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(zhǎng)、不需要冷藏、營(yíng)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。無菌罐設(shè)備作為無菌液體產(chǎn)品的暫存罐，因其有延長(zhǎng)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)。
無菌罐設(shè)備可以作為無菌液體產(chǎn)品的儲(chǔ)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(chǔ)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(tái)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)。
無菌罐的出現(xiàn)對(duì)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(chǔ)存時(shí)產(chǎn)品的無菌狀態(tài)完整性，對(duì)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(dòng)化程度不高、產(chǎn)量低等問題。
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。
(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(huì)對(duì)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(cè)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(dòng)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(dòng)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(cè)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(dòng)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(huì)檢測(cè)頂部無菌空氣壓力。
(1）滅菌機(jī)與無菌罐信號(hào)。CIP（就地清洗）；PAM（產(chǎn)品信號(hào)）；PDS（灌裝信號(hào)）；RFP（生產(chǎn)請(qǐng)求信號(hào)）；RFW（供水請(qǐng)求信號(hào)）；SPS（生產(chǎn)中止信號(hào)）；SST（滅菌機(jī)滅菌）；WAM（供水信號(hào)）；CSB（清洗蒸汽障）；RSB（沖洗蒸汽障）。
(2）無菌罐與灌裝機(jī)信號(hào)。CIP（就地清洗）；FST（灌裝機(jī)滅菌）；PAM（產(chǎn)品信號(hào)）；PFM（灌裝生產(chǎn)信號(hào)）；RFP（生產(chǎn)請(qǐng)求信號(hào)）；RFW（供水請(qǐng)求信號(hào)）；TST（無菌罐滅菌）；WAM（供水信號(hào)）。
整個(gè)產(chǎn)品回路灌入蒸汽，通過飽和蒸汽對(duì)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(huì)對(duì)滅菌溫度進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控。啟動(dòng)滅菌程序后系統(tǒng)自動(dòng)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(dòng)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)。
無菌罐從UHT接收到PAM信號(hào)，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(qǐng)求信號(hào)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。
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(huì)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(hào)后，無菌罐會(huì)從滅菌機(jī)請(qǐng)求無菌水；當(dāng)罐體中液位達(dá)到無菌沖洗液位后，會(huì)向灌裝機(jī)發(fā)出WAM信號(hào)。
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(dòng)CIP程序后系統(tǒng)自動(dòng)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。
設(shè)備處于開啟狀態(tài)，排空并已清洗，無激活程序，須啟動(dòng)滅菌模式后才能開始生產(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(zhǎng)需要CIP清洗時(shí)，產(chǎn)品已經(jīng)儲(chǔ)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。
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(yíng)養(yǎng)質(zhì)量越好。1992年歐盟各國(guó)將糠氨酸作為判斷乳品質(zhì)量的重要指標(biāo)，2004年國(guó)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(cè)乳制品中的糠氨酸含量，檢測(cè)乳品中糠氨酸含量判定是否摻有復(fù)原乳。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),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)，也都將糠氨酸作為檢測(cè)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(huì)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(huì)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(huì)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。
當(dāng)牛奶長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無法被灌裝時(shí)，牛奶會(huì)經(jīng)過多次循環(huán)加熱，產(chǎn)品的顏色、風(fēng)味會(huì)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(huì)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。
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。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。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(dòng)狀態(tài)以防果粒沉淀堆積，造成果粒不均勻的情況。
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(dòng)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。
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(dòng)執(zhí)行設(shè)定的所有程序步驟，人工干預(yù)少。
因滅菌過程中使用大量的蒸汽對(duì)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(jí)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。
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)。
無菌空氣是用除水除油后的壓縮空氣經(jīng)過兩個(gè)0.01μm級(jí)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(duì)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。
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。
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(huì)導(dǎo)致罐內(nèi)產(chǎn)品帶菌風(fēng)險(xiǎn)。
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(píng)估各自風(fēng)險(xiǎn)性并制定相應(yīng)的管控對(duì)策，從而保證產(chǎn)品無菌。
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(guó)市場(chǎng)對(duì)無菌罐設(shè)備需求量較大，且國(guó)內(nèi)一些設(shè)備廠家也在研發(fā)無菌罐，但國(guó)產(chǎn)無菌罐相對(duì)于進(jìn)口的無菌罐，無菌性能和自動(dòng)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(zhǎng)連續(xù)生產(chǎn)時(shí)間的目的。
