长保质期乳制品

生产长保质期乳制品采用的热处理工艺通常被称为超高温灭菌处理（UHT），有时也简称“灭菌处理”。 该工艺通过对产品进行热处理，确保在常温储存条件下长期保持产品中的微生物及酶的稳定性。这一特性带来了显著优势，让乳制品生产商能够在无需冷藏的情况下即可远距离分销产品 ，开拓新兴市场。 

得益于长保质期加工技术，乳制品在常温环境下可实现长期贮藏且保持品质稳定，这一特性为生产商、零售商及消费者带来多重益处。生产商借此能够突破地域限制，拓展更广阔的市场空间，并由于产品线切换的减少与损耗的降低，使得排产计划变得简单。同时，常温物流配送体系降低了运输复杂度，减少了配送频次，而短期滞销产品退货问题也迎刃而解了。对零售商而言，不仅无需投入高昂的 冷藏陈列设备，也简化了库存管理流程。长保质期乳制品还能减少食品浪费和能耗，有效降低环境足 迹。 尽管传统上长保质期乳制品主要在冷藏设施有限的地区深受欢迎，但随着加工技术的不断发展， 如今这类产品已成功进入传统冷藏产品市场，消费者由此享受到多重便利：降低采购频率、缓解家庭 冰箱存储压力，并可作为应急储备以备不时之需。

原料质量

用于生产长保质期乳制品的原奶必须品质优良，因为其质量将直接影响产品加工适性和货架期稳定性。 

经过高温处理的原奶需具备极佳品质，原奶中的蛋白质必须具备良好的热稳定性——这一点至关 重要。检测蛋白质热稳定性的快速指示性试验为酒精测试。将等体积的乙醇溶液与牛奶样品混合时，蛋白质可能因失稳而产生絮凝现象。原奶能耐受（不引发絮凝）的乙醇溶液浓度越高，其热稳定性就越好。若牛奶在添加浓度高达75%的酒精溶液后仍保持稳定（无沉淀产生），则可在很大程度上避免生产过程和货架期内出现质量问题。

酒精测试通常用于筛除不适用于超高温灭菌处理的牛奶，主要原因在于其：

• pH值偏低——产酸微生物数量过高导致酸度上升
• 盐平衡异常——源于乳腺炎或乳房炎症
• 血清蛋白含量过高——常见于初乳或患乳腺炎奶牛所产乳汁

品质低劣的原奶会严重影响加工适性及最终产品品质。当牛奶在20℃环境下pH值低于6.65时，其热稳定性会下降，这不仅会导致加工过程中出现加热表面结垢（从而缩短连续生产时间）、清洗困难等问题，还会引起产品在储存期间出现蛋白质沉淀现象。

若原奶长期在低温条件下储存，可能滋生大量嗜冷菌。这些菌群会产生耐热酶类，即使经过热处理也难以完全失活。在产品储存过程中，这类酶会导致感官品质变化，如出现酸败味、苦味，甚至引发凝胶现象（老化增稠或甜性凝块）。

牛奶的微生物质量标准必须高。这不仅涉及细菌总数，更重要的是——还需严格控制增加灭菌失败风险的产芽孢菌数量。

商业无菌

在长保质期乳制品的生产中，“灭菌”一词被广泛使用。然而，严格意义上的灭菌是指所有微生物的完全灭活或彻底消除。

在超高温加工工艺下，乳制品经热处理后可达到“商业无菌”状态。商业无菌产品是指在常规储存条件下无微生物繁殖的产品。对于低酸产品（pH值高于4.5的产品），最具耐热性的可繁殖微生物是芽孢。由于芽孢的耐热性远高于营养体微生物，灭菌工艺的关注焦点集中于对芽孢的杀灭效果，因为确保芽孢失活即意味着所有其他微生物均已灭活。低酸产品类别不仅包含牛奶，还涵盖大多数乳基产品。

灭菌效率

当微生物和/或细菌芽孢经受热处理或任何其他形式的灭菌/消毒程序时，并非所有微生物都会被一次性杀死。实际上，在特定温度的每一时间段内，总有特定比例的微生物被灭活，而其余部分则存活下来。若存活的微生物再次经受相同时长与条件的热处理，剩余微生物中又将有相同比例被灭活，以此类推。换言之，在特定灭菌或消毒剂作用下，每次处理均能灭活现存微生物的固定比例。

芽孢的对数递减

热处理或灭菌工艺对微生物的致死效应可通过对数函数进行数学表达。

对于特定微生物在特定温度和时间下的耐热性，可通过特定常数（k）计算出存活微生物的数量。若以处理时间为横坐标（线性轴）、存活微生物数量为纵坐标（对数轴）绘制半对数曲线图，其结果呈现为一条直线——因其符合对数函数关系。

对数函数可无限趋近零，但永不可能达到零！换言之，在无限大的产品体积中要求完全不存在活菌芽孢的“绝对无菌”是无法实现的。在此条件下，我们必须考虑总有部分芽孢会存活下来，这一概念即为“灭菌效应”、“杀菌效应”或“灭菌效率”。这些术语用于表述某一灭菌过程能够使细菌芽孢数量实现的对数级（十进制）降低次数。

每次灭菌处理均可通过其特定的灭菌效应值予以量化。该效应由热灭菌过程所采用的时间与温度条件决定。温度越高或保持时间越长，则工艺效率越高，灭菌效应也越强。

灭菌效应以该过程所达到的对数级降低数来表示。例如：灭菌效应为9，表示初始浓度为109的细菌芽孢经处理后仅1个（100）存活。行业也常用“对数减少”来量化灭菌效果，例如：9个对数减少。

