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【加工技术】维持啤酒微生物稳定的技术和方法

楼主:现代食品工程 时间:2018-07-26 12:44:20


酿造者成功的决定因素是生产和销售吸引消费者,并在风味、新鲜度、口感、外观以及卫生等方面满足期望的啤酒...

消费者在选购产品时最关注的特征是其微生物安全性。由于酒花、二氧化碳和酒精的存在,及其低的pH 值,啤酒中病原微生物存在的可能性低且容易被去除。


啤酒腐败菌尽管不会使人致病,但如果存在于啤酒中,会引发其口感和气味的改变,或致啤酒浑浊。这些改变将驱使消费者抛弃受腐败菌污染的啤酒,转向其他品牌。


啤酒中微生物的控制是其最重要的质量属性的体现,酿造者为了在市场生存,该属性必须受到掌控。


微生物稳定


维持啤酒微生物稳定的技术和方法包括以下几种:


1. 热处理,以隧道式巴氏灭菌法为其典型代表;


2. 应用深层或表面过滤器过滤;


3. 使用添加剂;


4. 清洁操作。


最常用的方法为热处理和过滤。在包装过程中受经济性和改善卫生标准的驱使,瞬间巴氏杀菌法和逐渐兴起的膜过滤法有取代隧道式巴氏灭菌法的趋势。尽管有添加二氧化硫抑菌的报道,但并没有得到广泛应用。添加剂抑菌在啤酒酿造行业不常使用1。


为了达到微生物控制和好的货架生命的目的,清洁操作和清洁的加工环境是基本因素。数千家啤酒酿造厂对清洁操作和清洁环境深信不疑,这些啤酒酿造厂不使用其他处理手段---仅靠清洁操作方法即能完全满足需要。为了产品在货架期“使用前始终处于最佳状态(best before use)”,清洁操作绝对是必须做的事。


隧道式巴氏灭菌法


在大约60%的啤酒酿造企业使用隧道式巴氏灭菌法,该方法是最常用于维持啤酒微生物稳定的方法。杀菌过程中容器内的产品受到固定热量的辐射达到杀灭微生物的目的,有效剂量受水温,水量及其分配,传送速度,以及包装材料的类型、厚度和设计等方面的影响,尤其是容器内至关重要的“最低温度点”。


隧道式巴氏灭菌法对微生物控制的效能间接地通过控制巴士灭菌单位(PU)体现。该方法的唯一优势是包装后的产品中微生物稳定。由于产品灌装发生在隧道式巴氏杀菌前,此过程不会带来相关污染的风险。


在其他参数方面与瞬间巴氏灭菌和膜过滤比较,隧道式巴氏灭菌法存在影响产品品质、经济性差等劣势。已有的研究结果充分地揭示了这一点,下面引用文献数据来进一步说明。这些数据基于300百升/小时处理量计算消耗和相关工艺的数据2,3,4,5。


· 水耗:3-5立方米/小时或400 升/1000 瓶或0.2 to 0.8 百升水 /百升啤酒


· 电耗:45-70千瓦时或1-2.5千瓦时/1000瓶


· 能源:4-6 千瓦时/百升或 12x102焦耳/1000 瓶


· 玻璃瓶装酒酒损: 80 – 90 百升/月 (45,000 瓶/小时/线;0.5 NRW standard-- EN Norm)


· 热回收率60%- 70%


· PU冗余:90%


· 操作成本:0.30 – 1.35 欧元/百升


瞬间巴氏灭菌法


瞬间巴氏灭菌法用于包装前啤酒的热处理。该方法在欧洲常见,亚洲,尤其是西半球少见应用。瞬间巴氏灭菌过程中啤酒先经过板式换热器,继而在加热,维持和冷却阶段先后通过管道系统冷却区。瞬间巴氏灭菌设备不直接安装于灌装机上游,两者之间总是需要一个缓冲罐。典型的瞬间巴氏灭菌的温度高于隧道式巴氏灭菌法8-10℃(46 to 54 °F),但暴露于高热环境的时间较短。


隧道式巴氏灭菌法的微生物控制效率间接地、在线通过传感器由巴士灭菌单位决定。


瞬间巴氏灭菌设备设计和其工艺参数的特性使其在损耗方面明显低于隧道式巴氏灭菌。下面的实例来自公开发表的文献,仍以300百升/小时处理量的消耗和工艺的数据4,6,7,8来展示瞬间巴氏灭菌法的实际损耗。


· 水耗: 0.3 – 1 立方米/小时(包括清洗水量)或0.05 – 0.15 百升水/百升啤酒


· 电耗:9 – 18 千瓦时


· 其他能耗:1.7 - 2 千瓦时/百升


· 酒损:0.05 – 0.3%,因工艺和品种转换有不同


· 热量回收率:80 – 96 %


· PU冗余:90%.


