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复合包材如何适应高温蒸煮工艺的要求

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复合包材如何适应高温蒸煮工艺的要求

分类:
包装袋知识
作者:
来源:
2018/07/02 15:57
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【摘要】:
高温蒸煮是一种高效彻底的杀菌工艺,广泛用于肉类、豆制品、部分医疗用品及医药针剂的消毒处理,近年来此工艺也逐步用于熟板栗、谷浆饮料、婴儿果蔬泥等食品的杀菌处理。高温蒸煮杀菌温度范围一般在121-135℃之间,目前也有满足145℃超高温杀菌的软包装材料的研究。研究资料显示在145℃条件下,只要保持3min左右的处理时间,能把最耐热的芽孢肉毒杆菌类有害病菌彻底杀灭,随此而产生的复合软包装材料也得到了广泛
高温蒸煮是一种高效彻底的杀菌工艺,广泛用于肉类、豆制品、部分医疗用品及医药针剂的消毒处理,近年来此工艺也逐步用于熟板栗、谷浆饮料、婴儿果蔬泥等食品的杀菌处理。高温蒸煮杀菌温度范围一般在121-135℃之间,目前也有满足145℃超高温杀菌的软包装材料的研究。研究资料显示在145℃条件下,只要保持3min左右的处理时间,能把最耐热的芽孢肉毒杆菌类有害病菌彻底杀灭,随此而产生的复合软包装材料也得到了广泛地应用。根据包装内容物的消毒杀菌条件,本文重点讨论耐121℃高温的包装袋结构设计及加工工艺如何适应高温蒸煮的要求。
 
复合软包装材料的结构设计要满足高温杀菌的工艺要求,通常要考虑多方面的因素,除了包材在生产工序中保证自身的功能外,还要更多地考虑内容物的要求,同时兼顾杀菌处理的工艺条件、流通仓储条件和销售使用环节对包材性能的影响,下面就逐项探讨。
 
一、蒸煮杀菌目的及蒸煮包装袋分类
 
杀菌的目的主要有两个:
 
1、对有害细菌消灭彻底,满足无菌的要求,如医疗用品的灭菌处理。
 
2、通过彻底灭菌后,在少加甚至不加防腐剂的情况下能抑制细菌滋生,延长内容物的保质期,使内容物在常温下能较长久的保持原来设计的风味,如各种食品类高温蒸煮产品。
 
耐高温杀菌处理包装袋按当前国际上比较认可的分类如下:
 
1、可耐121℃的蒸煮袋,耐高温时间30-60min不等。
 
2、可耐135℃的蒸煮袋,耐温时间15-30min不等。
 
3、可耐145℃的超高温蒸煮袋,目前为最高级别的蒸煮袋,耐温时间5min以下。
 
现在国内市场上普遍使用的是可耐121℃的高温蒸煮袋,一般固态物质比如肉类高温蒸煮包装还要满足抽真空的要求。
 
二、高温蒸煮袋对薄膜基材及化工材料要求
 
生产高温蒸煮袋用的薄膜基材是满足蒸煮条件的基础,通常要根据高温蒸煮袋的蒸煮条件和内容物的特点来确定选用哪些基材、什么规格、组合顺序,要用哪种类型油墨和胶水等。常用的薄膜基材有:BOPET 、B0PA、HDPE、RCPP、AL、共挤EVOH、共挤PVDC、共挤PE等;目前也有新型五层以上共挤膜如:PP/AC/EV0H/AC/PP、PP/AC/PA/EV0H/PA/AC/PP等;另外还有共聚尼龙MXD6、陶瓷蒸镀膜如SiOxPET12um,多层共挤膜和陶瓷蒸镀膜因技术工艺和价格因素的限制,当前在高温蒸煮袋上的应用还不多见。
 