灭菌工艺的效率主要取决于两大因素：

• 所采用的温度及其保持时间
• 微生物的耐热性

此外，产品成分、粘度、均一度及pH值等其他因素也会影响灭菌效率。连续流灭菌设备（即超高温灭菌处理）的设计，通常要求对可在常温条件下生长的细菌芽孢实现10至15个对数的灭菌效应。

由于嗜热脂肪芽孢杆菌（Bacillus stearothermophilus）能形成高度耐热的芽孢，因此常被用作验证超高温设备灭菌效应的标准生物指示剂。在连续流超高温技术应用之前，传统上通常采用肉毒梭菌（Clostridium botulinum）的芽孢来计算包装内灭菌的效果（参见F0值计算），因其是已知最耐热的致病性芽孢。如今，F0值概念仍被广泛应用于分析超高温灭菌处理过程中的热负荷。超高温或灭菌工艺的设计，必须确保产品在消费者食用之前发生变质的风险可忽略不计，且不含任何存活并可繁殖的致病微生物。从公共卫生安全角度考量，肉毒梭菌历来被视为最重要的风险微生物。因此灭菌工艺的设计始终以彻底灭活其芽孢为关键目标。然而，在经热处理的牛奶及乳制品中，肉毒梭菌芽孢存活并生长的可能性极低。

对细菌芽孢的致死效应始于约115℃，并随温度升高而急剧增强。

图10.1 热处理对不同状态细菌的影响

细菌可分为两大类：

1. 细菌繁殖体：此类细菌仅以营养细胞形态存在。细菌繁殖体能够进行代谢与繁殖，若属于致病菌则可能引发食物中毒。采用加热或其他方式即可轻易杀灭细菌繁殖体。
2. 产芽孢菌：此类细菌既能以繁殖体形式存在，也能形成细菌芽孢。虽然处于营养体状态时易被杀死，但其芽孢极难消除。不过，芽孢本身无法代谢、繁殖或引起食物中毒。存活芽孢需在适宜环境（温度、水分活度等）下萌发成细菌繁殖体后，才具备繁殖能力。

待热处理的乳制品中含有细菌繁殖体与细菌芽孢的混合菌群，如图10.1所示。遗憾的是，二者数量间相关性较弱。低菌落总数产品中可能含有高芽孢数，反之亦然。因此，菌落总数测定不能作为食品中芽孢计数的可靠依据。综合分析细菌繁殖体与芽孢数量，对于评估原奶品质至关重要。

Q₁₀值

如前所述，热处理的灭菌效应随温度升高而急剧增强。这一规律同样适用于热处理引发的化学反应。Q₁₀值即为表征反应速度随温度升高的增加程度的量化指标。该值表明了系统温度每升高10℃，反应速度增加的倍数。

风味变化及大多数化学反应的Q₁₀值约为2-3，即工艺温度每升高10℃，化学反应速度会提高2至3倍。细菌芽孢灭杀的Q₁₀值也可通过实验测定，其范围通常在8至30之间。该范围波动较大，源于不同种类细菌芽孢对温度升高的响应存在差异。图10.2展示了温度升高对化学性质变化及芽孢杀灭速率的影响。从曲线可看出，在超高温温度区间（>135℃），杀菌效果随温度升高显著增强，而化学反应速率相对温和。这表明相较于低温长时间操作的包装内灭菌工艺，超高温灭菌处理更具优势。乳制品经超高温短时处理后，可在实现高效灭菌的同时，最大限度减少产品的化学变化。而低温长时间包装内灭菌则会导致更显著的产品品质劣变。参见图10.5与图10.6。

图10.2 化学性质变化与芽孢杀灭速率随温度升高的关系曲线

F₀值

时间与温度对肉毒梭菌芽孢杀灭率的综合影响，可通过F0值予以量化。其计算公式如下：

Formula 10.1

其中：

t = 灭菌时间（通常以分钟表示，例如：以秒为单位的保持时间除以60）

T = 灭菌温度（℃）

F₀值（以分钟表示）与肉毒梭菌芽孢的对数递减值之间存在直接对应关系：

Formula 10.2

其中：

N₀ = 初始时刻（t=0）肉毒梭菌芽孢数量

N_t =  最终产品中（t时刻）的芽孢数量

D_{121.1 °C} = 在121.1℃下使肉毒梭菌芽孢数量实现十倍衰减（1个对数）所需的时间（约0.25分钟）

基于这一关系，F₀值为1分钟相当于可实现肉毒梭菌芽孢4个对数的减灭。

实践中以优质原奶生产商业无菌乳的通用指南是：采用相当于F0值为5-6分钟的热处理强度。根据部分国家法规，从食品安全角度要求F₀值至少达到3分钟（相当于肉毒梭菌芽孢12个对数的减灭）。实际达到商业无菌与食品安全所需的F0值，取决于产品热处理前的微生物群落组成。

如前所述，F₀值仅适用于z值为10℃的肉毒梭菌芽孢。对于其他微生物，也可通过类似方法计算其热致死效应，此时该值称为F值，且需采用相应的z值：

Formula 10.3

需注意：下标“0”专用于肉毒梭菌芽孢，计算其他微生物时需省略：

Formula 10.4

其中：

T_ref = 参考温度（℃），在此温度下D_ref有效

z = 温度增量（℃），指在十分之一时间内达到相同致死效应所需的温度升高值（例如：嗜热脂肪芽孢杆菌芽孢的z值约为10.5℃）

D_ref = 微生物在参考温度T_ref下的十倍减少时间

需要说明的是，上述F和F0公式中使用的z值是参考温度T_ref下的z值（即z_ref），而实际z值会随温度而变化（z_temp）。通常，灭菌温度与参考温度之间的差异相对较小（最大温差约20℃），此时采用zref可作为可接受的近似值，但不建议进行更大范围的外推计算。此外，由于细菌芽孢的杀灭始于约115℃，因此当产品温度高于此阈值时（而非仅最终保温阶段），芽孢减灭过程持续发生——这一点常被忽视。

