第五章 食品包装新技术――无菌包装技术

1第五章无菌包装技术浙江工业大学周绪霞25.1无菌包装的基本概念和基本原理5.2无菌包装材料及其杀菌方法5.3无菌包装设备与无菌包装过程本章主要内容3无菌包装（asepticpackaging）基本介绍1913年：丹麦丁尼森对牛乳进行热杀菌并无菌包装，1921年取得了无菌保藏加工方面的专利。上世纪20年代：美国研究了加热-冷却-充填（HCF）无菌加工，主要研究罐头的灌装、封口设备。440年代末：超高温瞬时杀菌（UHTST）技术，用于乳品加工。该装置是后来乳品加工中利乐包（TetraPak，瑞典）无菌包装系统的必要组成部分。40年代：研制了多尔-马丁（Dole-Martin）无菌灌装系统。1950年市场上出现了第一台工业无菌填充装置，它采用210oC的蒸汽加热。1979年：广东罐头厂首先引进瑞典利乐公司的砖型盒包装机，用于生产甘蔗汁、番石榴汁等饮料。5国内自制无菌包装设备和生产线的研制和生产尚处于刚起步的状况。6第一节无菌包装的基本概念和基本原理一、无菌包装的基本概念在无菌条件下，把无菌的或预杀菌的产品充填到无菌容器并密封之。用于无菌包装的食品主要分为：①能常温保存的无菌食品；②能在低温下保存的无菌食品。7无菌包装的特点：包装内容物：采用最适宜杀菌方法，使色泽、风味、质构和营养成分等食品品质少受损失。•低温杀菌法（巴氏杀菌）•高温杀菌•高温短时杀菌(HTST)和超高温瞬时杀菌(UHTST）包装容器和食品分别杀菌：不管容器大小都能得到品质稳定的产品。包装材料：耐热性、强度要求不高。适合：自动化连续生产，省工节能。巴氏杀菌系将混合原料加热至68～70℃，并保持此温度30min，以后急速冷却到4-5℃。因为一般细菌的致死点均为温度68℃与时间30min以下，所以将混合原料经此法处理后，可杀灭其中的致病性细菌和绝大多数非致病性细菌；混合原料加热后突然冷却，急剧的热与冷变化也可以促使细菌的死亡。主要适用于罐装、瓶装及蒸煮袋食品的杀菌。将食品驻入包装容器中完全密封，用蒸汽或热水蒸馏杀菌。一般罐头食品在115℃左右进行60-90min的杀菌处理，普通蒸煮袋采用115-120℃杀菌20-40min，高温蒸煮袋(HiBP-F)采用121-130℃杀菌8-20min。高温短时杀菌：食品经100℃以上,130℃以下的杀菌处理，一般几min；超高温瞬时杀菌：利用直接蒸汽或热交换器，使食品在130℃-150℃（一般141-142），保持几秒或者几十秒（2s）加热杀菌后，迅速冷却，使细菌无法存活、生长。这是两种适合于流动性液态或半液态食品的短时杀菌方法，能有效地保全食品原有的营养和风味质量，常用于无菌包装的食品杀菌。8二、无菌包装的基本原理无菌包装基本由三部分组成：一是食品物料的预杀菌；二是包装容器的灭菌；三是充填密封环境的无菌。关键：保证无菌（以一定方式杀死微生物，并防止微生物再污染）。微生物致死机理：①机械破坏机制；②化学作用机制；③生命力原理。食品无菌包装的三大要素91、机械破坏机制假设微生物存在一决定其存活的所谓“控制中心”。破坏此控制中心，即可使微生物致死。这可从致死的靶理论（Targettheory）及对数致死规律得到说明，符合实际上的统计数字分析。102、化学作用机制强调有抗代谢作用产生的重要物质的量的变化。它要求用定量的化学分析数据来说明。3、生命力原理以代谢过程中局部干扰作为杀菌机制的基础。它要求用定性的生化分析论据来说明。11第二节无菌包装材料及其杀菌方法一、无菌包装用的包装材料1、包装材料性能具备以下性能：热稳定性；抗化学性、耐紫外性；热成型稳定性；阻气性；防潮性；韧性和刚性；避光性；卫生性；经济性。12热稳定性在无菌热处理期间不产生化学或物理变化抗化学性、耐紫外性在用化学剂或紫外线进行无菌处理过程中，材料的有机结构不变化热成型稳定性在无菌处理或干制的热处理过程中，容器外型不发生改变阻气性阻隔空气中的氧气；保持充入容器的惰性气体不外渗防潮性阻止水分的穿透韧性和刚性便于机械化充填、封口避光性阻隔光线的穿入卫生性材料应是无毒的、符合食品卫生标准、且易杀菌经济性来源丰富，成本低。