复合超滤膜在饮料无菌包装工业中的应用

甘元英，吴文标

(西南大学 食品科学学院，重庆，400716)

饮料容易繁殖微生物而腐败，所以在饮料生产过程中必须要灭菌包装。目前广泛采用无菌包装技术[1-2]，经过无菌包装的饮料在运输和仓贮过程中不需冷藏，储存期长，便于运输和销售。传统无菌包装技术一般首先对饮料产品、包装容器、材料或包装辅助器材进行高温灭菌处理，然后在无菌的环境中进行充填和封口。缺点是需要高温，操作难度较大，成本较高[3]。因此, 研究一种能够克服上述缺点的新型无菌包装技术是非常必要的。

膜分离技术是一种以高分子分离膜为基础的流体分离单元操作技术[3-4]，以压力为驱动力，依靠物理过滤方式进行选择性过滤。膜过滤具有能耗低，不额外添加物质，不改变物质原有属性，适应性强，能回收有价值的额外资源等优点[5]。目前广泛应用于水处理、化工、电子等领域。

本研究以SiO2和聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, vinylalcohol polymer, PVA)为基础原料研制了一种PVA/SiO2复合超滤膜，设计和制作了一种无菌包装系统,并对这种无菌包装系统包装和保藏水、啤酒和鸡尾酒的效果进行了测试。

1 材料与方法

1.1 实验材料

工业水玻璃 (Na2SiO3，模数 3.3),重庆井口水玻璃厂；聚乙烯醇[聚合度(1 795±50)],重庆北碚化学试剂厂分装；纯净水、啤酒、鸡尾酒,重庆市北碚区永辉超市。

1.2 实验设备

全玻璃实验超滤装置，参考文献[6]制备；708161型手持折光仪，成都泰华光学有限公司；NU-437-400S/600S生物安全柜，天美(中国)科学仪器有限公司；SW-CJ-1DSW超净工作台，上海沪净医疗器械有限公司；LRH-250A恒温培养箱，广东省医疗器械厂；E500G厌氧培养箱，美国GeneScience公司；无菌包装系统(自制)。

1.3 实验方法

1.3.1 PVA/SiO2复合超滤膜的制作

参照文献[4]的方法制作PVA/SiO2复合超滤膜，略有修改：铸膜液改为8 mL，膜的干燥方法改为烘箱中干燥。具体操作程序如下：称取5 g PVA固体颗粒加入95 g纯水，在90 ℃的恒温水浴锅中搅拌溶解4 h左右，得到质量分数为5% 的PVA溶液，与5.1%的工业水玻璃按1∶1的体积比混合，搅拌30 min使其均匀反应，静置24 h，脱气后取 8 mL铸膜液倒入直径为9 mm的圆形塑料培养皿中，置于30 ℃的烘箱中干燥24 h制得平板膜，膜厚度为100～120 μm。将培养皿和膜分离，用2 mol/L H2SO4浸泡膜层 24 h，再用纯水多次洗涤后，浸泡于纯水中待用。

1.3.2 PVA/SiO2复合超滤膜过滤饮料的性能测试

1.3.2.1 膜饮料通量随时间变化的测试

将制得的平板膜于室温下放入全玻璃实验超滤装置中，-0.1 MPa 下预压 60 min，然后测定膜的饮料(纯水或啤酒或鸡尾酒)通量。记录饮料在一定时间内通过膜的体积，根据公式(1)计算膜的饮料通量：

(1)

式中：J,膜的水通量，L/(m2·h)；V,透过液的体积，L；A,膜的有效面积,m2;t,透过时间，h。

1.3.2.2 饮料中固形物透过率的测定

将饮料(啤酒或鸡尾酒)装入全玻璃实验超滤装置中，在-0.1 MPa下预压 60 min 后，收集通过平板膜的透过液，用手持折光仪分别测定原饮料液和透过膜的饮料液中的固形物含量，固形物透过率按公式(2)计算：

(2)

式中:Cp,透过膜的饮料液中的固形物含量，g/L;Cf,原饮料液的固形物含量，g/L。

1.3.3 复合超滤膜无菌包装系统及饮料的无菌包装方法

图1是无菌包装系统示意图。饮料的无菌包装方法如下：将自制无菌包装系统(包括安有可多次穿刺丁基橡胶塞的包装瓶)于121 ℃进行高压灭菌处理15 min，冷却(为防止过滤器在消毒过程中或之后受到污染，需进行装置完整性检测，以检测滤膜是否正确安装，滤芯是否受到损坏)，将饮料(打开原料包装，放置在室温中充分与空气接触24 h)装入注射器中，手工推进注射器的活塞将饮料压入膜过滤装置中并压滤过PVA/SiO2复合超滤膜，饮料通过针头注入带有丁基橡胶塞的包装瓶中；抽出过滤加液针头后，加铝盖压合密封储存。

1-压力推动器;2-膜过滤装置;3-自制PVA/SiO2超滤膜;4-无菌饮料包装瓶图1 过滤膜过滤无菌包装系统示意图Fig.1 Illustrating diagram ultrafiltration aseptic packagingsystem

