真空衰減法測試小瓶裝即食性益生菌粉劑包裝密封完整性

    [ 摘要 ] 目的：建立適用于小瓶裝即食性益生菌粉劑包裝密封完整性測試的真空衰減法。方法：采用真空衰減法測試小瓶裝即食性益生菌粉劑包裝密封完整性。定制合適的測試腔體和陰性對照樣品，使用氣體流量計進行方法開發和驗證，驗證通過后測試樣品。結果：方法的檢出限為3 μm，在泄漏流量為0.019 ～0.816 mL·min^-1 時，線性關系良好，測試準確度為100%。結論：真空衰減法操作便利、效率高，可實現無損檢測，適用于小瓶裝即食性益生菌粉劑的密封性完整性測試。

益生菌是一類對宿主有益的活微生物，主要存在于消化系統，能改善腸道健康、促進消化、提高免疫力，并有助于緩解便秘。即食性益生菌粉劑作為營養補充劑，含有乳酸菌和雙歧桿菌等高活性菌株^[1-2]。為了延長貨架期，益生菌對儲存環境要求嚴格，因此包裝必須采用高阻隔材料，確保組件優良的密封性，防止微生物污染和濕氣侵入。市場上常見的包裝形式包括鋁塑復合膜袋和小瓶裝，具有便攜和易儲存的特點。鋁塑復合膜條形包裝方便攜帶，但需用水杯沖調。目前，許多廠家采用食品級PP材質的包裝容器，以高阻隔鋁塑膜密封確保無菌，提供更好的密封性和安全性。

在食品包裝領域，確保包裝系統的完整性對于保持產品質量和安全性至關重要。液下氣泡法是一種在真空室中抽真空，利用試樣內外壓差觀察氣體外逸或水滲入情況來判斷包裝密封性能的方法^[3]。該方法因成本低、操作靈活性高，被廣泛應用于包裝完整性的檢測^[4]。然而，該方法屬于概率性有損測試方法，檢出限通常在10 μm以上，在檢測半硬質包裝、容積小且頂空氣體極少的益生菌粉劑產品時，測試結果不足以指導包裝材料選擇、材料配方優化或熱封參數選擇等。

相比于液下氣泡法，真空衰減法作為一種無損定量的測量方法，提供了更高的靈敏度和準確性^[5-8]。該方法通過監測腔體中壓力的變化來檢測泄漏，能夠準確檢測3 μm及以上泄漏通道，部分儀器甚至可達1 μm的靈敏度。真空衰減法不僅適用于硬質和半硬質包裝，而且能夠更準確地評估包裝的密封完整性，從而為益生菌等對密封性要求高的產品的包裝材料研發和質檢提供有力指導。

1、材料與方法

1.1 材料與設備

小瓶裝即食性益生菌粉劑樣品，包裝系統由PP塑料和鋁塑膜組成；特制陰性不銹鋼實體和測試腔體，廣州標際包裝設備有限公司。

AUTO GBM-L2 雙壓法微泄漏密封測試儀，廣州標際包裝設備有限公司；FCO 220 氣體流量計，Furness Controls Limited。

      1.2 實驗方法

即食性小瓶益生菌粉劑的包裝系統采用環扣連接上桶蓋與下包裝筒，但未實現密封。鋁膜與上桶蓋之間存在空氣間隙，難以區分泄漏源是鋁膜與上桶蓋之間的空間，還是下桶與鋁膜的密封區域。本研究旨在通過密封包裝系統測試，精確檢測微小泄漏。

為確保測試的準確性，樣品準備時去除上桶蓋，僅對下桶和熱封鋁塑膜的密封性進行測試。陰性對照樣品采用316 不銹鋼材質，體積與益生菌粉劑小瓶裝樣品相等，見圖1。為提升測試靈敏度，定制了適配極小縫隙的腔體。將陰性對照樣品放入腔體內，密封上腔蓋，連接或關閉氣體流量計進行方法驗證測試。方法驗證通過后，放入測試樣品測試，若壓力上升超過設定閾值（P/F值），則判定樣品存在泄漏；若未超過，則認為無泄漏。

圖1 小瓶裝即食益生菌粉劑測試樣品與陰性對照樣品

1.3 方法參數

基于小瓶裝即食益生菌粉樣品特征，AUTO GBM-L2 雙壓法微泄漏密封測試儀參數設定見表1。

2、結果與分析

      2.1 閾值（P/F 值）研究

取陰性對照樣品，放進測試腔，重復測試10 次，記錄測試的絕壓值和差壓值。使用氣體流量計連接腔體，調節流量0.077 mL·min^-1，模擬3 μm的泄漏通道，重復10 次，記錄測試的絕壓值和差壓值。陰性樣品、3 μm陽性樣品（引入泄漏）的壓力數值見表2。