图10.3 z值含义示意图：温度每升高z值，即可在1/10时间内实现相同致死效应

B*和C*值

超高温灭菌处理中温度与时间的关系还可通过另外两个参数定义：

细菌学效应：B*（称为B星值）
化学效应：C*（称为C星值）

这些数值源于Horak（1980）在牛奶中进行的实验，研究了嗜热芽孢的灭活情况（55℃培养计数嗜热菌）。结果以“温度-时间对数”直线形式给出，对应恒定灭菌效应。通过数据外推，得到了对应天然嗜热芽孢群体9个对数减灭的曲线，即B*=1的基准线。

B*值基于以下假设：在135℃下保持10.1秒即可达到商业无菌，对应z值为10.5℃；该基准工况定义B*值为1.0。

同理，C*值1基于硫胺素（维生素B1）损失3%的工艺条件。即135℃，保持30.5秒，对应的z值为31.4℃。

一般而言，超高温灭菌过程只要满足下列要求，即可在产品货架期品质方面获得满意结果：

Formula 10.5

Formula 10.6

商业无菌法规

商业无菌是指产品在制造、分销和储存过程中，在正常的非冷藏条件下，不存在能够在此条件下生长的微生物。实现商业无菌所需的温度-时间组合通常为135-150℃，保持1-10秒。然而，由于实际所需的热负荷取决于原料的微生物状态，因此实际需要的温度可能更高、时间更长。

图10.4 芽孢破坏与牛奶受热影响的限界曲线。

括号中的数值（30℃和55℃）为对应关键产芽孢微生物的最适生长温度。资料来源：Kessler

超高温灭菌加工相关法规

图10.5 包装内灭菌的时间-温度曲线

图10.6 直接（A）与间接（B）超高温灭菌系统处理的时间-温度曲线

商业无菌的验证

经商业灭菌的产品在室温下须保持微生物稳定；验证应按相关标准执行，既可储存至保质期结束后进行检测，也可在55℃放置7天或30℃放置15天后检测。

“最快流动粒子”

为实现商业无菌，产品需被加热至灭菌温度，并在该温度下保持实现商业无菌所必需的时间。对于连续流动处理（如超高温灭菌处理），这一保持过程在保温段（管）内完成（据世界卫生组织/联合国粮农组织国际食品法典委员会）。因此，必须针对每一产品、每种保温单元设计及其流动特性，准确测定最快粒子（或体积元）的流速，即最短停留时间。部分国家（尤其是美国）特别规定需以“最快流动粒子”的停留时间为基准。

根据液体的流动状态（湍流或层流），牛奶的效率系数介于0.5-1.00之间；计算保温时间时必须引入该修正因子。特殊情况（如美国法规）假设最快粒子通过保温管的速度为平均粒子的两倍，即h=0.5。在工业设备的大多数应用场景中，装置通常设计为湍流，采用的效率因子范围为0.85-1.00。

高热处理引起的化学与微生物变化

当牛奶在高温下长时间受热时，会发生一系列化学反应：美拉德反应（褐变）导致色泽加深，产生蒸煮味和焦糖味，有时还会出现大量沉淀。采用更高温度、更短时间的热处理可显著减少这些缺陷。但必须优选时间-温度组合，既保证充分杀灭芽孢以达到商业无菌，又把热负荷和产品损伤降至最低。

图10.4显示了灭菌效果与褐变反应的关系。曲线A：牛奶开始褐变的时间-温度下限。曲线B：达到商业无菌（B*>1，嗜热芽孢被破坏）的时间-温度下限。图中标出包装内灭菌和超高温灭菌处理的区域。

可见两种方法灭菌效果相同，但化学效应差异显著：褐变、维生素和氨基酸损失程度不同。根据Q10值，温度升高时微生物死亡速率的增长远高于化学反应速率。因此高温短时处理的化学变化更小。超高温灭菌奶口感更好，营养价值也高于包装内灭菌奶。

风味是主观指标，多年来，超高温灭菌奶的品质持续改善。对优质原奶采用优化超高温灭菌工艺后，许多消费者难以区分超高温灭菌奶与巴氏杀菌奶。

第2章已述，热处理时乳糖会转化为乳果糖，其含量可用作热负荷指标。通过测定乳果糖可区分巴氏杀菌奶、超高温灭菌奶、包装内灭菌奶，甚至可区分不同的超高温灭菌加热技术（参见超高温灭菌处理章节）。热负荷越低，乳果糖含量越低，对感官和营养成分的影响也越小。

自超高温灭菌奶问世以来，其质量（尤其是感官属性）一直备受关注。在超高温灭菌奶上市早期，虽颜色与巴氏杀菌奶相近，但常有蒸煮味和硫磺味。这类在一些国家不受消费者欢迎的风味，源于蛋白质结构变化、蛋白变性及蛋白质间相互作用（参见第2章）。经多年持续工艺改进，现代超高温灭菌奶风味已越来越接近普通巴氏杀菌奶。

在此需强调一点，温度对于感官品尝的结果影响很大。在5-7℃冷藏温度下，超高温灭菌的风味会受到抑制。因此比较不同超高温灭菌工艺时，应将样品于20℃储存（2、4、6周）后，在20℃下进行感官评估。

此类测试表明直接加热与间接加热差异显著，后者对牛奶施加的热负荷更高。

保质期

用于评价超高温灭菌处理质量的另一关键指标是产品的保质期。其定义为：产品质量降至可接受最低水平前的最长储存时间。商业无菌产品的保质期不受微生物繁殖限制（所有可生长微生物已被杀灭）。因此，该概念具有一定主观性，主要取决于消费者与生产商的可接受水平，且该水平可能因生产商或国家/地区而异。