1.3.4 无菌包装饮料的储藏实验

将装在包装瓶中的过滤液存储于25 ℃条件下,每隔7 d从过滤液样品瓶中随机取出10瓶进行微生物检测。

1.3.5 微生物检测方法

无菌包装饮用水、啤酒及鸡尾酒中的菌落总数参照GB4789.2—2016进行检测。细菌培养参照GB8538—2016。饮用水中的大肠杆菌、粪链球菌、铜绿假单胞菌和产气荚膜梭菌参照GB 4789.1—2016标准进行检测。微生物限量参照GB8537—2018标准。啤酒、鸡尾酒有害菌和大肠杆菌参照GB/T 4789.25—2003标准进行检测。

2 结果与讨论

2.1 PVA/SiO2 复合超滤膜过滤饮料的性能测试

2.1.1 饮料通量随时间的变化

自制无菌包装系统过滤饮用水、啤酒和鸡尾酒的通量随时间变化情况如图2所示。饮用水的通量在过滤30 min时达到稳定，通量为81.93 L/(m2·h)；啤酒和鸡尾酒在过滤60 min时通量达到稳定，分别为44.59和42.92 L/(m2·h)。饮用水通量在0～30 min范围内逐渐下降。水中几乎不含有机物，所以因膜吸附有机物而导致水通量下降的可能性较小；水中可能含有来自空气的灰尘颗粒以及微生物，有可能污染膜而使水的透过率下降，这种效应在过滤初期未形成，膜过滤的阻力基本取决于膜自身，在30 min过滤过程中，膜的污染效应从开始形成到随时间的累计加速叠加，故引起装置的过滤效应急剧下降，在过滤时间达到30 min时滤膜表面的污染效应与复合膜表面压力带来的疏导效应达到相对平衡状态，过滤装置中复合膜的综合阻力不再明显增加，滤膜装置的通量趋于平衡。同理，对于放置在室温中与空气充分接触 24 h后的啤酒和鸡尾酒而言，饮料本身可能累积了颗粒灰尘和大量微生物，在0～60 min范围内随着杂质堵塞膜孔而呈现通量降低的现象，在60 min时通量达到稳定状态；此外，这2种饮料中含有大量的有机营养成分可能吸附在膜的表面或膜孔壁的表面而致通量下降，所以这2种饮料的通量与水的通量相比小很多。

图2 不同饮料经自制无菌系统过滤通量随时间变化情况Fig.2 Changes in filtration flux of different beveragesthrough self-made aseptic systems as changes in time

2.1.2 饮料中固形物的膜透过率情况

从图3可以看出，啤酒和鸡尾酒的固形物透过率在30 min时达到稳定，其中啤酒的固形物透过率为98.04%，鸡尾酒的固形物透过率为98.61%。这种膜可以截留蛋白质[6]，说明这2种饮料中不含蛋白质。

图3 不同饮料中固形物透过率随时间变化情况Fig.3 Changes in solids transmittance in differentbeverages as changes in time

在0～30 min内，饮料固形物在压力推动下通过过滤装置中的自制滤膜，固形物透过效率明显随着时间的增加而增加，但是30 min以后变化不显著(P>0.05)，膜孔被饮料中固形物堵塞,导致透过率趋于平稳。因此，对于啤酒和鸡尾酒这类清亮型饮料而言，固形物的透过率均高达98%以上；这种膜对于营养物质的透过率高，几乎不会造成营养素的丢失。

综上，采用自制的基于PVA/SiO2复合超滤膜过滤系统过滤水、啤酒和鸡尾酒的通量规模在生产上具有实际应用价值，2种饮料中固形物的透过率达到98%以上，营养素损失量很小；这种超滤膜过滤对不含蛋白质等高分子营养物质的清亮型饮料进行灭菌，和以它为基础建立无菌包装系统是可行的。

2.2 无菌包装效果实验

以自制的PVA/SiO2平板膜为基础，设计和制作的无菌包装系统对水、啤酒和鸡尾酒分别进行无菌包装。未经过和经过无菌包装的这几种饮料，在储藏不同时间后，取样进行微生物检测的结果见表1和表2。通过自制无菌包装系统包装的饮料样品，在储藏了0、7、14、21、28 d后检测得出的细菌总数均在国家标准规定的范围内；尤其是饮用水中大肠菌群、粪链球菌、铜绿假单胞菌、产气荚膜梭菌均未检出；啤酒、鸡尾酒中大肠杆菌和有害菌均未检出。但是，没有经过无菌包装系统包装的饮料中，水、啤酒和鸡尾酒在储藏的第0天检测得到的细菌总数就已超过国家标准。

表1 储藏不同时间后未进行无菌包装饮料中微生物检出结果Table 1 Colony counts in non-aseptically packaged beverages after storing for different times

注：每个样品量为10瓶(下同)

表2 储藏不同时间后无菌包装饮料中微生物检出结果Table 2 Colony counts in aseptically packaged beverages after storing for different times

通过自制的基于膜过滤的无菌包装系统包装的饮料样品(包括水、啤酒和鸡尾酒)在放置180 d后，指标均符合国家标准(表3)。这种新型无菌包装系统造价低廉，环境要求不苛刻，操作成本低，因此具有很好的应用前景。

3 结论

以PVA/SiO2复合超滤膜为基础，设计和制作出来的饮料无菌包装系统能很好地实现除去不含蛋白质等高分子营养素的清亮型饮料(包括水、啤酒和鸡尾酒)中微生物，能达到无菌包装和长期保存的目标。采用这种无菌包装系统可以在自然环境条件下对不含蛋白质的高分子营养素的清亮饮料实行无菌包装，具有很好的应用前景，值得进一步地开展延长储藏保质试验和工业化生产装置的开发和应用研究。