132、包装材料分类：一般分为四类：金属、纸板、塑料和玻璃。•金属和玻璃：完全阻隔分子扩散，是理想的材料。使用这些材料的其良好保藏性能取决于容器的密封性及牢固性，但包装成本高。•纸板和塑料：最常用的包装材料。14153、材料的性能与分子结构关系（1）分子极性：极性小或分子中含极性基团如和-OH少的材料，其亲水倾向较小，防潮性能较高。（2）材料分子的偶极距α：•当α=o，属于非极性分子材料，如聚乙烯（PE）、聚丁烯（PB）和聚四氟乙烯（PTEF）等。•当α≤0.5，属于弱极性分子，如聚苯乙烯、聚异丁烯和天然橡胶等。COO16•当0.5α0.7，属于中等极性分子，如聚氟乙稀、尼龙和甲基丙烯酸甲酯等。•当α0.7，属于强极性分子，如酚醛塑料、聚酯和聚乙烯醇等。其水蒸气透过率和透气率较大。（3）塑料的结晶度：•聚合物结晶度高，其气体透过的扩散系数小，透气率较小。但水蒸气的透过率未必也是小的，如尼龙和聚乙烯醇材料。17（4）材料中分子的排列规律•热塑性塑料的分子排列大都属于线型结构的，但线型排列的规整程度可以不同，有定向的和非定向的。•经过定向处理的材料，其透气率降低，而透明度和机械强度都相应的提高。（5）聚合物主链上基团的类型18C*HCHHR*19二、包装材料（容器）的杀菌D值（Decimalreductiontime）低：在一定温度下，杀灭90%微生物（或残存率为10%）所需的灭菌时间（min）。杀菌剂与包装材料（容器）之间的良好的润湿性杀菌剂应易于从包装材料表面除去工业应用的杀菌过程应满足以下条件20所用的杀菌方法对操作者、消费者无害对于不可避免的残留杀菌剂要不损害产品品质及消费者健康杀菌方法应对所用的包装材料无腐蚀性具有与环境之间的相适应性应用上是可靠的、经济的21包装材料（容器）的杀菌方法22常压热处理过热蒸汽杀菌微波杀菌加热杀菌法紫外线照射法杀菌离子辐射法杀菌辐射杀菌法H2O2杀菌环氧乙烷杀菌化学杀菌法杀菌方法231、加热杀菌法不同的杀菌方法适用于不同的包装材料及容器•热力方法：不宜用于纸质和塑料容器的加热杀菌；•金属罐和玻璃容器：通过加热（饱和蒸汽、过热蒸汽或热风）充分杀菌；•玻璃容器：考虑玻璃不耐热冲击的特性和瓶盖的杀菌。24常压热处理：温度达不到200oC以上，做不到秒杀微生物。•芽孢：杀菌温度为200oC以上；低水分活度或干燥状态下，也需要100oC以上过热蒸汽：杀菌效果好，但压力过高，仅适用于耐压容器，如金属罐的杀菌。微波杀菌：中等水分的包装材料。252、辐射法杀菌法辐射杀菌法：适合于纸、塑料薄膜及其复合材料制成的容器的灭菌；紫外线照射法：离子辐射法杀菌26紫外线照射法：•灭菌效果：与照射强度、照射时间、空气温度和照射距离有关，也与被照射材料的表面状态有关；•压凸铝箔表面：杀菌时间要比光滑平面长3倍；•不规则形状的包装容器表面：灭菌照射时间比平面的要长5倍；•考虑材料的特性，尤其是复合材料内层的材料；•可与干热、过氧化氢或乙醇等灭菌方法结合使用，以增强杀菌效力。27离子辐射法杀菌•多数食品包装材料采用辐射灭菌消毒是可行的；•辐射剂量为10kGy或更低：包装材料的机械性能和化学性能的变化甚微。•辐射剂量较大：材料固有的性质有明显变化，尤其是塑料材料。283、化学杀菌法（1）H2O2杀菌•广谱杀菌作用，但其杀菌效果与其温度有关；•同温度下H2O2的杀菌效果则与其溶液浓度有关；•条件：H2O2浓度达到30%，灭菌温度为80oC时，即可取得较好的灭菌效果。•采用H2O2溶液灭菌时，须考虑其与包装材料或容器表面的润湿性。29化学杀菌法只有在H2O2溶液温度和浓度较高时才有可能应用于无菌包装。