限制保质期的物理化学因素包括脂肪上浮、初期凝胶化、粘度增加以及严重沉淀。感官限制因素则包括风味劣化、气味变化、色泽改变。这些变化发生的速度取决于原奶品质、加工工艺及储存条件的综合影响。

脂肪上浮

在大多数国家，消费者打开包装时并不希望看到表层漂浮脂肪，因此市售包装牛奶应呈均质状态。然而，脂肪上浮属于自然现象；乳脂肪球密度低于乳清，随时间推移会上浮至包装顶部。如第7.3章节所述，高压均质可减小脂肪球粒径，从而降低脂肪上浮速率。对于超高温灭菌奶，需根据目标保质期调整均质程度及对应的NIZO值要求。例如，本地销售、保质期3个月的产品，其均质强度可低于保质期9个月的出口奶。应注意，均质并非影响脂肪上浮的唯一因素。保质期内的储存条件也会显著影响脂肪上浮速度。此外，原奶质量及酶的活性同样起作用，详见下文。

酶活性

除上述自然奶油上浮现象外，保质期还可能受酶活性限制。酶是具有催化活性的蛋白质，可将其他蛋白质裂解为小片段，导致胶体稳定性丧失，出现沉淀和凝胶，并且可能产生苦味等不良风味。牛奶中的酶主要分为两类：一类是源于奶牛免疫系统的原生酶（纤溶酶），另一类则主要是由革兰氏阴性（G-）嗜冷菌产生的细菌酶。需注意，这些酶在原奶中细菌存活时即已生成。经超高温灭菌处理后，细菌虽被灭活，但由于酶本身的高热稳定性，其活性仍得以保留。

热处理后牛奶中残留的酶活性水平主要取决于热处理强度。一般而言，间接加热处理比直接加热处理能更有效地钝化酶活性。间接法生产的超高温灭菌奶中几乎所有纤溶酶均被灭活，其保质期主要受细菌蛋白酶制约；而直接法生产的超高温灭菌奶中，纤溶酶和细菌蛋白酶均残留活性。

原奶质量越高，酶含量越低。为此，应保持挤奶设备清洁、挤奶后立即冷却牛奶，并尽可能缩短从收奶到加工的时间。以上措施可减少细菌繁殖，并最大限度减少其产耐热酶时间。健康奶牛是降低乳中纤溶酶水平的最根本因素。

营养特性

在研究任何食品加工工艺时，营养特性的变化都是需要重点考量的因素。针对热处理对牛奶的影响已开展广泛研究，超高温灭菌处理对牛奶各成分的影响可总结如下：

脂肪、乳糖及矿物盐的营养价值基本无变化，而蛋白质和维生素的营养价值出现轻微改变。

牛奶中的主要蛋白质——酪蛋白，基本不受热处理影响。乳清蛋白变性并不意味着超高温灭菌奶的营养价值（以生物价/生物利用度，即消化率和赖氨酸的人体吸收率衡量）低于原奶。与原奶相比，超高温灭菌奶的营养价值无显著差异，但包装内灭菌奶的营养价值有所下降。

必需氨基酸赖氨酸的少量损失仅引起营养价值微小变化。研究表明，其损失量为0.4-0.8%，与巴氏杀菌奶相当。而包装内灭菌奶的对应损失为6-10%。

牛奶中的部分维生素相对于巴氏杀菌或超高温灭菌处理可视为较耐热。其中包括脂溶性维生素A、D、E以及部分水溶性B族维生素。但若产品经过营养强化，维生素A的降解率可能显著升高。其他维生素如B9（叶酸）和B12（钴胺素）的热稳定性较差。如图10.4时间-温度曲线所示，超高温灭菌奶的硫胺素损失低于3%，而包装内灭菌奶的硫胺素损失率显著更高（约20%-50%）。这一规律同样适用于其他热敏性维生素（如B6、B12、叶酸和维生素C）在超高温灭菌奶与包装内灭菌奶中的损失率。包装内灭菌奶中维生素B2和维生素C的损失率甚至可达100%。部分维生素（如叶酸和维生素C）对氧化敏感，其损失主要发生在储存期，因牛奶或包装内氧含量较高所致。然而，牛奶并非维生素C和叶酸的良好来源，其含量远低于每日推荐摄入量。

因此总体结论为：超高温灭菌奶与巴氏杀菌奶的营养品质大致相当，而包装内灭菌奶的营养价值相对较低。

长保质期乳制品的生产

生产可常温储存的长保质期牛奶主要采用两种方法：

• 包装内灭菌
• 超高温灭菌处理，随后无菌灌装至避光、隔氧的包装内。

图10.7 静压容器（高压灭菌釜）中的批次处理

包装内灭菌

对瓶装或罐装产品进行灭菌通常采用两种工艺：

• 高压灭菌釜中的批式处理，图10.7
• 连续处理系统，如：
  • 立式静压水塔，图10.8
  • 卧式灭菌机，图10.9

批次灭菌

批次系统可通过以下三种方式运行：

• 在静压容器（高压灭菌釜）内码放的灭菌筐中进行，图10.7
• 在静态灭菌釜中内置的可旋转笼架内进行
• 在旋转式灭菌釜内进行

旋转式方法相较于静态方式具有以下优势：从加热介质中吸收热量更快、杀菌处理均匀度更高，且成品色泽一致性更佳。

在高压灭菌过程中，牛奶通常先预热至约80℃，然后灌入经清洁并预热的瓶子中。封盖后，瓶子置于蒸汽室中，通常在110–125℃下灭菌3-40分钟。完成灭菌后对批次进行冷却，随后灭菌釜即可处理下一批次。罐产品的灭菌原理与此相同。