· 操作成本:0.07 – 0.19 欧元/百升


因其固定的换热面积,瞬间巴氏灭菌在单位是将处理量和温度变换方面的可调节范围受到限制。热量回收率的增加直接与热交换器的表面积和装置体积成正比,导致在启动阶段,大的混合相时能耗增加;加工过程和降低PU冗余时,啤酒损耗增加。


在进行成本比较时,用于缓冲罐的CO2消耗常被忽略,对于不稳定的灌装线,此消耗高达0.07 欧元/百升。


膜过滤


膜过滤直接位于灌装机上游,用于啤酒的冷除菌。在生产中啤酒无菌是一个常用术语,意指不含可繁殖的、引起腐败的微生物17的、性状稳定的啤酒。


既往膜过滤被用于高附加值或高品质啤酒,现今此法已越来越多地被用于所有啤酒的生产。亚洲的啤酒酿造厂已经成功应用啤酒除菌过滤多年;欧洲和美洲,在膜过滤技术方面的投入也越来越多。


膜过滤包括合适的滤芯的选择、完整性检测装置和简单的CIP程式。滤芯直接安装于灌装机前,省去了滤芯与灌装机之间的缓冲罐。此处应用的膜的材质为聚醚砜或尼龙-66,典型精度为0.45um到0.65um。


微生物控制的有效性由过滤前和过滤后的滤芯的完整性检测决定。


滤芯的操作成本主要与其使用寿命有关。而滤芯寿命则由单支10英寸滤芯的总的过滤量来衡量,一般在500-1200百升/10英寸之间,随物料性质波动。既往滤芯堵塞是其寿命终结的主因,今天滤芯寿命缩短则主要是由化学腐蚀、反复灭菌和(或)热碱循环引发。


膜过滤与热处理的主要区别在于对风味和维生素的保护。膜过滤对啤酒风味的稳定和维生素的保留更具优势,尤其体现在溶解氧控制方面。


膜过滤连续运行时间可达55小时。至于清洗(膜的复性),可以通过3种方法(或步骤)实现:


1. 热水冲洗;


2. 热碱浸洗*;


3. 酶促反应;


根据方法选择的不同,清洗时间介于45-90分钟(包括方法1和方法2)之间。额外加酶清洗可能要需时22小时,而且因过滤量和啤酒的可滤性的不同原则上每月一次。


下面仍以300 百升/小时、 24小时连续运行为例,引用基于已公开发表的文献6,9,10,11的相关数据加以进一步佐证。


· 水耗:5,5 – 8 立方米/清洁* or 0.013 – 0.04 百升水/百升啤酒


· 电耗:2,5 – 4 千瓦时


· 热能:最大0.2千瓦时/百升*


· 酒损:0.05 – 0.3%,因应用的工艺和产品切换有不同(总共:300 – 500 升/运行周期)


· 操作成本:0.13 – 0.3 欧元/百升


技术比较-环境因素


比较三种不同的技术,膜过滤和瞬间巴氏灭菌法在资源消耗方面远较隧道式巴氏灭菌法小。


热能消耗分析结果,三种不同的技术在能量消耗上有显著的区别。隧道式巴氏灭菌法比瞬间巴氏灭菌法多消耗6倍,比膜过滤多消耗20倍。瞬间巴氏灭菌法比膜过滤多8倍。(见下图)



类似的图表也展示了相同的电力消耗情况,隧道式巴氏灭菌法比膜过滤多6倍,瞬间巴氏灭菌法比膜过滤多3倍。



水的消耗:隧道式巴氏灭菌法的水消耗是瞬间巴氏灭菌法的10倍,膜过滤的15到20倍;瞬间巴氏灭菌法是膜过滤的4倍到8倍。这些数据得出的是纯粹的水消耗量,废水的再次处理与利用没有被计入。



总体来说,膜过滤比瞬间巴氏灭菌法和隧道式巴氏灭菌法具有更好的环境优势,在CFS集束式过滤系统中,全部滤芯被分为数个集束。利用集束方式,过滤膜会更易清洗。即:清洁效率提高,水的消耗进一步减少。


技术比较—微生物安全


隧道巴氏杀菌主要的优势是包装后灭菌,终产品微生物稳定。这种方案有效降低了灌装阶段微生物污染可能导致的潜在的风险。


瞬时巴氏灭菌和膜过滤都是在产品灌装之前进行,所以啤酒在灌入瓶、罐和桶的过程中必须考虑污染的风险,创造零污染的灌装环境。


有文献报道,约60%的污染来源于包装车间的灌酒机和压盖机12。为了控制微生物,必须对包装区域采取最高的防污染措施12。


灌酒机和压盖机设备表面的温度、湿度、以及来自产酸菌的凝胶层中营养物,为微生物生长创造了理想条件13。


产酸菌消耗氧气,为啤酒腐败菌生长营造厌氧了环境,使啤酒腐败菌以指数级的速度繁殖。


及早鉴定这些污染点是保持灌装(压盖)设备清洁的关键。目前,有公司提供喷雾测试,残留在表面的有机物会通过显色标记。这种测试应该定期进行以检查包装设备表面的清洗效果15。


