復合超濾膜在飲料無菌包裝工業(yè)中的應用

甘元英，吳文標

(西南大學 食品科學學院，重慶，400716)

飲料容易繁殖微生物而腐敗，所以在飲料生產(chǎn)過程中必須要滅菌包裝。目前廣泛采用無菌包裝技術[1-2]，經(jīng)過無菌包裝的飲料在運輸和倉貯過程中不需冷藏，儲存期長，便于運輸和銷售。傳統(tǒng)無菌包裝技術一般首先對飲料產(chǎn)品、包裝容器、材料或包裝輔助器材進行高溫滅菌處理，然后在無菌的環(huán)境中進行充填和封口。缺點是需要高溫，操作難度較大，成本較高[3]。因此, 研究一種能夠克服上述缺點的新型無菌包裝技術是非常必要的。

膜分離技術是一種以高分子分離膜為基礎的流體分離單元操作技術[3-4]，以壓力為驅動力，依靠物理過濾方式進行選擇性過濾。膜過濾具有能耗低，不額外添加物質，不改變物質原有屬性，適應性強，能回收有價值的額外資源等優(yōu)點[5]。目前廣泛應用于水處理、化工、電子等領域。

本研究以SiO2和聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, vinylalcohol polymer, PVA)為基礎原料研制了一種PVA/SiO2復合超濾膜，設計和制作了一種無菌包裝系統(tǒng),并對這種無菌包裝系統(tǒng)包裝和保藏水、啤酒和雞尾酒的效果進行了測試。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

工業(yè)水玻璃 (Na2SiO3，模數(shù) 3.3),重慶井口水玻璃廠；聚乙烯醇[聚合度(1 795±50)],重慶北碚化學試劑廠分裝；純凈水、啤酒、雞尾酒,重慶市北碚區(qū)永輝超市。

1.2 實驗設備

全玻璃實驗超濾裝置，參考文獻[6]制備；708161型手持折光儀，成都泰華光學有限公司；NU-437-400S/600S生物安全柜，天美(中國)科學儀器有限公司；SW-CJ-1DSW超凈工作臺，上海滬凈醫(yī)療器械有限公司；LRH-250A恒溫培養(yǎng)箱，廣東省醫(yī)療器械廠；E500G厭氧培養(yǎng)箱，美國GeneScience公司；無菌包裝系統(tǒng)(自制)。

1.3 實驗方法

1.3.1 PVA/SiO2復合超濾膜的制作

參照文獻[4]的方法制作PVA/SiO2復合超濾膜，略有修改：鑄膜液改為8 mL，膜的干燥方法改為烘箱中干燥。具體操作程序如下：稱取5 g PVA固體顆粒加入95 g純水，在90 ℃的恒溫水浴鍋中攪拌溶解4 h左右，得到質量分數(shù)為5% 的PVA溶液，與5.1%的工業(yè)水玻璃按1∶1的體積比混合，攪拌30 min使其均勻反應，靜置24 h，脫氣后取 8 mL鑄膜液倒入直徑為9 mm的圓形塑料培養(yǎng)皿中，置于30 ℃的烘箱中干燥24 h制得平板膜，膜厚度為100～120 μm。將培養(yǎng)皿和膜分離，用2 mol/L H2SO4浸泡膜層 24 h，再用純水多次洗滌后，浸泡于純水中待用。

1.3.2 PVA/SiO2復合超濾膜過濾飲料的性能測試

1.3.2.1 膜飲料通量隨時間變化的測試

將制得的平板膜于室溫下放入全玻璃實驗超濾裝置中，-0.1 MPa 下預壓 60 min，然后測定膜的飲料(純水或啤酒或雞尾酒)通量。記錄飲料在一定時間內通過膜的體積，根據(jù)公式(1)計算膜的飲料通量：

(1)

式中：J,膜的水通量，L/(m2·h)；V,透過液的體積，L；A,膜的有效面積,m2;t,透過時間，h。

1.3.2.2 飲料中固形物透過率的測定

將飲料(啤酒或雞尾酒)裝入全玻璃實驗超濾裝置中，在-0.1 MPa下預壓 60 min 后，收集通過平板膜的透過液，用手持折光儀分別測定原飲料液和透過膜的飲料液中的固形物含量，固形物透過率按公式(2)計算：

