無菌罐在乳品加工中應(yīng)用特點(diǎn)和質(zhì)量控制

李為民，劉 俊，常文玥

（廣東燕塘乳業(yè)股份有限公司，廣東廣州 510700）

超高溫殺菌（Ultra-High Temperature Instantaneous Sterilization，UHT）和巴氏殺菌是乳制品常用的殺菌工藝，UHT殺菌牛奶因保質(zhì)期長、不需要冷藏、營養(yǎng)成分保留較好等原因在全世界被無數(shù)消費(fèi)者和制造商所青睞。20世紀(jì)中后期，無菌灌裝技術(shù)開始商業(yè)化，其在液態(tài)乳制品與液態(tài)果汁等飲品的無菌包裝中得到廣泛應(yīng)用與推廣[1]。無菌罐設(shè)備作為無菌液體產(chǎn)品的暫存罐，因其有延長灌裝機(jī)連續(xù)生產(chǎn)時(shí)間、避免原料奶被循環(huán)加熱、灌裝壓力穩(wěn)定等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于無菌灌裝線中，特別是生產(chǎn)帶果粒產(chǎn)品時(shí)必須用到無菌罐。本文以某公司的無菌罐為例，介紹其構(gòu)造和使用，總結(jié)其在乳品加工中的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)和質(zhì)量控制要點(diǎn)。

1 無菌罐簡介

無菌罐設(shè)備可以作為無菌液體產(chǎn)品的儲存罐，與產(chǎn)品滅菌設(shè)備及灌裝設(shè)備連接使用（圖1），用于UHT處理過乳制品的中間儲存，是無菌灌裝生產(chǎn)線中的關(guān)鍵設(shè)備之一。即使其中任何一臺機(jī)器進(jìn)行計(jì)劃維護(hù)保養(yǎng)或者清洗，依舊可以與另外一方繼續(xù)生產(chǎn)。

圖1 帶無菌罐的乳品工藝流程圖

無菌罐的出現(xiàn)對無菌灌裝技術(shù)的發(fā)展起到了良好的促進(jìn)作用。為保證儲存時(shí)產(chǎn)品的無菌狀態(tài)完整性，對設(shè)備的無菌性能要求十分嚴(yán)格，部分設(shè)備存在無菌時(shí)間短、無菌性能不穩(wěn)定、自動化程度不高、產(chǎn)量低等問題[2]。

2 無菌罐構(gòu)造和信號對接

2.1 無菌罐構(gòu)造

無菌罐主要由罐體、閥組和控制電柜3部分組成。圖2顯示了無菌罐及產(chǎn)品加工通過設(shè)備的概況。無菌罐采取的是模塊化設(shè)計(jì)，主要包括以下7個(gè)模塊。

圖2 無菌罐加工工藝簡圖

（1）無菌罐。將產(chǎn)品在無菌狀態(tài)下進(jìn)行保存，稱重傳感器會對罐體進(jìn)行稱重，頂部液位傳感器控制輸入閥來防止溢出，底部液位傳感器測量無菌罐中是否還有液體，罐頂攪拌裝置保證產(chǎn)品處于流動狀態(tài)以防沉淀。

（2）產(chǎn)品輸入。控制產(chǎn)品從滅菌器到無菌罐，該裝置由多個(gè)氣動閥門控制，并由蒸汽障蔽保護(hù)產(chǎn)品不受污染。當(dāng)罐內(nèi)液位達(dá)到1 L時(shí)，可以給下游灌裝輸送產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)；當(dāng)罐內(nèi)液位達(dá)到高位時(shí)，UHT滅菌牛奶停止輸送到罐內(nèi)。

（3）冷卻水輸入。滅菌之后，通過給罐體冷卻夾層填充冷卻水來降低罐體的溫度，再排放，冷卻水用量為800 L/次，每次冷卻需進(jìn)行2次填充和排放。

（4）蒸汽及CIP輸入。蒸汽保證滅菌過程中的蒸汽供應(yīng)，用于各管道和罐體滅菌，以及生產(chǎn)過程中蒸汽障蔽的供給；CIP輸入保證CIP過程中的CIP溶液供給。