其它污染源可能来自于辅助生产原料,如空气、二氧化碳和水。因此,对这些直接进入灌酒区或者和产品直接接触的辅助生产原料进行无菌过滤甚为重要。

尚有一些微生物污染防控点,包括:压力表,真空安全阀,盲板,软管,气体管道和回酒线。另外,损坏的地面也提供了微生物繁殖理想的条件14。


好的做法是保持门窗关闭,灌酒机、压盖机以及周围区域平坦和洁净,因为这是果胶杆菌属和巨球菌属腐败菌滋生的典型污染源14。


作为清洁生产的一个重要环节,停机期间巡视和嗅味检查对保证好的卫生状况发挥着重要的作用。建立清洗流程,操作指南和制作检查表格是必须手段14。

对减少下游特别是灌装区域防控污染起决定性作用因素是操作人员的对微生物风险的意识。


重要的是他们明白清洗的理由和达成的目标,定期接受培训包括熟知污染可能引发的后果。


取样和鉴定微生物是又一个关键的课题。基于聚合酶链式反应(PCR)的方法能快速并同时检测和鉴定多个取样点的啤酒腐败菌16。


这种方法的突出优点是能立即发现和鉴定污染微生物,使酿造人员在大量的污染产品生产出来前,及早防控、发现污染源,并采取行动减少成本损失。



先进的卫生管理在包装区可以保证啤酒酿造者弃用隧道巴氏杀菌,生产出微生物稳定和安全的产品。


技术比较—微生物风险及检测


无论热力、化学,还是膜过滤方法,均采用效价或对数截留值(LRV)的统计学方法来评价其微生物去除效率。


LRV表示经过处理后特定微生物存活的可能性。与工艺和参数、产品类型、处理的产品量、原料中微生物的数量、微生物的类型和特性,以及处理后微生物的存活数量直接相关17。


比较发现,原料经隧道巴氏杀菌、瞬时巴氏灭菌和膜过滤,展示了相近的LRV值。


隧道和瞬时巴氏灭菌相比,LRV的不同主要是因为灭菌温度和时间;对于膜过滤LRV值的不同则归因于孔径的4,6,8差异。


过高的温度影响风味,而过小孔径的膜意味着使用寿命短、操作费用上升。


热处理灭菌有效性以巴氏灭菌单位衡量,它是时间和温度的函数计数值。


而膜除菌过滤的有效性由完整性检测确认。


用于液体过滤的滤膜的完整性检测,通过在设定的条件下测试气体经充分润湿的滤膜的扩散量、或检测一定时间内封闭腔体(滤壳)内气体因经膜扩散导致的压力衰减的数值来衡量。该扩散值直接与滤膜的微生物截留值18相关。


巴氏灭菌单位和完整性检测能有效的监控操作过程。


在膜的完整性检测过程中,单次检测的滤芯支数越少,检测的灵敏度就越高。

颇尔CFS集束过滤技术就应用了这个原理,把全部滤芯分成几个不同的集束分别进行检测10,23。


技术比较—啤酒品质


除了清洗操作,多年来热处理是唯一的获得微生物稳定产品的方法。但人们也认识到热处理会带使啤酒产生氧化味。


经过巴氏灭菌,啤酒中的氧含量超过0.02ppm。其上游硅藻土过滤后带入的还有铁离子和锰离子。


文献报道,2-甲基丁醇和3-甲基丁醇是典型的氧指示剂,而2-糠醛的含量和热处理成正比19。


低温膜过滤,氧化反应也会发生但速度很慢,啤酒的口味稳定性大大增加。


德国Weihenstephan大学曾比较了热处理和膜过滤方式对啤酒中氨基酸和维生素含量的影响。实验发现,瞬时巴氏灭菌后啤酒中的维生素B1被大量破坏,维生素B2减少,而氨基酸损失达到10%。对于膜过滤,包括这些物质在内的关键成分均没有改变20。