过氧化氢的浓度对存活率的影响存活率温度对存活率的影响存活率30（2）环氧乙烷杀菌•主要用于包装机有关部件、包装容器和封口材料的消毒灭菌。•对乙烯基塑料有渗透作用，在用环氧乙烷杀菌时，要采取升温和减压的方法让环氧乙烷挥发排出。31第三节无菌包装设备与无菌包装过程卷材纸盒无菌包装设备（瑞典TetraBrikL-TBA）纸盒预制无菌包装设备（德国CombiblocFFS）无菌瓶装包装箱中衬袋无菌大包装设备根据无菌包装对象物料状态分液体食品的无菌包装固体食品的无菌包装无菌包装设备主要有以下几种类型32一、卷材纸盒包装包装材料以板材卷筒型式引入；所有与产品接触的部件及机器的无菌腔均经灭菌；包装的成型、充填、封口及分离在一台机器上进行。TetraPak特点劳动强度降低仅无菌材料进入机器的无菌区，可保证高度无菌集成型、充填、封口为一体，不需工序间的往返运输包装材料存贮空间小，生产效率高使用卷材来制作容器的好处33用于该装置的包装材料，其中80%为纸板，纸板复合了几层塑料和一层铝箔。外层的PE(聚乙烯)层：保护印刷的油墨并防潮，且当包装叠起时保护封口表面。纸板：赋予包装应有的机械强度以便成型，且便于油墨印刷。PE：使铝箔与纸板之间能紧密相连。铝箔：阻气，并保护产品防止氧化和免受光照影响。最内层的PE（或其他塑料）：提供液体阻隔性。包装材料各层的作用：341、机器的灭菌2、包装材料的灭菌3、包装的成型、填充、封口和割离4、带顶隙包装的充填5、单个包装的最后折叠L-TBA/8无菌包装机的无菌包装过程1、机器的灭菌360oC机器灭菌时间约：45min35%H2O22、包装材料的灭菌包装材料引入后即通过一充满35%H2O2溶液（75oC）的深槽，其行径时间根据灭菌要求可预先在机械上设定。包装材料经由灭菌槽之后，再经挤压和空气刮水刀，除去残留的H2O2，然后进入无菌腔。373、包装的成型、充填、封口和割离包装材料进入无菌腔。依靠成型元件形成纸筒，纸筒在纵向加热元件上密封。密封塑带是朝向食品封在内侧包装材料两边搭接部位上的。38无菌的制品：通过进料管进入纸筒纸筒中制品：液位由浮筒控制横封：利用高频感应加热原理，以加热包装复材内的铝箔层，以融化内部的PE层，在封口压力下被粘到一起。图充填管(TetraPakNr.O4:15/J-09)394、带顶隙包装的充填填充高粘度（颗粒或纤维）的产品；包装内部顶隙：引入无菌空气或其他惰性气体。特点：只对单个包装的顶隙充以惰性气体，不会像别种设备那样过量供应惰性气体而造成浪费。5、单个包装的最后折叠40三九砖形无菌纸盒包装41二、纸盒预制无菌包装（Combibloc）纸筒的预制作为独立分开的一步先行完成，然后进入成型—填充—封口装置系统（FFS）。包装材料：纸塑铝复合材料；不同：先由卷筒薄膜分割预制成开口的小纸筒，避免了冗长连续纸带在无菌腔中的灭菌和卷制。特点4243二、纸盒预制无菌包装（Combibloc）灵活性大，可以摄影不同大小的包装盒，变化时间仅需2min；纸盒外形较美观，且较结实；产品无菌性也很可靠；生产速度较快，而设备外形高度低，易于实行连续化生产。Combibloc无菌包装设备的优点44纸筒的预制制成的纸筒是开口的，成扁平片状装箱覆盖层保证有良好的印刷表面，防潮和密封6.5um厚，阻氧避光提供粘合性康美盒无菌包装系统工艺过程康美盒无菌包装机1、盒坯输送台；2、盒坯底部加热装置；3、活动吸盘；4、定形轮；5、顶部折纹装置；6、H2O2蒸气收集罩；7、热空气干燥装置；8、灌装机构；9、热印装置；10、顶部压平装置；11、传送轮；12、盒顶部封口装置46471、机器的灭菌2、容器的灭菌3、充填系统4、容器顶端的密封Combibloc无菌包装的过程481、机器的灭菌由于Combibloc的FFS机是开放系统，所以缩短暴露时间和减少空气中微生物含量十分重要。在机器开工之前，无菌区采用H2O2蒸汽和热空气的混合物进行灭菌。无菌空气流动尽可能呈层流状态，并保持该区域处于正压，从而达到保