(2)

式中:Cp,透過膜的飲料液中的固形物含量，g/L;Cf,原飲料液的固形物含量，g/L。

1.3.3 復合超濾膜無菌包裝系統(tǒng)及飲料的無菌包裝方法

圖1是無菌包裝系統(tǒng)示意圖。飲料的無菌包裝方法如下：將自制無菌包裝系統(tǒng)(包括安有可多次穿刺丁基橡膠塞的包裝瓶)于121 ℃進行高壓滅菌處理15 min，冷卻(為防止過濾器在消毒過程中或之后受到污染，需進行裝置完整性檢測，以檢測濾膜是否正確安裝，濾芯是否受到損壞)，將飲料(打開原料包裝，放置在室溫中充分與空氣接觸24 h)裝入注射器中，手工推進注射器的活塞將飲料壓入膜過濾裝置中并壓濾過PVA/SiO2復合超濾膜，飲料通過針頭注入帶有丁基橡膠塞的包裝瓶中；抽出過濾加液針頭后，加鋁蓋壓合密封儲存。

1-壓力推動器;2-膜過濾裝置;3-自制PVA/SiO2超濾膜;4-無菌飲料包裝瓶圖1 過濾膜過濾無菌包裝系統(tǒng)示意圖Fig.1 Illustrating diagram ultrafiltration aseptic packagingsystem

1.3.4 無菌包裝飲料的儲藏實驗

將裝在包裝瓶中的過濾液存儲于25 ℃條件下,每隔7 d從過濾液樣品瓶中隨機取出10瓶進行微生物檢測。

1.3.5 微生物檢測方法

無菌包裝飲用水、啤酒及雞尾酒中的菌落總數(shù)參照GB4789.2—2016進行檢測。細菌培養(yǎng)參照GB8538—2016。飲用水中的大腸桿菌、糞鏈球菌、銅綠假單胞菌和產(chǎn)氣莢膜梭菌參照GB 4789.1—2016標準進行檢測。微生物限量參照GB8537—2018標準。啤酒、雞尾酒有害菌和大腸桿菌參照GB/T 4789.25—2003標準進行檢測。

2 結果與討論

2.1 PVA/SiO2 復合超濾膜過濾飲料的性能測試

2.1.1 飲料通量隨時間的變化

自制無菌包裝系統(tǒng)過濾飲用水、啤酒和雞尾酒的通量隨時間變化情況如圖2所示。飲用水的通量在過濾30 min時達到穩(wěn)定，通量為81.93 L/(m2·h)；啤酒和雞尾酒在過濾60 min時通量達到穩(wěn)定，分別為44.59和42.92 L/(m2·h)。飲用水通量在0～30 min范圍內逐漸下降。水中幾乎不含有機物，所以因膜吸附有機物而導致水通量下降的可能性較小；水中可能含有來自空氣的灰塵顆粒以及微生物，有可能污染膜而使水的透過率下降，這種效應在過濾初期未形成，膜過濾的阻力基本取決于膜自身，在30 min過濾過程中，膜的污染效應從開始形成到隨時間的累計加速疊加，故引起裝置的過濾效應急劇下降，在過濾時間達到30 min時濾膜表面的污染效應與復合膜表面壓力帶來的疏導效應達到相對平衡狀態(tài)，過濾裝置中復合膜的綜合阻力不再明顯增加，濾膜裝置的通量趨于平衡。同理，對于放置在室溫中與空氣充分接觸 24 h后的啤酒和雞尾酒而言，飲料本身可能累積了顆粒灰塵和大量微生物，在0～60 min范圍內隨著雜質堵塞膜孔而呈現(xiàn)通量降低的現(xiàn)象，在60 min時通量達到穩(wěn)定狀態(tài)；此外，這2種飲料中含有大量的有機營養(yǎng)成分可能吸附在膜的表面或膜孔壁的表面而致通量下降，所以這2種飲料的通量與水的通量相比小很多。

