現(xiàn)代科技引領(lǐng)乳業(yè)發(fā)展

張 灝

江南大學(xué)食品學(xué)院

牛奶是大自然賜予人類近乎完美的食品，對于改善國民身體素質(zhì)具有重要作用。本文從人類史和乳業(yè)史的角度入手，介紹了乳業(yè)對人類發(fā)展的重要作用及其相互選擇科學(xué)規(guī)律，回顧了乳業(yè)發(fā)展進(jìn)程中關(guān)鍵的技術(shù)變革；從乳業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的視角，介紹了現(xiàn)代科技在奶牛養(yǎng)殖、乳制品加工和質(zhì)量控制方面的引領(lǐng)作用；結(jié)合《健康中國2030規(guī)劃綱要》和《國民營養(yǎng)計劃2017-2030》等國家重要文件精神，闡述了基因、飲食、腸道菌群對人體健康的互作機(jī)制，展望了未來乳制品與益生菌、乳基個性化營養(yǎng)食品、個體性差異對益生菌的要求等發(fā)展趨勢。

乳業(yè)史上的重要技術(shù)變革

人類史與乳業(yè)史

新時期時代中東地區(qū)人類進(jìn)入農(nóng)耕文明，開始馴化野牛獲得牛奶作為食物補(bǔ)充。但除嬰兒外，成人均不能消化和利用乳糖，需要經(jīng)過乳酸菌自然發(fā)酵將乳糖降至可以接受的水平，因此，出現(xiàn)了酸奶和奶酪的雛形。

隨著新時期文明的傳播和人類遷徙，乳業(yè)也由中東地區(qū)逐步進(jìn)入歐洲各地。8 400 年前，到達(dá)希臘，8 000 年前，到達(dá)巴爾干半島，7 500 年前，到達(dá)中歐（乳糖酶啟動子基因突變），6 500 年前，乳業(yè)在中歐已經(jīng)高度發(fā)達(dá)（考古學(xué)家在波蘭發(fā)現(xiàn)了7 000 年前用于奶酪制作的篩子）。約7 500 年前，人類乳糖酶啟動子上的一個基因突變（13910 C＞T）使飲奶成為可能，提高了人類在自然災(zāi)害導(dǎo)致的饑荒時期的生存率，也為乳業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[1]。

成人乳糖酶表達(dá)水平與人類遷徙路線及親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近具有較高的相關(guān)性。以中東和歐洲為例，親緣性較近的地區(qū)，乳糖酶的表達(dá)水平相近；歐洲地區(qū)較高的乳糖酶表達(dá)水平與乳糖酶基因上游的13910*T有關(guān)，而沙特和西非地區(qū)較高的乳糖酶表達(dá)水平與乳糖酶基因上游的139078*G、13915*G、140108*C位點(diǎn)相關(guān)[2]。

乳業(yè)史上的技術(shù)變革

主要的技術(shù)變革有：奶牛品種選育和確定、巴氏殺菌技術(shù)、酸奶菌種、殺菌、CIP和灌裝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善[3]（圖1）。

圖1 主要技術(shù)變革及時間點(diǎn)

現(xiàn)代科技引領(lǐng)乳業(yè)發(fā)展

現(xiàn)代奶牛養(yǎng)殖技術(shù)

奶牛育種技術(shù)

奶牛育種技術(shù)已由最初的體貌觀察過渡到以奶牛生產(chