杀菌方法。

6.9 生物工程技术
应用于食品加工的生物工程技术是多方面的，如原料合成、食品保鲜、加工工艺、环境保护等。

利用遗传工程生产出符合人类需要的新品种，利用生物传感器、DNA探针等对食品的污染情况进行检测，利用生物酶制剂可生产出高生物活性的产品。

将来，无菌包装食品的质量快速监测方法的开发，很可能有赖于生物工程技术的应用。

6.10 新型包装材科的开发及包装废弃物的回收技术
世界各国进行了大量的研究工作，并制定了不少相应的法规。

例如，可降解塑料、可食性塑料的开发、包装废弃物的回收、包装废弃物作为能源的应用等。

7 无菌包装新技术的应用及发展趋势
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，无菌包装在食品及药品包装中的应用日益广泛。

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：。

7.1 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。

7.2 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。

7.3 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。

7.4 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，从控制到信号测控反馈与补偿，各部件、器件的高质量专业化生产为实现整机理想技术状态奠定了坚实的基础。

CAD与CAM技术、伺服控制技术、传感器及计算机现场总线技术等多项新技术得到了广泛的应用。

微生物灭杀装置主要是包装容器和材料以及设备内在相关系统的无菌保障，按技术手段划分可分为化学灭菌和物理灭菌。

物理灭菌可分为蒸汽、电磁波和辐照三种方式，蒸汽灭菌属于经典式的灭菌方法，而电磁波灭菌多采用2450nm和915nm微波灭菌和超声波灭菌。

辐照灭菌可分为离子性辐照和非离子性辐照。

非离子性辐照采用最广泛的是253.7nm波长的紫外线，由于光源发出的强度所限，虽不存在残留问题，但以上物理灭菌方法都有一定的局限性。

目前，最具备应用前景的是近期开发的激发态紫外光脉冲杀菌技术。