矿泉水生产技术
出处：按学科分类—工业技术 中国轻工业出版社《软饮料工业手册》第548页（5767字）
(一)矿泉水生产工艺
矿泉水生产工艺流程如图2－4－1所示，原水或来自天然喷泉，或是挖掘而得的地下水。
图2－4－1 矿泉水生产工艺流程
当采水地区和制造工厂不在一起时，要根据水质情况，对原水进行过滤和氯杀菌处理，然后用活性炭塔脱氯，或最好用臭氧处理后再送至贮罐，要注意矿物质的平衡，调制成含有一定矿物质浓度的矿泉水。调配结束后，用精密过滤器完全滤去沉淀物和异物，杀菌后装入瓶、罐或纸容器中密封。制造矿泉水的方法、设备，必须符合食品卫生法所规定的标准。
(二)生产要点
1．原水
地下水按水质大致可分为淡水、温泉水和矿泉水。一般流动于地下透水层中的水称为地下水。不用泵就吸不出的水称为不在水。挖开一个洞，就自然从地表上涌出来的水则称为被压水。
矿泉水来自地下迟缓循环带，存在于流动的深部地区500～600m深处，永久贮量大于动力资源。岩石中的盐分以很慢的速度被冲刷下来，水的成分能长期保持稳定。这类水有碳酸氢盐型、硝酸盐氯化型矿泉、碱性矿泉和温泉。
一般地说，平地的水量比山地丘陵多，且越是新地质，地下水也越多。由于连续取水，即使是同一取水场，随着时间的变化，水量、水质和水温也会发生变化。
被吸取的地下水往往会发生地表的污染，为此最好从地表挖5m深的井，用此地下水较为安全。
此外，还必须防止取水场所的环境污染，不要让雨、雪、地表流水、污物、尘埃和泥沙等混入，要作彻底管理。
综上所述，生产所用的原水必须是获得国家饮用天然矿泉水技术审查认可的，其水质符合饮用天然矿泉水标准的矿泉水。
2．预过滤及氯杀菌
在地下、喷泉中采取的原水，一般先贮于水槽内，原水中含有的固形物或浑浊物质会自然沉淀除去，但放置时间过长，有害微生物就会繁殖，也会污染环境，因此贮水时间不宜过长。如要长时间贮存，可立即用氯杀菌。
当原水运至贮水槽时，应先预过滤，使以后各工序顺利进行，同时提高杀菌和过滤效果。过滤方法有慢速过滤和快速过滤。快速过滤有重力式和压力式两种。滤材一般用天然石和沙等。在预过滤前还是过滤后杀菌，取决于工厂地区条件、工艺、操作顺序、水质等，但从有害生物和微生物的繁殖来考虑，以先杀菌后过滤较为安全。
氯的杀菌剂有氯(Cl2)、高度漂白粉［Ca(OCl)2］·3H2O、次氯酸钠(NaOCl)等，但一般多用次氯酸钠。HOCl杀菌效果与pH有关，pH7．0以上时，杀菌效果就降低，温度低杀菌效果差。原水中的还原性无机物、有机物和氨态氮由于与微生物的反应或光学所致的分解等使HOCl减少，减少的部分称为作用氯或消耗氯。消耗剩下来的氯又可分为游离余氯和结合余氯两种。
游离余氯杀菌力强，在测定余氯时，必须把二者区别开来进行分析，以充分掌握其效果。添加量因水质而有不同，一般使用0．1～0．2mg／L的游离余氯。接触时间也因微生物的种类而异，由于杀菌的持续时间较长，添加后约保持30min为好。
氯杀菌后要消除余氯，以提高水质，脱氯一般用活性炭过滤。在水通过粒状活性炭层时，异物、异臭和余氯被活性炭吸附。活性炭种类较多，粒度也不相同，多孔活性炭与大孔活性炭吸附效果大不相同。可根据处理原水的水质和水量来选择。
3．调配
要制造美味的矿泉水，可根据不同水质来进行调配，使各种矿物质的含量得以平衡。可调配的矿物质有天然物质和食品卫生法允许使用的食品添加剂，多为无机盐类。要充分调查好原水的矿物质含量、硬度和pH等，并以此决定调配所用的盐类及用量。由于这些盐类结合的阳离子和阴离子的组合不同，对矿泉水的质量和水味影响很大，务必在充分调查研究的基础上进行调配。对于后工序杀菌所引起的分解、pH变化和沉淀物的析出等也要进行充分调查研究。