（5）蒸汽及CIP輸出。將在滅菌模式下排出蒸汽及在清洗模式下排出CIP。

（6）產(chǎn)品輸出。該部分保證產(chǎn)品由罐體輸出到灌裝機(jī)，罐底出口有溫度傳感器檢測產(chǎn)品溫度；為使灌裝機(jī)穩(wěn)定供料，罐體底部的壓力始終保持恒定，由罐底的壓力傳感器和無菌空氣調(diào)節(jié)閥組聯(lián)動控制。

（7）無菌空氣輸入。用于供應(yīng)和排放無菌空氣，罐頂有壓力傳感器會檢測頂部無菌空氣壓力。

2.2 無菌罐信號對接

（1）滅菌機(jī)與無菌罐信號。CIP（就地清洗）；PAM（產(chǎn)品信號）；PDS（灌裝信號）；RFP（生產(chǎn)請求信號）；RFW（供水請求信號）；SPS（生產(chǎn)中止信號）；SST（滅菌機(jī)滅菌）；WAM（供水信號）；CSB（清洗蒸汽障）；RSB（沖洗蒸汽障）。

（2）無菌罐與灌裝機(jī)信號。CIP（就地清洗）；FST（灌裝機(jī)滅菌）；PAM（產(chǎn)品信號）；PFM（灌裝生產(chǎn)信號）；RFP（生產(chǎn)請求信號）；RFW（供水請求信號）；TST（無菌罐滅菌）；WAM（供水信號）。

3 無菌罐使用

3.1 滅菌模式

整個(gè)產(chǎn)品回路灌入蒸汽，通過飽和蒸汽對設(shè)備及相連產(chǎn)品管進(jìn)行升溫和滅菌，包括無菌空氣過濾器，溫度達(dá)到140 ℃并保持1 200 s，處于罐底出口處的溫度傳感器會對滅菌溫度進(jìn)行測量和監(jiān)控。啟動滅菌程序后系統(tǒng)自動執(zhí)行以下步驟：預(yù)熱、充壓、無菌空氣排空、滅菌計(jì)時(shí)、無菌空氣入罐內(nèi)冷卻、冷卻水入夾層冷卻以及手動選擇無菌水沖洗程序來冷卻罐體和排空無菌水。滅菌模式完成后，機(jī)器將變成無菌并可以進(jìn)行生產(chǎn)。

3.2 生產(chǎn)模式

無菌罐從UHT接收到PAM信號，打開產(chǎn)品進(jìn)料閥，產(chǎn)品從UHT流入導(dǎo)向無菌罐內(nèi)。灌裝機(jī)發(fā)出產(chǎn)品請求信號后，打開產(chǎn)品供料閥，產(chǎn)品將輸送到灌裝機(jī)的產(chǎn)品輸入閥。在灌裝機(jī)下游產(chǎn)品管道至無菌罐前有一段回流管道，此管道末端閥組由蒸汽障蔽保護(hù)產(chǎn)品不受污染。

3.3 無菌沖洗模式

生產(chǎn)完一個(gè)品種，在切換到其他品種前，整個(gè)設(shè)備將會通過UHT供應(yīng)的無菌水進(jìn)行沖洗去除產(chǎn)品殘留，還可以將無菌水輸送給灌裝機(jī)進(jìn)行無菌沖洗。當(dāng)灌裝機(jī)發(fā)出RFW信號后，無菌罐會從滅菌機(jī)請求無菌水；當(dāng)罐體中液位達(dá)到無菌沖洗液位后，會向灌裝機(jī)發(fā)出WAM信號。

3.4 CIP模式

堿、酸清洗劑通過CIP管道輸入設(shè)備中，按照CIP流程閉合循環(huán)清洗整個(gè)回路，需要達(dá)到設(shè)定的溫度和電導(dǎo)率才開始計(jì)時(shí)。清洗回路包括罐體和入料閥產(chǎn)品管兩路，CIP清洗液由頂部噴淋球進(jìn)入罐內(nèi)清洗罐內(nèi)壁和供料管。啟動CIP程序后系統(tǒng)自動執(zhí)行以下步驟：排空、增壓、預(yù)沖洗、堿洗、排空、水沖、酸洗、排空、最后水沖、排空及排氣泄壓。

3.5 待機(jī)模式

設(shè)備處于開啟狀態(tài)，排空并已清洗，無激活程序，須啟動滅菌模式后才能開始生產(chǎn)。

4 無菌罐在乳品加工中的應(yīng)用特點(diǎn)

4.1 使灌裝機(jī)能夠長時(shí)間連續(xù)生產(chǎn)