圖2 不同飲料經(jīng)自制無菌系統(tǒng)過濾通量隨時間變化情況Fig.2 Changes in filtration flux of different beveragesthrough self-made aseptic systems as changes in time

2.1.2 飲料中固形物的膜透過率情況

從圖3可以看出，啤酒和雞尾酒的固形物透過率在30 min時達到穩(wěn)定，其中啤酒的固形物透過率為98.04%，雞尾酒的固形物透過率為98.61%。這種膜可以截留蛋白質[6]，說明這2種飲料中不含蛋白質。

圖3 不同飲料中固形物透過率隨時間變化情況Fig.3 Changes in solids transmittance in differentbeverages as changes in time

在0～30 min內，飲料固形物在壓力推動下通過過濾裝置中的自制濾膜，固形物透過效率明顯隨著時間的增加而增加，但是30 min以后變化不顯著(P>0.05)，膜孔被飲料中固形物堵塞,導致透過率趨于平穩(wěn)。因此，對于啤酒和雞尾酒這類清亮型飲料而言，固形物的透過率均高達98%以上；這種膜對于營養(yǎng)物質的透過率高，幾乎不會造成營養(yǎng)素的丟失。

綜上，采用自制的基于PVA/SiO2復合超濾膜過濾系統(tǒng)過濾水、啤酒和雞尾酒的通量規(guī)模在生產(chǎn)上具有實際應用價值，2種飲料中固形物的透過率達到98%以上，營養(yǎng)素損失量很小；這種超濾膜過濾對不含蛋白質等高分子營養(yǎng)物質的清亮型飲料進行滅菌，和以它為基礎建立無菌包裝系統(tǒng)是可行的。

2.2 無菌包裝效果實驗

以自制的PVA/SiO2平板膜為基礎，設計和制作的無菌包裝系統(tǒng)對水、啤酒和雞尾酒分別進行無菌包裝。未經(jīng)過和經(jīng)過無菌包裝的這幾種飲料，在儲藏不同時間后，取樣進行微生物檢測的結果見表1和表2。通過自制無菌包裝系統(tǒng)包裝的飲料樣品，在儲藏了0、7、14、21、28 d后檢測得出的細菌總數(shù)均在國家標準規(guī)定的范圍內；尤其是飲用水中大腸菌群、糞鏈球菌、銅綠假單胞菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌均未檢出；啤酒、雞尾酒中大腸桿菌和有害菌均未檢出。但是，沒有經(jīng)過無菌包裝系統(tǒng)包裝的飲料中，水、啤酒和雞尾酒在儲藏的第0天檢測得到的細菌總數(shù)就已超過國家標準。

表1 儲藏不同時間后未進行無菌包裝飲料中微生物檢出結果Table 1 Colony counts in non-aseptically packaged beverages after storing for different times

注：每個樣品量為10瓶(下同)

表2 儲藏不同時間后無菌包裝飲料中微生物檢出結果Table 2 Colony counts in aseptically packaged beverages after storing for different times

通過自制的基于膜過濾的無菌包裝系統(tǒng)包裝的飲料樣品(包括水、啤酒和雞尾酒)在放置180 d后，指標均符合國家標準(表3)。這種新型無菌包裝系統(tǒng)造價低廉，環(huán)境要求不苛刻，操作成本低，因此具有很好的應用前景。

3 結論

以PVA/SiO2復合超濾膜為基礎，設計和制作出來的飲料無菌包裝系統(tǒng)能很好地實現(xiàn)除去不含蛋白質等高分子營養(yǎng)素的清亮型飲料(包括水、啤酒和雞尾酒)中微生物，能達到無菌包裝和長期保存的目標。采用這種無菌包裝系統(tǒng)可以在自然環(huán)境條件下對不含蛋白質的高分子營養(yǎng)素的清亮飲料實行無菌包裝，具有很好的應用前景，值得進一步地開展延長儲藏保質試驗和工業(yè)化生產(chǎn)裝置的開發(fā)和應用研究。