根据表层(或承印层)、阻隔层、热封层的顺序,可以组合复合包材的结构,也有单层材料既做承印层也做阻隔层,所以包装袋可以根据需要设计为两层、三层、四层或更多层,比如:BOPET//RCPP、BOPA//RCPP 、BOPET//BOPA//RCPP、BOPET//A1//RCPP、BOPET//A1//BOPA//RCPP等。对于基材厚度通常选择为:BOPET12um,BOPA15um, AL7um或AL9um,RCPP50um、RCPP70um、RCPP80um、RCPP100um等,对于阻隔层通常选择BOPA和AL,根据实际需要也有选择BOPA25um和AL12um的情况,大容量和特殊要求的高温蒸煮袋所选择的RCPP厚度也有超过100um的。液体包装袋为克服RCPP不耐跌落的缺陷,一般会在膜内添加助剂来增强其抗跌落性能。
 
高温蒸煮包材选用的化工材料主要指油墨、胶水和溶剂。普通油墨不具耐高温性,蒸煮后会离层,有些颜色会变化,耐高温蒸煮油墨应该是以双组分反应型聚氨酯为连结料的油墨,它的印刷附着牢度好,经交联固化反应后,能耐高温蒸煮,与胶水之间能形成很牢固的粘结力。同时,对于大面积的专色和白色图案,还要选择配套的油墨固化剂。选用油墨时要特别注意区分普通油墨、耐100℃以下水煮型油墨和耐121℃以上高温蒸煮型油墨,以免误用。胶水要选用耐高温蒸煮级别的,通常认为至少是满足121℃以上蒸煮要求,复合后必须具有很好的粘结牢度、高温抗介质性和耐热性,目前最常用的是双组分聚氨酯胶水。选用溶剂要和油墨、胶水能很好搭配,可满足工艺要求,但不能影响油墨、胶水的耐高温蒸煮性能。
 
三、高温蒸煮袋对生产工艺的要求
 
为控制好高温蒸煮产品的质量,除了普通产品的生产要求之外,还要对个别地方提出特别要求,为清晰简化,这里只简单列出各工序的几点注意事项。
 
1、印刷工序
 
实际生产中印刷工艺要注意的问题:
 
(1)高温蒸煮袋的印刷基材最常用的是BOPET12um和BOPA15um两种,选用基材的级别要高,质量要有保证,包括电晕值达到52达因以上,并且电晕均匀;厚度均匀无荷叶边、无异物污染等。高温蒸煮的BOPA15um(包括复合用的)不同于普通袋,最好选用同步拉伸的,以此来保证各个方向同性,固定的纵向拉伸比和特殊的机械性能。
 
(2)根据油墨生产厂家的技术资料选用油墨,至少选用"R"级别油墨,高温蒸煮油墨不同厂家的不可混用,与油墨配套使用的混合溶剂比例必须合适,并且有效成分的纯度要达到99%以上。为达到卫生要求,注意溶剂和油墨中均不含苯、甲苯、二甲苯、酮类或其它高沸点溶剂。要根据承印材料的特性和复合膜结构选定适合的油墨,比如选用BOPA为承印层,个别颜色的油墨在蒸煮状态下颜料可能会在BOPA上渗透,同样对于只有承印层和热封层两层结构的蒸煮袋,油墨也有在RCPP上渗透的可能,从而带来对内容物污染的风险。
 
(3)需要大面积使用的专色和白色油墨要添加1%-3%的油墨固化剂,一定要根据油墨厂家提供的技术资料来确定添加量,不可过多或过少。墨盘中收回的剩余油墨,不论存放了多长时间,均不可再用于高温蒸煮产品的印刷。
 
(4)使印刷料溶剂残留量最低化,油墨附着牢度良好,一定要选定标准的生产工艺参数,比如烘箱温度、风量和机器速度等,对于添加了油墨固化剂的大面积油墨,其烘箱温度要比其他油墨高10-15℃。
 
(5)印后的BOPA膜一定要用有AL箔的复合膜包裹严实,防止受潮收缩和性能改变。
 
(6)添加了油墨固化剂的印刷料最好要复卷一遍,存放时间不要超过三天,即三天内至少把印刷层复合完成。
 
2、复合工序
 
目前,高温蒸煮袋主要使用干复工艺,此工序控制得如何是高温蒸煮袋成败的关键,生产中要注意以下问题:
 
