酸奶是發(fā)酵乳的俗稱(chēng)，定義為：以生牛、羊乳或乳粉為原料，經(jīng)殺菌、發(fā)酵后制成的pH值降低的產(chǎn)品。根據(jù)尼爾森2018年發(fā)布的零售數(shù)據(jù)顯示，在中國(guó)乳制品份額占快消整體超過(guò)兩成（21%），酸奶市場(chǎng)更是增長(zhǎng)迅速，舉例谷物酸奶銷(xiāo)售貢獻(xiàn)增長(zhǎng)率從2016年的49%上升到2017年的51%，高端酸奶(產(chǎn)品均價(jià)超過(guò)品類(lèi)平均價(jià)格20%及以上)的銷(xiāo)售額貢獻(xiàn)從2016年的40%增長(zhǎng)到了2017年的45%，增長(zhǎng)潛力不容小覷。
發(fā)酵罐是攪拌型酸奶生產(chǎn)工藝中的重要生產(chǎn)設(shè)備，需要制定周期性的清潔。不合理的清潔方案會(huì)導(dǎo)致企業(yè)能源過(guò)度浪費(fèi)、生產(chǎn)效率降低，嚴(yán)重的可能引發(fā)食品安全危機(jī)事件。在我國(guó)GMP第一百四十三條規(guī)定：清潔方法應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，證實(shí)其清潔的效果，以有效防止交叉污染。在美國(guó)FDA《清潔程序驗(yàn)證檢查指南》
針對(duì)啤酒發(fā)酵系統(tǒng)使用了ΔCOD值（重鉻酸鉀法）及ΔpH值變化監(jiān)測(cè)清洗的雜質(zhì)物殘留量，進(jìn)行CIP要素優(yōu)化提高了發(fā)酵罐的清洗和消毒效果；檢測(cè)食品或設(shè)備表面的ATP含量可以很好的反應(yīng)總體衛(wèi)生狀況，該方法廣泛應(yīng)用于類(lèi)似HACCP體系中污染的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及定量判定。通過(guò)對(duì)預(yù)處理后醫(yī)療器械清洗前、后使用ATP驗(yàn)證器械的清洗效率，并以此評(píng)價(jià)CIP清洗效果。在2018年國(guó)家發(fā)布了食品接觸表面清洗消毒效果試驗(yàn)ATP快速檢驗(yàn)方法，可作為主要驗(yàn)證手段用于設(shè)備清潔消毒潔凈度的快速驗(yàn)證。但相關(guān)方法綜合應(yīng)用于酸奶發(fā)酵罐的CIP清洗效能優(yōu)化方案還不成熟，制約了行業(yè)及企業(yè)發(fā)展。
本研究通過(guò)選定酸奶發(fā)酵罐結(jié)垢清潔難點(diǎn)作為評(píng)價(jià)對(duì)象，并針對(duì)制約企業(yè)發(fā)展較大的CIP時(shí)間要素，研究一套有效的評(píng)價(jià)及優(yōu)化方法，用于指導(dǎo)酸奶企業(yè)達(dá)到提效、節(jié)能、減排目的。
清洗用軟化水，總硬度≤180 mg/L,pH值5～7.5。
復(fù)合酸、堿性清洗劑，濃度30%～37%。
主要試劑：0.2500 mol/L重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液、試亞鐵靈指示劑、0.1 mol/L硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液、硫酸—硫酸銀溶液、化學(xué)純硫酸汞。
15 t不銹鋼酸奶發(fā)酵罐（罐內(nèi)含旋轉(zhuǎn)洗球及定位洗球、溫度、液位傳感器等）；CIP清洗系統(tǒng)（含10 t堿、酸清洗劑罐、回收水罐、軟化水罐、清洗供料泵Q=25 m3/h、回流泵Q=30 m3/h、清洗線(xiàn)路直徑63 mm、在線(xiàn)流量計(jì)、電導(dǎo)儀、溫控儀、PLC控制器等）、LUY-OR-3130黑光燈、Hygiena System SURE Plus ATP熒光檢測(cè)儀及檢測(cè)拭子；pH值檢測(cè)儀。