高压灭菌釜批次灭菌技术更常用于罐装固体食品而非液态产品。由于灭菌在灌装封盖后完成，无需无菌操作，但包装材料必须耐热。

连续灭菌

连续灭菌系统产能更高，常常成为优选方案。为实现连续化运行，连续生产设备的设计依赖于压力锁系统。已灌装容器经该系统由低压/低温区进入相对高压/高温区。随后依次经历温度/压力的逐步降低，并最终用冷水或冰水冷却。市面上连续灭菌设备主要分为两类，区别在于所采用的压力锁系统类型。

1. 水静压立式瓶灭菌器
2. 卧式旋转阀封灭菌器

水静压立式灭菌器

图10.8 水静压立式连续瓶灭菌机

1. 第1加热段
2. 水封和第2加热段
3. 第3加热段
4. 灭菌段
5. 第1冷却段
6. 第2冷却段
7. 第3冷却段
8. 第4冷却段
9. 最终冷却段
10. 独立驱动的顶部轴与轮

这种类型的灭菌器，通常被称为塔式灭菌器（图10.8）。该设备主要由一个中央灭菌室构成，室内通入加压蒸汽以保持灭菌温度；进出口两侧利用水柱高度形成相同静压，实现压力平衡。入口侧的水被加热，出口侧的水被冷却，两侧水温均经过精确调节，旨在实现最大程度的热量吸收/释放，同时避免玻璃容器因热冲击而破裂。

在水静压塔内，奶容器缓慢输送并依次通过加热区和冷却区。这些区域的尺寸设计严格对应不同处理阶段所需的温度与保温时间。

多数情况下，牛奶会在一个类似于超高温灭菌设备的预灭菌装置中进行预处理。先加热至135℃或更高温度并保持数秒，随后冷却至30-70℃（具体温度取决于瓶材质——塑料瓶灌装温度通常较低），然后灌入经清洁并预热的瓶子中，最后进入水静压塔进行最终处理。预灭菌可采用间接或直接加热系统。预灭菌的主要目的，是为了减少最终需包装内二次灭菌杀灭的芽孢数量，或为了使预灭
菌步骤达到与超高温灭菌工厂相当的无菌水平。因此，二次灭菌仅需杀灭因非无菌灌装过程而进入的微生物（F0=1-2分钟）。两种预灭菌方式均有助于降低加热塔热负荷，减少化学与感官劣变，使产品品质接近超高温灭菌加无菌灌装产品的水平。

水静压灭菌器全程约一小时，其中在115-125℃灭菌区停留3-30分钟。

该设备适用于玻璃瓶或塑料瓶的灭菌。

卧式灭菌器

旋转阀密封灭菌器（图10.9）是一种结构相对低矮的设备，配备机械驱动的阀转子。灌装后的容器通过该转子进入高压/高温区域，在132–140℃的灭菌温度下处理10–12分钟。

其整体循环时间为30-35分钟，每小时产能可达12000个。

旋转阀密封灭菌器适用于塑料瓶、玻璃瓶以及塑料薄膜与塑料复合膜制成的软包装的灭菌。

图10.9 配备旋转阀密封与正压（蒸汽/空气混合）装置的卧式灭菌器

1. 瓶或罐的自动装载
2. 旋转阀同步将瓶子送入和送出压力室
3. 灭菌区
4. 通风风机
5. 预冷却区
6. 常压最终冷却
7. 从输送链卸载

需补充说明的另一系统是用于罐装炼乳的卧式连续旋转灭菌釜。该设计包含三个圆柱形容器，每个容器内部装有一个连接于滚筒的螺旋输送带，形成多个通道，使罐在加工过程中沿滚筒前进并同时自转。此类灭菌器还配备双检测系统——一个位于预热器出口，另一个位于压力冷却器末端——用于识别未灭菌罐。

超高温灭菌处理

在现代超高温灭菌设备中，牛奶被泵送通过一个封闭系统。在此过程中，牛奶依次经过预热、高温处理、均质、冷却，并无菌灌装到包装中，全程无任何二次污染。低酸液态产品（pH>4.5，牛奶pH>6.5）通常在135-150℃下处理数秒，可采用间接加热、直接蒸汽喷射或蒸汽浸入加热。系统内位于实际高温加热段下游的所有部件均为无菌设计，以消除二次污染风险。

与静水压塔式传统灭菌相比，超高温灭菌处理牛奶可节省时间、人力、能耗与空间。由于超高温灭菌为高速工艺，牛奶达到终点温度的速度远快于包装内灭菌，其受热强度显著降低，因此对牛奶色泽和风味的影响也小得多。

无菌加工

超高温灭菌技术通过短时、高强度加热处理来保存液态食品。该处理可杀灭产品中的微生物，使其达到商业无菌状态。

如前所述，商业无菌状态仅在产品持续处于无菌条件下方可保持。因此，必须在输送和灌装环节防止二次污染。热处理后，产品须在无菌条件下输送并灌装至经预先灭菌的包装材料中。高温灭菌处理与灌装之间的任何中间储存也必须在无菌条件下进行。正因如此，超高温灭菌加工也被称为无菌加工。

超高温灭菌技术的发展

路易·巴斯德很早就进行过瓶装奶的无菌实验，但直到1960年左右，随着无菌加工与无菌灌装技术实现商业化，现代超高温灭菌加工才真正起步。如今，超高温灭菌奶及其他超高温灭菌液态食品已获全球认可，虽然这并非一蹴而就。

首批超高温灭菌设备采用直接蒸汽注入原理，与包装内灭菌设备相比，凭借更优风味迅速赢得声誉。约十年后，间接式超高温灭菌设备问世，并在20世纪80年代能源危机期间凭借更高能效逐步占据主导地位。