把樣品蓋膜去除，制作大漏樣品，重復測試3次，測出絕壓值為72 526 Pa、72 537 Pa、72 528 Pa，大漏樣品絕壓值均值為72 530 Pa。大泄漏閾值（P/F值）為（陰性樣品絕壓值均值+ 大漏樣品絕壓值均值）/2，同時應當滿足大泄漏閾值（P/F 值）小于大漏樣品絕壓值最小值。經計算大泄漏閾值（P/F 值）為67 173 Pa，且小于大漏樣品絕壓值最小值。因此，可確保樣品如果存在大泄漏，在循環1階段就可以100% 識別，判斷為不合格。

重復測試陰性樣品10次，得出的差壓最大值為6.5 Pa，標準偏差為1.8 Pa。以0.077 mL·min^-1模擬3 μm陽性樣品重復測試10次，得出的差壓最小值為47 Pa，標準偏差為0.4 Pa。小泄漏閾值（P/F 值）為（陰性樣品差壓最大值+3× 陰性樣品差壓標準偏差+ 陽性樣品差壓最小值-3× 陽性樣品差壓標準偏差）/2=28.8 Pa。

檢測樣品時，樣品的絕壓值大于大泄漏閾值（P/F值）或差壓值大于小泄漏閾值（P/F 值），則被系統判定為不合格，樣品的差壓值小于小泄漏閾值（P/F值）則被系統判定為合格。

      2.2 檢出限研究

執行表1的循環參數，設置2.1確定的大小泄漏閾值（P/F）值，取陰性樣品重復測試20次。打開氣體流量計，模擬3 μm泄漏通道樣品，重復測試20次。3 μm泄漏檢測結果均為不合格，所以檢出限確定為3 μm。

      2.3 線性范圍

把陰性對照樣品置于測試腔內，蓋好上腔蓋，開啟氣體流量計，分別調節流量為0.019 mL·min^-1（模擬1.5 μm泄漏）、0.041 mL·min^-1（模擬2.2 μm泄漏）、0.077 mL·min^-1（模擬3.0 μm泄漏）、0.215 mL·min^-1（模擬5.0 μm）、0.861 mL·min^-1（模擬10.0 μm泄漏）依次測試，以引入泄漏流量（mL·min^-1）為橫坐標，差壓值（Pa）為縱坐標，使用最小二乘法進行線性擬合，得出回歸方程為y=654.79x+5.6691，R2=0.999＞0.998。因此，在泄漏流量為0.019 ～ 0.816 mL·min^-1時，方法線性關系良好。

      2.4 準確度研究

分別取陰性對照樣品、3 μm陽性樣品（流量計引用泄漏）、5 μm陽性樣品（流量計引入泄漏），依次進行10 次重復測試，陰性樣品檢測結果合格，陽性樣品檢測結果為不合格，識別率達100%，可見方法準確度良好。測試結果見表3。

      2.5 樣品測試

分別取同批次3個小瓶益生菌樣品放進測試腔內，蓋好上腔蓋，按上述方法測試，測試結果見表4。本次測試的小瓶裝即食益生菌粉樣品絕壓值均小于大泄漏閾值67 173 Pa，測試進入循環2階段，差壓值均小于小泄漏閾值28.8 Pa，系統判定合格。樣品測試結果未達到方法檢出限（3 μm），包裝系統密封性良好。

       3、結論與討論

為保障益生菌粉包裝的質量，可采用微泄漏檢測設備評估硬質塑料和柔性鋁塑膜復合包裝系統的密封性，并據此優化密封參數。本研究建立了真空衰減法檢測小瓶裝即食益生菌粉包裝密封完整性的方法，并通過了方法閾值、檢出限、線性、準確度的驗證。該方法檢出限為3 μm，適用于小瓶裝即食益生菌粉密封完整性的檢測。

為確保測試的準確性，使用真空衰減法進行測試時需重點關注檢測方法的閾值，閾值過低或過高均可能出現假陰性與假陽性^[9]。此外，也要充分考慮環境溫濕度、陰性對照樣品材質、死腔體積（樣品放進腔體后的剩余體積）的大小、測試系統密封性和方法參數設計等關鍵影響因素。測試過程中，建議將實驗室溫度控制在20 ～ 25 ℃，相對濕度控制在40% ～ 60%；陰性對照樣品建議采用受濕度影響最小的316不銹鋼材質；應控制死腔體積的大小，死腔體積越小，方法靈敏度越高；要確保測試系統的密封性能，無泄漏；循環1和循環2 的方法參數需合理設計，以獲得更高的靈敏度，確保微小泄漏的檢出。

真空衰減法作為一種無損、可定量、高靈敏度的密封完整性檢測方法，已經廣泛應用于制藥行業無菌制劑的密封完整性檢測，其檢出限優于色水法和微生物挑戰法^[10]。在食品包裝行業，氣泡法和色水法仍然是現階段主流的包裝密封完整性檢測方法。但部分食品屬無菌產品，體積較小，價值高，使用真空衰減法在檢出限、操作便利性方面明顯更優，獲得越來越多食品企業的青睞。