在對(duì)酸奶發(fā)酵罐CIP基本程序分解基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)跟蹤調(diào)查圖表、跟蹤30組獨(dú)立酸奶發(fā)酵罐CIP時(shí)間要素的具體參數(shù)值，制作了CIP清洗步驟耗時(shí)分解表，體現(xiàn)出參數(shù)固定值及非固定值分解統(tǒng)計(jì)各分步驟最長(zhǎng)最短時(shí)間。
對(duì)首次水沖洗后樣品渾濁度感官判定法與COD檢測(cè)法進(jìn)行比較，比對(duì)項(xiàng)目為量化準(zhǔn)確性，并對(duì)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)圖模擬分析討論標(biāo)準(zhǔn)有效性。堿洗時(shí)間的測(cè)定通過(guò)黑光燈法、光源放大鏡校正視力法、裸視法及ATP檢測(cè)法等結(jié)果分析方法的檢出合格率判定各方法是否存在差異顯著。
每個(gè)試驗(yàn)均重復(fù)50次，試驗(yàn)結(jié)果采用Duncan’s multiple test方法進(jìn)行比較分析。
基于各清洗要素調(diào)查基礎(chǔ)上，對(duì)50個(gè)獨(dú)立酸奶發(fā)酵罐在滿(mǎn)足清洗時(shí)間、溫度、濃度、流量設(shè)定限值等要求清洗后，由經(jīng)驗(yàn)豐富的操作工通過(guò)人孔下罐使用強(qiáng)光手電檢查噴淋器狀態(tài)及罐壁、攪拌、取樣器等部位有無(wú)明顯異常情況，并分外源性（異物、雜質(zhì)）與內(nèi)源性（奶垢）統(tǒng)計(jì)異常頻次，并對(duì)存在異常的詳細(xì)描述問(wèn)題，將檢查結(jié)果記錄在調(diào)查表中。
首次沖水潔凈度：沖洗過(guò)程中回流線(xiàn)取樣閥上每隔100 s連續(xù)取樣10個(gè)。通過(guò)感官評(píng)價(jià)渾濁度，評(píng)價(jià)潔凈度，輸出不同渾濁度描述的定性結(jié)果。不渾濁判定為達(dá)到?jīng)_洗效果。通過(guò)對(duì)樣品送檢COD值（重鉻酸鉀硫酸回流法(簡(jiǎn)稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)法)）檢測(cè)潔凈度，輸出不同渾濁度的COD值。COD變化值不明顯作為判定達(dá)到?jīng)_洗效果。
清洗液濃度：酸堿滴定法（國(guó)標(biāo)法）、在線(xiàn)電導(dǎo)值檢測(cè)。
有機(jī)物定性檢測(cè)試驗(yàn)方法。
裸視法：裸視法即對(duì)清洗后的設(shè)備直接用肉眼觀(guān)察清潔度。觀(guān)察清洗后設(shè)備不易清洗部位的表面，清潔、光亮、無(wú)可見(jiàn)污物、無(wú)奶垢即為合格，否則為不合格。
光源放大鏡校正視力法：用10倍光源放大鏡觀(guān)察清洗后的設(shè)備，觀(guān)察清洗后設(shè)備不易清洗部位是否有殘留物質(zhì)。表面無(wú)有機(jī)物殘留、清潔、光亮、無(wú)可見(jiàn)污物、無(wú)奶垢即為合格，否則為不合格。
黑光燈法：配備防護(hù)眼罩，打開(kāi)黑光燈對(duì)選定的設(shè)備不易清洗部位進(jìn)行設(shè)備清潔效果檢查，有顯示熒光，表示未清洗干凈陽(yáng)性，反之為清洗干凈。