在整個(gè)UHT滅菌乳生產(chǎn)工藝中，UHT殺菌設(shè)備往往是限制連續(xù)生產(chǎn)能力的重大因素，若配備無菌罐設(shè)備，當(dāng)上游UHT設(shè)備生產(chǎn)一定時(shí)長需要CIP清洗時(shí)，產(chǎn)品已經(jīng)儲存在無菌罐，下游灌裝機(jī)設(shè)備可以繼續(xù)灌裝。當(dāng)UHT經(jīng)過CIP清洗后再滅菌，又可以將無菌產(chǎn)品輸送到無菌罐中，灌裝機(jī)可以繼續(xù)生產(chǎn)，從而提高連續(xù)生產(chǎn)時(shí)間，降低清洗成本和提高產(chǎn)量。

4.2 生產(chǎn)純牛奶等中性奶時(shí)糠氨酸含量低

乳品中的糠氨酸是蛋白質(zhì)在高溫條件下與乳糖發(fā)生美拉德反應(yīng)所產(chǎn)生的系列產(chǎn)物之一，糠氨酸含量越低，則奶產(chǎn)品的營養(yǎng)質(zhì)量越好。1992年歐盟各國將糠氨酸作為判斷乳品質(zhì)量的重要指標(biāo)，2004年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）發(fā)布ISO 18329—2004利用高效液相色譜法檢測乳制品中的糠氨酸含量，檢測乳品中糠氨酸含量判定是否摻有復(fù)原乳[3]。2005年原農(nóng)業(yè)部制定《巴氏殺菌乳和UHT滅菌乳中復(fù)原乳的鑒定》（NY/T 939—2005）[4]，2016年原農(nóng)業(yè)部修訂新版《巴氏殺菌乳和UHT滅菌乳中復(fù)原乳的鑒定》（NY/T 939—2016）[5]，也都將糠氨酸作為檢測復(fù)原乳的重要指標(biāo)，規(guī)定UHT滅菌乳中每100 g蛋白質(zhì)所含糠氨酸超過190 mg，或者當(dāng)UHT滅菌乳每100 g蛋白質(zhì)所含糠氨酸為140～190 mg時(shí)，乳果糖含量（mg·L-1）與糠氨酸含量（mg蛋白質(zhì)/100 g）比值小于2時(shí)，則鑒定為含復(fù)原乳。

在UHT下游直接連灌裝機(jī)生產(chǎn)純牛奶等中性奶過程中，若下游灌裝機(jī)處于故障停機(jī)時(shí)，牛奶會回流到UHT系統(tǒng)中循環(huán)加熱，當(dāng)循環(huán)加熱時(shí)間超過一定時(shí)間后，隨著美拉德反應(yīng)程度加深，產(chǎn)品的顏色、風(fēng)味會發(fā)生明顯變化。若在UHT下游配備無菌罐設(shè)備，則可以極大避免此種情況，因?yàn)闊o論灌裝機(jī)處于生產(chǎn)或故障，產(chǎn)品都是一直輸送到無菌罐，產(chǎn)品不會回到UHT系統(tǒng)重復(fù)加熱，因此使用無菌罐時(shí)產(chǎn)品中糠氨酸含量普遍低于未使用無菌罐的產(chǎn)品[6]。

4.3 無回流奶損耗

當(dāng)牛奶長時(shí)間內(nèi)無法被灌裝時(shí)，牛奶會經(jīng)過多次循環(huán)加熱，產(chǎn)品的顏色、風(fēng)味會發(fā)生較大變化，工業(yè)上采取的措施一般是將此段循環(huán)加熱的牛奶排空后，重新將新鮮的奶輸送到UHT系統(tǒng)中，此時(shí)會造成幾百公斤奶的損失。若在UHT下游配備無菌罐設(shè)備，則可以避免此種情況發(fā)生，減少原奶損耗。

4.4 可以生產(chǎn)帶果粒的產(chǎn)品

添加果粒的乳制品將富含維生素的水果和牛奶結(jié)合起來，能夠達(dá)到膳食平衡，提升乳制品的附加值和顧客體驗(yàn)感，因此添加果粒的UHT乳制品是許多乳品企業(yè)近年來研究開發(fā)的產(chǎn)品之一，但也面臨著果粒不均勻、果粒易破碎等難題[7-8]。目前，添加果粒乳制品存在前混合工藝、后添加工藝兩種可能的生產(chǎn)工藝[9]。這兩種工藝均需用到無菌罐來暫存滅菌后的產(chǎn)品，無菌罐頂?shù)臄嚢柩b置保證產(chǎn)品處于流動狀態(tài)以防果粒沉淀堆積，造成果粒不均勻的情況。