调配方法可用调配罐或管，先调制成矿物质的浓厚溶液，按用量加入，或用比例装置定量均匀与原水混合。
天然物质和食品添加剂可用氯化钠或碳酸钠、碳酸氢钠、氯化钙、碳酸钙、氯化镁、碳酸镁和碳酸钾等。
通过调配可形成钾、钠类阳离子的碱金属离子型和钙的碱土金属型。阳离子也可分别以氯、硫酸和氢碳酸为不同成分进行调配。
矿泉水质量在于巧妙地取得主要成分的碱金属、碱土金属和阴离子的平衡，并进行适当的组合。其它成分或即便极其微量的成分也会影响质量，因此，要详细进行各矿物质成分的分析，加上感官评价，以确定美味矿泉水的质量。
调配后要抽样进行化学分析和感官检查，证实质量合格后，可以定型生产。
在现实生产中，调配工序一般是没有的，采取的原水经过过滤和杀菌后直接灌装。
4．过滤
过滤可分为分层过滤和滤网过滤。分层过滤又称孔径过滤，滤材为厚的不规则的多孔性构造。矿泉水通过时，水中不溶解的粒子被滤去。由于孔径分布较宽，较大的粒子吸附在滤器表面，小的粒子吸附在滤器内面。过滤材质有纤维、经灼烧的硅藻土、烧结玻璃等。因为过滤层厚，且为滤筒型，洗净和除去表面的污脏，可多次使用。
滤网过滤器为有一定孔径的多孔质薄膜过滤器，孔径分布范围比分层滤器窄，比孔径大的粒子被吸附滤去。材质多用特氟隆、聚丙烯等塑料材料。矿泉水的最后过滤，一般用孔径0．5～1．0μm的滤器，由于滤孔容易堵塞，在滤网过滤前，先作预过滤，以提高过滤效果。
矿泉水的一般过滤法，首先用有效过滤面积大的分层过滤作预过滤，需要时再用滤网过滤器过滤。
随着膜分离技术的进步，目前不少工厂采用超滤膜进行过滤，截留粒径范围为0．001～0．1μm，不仅有较好的过滤效果，同时可以截留病毒、细菌，具有良好的除菌过滤效果。
5．杀菌
天然矿泉水并非无菌，取自矿源处的矿泉水细菌总数一般在1～100个／mL范围内，绝大多数低于20个／mL，这些细菌显示天然的和原产地的微生物群的状况。
原生动物在地下水中因缺乏营养，体积小，孳生密度也小。地下水的细菌还有铁细菌和硫细菌。地下水氧少而碳酸气多时，溶存有铁、锰和硫，如果有喜好这些溶存物质的细菌生存，就会繁殖。
铁细菌是分裂菌，可将溶于水中的铁化合物氧化成氧化铁，这些氧化铁沉着于铁细菌的体表或铁细菌分泌的黏质物上。铁含量为0．2mg／kg时，铁细菌就会繁殖，在pH5．0～7．5范围中，铁细菌为好气性菌，铁细菌有嘉氏铁柄杆属菌、纤发菌属和球衣菌属等。此类细菌一旦繁殖，氧化沉淀的铁就成为铁锈状而浮游，把水变成红水，可堵塞或腐蚀管道，使水带有金属臭气，发出死人的特有臭味。取水后应立即进行杀菌，防止臭味发生。
杀菌方法一般有紫外线杀菌、臭氧杀菌、超滤除菌和加热杀菌等，其中超滤参见水处理一节内容。
(1)紫外线杀菌 紫外线杀菌，一般波长为210～328nm，杀菌力最强波长为240～280nm。所有紫外线杀菌灯的波长均为253nm左右。紫外线照射的激发分子可使微生物细胞内的核蛋白构造发生变化而达到杀菌效果。杀菌剂量一般用照射量(μW／cm2)和照射时间(min)的乘积来表示。活菌对杀菌剂量一般呈指数函数减少，但杀菌效果因菌种、菌数和温度而有不同。例如，革兰氏阴性杆菌的敏感性强，在15W的杀菌灯50cm距离1min或10cm、10s条件下就会全部致死，而其他细菌致死所需时间要长些，为革兰氏阴性杆菌的1．5～5倍，芽孢细菌为10～40倍，酵母为3～6倍，霉菌为5～50倍，霉菌对紫外线的抵抗力最强。