有機(jī)物定量檢測(cè)ATP熒光法:用ATP采樣器中無(wú)菌預(yù)濕潤(rùn)（含有細(xì)胞裂解劑）的專(zhuān)用達(dá)克綸拭子，在清洗后的設(shè)備表面上涂抹被測(cè)區(qū)域（30～45°角、10×10cm表面），邊涂抹邊旋轉(zhuǎn)拭子頭，橫向、縱向各往返擦涂5-6遍。檢測(cè)結(jié)果值≥30 RLU判定為有機(jī)物殘留超標(biāo)，（RUL為ATP熒光儀可識(shí)別的相對(duì)光單位，在System SURE Plus熒光儀上使用Ultrasnap檢測(cè)拭子時(shí)，1 RLU≈1 fmol ATP。經(jīng)與廠(chǎng)家共同確認(rèn)，此判定標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)于裸視法、校正視力法、黑光燈法判定標(biāo)準(zhǔn)）。清洗劑回收合理濃度判定方法：以在線(xiàn)電導(dǎo)儀檢測(cè)顯示結(jié)果為準(zhǔn)。
對(duì)試驗(yàn)發(fā)酵罐生產(chǎn)的終產(chǎn)品出廠(chǎng)按照GB19302-2010微生物限量規(guī)定批檢產(chǎn)品微生物指標(biāo)。數(shù)據(jù)連續(xù)跟進(jìn)三個(gè)月（抽樣樣本量200個(gè)），無(wú)異常結(jié)果判定優(yōu)化效果有效。
大腸菌群：GB 4789.3-2016食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗(yàn)大腸菌群計(jì)數(shù)
酵母菌：GB 4789.15-2016食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗(yàn)酵母菌和霉菌計(jì)數(shù)
霉菌：GB 4789.15-2016食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗(yàn)酵母菌和霉菌計(jì)數(shù)。
酸奶發(fā)酵罐從生產(chǎn)到CIP清洗是一個(gè)循環(huán)過(guò)程，其中CIP清洗作為整個(gè)生產(chǎn)的一部分主要分為5個(gè)步驟：首次水沖洗、堿洗循環(huán)、中間水沖洗、酸洗循環(huán)、最后水沖洗。通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，除了以上所描述的清洗必須環(huán)節(jié)及參數(shù)之外，在實(shí)際的CIP清洗流程設(shè)計(jì)過(guò)程中，各個(gè)步驟的切換銜接是否高效，對(duì)每一步及最終的設(shè)備CIP清洗效果及效率起到?jīng)Q定性作用。經(jīng)調(diào)查分析，酸奶發(fā)酵罐CIP清洗的各個(gè)步驟可細(xì)化分解到26個(gè)環(huán)節(jié)。在CIP清洗程序設(shè)計(jì)中對(duì)各環(huán)節(jié)進(jìn)行有效的銜接可確保發(fā)酵罐設(shè)備CIP清洗的高效執(zhí)行。
基于CIP清洗26個(gè)環(huán)節(jié)分解后的子步驟，對(duì)酸奶發(fā)酵罐CIP清洗各分步驟的具體耗時(shí)按照固定值及非固定值調(diào)查分解見(jiàn)表1。
將以上統(tǒng)計(jì)的分步驟耗時(shí)按照酸奶發(fā)酵罐CIP有效清洗時(shí)間和無(wú)效清洗時(shí)間分解如圖1。