自超高温灭菌技术问世以来，研发工作持续深入。现代超高温灭菌设备可生产出品质卓越的产品，其色泽与营养价值几乎可与原奶相媲美。

通用的超高温灭菌操作阶段

以下操作阶段适用于所有超高温灭菌系统，故不在各系统部分单独赘述。

预灭菌

生产开始前，必须对设备进行预灭菌，避免已处理产品二次污染。

预灭菌包括：

• 热水灭菌，使产品接触面的所有部位均达到所需最低温度（通常为125℃）。自整个设备无菌部位达到该温度之时起，热水灭菌至少持续30分钟。
• 将设备调整至生产所需工艺参数。

生产运行

生产阶段因工艺不同而异，详见下文。

无菌中间清洗

无菌中间清洗（AIC）是设备长时间连续运行的有效手段。当需清除生产线结垢且须保持无菌状态时，可随时执行30分钟的AIC程序。AIC后无需重新灭菌，可减少停机时间、延长生产周期，并降低能源及清洗化学品消耗。

原位清洗（CIP）

完整的原位清洗循环需70-90分钟，通常在生产结束后立即执行。

直接或间接超高温灭菌设备的原位清洗循环可包括：预冲洗、碱洗、热水漂洗、酸洗及最终冲洗，所有步骤均按预设的时间/温度程序全自动控制。原位清洗程序必须针对不同工厂、不同运行条件持续优化。

超高温灭菌（UHT）系统

超高温灭菌处理属于连续式加工工艺，其应用限于可泵送的流体产品。该技术适用于多种乳品及食品。上文所列产品并未穷尽所有可能性。未来许多其他液态食品也有望成为乳企关注的品类。超高温灭菌工厂通常采用灵活设计，以便在同一系统内处理多种产品。超高温灭菌工厂既可处理低酸产品（pH>4.5），也可处理高酸产品（pH<4.5）。但仅有低酸产品需通过超高温灭菌处理实现商业无菌。对于高酸产品（如果汁或pH<4.5的发酵乳制品），芽孢无法生长，因此热处理仅用于杀灭酵母和霉菌。通常的高温巴氏杀菌（85-95℃，保持15-30秒）即足以使高酸产品达到商业无菌。

超高温灭菌设备为全自动运行，具备四种操作模式：设备预灭菌（SIP）、生产、无菌中间清洗（AIC）及全线原位清洗（CIP）。安全性是超高温灭菌设备设计的首要考量，必须杜绝非无菌产品进入无菌灌装机的风险。控制程序中的联锁装置可有效防止操作失误或人为篡改。例如：若设备未完成预灭菌或生产过程中无菌状态丢失，系统将无法启动。此时系统会自动停止生产，并需重新执行清洗和灭菌程序。

设备启动、运行和清洗的所有操作序列均通过控制面板集中管理，该面板集成工艺控制、监测与记录等所有功能。

各类超高温灭菌系统

市场上的超高温灭菌系统主要分为两大类：直接式与间接式。更多详细信息可参阅第7.1章。

间接加热通过不锈钢隔板在介质与产品之间进行热传递。直接加热则使产品与加热介质直接接触，随后在真空容器内进行闪蒸冷却。

直接式系统可进一步分为：

• 蒸汽喷射系统（蒸汽注入产品），图10.10

图10.10 蒸汽注入喷嘴

• 蒸汽浸入系统（产品进入充满蒸汽的容器），图10.11

图10.11 蒸汽浸入式容器

也可将直接加热与间接冷却结合使用而无需后续闪蒸冷却，但此方式中蒸汽加热产生的冷凝水会稀释产品。

在间接式系统中，热量通过隔板（板壁或管壁）从加热介质传递至产品。

间接式系统可基于：

• 板式热交换器，图10.12
• 管式热交换器，图10.13
• 刮板式热交换器
• 盘管式热交换器

图10.12 用于加热和冷却的板式热交换器

此外，可根据产品和工艺要求组合使用间接系统中的各类热交换器。刮板式和盘管式热交换器适用于极高粘度产品或含大颗粒物产品（如汤、酱、甜点、布丁、蛋奶羹、豌豆泥、沙拉酱等），极少用于乳品领域。

图10.13 用于加热和冷却的管式热交换器

直接超高温灭菌系统

产品的加热及冷却速率越快，加工过程对其化学变化（如风味、色泽乃至一定程度上的营养价值）的影响就越小。

实现快速加热最有效的方法是将高温蒸汽与产品直接混合，随后在真空容器内进行闪蒸冷却，此即为直接式系统。

闪蒸冷却不仅实现产品降温，还能脱气、脱味。此外，脱气可提高均质效率，并通过抑制储存期氧化，进一步提升产品的储存稳定性。

正是由于快速的升温和冷却特性，直接式系统能提供更优异的产品品质，因此常用于生产热敏型产品，如高品质市售奶、营养强化奶、奶油、配方乳制品、豆奶、软冰淇淋浆料，以及乳品甜点和婴儿食品。

在直接式系统中处理淀粉基产品还可改善其质地与顺滑度，从而提升口感。

基于蒸汽喷射与管式热交换器的直接超高温灭菌设备

如图10.14流程所示，约4℃的产品从平衡缸（1）由进料泵（2）输送至管式热交换器（3）的预热段。预热至约80℃后，产品继续流向环形喷嘴蒸汽喷射器（4）。蒸汽注入产品后瞬间冷凝为水，使产品温度升至140-150℃（压力防止产品沸腾）。产品在保温管（5）中保持超高温灭菌温度数秒后进行闪蒸冷却。闪蒸冷却在真空容器（6）中进行，泵（7）维持的局部真空使温度瞬间降至预热温度。经过精确控制的真空，使闪蒸出去的水蒸气质量与先前注入的蒸汽质量相等。离心泵（8）将超高温灭菌处理后的产品输送至无菌两级均质机（9）。

均质后，产品在管式热交换器（10）中冷却至约20℃，然后直接进入无菌灌装机或无菌罐进行中间缓存待包装。若生产过程中灭菌温度下降，产品将会被导入废料罐，设备用水冲洗，且必须经清洗和重新灭菌后才能重启。