(1)高温蒸煮胶水的使用一定要按厂家的说明,比如配比、熟化的温度和时间等,稀释用的醋酸乙酯溶剂的纯度要达到99%以上。
 
(2)各层材料的厚度要均匀,厚度偏差不超过7%,使用AL箔的产品,除了它的机械性能参数满足外,AL箔表面要干燥,洁净度一定要达到A级标准,即用蒸馏水检查时,要全部能被浸润,并且针孔数要越少越好,使用前的存放时间不宜超过三个月。为增强复合牢度,复合在中间的BOPA要为双面电晕,且电晕值均不低于50达因。
 
(3)胶水涂布要均匀,根据不同厂家和不同型号胶水的特性,干基量一般要在3.5-4.8g/m2,达到最低涂布量标准的情况下,以左、中、右位置的涂布偏差不可超过0.3g/m2为基准。固化剂要按要求添加,如果干复的车间环境湿度超过了80%,要适当增加固化剂的添加量,一般在原来的基础上增加5%-10%,如果产品印刷图案有较多的黄色、白色等浅色区域,生产时涂布量要比深色图案设计增加0.3g/m2左右的涂布量,以防止蒸煮后出现明显斑点。
 
(4)确定合适的机器加工工艺参数,特别是三节的烘箱温度比生产普通产品都要高5-10℃,复合加热辊温度在70-80℃,复合压力比同规格普通产品增加0.1-0.2MPa,根据机器性能机速控制在120m/min以下。收卷的初始张力和锥度的选择根据材料类型和规格来确定,以收卷松紧度适中,卷膜不起皱为基准。
 
(5)熟化必须按不同型号的胶水要按厂家的使用要求去做,温度和时间不可偏离要求太多,温度偏差要在5℃以内,时间偏差不可超过4小时,熟化时间不够和超长均不可取。
 
(6)熟化后的材料要在室温下正常冷却12小时以上才可以分切制袋。
 
(7)复合高温蒸煮胶水的选用必须与油墨和薄膜很好搭配,如果搭配不当,会出现高温蒸煮后离层的现象,所以批量生产之前,必须做好样品试验。
 
(8)根据胶水的特点可选择每复合一层熟化12-24h,最后一层完成后再按胶水要求的熟化时间完成最终熟化。也可以多层一次性复合完成后进熟化室,按胶水要求的熟化时间完成最终熟化。分层熟化的优点是质量稳定,减少复合起皱的影响;一次性完成的好处是生产效率高,且便于管理,但有起皱的质量隐患。
 
3、制袋工序
 
一般来讲制袋是高温蒸煮袋的最后工序,要严格地控制和把关,否则会功亏一篑。制袋时要注意的问题如下:
 
(1)批量制袋之前,要做样品试验,确定了加工工艺参数,包括各段热封刀的温度、压力和机器速度等,并且这些参数能保证蒸煮前后的热封强度均能达到标准。装入等容量的内容物在高温蒸煮试验机中做耐介质的试验,以此来确定材料结构的符合性。
 
(2)保证制袋前的卷膜已充分冷却,并且各层间的复合强度,卷膜的溶剂残留等经检测后均已达标,做了首件检查项目的确认。
 
(3)制袋时热封边宽度不低于5mm。另外,为保证热封合区域平整美观,冷却模具要保证足够低的温度,一般要在25℃以下。
 
(4)制袋过程中卷膜的适应性评估要做充分,保证每次生产时走膜顺畅,热封状况良好,制袋质量稳定。特别是RCPP做热封层,容易造成袋子开口性不好,要防止开口不良造成袋子板结。
 
(5)因高温蒸煮材料和工艺的特殊性,制袋过程中对高温蒸煮产品的抽检比例要适当增加,以便能及早发现过程中的质量异常,蒸煮试验以一个生产班次做一次为宜,试验方法要正确,模拟客户的使用条件,即包入等容量同性质的内容物,按客户的灭菌条件(主要是蒸煮温度、时间、压力,比如条件参数为121℃ 、40min、0.2-0.24MPa)进行耐高温蒸煮性的检测。
 