通過(guò)對(duì)酸奶發(fā)酵罐CIP時(shí)間要素調(diào)查可見(jiàn)，在酸奶發(fā)酵罐整個(gè)CIP清洗過(guò)程中，有效清洗時(shí)間為3 600 s，而無(wú)效清洗時(shí)間為1 200 s～2 780 s，無(wú)效清洗時(shí)間占到了總清洗時(shí)間的25%～43.6%，此部分無(wú)效清洗時(shí)間對(duì)于清洗效果沒(méi)有貢獻(xiàn)，對(duì)生產(chǎn)效率構(gòu)成嚴(yán)重影響。有較大的優(yōu)化空間。
經(jīng)統(tǒng)計(jì)首次水沖洗COD值對(duì)應(yīng)的潔凈度及樣品狀態(tài)見(jiàn)表2。
按照以上標(biāo)準(zhǔn)，渾濁度目測(cè)法在沖洗至鄰近重點(diǎn)時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確判定最佳時(shí)間。按照COD值變化法選定一組正常使用的發(fā)酵罐，每個(gè)清洗對(duì)象取樣50組數(shù)據(jù)，并隨CIP沖洗時(shí)間變化對(duì)應(yīng)COD值及感官判定結(jié)果描述見(jiàn)表3。
表3 隨CIP沖洗時(shí)間變化對(duì)應(yīng)COD值及感官判定結(jié)果
注：a,b,c,d,e,f,g,h,j:不同字母表示酸度值存在顯著性差異,P<0.05;相同字母表示無(wú)顯著性差異,P>0.05。
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同酸奶發(fā)酵罐因設(shè)備距離CIP站遠(yuǎn)近、流量、罐大小等因素影響沖洗時(shí)間雖有不同，但最終沖洗至COD值小于50 mg/L時(shí)，延長(zhǎng)沖洗時(shí)間ΔCOD值基本無(wú)明顯降低，ΔCOD值由最初的>200降至<5內(nèi)。由此可見(jiàn)，兩個(gè)獨(dú)立發(fā)酵罐沖洗后達(dá)到COD值50 mg/L后ΔCOD值變化趨勢(shì)得到同樣的結(jié)論，可將酸奶發(fā)酵罐CIP清洗的首次水沖洗的COD值與沖洗時(shí)間關(guān)系模型描述如圖2。
經(jīng)取樣對(duì)比目測(cè)濁度及COD值變化趨勢(shì)，COD值方法設(shè)置限值≤50 mg/L對(duì)應(yīng)時(shí)間作為達(dá)到?jīng)_洗標(biāo)準(zhǔn)精度高可操作性強(qiáng)，可作為首次水沖洗優(yōu)化時(shí)間方法。
中間沖洗及最終沖洗的目的是達(dá)到中性，pH值在6～8范圍內(nèi)可作為目標(biāo)值判定。按照此目標(biāo)設(shè)定清洗程序及參數(shù)不需要規(guī)定沖洗時(shí)間，只需設(shè)定沖洗的電導(dǎo)值變化趨勢(shì)達(dá)到“中性”時(shí)，及時(shí)轉(zhuǎn)入下一步清洗程序而避免計(jì)時(shí)沖洗導(dǎo)致的盲目性。選定一組在用發(fā)酵罐，重復(fù)清洗50次回流線(xiàn)取樣并同步檢測(cè)回流線(xiàn)電導(dǎo)值變化。對(duì)比pH值法與在線(xiàn)電導(dǎo)檢測(cè)法，見(jiàn)表4。
表4 樣品pH值檢測(cè)法與在線(xiàn)電導(dǎo)值判定對(duì)比
注：a,b,c,d,e,f,g，不同字母表示酸度值存在顯著性差異,P<0.05;相同字母表示無(wú)顯著性差異,P>0.05。