该设备产能范围为2000-45000升/小时。管式热交换器可设计为无热回收段（图10.14）或包含产品到产品的热回收段（图10.17，第3项）。此外，图10.14中的管式热交换器（第3和10项）也可替换为板式热交换器（如图10.15所示）。对于中低粘度产品，管式方案为首选。

蒸汽浸入式直接超高温灭菌设备

蒸汽浸入系统与蒸汽喷射系统的主要区别在于牛奶与蒸汽的混合方式。

蒸汽浸入的基本原理是使产品穿过蒸汽环境完成加热，如图10.11所示。产品从浸入罐顶部进入，落入布料器。布料器把产品分成多股细流，并形成液滴。当液滴在蒸汽环境中下落时，蒸汽在液滴表面冷凝从而加热牛奶。不同浸入罐设计的布料器可能有所差异，但必须确保牛奶液滴尺寸均匀，以保证热传递速率一致。若液滴尺寸不均，浸入罐将偏离其设计所依据的理论模型。

当牛奶触及浸入罐的锥形底部时，应已升至目标终温。锥形底部带夹套，并被冷却至略低于灭菌温度，形成冷凝液流。产品落至锥面时，可减轻加热表面结垢。随后，产品在重力作用下流向罐底，再由泵送入保温管。

除此之外，图10.16所示的其余流程与图10.14、图10.15所示蒸汽喷射系统基本一致。

图10.14 采用直接蒸汽喷射与管式热交换器加热的超高温灭菌工艺流程

1. 平衡缸
2. 进料泵
3. 管式热交换器（预热器）
4. 蒸汽喷射头
5. 保温管
6. 真空容器
7. 真空泵
8. 离心泵
9. 无菌均质机
10.管式热交换器（冷却器）

图10.15 采用直接蒸汽喷射与板式热交换器加热的超高温灭菌工艺流程

1. 平衡缸
2. 进料泵
3. 管式热交换器（预热器）
4. 蒸汽喷射头
5. 保温管
6. 真空容器
7. 真空泵
8. 离心泵
9. 无菌均质机
10.管式热交换器（冷却器）

间接超高温灭菌设备

最具成本效益的超高温灭菌加工方法是间接加热——该方式中，待处理产品与加热介质始终由隔板分隔，从不直接接触。此技术适用于所有类型的热交换器，但在乳品应用中，基于管式热交换器的系统最为常见。此外，均质工序可安排在产品最终加热之前或之后。若在超高温灭菌处理前进行均质，可采用非无菌型均质机；而采用下游无菌均质机则有助于改善高蛋白或高脂肪产品的质地与物理稳定性。

对于某些产品，可采用双重均质（即上游与下游各使用一台均质机）工艺，以获得更优品质和更长保质期。该工艺方案适用于咖啡奶油、蒸发浓缩乳等产品。

间接超高温灭菌设备是处理牛奶、风味奶、奶油、乳品甜点、酸奶饮料、浓缩乳及其他非乳制品（如果汁、含果汁饮料和茶饮）的理想选择。

图10.16 采用直接蒸汽侵入与管式热交换器加热的超高温灭菌工艺流程

1. 牛奶平衡缸
2. 进料泵
3. 管式热交换器
4. 蒸汽浸入式模块
5. 保温管
6. 真空容器
7. 真空泵
8. 离心泵
9. 无菌均质机

基于管式热交换器的间接超高温灭菌设备

管式系统适用于处理中低粘度、可能含颗粒或纤维的产品。中等粘度是一个相对概念，因产品粘度会随原料、添加剂及机械处理方式而变化。汤类、番茄制品、果蔬产品、某些布丁和甜点等中等粘度产品，均非常适合采用管式系统进行处理。目前，管式系统是应用最广泛的超高温灭菌设备类型。采用间接加热技术的超高温灭菌设备产能最高可达40000升/小时，典型流程如图10.17所示。

图10.17 基于管式热交换器的间接超高温灭菌系统

1. 平衡缸
2. 进料泵
3. 管式热交换器（回热式预热/冷却器）
4. 非无菌均质机
5. 管式热交换器（预热器）
6. 管式热交换器（最终加热器）
7. 保温管
8. 管式热交换器（冷却器）

产品（约4℃）从储罐被泵送至超高温灭菌设备的平衡缸（1），再由进料泵（2）输送至管式热交换器（3）的热回收段。在此段中，通过产品-产品热回收方式将产品加热至约75℃。未经处理的冷产品被经热处理的超高温灭菌产品加热，同时后者得到冷 却。预热后的产品随后在（4）处以180-250巴（18-25兆帕）的压力进行均质。如前所述，间接超高温灭菌设备可在超高温灭菌处理前进行均质，这意味着可采用非无菌型均质机，从而降低成本。然而，下游无菌均质机可改善某些产品的质地和物理稳定性。

经预热和均质后的产品继续进入管式热交换器的第二预热段（5）及最终加热段（6），由封闭热水回路中的热水加热至约138℃。加热后，产品流经设定停留时间约4秒的保温管（7）。