(6)根据袋子的尺寸和重量选择合适的包装数量,注意防护,防止对袋子机械损伤。
 
以上为制袋工序要注意的问题点,目前市场上也有高温蒸煮型接吸管的直立袋和风琴袋,控制的重点为管的材料要与袋子热封层的材料配套,保证良好的封合效果,蒸煮后和使用过程中不至于渗漏。另外就是管和盖的搭配,能保证蒸煮前后的密封性,根据材料的伸缩变化,要保证蒸煮后的开启力矩不能变化太大,以保证开启顺畅但又能密封良好。
 
生产过程中,各个控制项目要按要求检验,这是验证质量是否符合标准的基本措施,所以从原材料到成品完成整个过程,检验要严格进行,特别是验证袋子功能的耐高温蒸煮检验不可有丝毫马虎。
 
四、高温蒸煮袋如何适应内容物包装及灭菌工艺的要求
 
高温蒸煮袋最终要经受住内容物的包装工艺及后续的灭菌工艺的考验,所以这个条件对其影响很大。最终包装和灭菌处理完成的成品,必须是袋面平整,包材本身无收缩起皱、起泡、无离层、无渗漏等现象。下面是要注意的重点:
 
1、根据内容物的形态和性质选用合适的材料和结构,如固态、液态或固液混合态要选用不同的材料结构,有骨头、有刺的肉类内容物高温蒸煮前后均不能扎破袋子。如果内容物的酸碱性有差别,也要根据需要调整袋子材料结构和材料规格。
 
2、食品企业在批量使用蒸煮袋前,要对蒸煮袋性能通过模拟试验来确认。因为内容物的理化特性影响,在高温下可能发生变化而产生新物质,有可能在蒸煮袋层层之间渗透从而引起蒸煮袋包装性能的下降。
 
3、选择合适的包装封口温度使封口牢固,防止蒸煮过程中此处漏料,在冷却过程中防止冷却水中的细菌渗入污染。
 
4、如果不是抽真空包装,要注意控制包装内残留的气体量,能做到比例适中,残留量基本一致,不然在蒸煮过程即使有反压,残留气体量多的袋子也会胀破。
 
5、确定稳定的高温灭菌工艺条件,比如按标准蒸煮条件为121℃耐温40min,制作蒸煮袋的各类材料在达到121℃时已到所能承受的极限,如果温度和时间过多超出这个工艺条件,较难保证蒸煮袋的某些性能不受破坏,如浅色油墨变色,复合强度严重衰减,热封强度降低等。
 
6、注意材料变化对包装物的影响,比如蒸煮后的RCPP变硬,材料中的添加剂析出等,评估蒸煮后和蒸煮前的物理性能变化的影响,还要注意对内容物卫生性的影响。
 
7、防止仓储和运输过程中发生的破包漏气,尤其是抽真空的蒸煮袋。一般蒸煮后的RCPP会变硬,抽真空的折痕处易发生漏气问题,这需要从选材和工艺上加以解决。
 
8、对于高温蒸煮袋包装的产品忌粗暴搬运、装卸,同时贮存于清洁、干燥、通风、阴凉的地方,不可靠热源太近,这样可以尽可能保证包装袋和内容物的理化性能稳定。在贮藏和销售过程中发现胀包和渗漏的产品禁止出售和食用。如果在销售环节出现较多不良状况,将严重影响产品的形象,甚至有可能会毁灭一个品牌,使用高温蒸煮袋的企业要做好充分评估。
 
9、经过高温蒸煮的内容物和袋子要确定合理的保质期,如熟肉制品具有丰富的蛋白质,微生物十分容易繁殖,而且肉制品中的脂肪在贮存中易氧化变质,一般保质期都在一年以内,即使有AL膜的结构也不宜超过24个月。况且,经过高温蒸煮时,包材中某些添加剂在高温条件下会加快游离到表面,如塑料薄膜中添加的开口剂、抗静电剂、爽滑剂等会慢慢渗出,同时有慢慢污染食品的风险,并且塑料产品都会有逐步老化的过程,会不断影响袋子性能,因此不宜长时间存放。尽管根据复合材料的结构,理论上可以根据其透湿、透氧数据和老化时间来计算内容物保质期,理论保质期可以是两年甚至五年以上,但实际应用中不确定因素太多,鉴于复合材料本身的特点及内容物性质的不确定性,保质期不能只依赖包材的透湿、透氧数据和密封性来判定,因此高温蒸煮食品确定两年以上的保质期是缺乏事实依据的。
 