縱向比較表中數(shù)據(jù)，隨著沖洗時(shí)間延長(zhǎng)，濃度、pH電導(dǎo)值均降低，但從差異性分析看出，在線(xiàn)電導(dǎo)值與濃度檢測(cè)更靈敏，但濃度檢測(cè)方法受到取樣方法及時(shí)機(jī)影響較在線(xiàn)電導(dǎo)值法操作靈活性差，因CIP清洗系統(tǒng)來(lái)線(xiàn)或回線(xiàn)過(guò)濾器堵塞等故障可能導(dǎo)致罐內(nèi)積液，進(jìn)而影響到清洗的回流電導(dǎo)值反復(fù)，出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題需及時(shí)排除系統(tǒng)故障確保清洗效率。單純使用ΔpH值檢測(cè)某個(gè)點(diǎn)確定重新參數(shù)會(huì)導(dǎo)致沖洗不徹底誤判隱患。
在線(xiàn)電導(dǎo)值檢測(cè)是為保證沖洗的徹底性，設(shè)置達(dá)到“中性”之后切換下一步前的延時(shí)程序，一般延時(shí)時(shí)間為清洗液循環(huán)一圈的2-3個(gè)整數(shù)倍，具體值根據(jù)目標(biāo)罐與CIP站距離及清洗流速可確定。經(jīng)跟蹤數(shù)據(jù)，電導(dǎo)值在較短時(shí)間即可達(dá)到中性水平，延長(zhǎng)沖洗時(shí)間既浪費(fèi)清洗用水又影響清洗效率。
通過(guò)設(shè)定回程在線(xiàn)檢測(cè)監(jiān)測(cè)電導(dǎo)值法對(duì)比使用ΔpH值檢測(cè)法判定中間沖洗可及時(shí)判定是否“沖至中性”，操作性強(qiáng)且準(zhǔn)確度高，可作為優(yōu)化中間沖洗時(shí)間優(yōu)化方法。
為研究酸奶發(fā)酵罐CIP清洗不同時(shí)間對(duì)清洗效果的影響，選擇ATP熒光法、裸視法、光源放大鏡校正視力法平行比較，評(píng)價(jià)不同清洗時(shí)間參數(shù)對(duì)酸奶發(fā)酵罐CIP堿性清洗劑清洗后效果。
CIP清洗步驟中堿洗的主要目的是使被清洗對(duì)象達(dá)到化學(xué)清潔度水平，為有效進(jìn)行酸清洗及消毒準(zhǔn)備。判定標(biāo)準(zhǔn)為被清洗發(fā)酵罐內(nèi)表面及不易清潔部位（攪拌葉背面、人口及視鏡）無(wú)有機(jī)污垢殘留，即通過(guò)感官驗(yàn)證清潔、光亮、無(wú)可見(jiàn)污物、無(wú)奶垢，無(wú)油膩感即為合格。實(shí)驗(yàn)對(duì)象選擇酸奶發(fā)酵罐的難清洗部位，通過(guò)使用不同的驗(yàn)證方法驗(yàn)證是否達(dá)到清潔度要求。
試驗(yàn)組清洗具體參數(shù)及清洗方法見(jiàn)表5。
表5 酸奶發(fā)酵罐堿洗參數(shù)及清洗方法
分組檢測(cè)結(jié)果及分析見(jiàn)表6。
表6結(jié)果表明，不同堿清洗時(shí)間組對(duì)照20 min清洗組，其中通過(guò)14 min堿清洗組檢出合格率判定黑光燈和ATP方法與裸視法、校正視力法差異明顯，其中ATP熒光法檢測(cè)的靈敏度更高于黑光燈法。其他清洗要素固定的前提下，明顯高于14 min堿洗組和12 min堿洗組。裸視法、矯正視力法及黑光燈法檢驗(yàn)異常率低的原因可能因?yàn)楸挥^(guān)察表面設(shè)備表面凹凸不平，很難觀(guān)察清楚，并且目測(cè)只能觀(guān)察到粒徑大于5μm直徑的污垢及雜質(zhì)，散在設(shè)備表面的微量有機(jī)物及雜質(zhì)無(wú)法通過(guò)肉眼及簡(jiǎn)單的輔助工具觀(guān)察到。
通過(guò)評(píng)價(jià)各種酸奶發(fā)酵罐CIP清洗堿性清洗驗(yàn)證方法評(píng)價(jià)，也存在明顯的差異性。概括總結(jié)見(jiàn)表7。
表7 酸奶發(fā)酵罐堿洗優(yōu)化方法評(píng)價(jià)