最后，通过两段再生式热交换完成冷却过程：首先与热水回路的冷端（8）换热，再与进入的冷产品（3）换热。离开再生冷却器的产品直接进入无菌灌装机或无菌罐进行中间缓存。

图10.17中，牛奶在75℃以下通过产品-产品再生换热进行加热和冷却。超高温灭菌系统可设计为含或不含产品-产品再生换热段。而且，再生段的设计温度也可调整。

通过安装蛋白稳定保持管，可进一步延长间接式系统的连续运行时间。该装置能稳定牛奶蛋白，从而最大限度减少热交换器内的结垢。

管式热交换器由多个管模块组装而成，可通过串联和/或并联方式连接，为任何加热或冷却需求提供完整的优化系统。该系统还可配置分路加热设计。

若生产过程中温度下降，产品将会被导入废料罐，设备用水冲洗，且必须经清洗和重新灭菌后才能重启。

与直接超高温灭菌处理类似，间接管式超高温灭菌系统的替代方案是基于板式热交换器的超高温灭菌系统。

其处理原理（图10.18）与管式热交换器超高温灭菌设备几乎相同。

图10.18 采用板式热交换器间接加热的超高温灭菌工艺流程

分路加热

在许多情况下，间接超高温灭菌设备的设计产能可在额定产能的50%至100%之间调节，并直接与无菌灌装生产线相连。为减少产品过度加工，当其中一台灌装机停机时，加热段可被分隔为若干子段（即分路加热器）。

分路加热系统的工作原理如图10.19所示。若流量降至额定值的50%，阀门（C）将启动，使加热介质绕过第一加热段（A）。因此，产品温度将一直保持在预热温度（75℃），直至进入第二（最终）加热段（B）进行超高温加热。

图10.19 管式热交换器中的分路加热系统

A. 第一加热段
B. 最终加热段
C. 转换阀

图10.20中的时间-温度曲线显示了产品在额定产能与半产能下所受热负荷的差异。图中虚线表示无分路加热功能的系统在50%额定产能运行时的温度变化过程。

图10.20 分路加热器对热负荷的影响。

虚线表示无分路加热功能的系统中的温度变化过程。

注：在50%额定产能下运行时，保温时间将延长一倍。为补偿此效应，需根据目标F0值降低超高温灭菌温度，以实现相同的细菌杀灭效果。

无菌缓存

图10.21所示的无菌储罐用于超高温灭菌处理后的乳制品中间储存。它通过平衡向灌装机的产品供应，提高连续生产线的作业效率，使超高温灭菌单元与灌装机可独立运行，免受意外停机或清洗作业的干扰。

图10.21 带阀门与控制模块的无菌储罐

产品流及工艺介质接口位于独立的阀门与控制模块中。

无菌罐在超高温灭菌生产线中的配置方式多样，具体取决于以下因素：

• 设备设计与布局
• 加工与灌装线中各单元的产能
• 所需的灵活性

图10.22和10.23展示了两种常见配置

• 10.22.无菌储罐作为缓冲罐储存多余产品，此为最常见配置。通常灭菌设备设计产能略高于灌装机，从而随时间在无菌罐内建立一定液位，以便在灌装机持续生产的同时对灭菌机进行中间清洗。

图10.22 无菌储罐用作超高温灭菌处理后富余产品的缓存

• 10.23.采用两个储罐，可灵活将产品送至生产线中任何灌装机，为生产计划提供极大灵活性。

图10.23 生产线中的无菌储罐配置以实现生产灵活性

从超高温灭菌单元直接向灌装机供料时，需回流部分产品以维持对灌装机的恒定进料压力。此举将导致产品部分再处理，总热负荷升高。回流还会增加加热与冷却介质的消耗。因此，对再处理敏感或要求低热负荷的产品，不建议采用直接供料。

超高温灭菌设备、无菌储罐与无菌灌装机的最佳配置须根据具体工艺单独确定。

无菌灌装

无菌灌装是指将商业无菌产品灌装入经灭菌的包装容器，并在无菌环境下用经灭菌的封合材料进行密封，从而防止无菌产品遭受微生物二次污染的过程。

根据《食品法典》CXC 40-1993对无菌加工和灌装的定义，“无菌”指在产品本身、包装材料及灌装机的“无菌区”（即灌装操作区域）中，均不存在任何能在产品中生长繁殖的微生物。“密封”则指包装具备适宜的机械特性，可阻止细菌侵入，或更严格地说，能防止微生物、气体或蒸汽进出包装容器。

对于需长期常温保存的产品，包装还需具备极高的遮光性和隔氧性，以保护其营养价值与感官特性。长保质期牛奶的纸包装通常由高质量纸板与铝箔制成，中间和内外覆上聚乙烯塑料膜。

图10.24 无菌条件下的灌装过程

超高温灭菌中试车间

专用的中试车间可用于处理少量创新或重点的产品。在这些设备中，可研究超高温灭菌工艺相关技术参数的影响，比如温度程序、保温时间、加热方式（直接或间接）、脱气与否，以及均质压力和温度等。此外，许多技术参数与产品本身密切相关，如配方、原料、预处理等。

图10.25 超高温灭菌中试车间流程图

包含管式或板式热交换器的间接加热，以及虚线框内的直接加热模块，可选择无菌或非无菌均质。

1. 平衡缸
2. 进料泵
3. 板式热交换器
4. 管式热交换器
5. 均质机
6. 直接加热模块
7. 蒸汽喷射器
8. 真空容器

这些产品参数与工艺参数同等重要，成功开发新型超高温灭菌产品需对它们进行综合研究。同时，中试车间可用于探究产品的热相关特性，如稳定性、敏感性及芽孢耐热性。

在食品与乳品行业，许多研发创新中心均配备了超高温灭菌中试车间，用于产品开发。此类设备亦常见于对食品及乳品技术感兴趣的各类院校及其他科研机构。部分超高温灭菌设备制造商也设有中试车间，用于客户产品的研发与试验。

完整的超高温灭菌中试车间可包含一个用于管式或板式热交换器间接加热的模块，以及附加的蒸汽喷射/浸入直接加热模块和均质模块。

图10.25的流程图展示了一种中试车间方案，可选择采用管式或板式热交换器进行间接加热，亦可选用管式热交换器配合附加模块实现直接加热及产品均质（均质可位于上游非无菌段5a或位于下游无菌段5b）。

图10.26 基于管式热交换器与蒸汽喷射的直接及间接加热式超高温灭菌中试车间