 
 
10、不可忽视特殊要求,如500ml以上风琴边封高温蒸煮输液袋客户标准要求必须满足1.8m高自然跌落无破袋的情况,这时就不能按国家标准来生搬硬套,只有通过增加材料厚度或在热封层添加抗跌破的助剂来满足这种要求。
 
以上分析了高温蒸煮袋在生产和使用过程中要注意的问题,不同于普通袋的地方在于:高温蒸煮袋不但在蒸煮前要满足标准,蒸煮后和保质期内也要在外观、功能和卫生性等方面满足使用的要求,这个实际要求甚至会远远高于高温蒸煮袋的某项国家标准。
 
五、高温蒸煮包材结构设计需要综合考虑
 
包材是否满足要求,包材使用者和生产者都非常关注。尤其是使用者,一定要考虑包装的内容物是哪一种性质的物品,包装的容量是多少,包装好后要经受什么样的蒸煮灭菌条件,保存在什么样的环境中,要求多长的保质期等。不同内容物的要求,对蒸煮袋质量的要求就不同,对材料结构的组合、胶粘剂和油墨的选择也不同,生产工艺控制也会有差异,同样也就会有成本的不同。确定使用哪种结构之前,一定要做充分的评估,比如同样是150g容量、同样规格尺寸的高温蒸煮板栗复合直立袋,其结构可以是PET12um//AL7um//RCPP70um,也可以是PET12um //AL7um //BOPA15um//CPP70um,究竟选用哪一种,要根据使用者的具体要求来确定,选择有BOPA15 um的结构,袋子会有较好的封合强度,有较好的耐穿刺、耐挤压、防渗漏和抗跌破的性能,同时阻隔性能更强一些,适合长途运输、多次搬运周转和远距离销售(如出口到国外)。如果以上两种结构都能满足其功能要求,价格可能就是要考虑的重点了,肯定会取消BOPA15um的使用。另外,有印刷的高温蒸煮袋,尽量不要选择PET //RCPP或BOPA//RCPP两层结构,因在高温蒸煮状态下油墨颜料会在RCPP内加速渗透,会对内容物造成污染,为防止此风险,就需要在RCPP前加一层适当厚度的AL箔。确定结构后,就需要生产者严格选材,严格按工艺要求生产,保证高温蒸煮袋的安全使用是生产者和使用者双方的共同责任。
 
六、总结与展望
 
为保证较高的使用安全系数,高温蒸煮袋相对于普通袋来讲必须要有适当的"功能过剩",但我们提倡适度包装,防止包装的功能和质量严重过剩,要让包装材料维持合理的性价比,所以做包装材料结构设计先要搞清楚内容物对袋子的基本功能要求,不要超出此要求太多。应用高温蒸煮袋的厂家也要权衡内容物的档次要求,除了让包装能满足功能需要,还能体现出产品的内在价值,如果包装材料占产品的成本比例很小,也不妨适当提升包装材料的功能档次,让包装材料展现出其独到之处,为产品增加亮点。比如国外的某些高档食品就有用非常昂贵的Si0XPET12来做阻隔层的耐121℃高温的蒸煮袋。因此高温蒸煮复合包材结构设计一定要从实际出发,尽可能兼顾到各个方面的需求。
 
尽管从高温蒸煮袋诞生到现在已有半个多世纪的时间,也有了较多高温蒸煮盖膜的生产和应用,满足121℃蒸煮要求的复合软包装材料也已经很成熟,但在国内市场上真正满足135℃以上要求的成熟产品还为数不多,除了材料的限制尤其是薄膜、油墨和胶水的搭配问题,更重要是生产工艺和杀菌工艺不稳定,使用者普遍缺乏信心。满足145℃高温蒸煮的产品在实验室中研制成功,也不等于可以批量生产并投入实际应用。
 
 
 
随着新材料、新技术的出现,加上高温灭菌工艺的不断成熟和完善,国内高温蒸煮袋的质量会越来越稳定,耐蒸煮级别会逐步提高,能更好地适应高温蒸煮工艺的要求。
 
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