經(jīng)對(duì)優(yōu)化檢測(cè)方法評(píng)價(jià)結(jié)果表明，ATP熒光法用于CIP清洗堿洗后驗(yàn)證明顯在結(jié)果的判定準(zhǔn)確性、靈敏性、操作方便性及可量化性各方面優(yōu)于傳統(tǒng)的裸視法、校正視力法、黑光燈法，在乳品企業(yè)一直使用的傳統(tǒng)常規(guī)方法基于感官評(píng)價(jià)，存在人為因素對(duì)結(jié)果判定影響大，因此，在酸奶生產(chǎn)企業(yè)推廣ATP熒光法有顯示意義。
在優(yōu)化基礎(chǔ)上，對(duì)酸奶發(fā)酵罐攪拌葉背部及人孔視鏡等難清潔部位驗(yàn)證，并通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證同期對(duì)比3個(gè)月共200批次生產(chǎn)的最終產(chǎn)品微生物檢驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。
通過(guò)優(yōu)化方法實(shí)施在日產(chǎn)300 t酸奶生產(chǎn)廠(chǎng)為例，按照每罐15 t計(jì)，共計(jì)需使用20罐次，每次生產(chǎn)使用后均需要CIP清洗，跟蹤酸奶發(fā)酵罐CIP清洗優(yōu)化前后耗用時(shí)間對(duì)比見(jiàn)表9。
按照設(shè)定的優(yōu)化方法，持續(xù)跟進(jìn)優(yōu)化后3個(gè)月共200批次使用效果，從酸奶發(fā)酵罐各項(xiàng)感官、理化、微生物驗(yàn)證等評(píng)價(jià)滿(mǎn)足優(yōu)化目標(biāo)要求，優(yōu)化效果可接受。按照優(yōu)化方法對(duì)酸奶發(fā)酵罐CIP清洗優(yōu)化前后耗時(shí)統(tǒng)計(jì)得出，優(yōu)化后單罐CIP清洗效率可提升37%。對(duì)應(yīng)該效率提升可顯著提升生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)效率、節(jié)約能源耗用并降低污水排放。
通過(guò)對(duì)發(fā)酵罐CIP26個(gè)子步驟現(xiàn)狀分析及跟蹤基礎(chǔ)上得出，無(wú)效清洗時(shí)間占到了總清洗時(shí)間的25%～43.6%。
通過(guò)對(duì)酸奶發(fā)酵罐CIP首次水沖洗使用COD法對(duì)比感官判定法，重復(fù)跟蹤得到COD值在50 mg/L以下時(shí)可量化精確的確定首次水沖洗的最佳時(shí)間。
通過(guò)對(duì)酸奶發(fā)酵罐CIP中間及末次水沖洗時(shí)間判定方法，對(duì)比得出使用在線(xiàn)電導(dǎo)值判定法優(yōu)于pH值法及濃度檢測(cè)法，量化精確的確定中間及末次水沖洗的最佳時(shí)間。
通過(guò)對(duì)酸奶發(fā)酵罐CIP堿洗清洗效果跟蹤發(fā)現(xiàn)，ATP檢測(cè)法優(yōu)于黑光燈法、校正視力法及裸視法，可量化精準(zhǔn)的確定最佳堿洗時(shí)間。
通過(guò)對(duì)酸奶發(fā)酵罐CIP優(yōu)化后的效果評(píng)價(jià)，優(yōu)化后感官、理化、微生物驗(yàn)證等滿(mǎn)足優(yōu)化目標(biāo)要求。對(duì)優(yōu)化后的效率評(píng)價(jià)，優(yōu)化后單罐CIP清洗效率可提升37%。對(duì)應(yīng)該效率提升可顯著提升生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)效率、節(jié)約能源耗用并降低污水排放。