用紫外线杀灭水中细菌，主要是对细菌的营养细胞有效。15W紫外线杀菌灯1支，让水以5～15L／min的流速流过，大肠杆菌99．9%杀死。水对紫外线的吸收率比空气强，如水过深则效果减少。其效果也因水质不同而有差异。例如，一般用水的水深为10～80cm，精制蒸馏水为300cm，用相同的紫外线照射强度，即有相同效果。杀死地下水微生物的所需照射量为空气的8～10倍。因此，必须考虑水质、水深、流速及吸收等来决定杀菌的必需照射量。一般应为空气的40～50倍量。
(2)臭氧杀菌 臭氧是新生态氧，具有很强的杀菌能力，杀菌效果优于氯。杀菌后的残余臭氧与余氯一样，能在较长时间内保持水的无菌状态，因此常用于矿泉水的杀菌。关于臭氧杀菌机理及臭氧杀菌设备参见水的消毒一节。
(3)加热杀菌 矿泉水缺乏营养，微生物不易繁殖，但原水中的有机物(特别是氮源)和生产过程中的少量污染(营养源)，使微生物有可能繁殖起来。矿泉水的pH约为7．0，耐热性高的细菌不易被杀死，因而要充分杀菌和对微生物进行严格的卫生管理。
①影响加热杀菌的因素：
a．微生物的耐热性：矿泉水出现的微生物多为细菌，很多研究都涉及细菌的耐热性问题，营养细胞耐热性不太强，但芽孢细菌，不论是厌气性或好气性的，耐热性均较强。用不致死的加热条件处理某种芽孢细菌，会引起促进休眠孢子发芽的热活性化，芽孢细菌的活菌数增加，发芽的速度也增快。
b．矿物质成分的影响：矿泉水内存在的盐类会影响杀菌效果。由于矿物质的浓度与细胞渗透压有关，不同浓度矿物质的杀菌效果也有差异。食盐、氯化钙的存在可加速埃希氏大肠菌的死灭，而硫酸镁、硫酸钠等却对细菌完全没有影响。
c．pH的影响：pH越低或越高，细菌的耐热性就越差，pH为6．5～7．5时的耐热性最高。White的研究表明，粪链球菌在pH6．8左右时的耐热性最大，pH2．8时需0．28min；pH6．6时需12．2min。pH7．0时需4．9min才致死。产气杆菌在pH6、金黄色葡萄球菌在pH6．5、枯草芽孢杆菌在pH7．0～7．5的耐热性最高。
②pH变化及变红色：矿泉水加热温度上升时，碳酸气的溶解度降低，因碳酸物质的平衡关系，
增加，因而pH上升。Ca2+特别多时，
与Ca2+结合而沉淀，此时，pH上升较少。原水碱度高时，其中的盐类会因加热杀菌变成红色，这是因为溶解的盐类在温度高时溶解度减少，局部温度上升，接触传热面的水被浓缩而析出盐类的结果。这些析出的成分黏附于杀菌机的平板内成为积垢，使热传导变差，降低热效率和杀菌效率。不清除这些析出物就会使成品饮料混有异物。
③加热杀菌方法：按规定，对于pH4．5以上的食品，应采用85℃以上30min的杀菌或93℃以上的瞬时杀菌，然后自动灌装。目前实际广泛使用板式杀菌机的瞬间杀菌法，在93～95℃杀菌30s。
6．灌装
矿泉水经过臭氧或加热杀菌后便可灌装。经加热杀菌的热矿泉水，可立即热装于经加温的瓶中，立即密封，并用自动倒转装置，将瓶倒转，使瓶顶空间部分和瓶盖内部与高温的矿泉水接触而杀菌，然后移至冷却工序，缓慢冷却到40℃以下，检查其容量、外观和有无异物后，进行装箱。
采用金属罐时，应使用内涂料罐，热装后立即封装并倒转以杀罐内的细菌，然后移至冷却槽冷却，在进行重量及真空度和外观等检查后装箱。
采用纸容器包装时，杀菌冷却的矿泉水应在无菌条件下装入经过消毒的纸容器内，在液面下封口，避免空气混入，可在常温下流通。
塑料容器的包装与纸容器大致相同。
7．包装容器的清洗与杀菌
矿泉水包装常用玻璃瓶或塑料容器等透明容器，在灌水以前必须清洗干净，特别是回收玻璃瓶。新瓶或新容器一般用冲洗方法，最后用杀菌(无菌)矿泉水冲洗，容器盖也应进行相应清洗或杀菌，防止来自容器和盖的二次污染。