4.5 無需頻繁維護(hù)保養(yǎng)

相比灌裝機(jī)和UHT設(shè)備，無菌罐除了攪拌槳之外，基本無運(yùn)動磨損部件，所以通常只需定期更換管道閥門密封圈等，無需做大規(guī)模周期性保養(yǎng)計(jì)劃。

4.6 自動化程度高

除了生產(chǎn)模式和清洗模式切換時(shí)需拆卸彎管接頭，操作人員主要通過人機(jī)操控面板完成作業(yè)，在選定所需操作模式后將自動執(zhí)行設(shè)定的所有程序步驟，人工干預(yù)少。

5 無菌罐在乳品加工中的質(zhì)量控制

5.1 蒸汽必須潔凈

因滅菌過程中使用大量的蒸汽對罐體進(jìn)行滅菌，以及生產(chǎn)過程中需提供蒸汽保持蒸汽障蔽，蒸汽與產(chǎn)品或產(chǎn)品表面直接接觸，必須要保證蒸汽達(dá)到食品級標(biāo)準(zhǔn)。除了安裝蒸汽過濾器外，還可以考慮使用潔凈蒸汽發(fā)生器裝置來保證蒸汽潔凈度。

5.2 攪拌槳軸密封圈更換

在生產(chǎn)過程中，通過不斷往攪拌槳軸的機(jī)械密封處注入高溫蒸汽，從而預(yù)防產(chǎn)品通過攪拌軸處受到污染，但攪拌軸密封件在高溫下往往易老化，導(dǎo)致罐內(nèi)產(chǎn)品帶菌風(fēng)險(xiǎn)。

5.3 無菌空氣過濾網(wǎng)更換

無菌空氣是用除水除油后的壓縮空氣經(jīng)過兩個(gè)0.01 μm級無菌空氣過濾網(wǎng)和壓力調(diào)節(jié)閥形成，開始生產(chǎn)前必須對無菌空氣過濾器進(jìn)行蒸汽滅菌。為保證過濾效果，需定期更換，140 ℃、30 min滅菌條件下建議使用次數(shù)為100次。

5.4 確保CIP清洗效果良好

CIP清洗必須使罐體和管道徹底清潔，需要采取合理的清洗程序，同時(shí)通過適宜的清洗劑濃度、溫度、時(shí)間、流量等參數(shù)來保證清洗效果，尤其是攪拌槳等不能有清洗死角。

5.5 無菌空氣壓力

生產(chǎn)過程中罐頂無菌空氣需保持一定正壓來預(yù)防產(chǎn)品不受外界空氣污染，當(dāng)罐頂無菌空氣壓力低于安全限值時(shí)，可能會導(dǎo)致罐內(nèi)產(chǎn)品帶菌風(fēng)險(xiǎn)。

5.6 其他

無菌罐處于UHT下游無菌工序，無菌罐無菌性的維持至關(guān)重要。另外，還要考慮設(shè)備滅菌、蒸汽障蔽溫度、管道閥組泄漏、存放時(shí)間等多方面因素，需要評估各自風(fēng)險(xiǎn)性并制定相應(yīng)的管控對策，從而保證產(chǎn)品無菌。

6 結(jié)語

近年來隨著乳制品和飲料行業(yè)的迅速發(fā)展，無菌灌裝技術(shù)也日益發(fā)展成熟，無菌罐的使用也越來越廣泛。當(dāng)前中國市場對無菌罐設(shè)備需求量較大，且國內(nèi)一些設(shè)備廠家也在研發(fā)無菌罐，但國產(chǎn)無菌罐相對于進(jìn)口的無菌罐，無菌性能和自動化程度等仍有一定差距。乳制品企業(yè)應(yīng)該根據(jù)自身產(chǎn)品特性、加工工藝和產(chǎn)線布局等，選擇性地配備無菌罐，并制定合理的質(zhì)量控制手段，確保產(chǎn)品無菌狀態(tài)，從而達(dá)到延長連續(xù)生產(chǎn)時(shí)間的目的。