巴氏杀菌产生引起酒体变混的颗粒,人们称之为“小飞蝶”。这些颗粒来自于瓶颈部和缓冲罐壁,由附着其上的破裂和干燥后的啤酒泡沫形成。


这些颗粒被证明能长时间稳定存在于啤酒中21。而膜过滤能非常有效的去除这些雾状颗粒。


从消费和市场前景看,啤酒的低温处理显然优于热处理,符合果汁和乳品行业发展趋势。


经济性比较-固定资产投资&操作成本


隧道式巴氏灭菌法比瞬间巴氏灭菌法和膜过滤法多需要3到5倍的固定资产投入。根据外围设备的不同,后两种方法的固定资产投入有些许差别。瞬间巴氏灭菌设备包括加热区,加压段,维持区和冷却区。另外还需要一个CIP系统和下游缓冲罐来完善设施。基于上下游处理,可能需要附加的阀门组和定量装置。相比来说,膜过滤系统只需要在滤壳中加装过滤膜,一套测试仪和CIP系统。



隧道式巴氏灭菌法的操作成本是0.30-1.35欧元/百升,对于现代化设备来说,更低的成本会切合实际一些。瞬间巴氏灭菌法和膜过滤法的操作成本基本类似,比隧道法少大概一半。


由于清洗工艺的优化和新的系统设计,膜过滤的操作成本在近两年得到大幅度的减少。将滤芯分为不同集束式,清洗过程需水量少,冲洗时间短,提高了清洗效率。酶清洗能够恢复被阻塞的滤膜,降低甚至消除了早期或者无法预计的膜阻塞。现在,滤芯更换较少因为膜的堵塞,而更多的是因为多次高温杀菌以和(或)热碱的清洗的结果。通过采集完整性测试数据,使得我们能够进行很好的趋势分析,用以预测滤膜的使用极限。现今一个300百升/小时的膜过滤系统通常在达到300,000百升后可能才需要更换。



隧道式巴氏灭菌法具有低啤酒损耗的优势。听装啤酒,损耗率低于0.01%4。对于玻璃瓶,破损率取决于瓶的质量。根据一个奥地利的酿造公司的报告,一条220百升/小时的生产线22一个月有13-15吨的破瓶损失,或为80-90百升的啤酒损失。另一个美国巴氏灭菌机制造商报告,大概有0.05-0.10%的破瓶损失率4。

报导的瞬间巴氏灭菌法的啤酒损耗率为0.03-0.3%,损耗率的高低取决于操作方法,特别是杀菌前后运行和品种转换步骤。操作过程中,灌装机频繁停机也会额外增加损耗。


对于听装啤酒来说,除了隧道巴氏灭菌法外,膜过滤的损耗为最低,介于0.01-0.05%之间。过滤膜将会直接安装在灌装机的上游,同样减少了杀菌前后的运行工序。灌装机停机也没有任何影响。另外,在用二氧化碳加压将啤酒压出的过程中,最后在滤罐与管道中也仅是微量的残留。


关于三种过滤方式的能源与水的消耗比在前面已经详细的讨论过,当然,在热量消耗上膜过滤也展示出最好的表现。


管道消毒需要等同于0.5-1个全职人员的操作,而膜过滤和瞬间巴氏灭菌法完全自动运行。


包括对于泵,传送带,测量设备和残次品在内的处理服务花费,使得隧道式巴氏灭菌法的服务费十分高昂。从第三年算起,每一年的服务费用将会占到固定资产投资的2-3%。


瞬间巴氏灭菌法需要频繁监管或校验,以及对测量、控制系统进行保养和维护。尤其是换热板-属于HACCP相关设备,需要例行年度裂纹与垫圈损害状况的检查。


膜过滤的主要服务为更换滤芯。其他包括定期更换罐体密封圈和阀门垫片、检测和校对流量表和压力监测装置。设备完整性检测的维护周期也仅为每24个月一次。


总结


从微生物安全的角度来看,隧道式巴氏灭菌法不再是必须的。罐装环境对于高要求的卫生标准可以通过上游的微生物控制与瞬间巴氏灭菌法或膜过滤相结合达到,最终提供合格的啤酒来投入市场。


成本控制方面,膜过滤在近几年越来越有竞争力,它远胜过隧道式巴氏消毒法,并且比瞬间巴氏灭菌法也更具有优势。


对于水资源与能源的低消耗也让膜过滤在环保方面的优势更加突出。


另外,膜过滤能更好的保持口感与新鲜度,消费者的接受度也更高。


总之,膜过滤技术在微生物控制方面的出色表现可以很好的满足顾客的需求,在未来将会具有更好的市场表现。


附录


特别感谢颇尔公司食品饮料全球市场部Kathleen Berry提供数据和各方面的支持。


参考文献


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[22] Hoffmann,S.: Kaltsterile Filtration in einer Brauerei mit 1,4 Mio.Hl; Brauwelt 137 (97), No 23, 894-896


[23] Pall Product Information CFS System; www.pall.de/main/food-and-beverage/product.page?id=5387

本文作者:Reiner Gaub


颇尔过滤器(德国)有限公司酿造系统总监


本文来源:《食品工程》

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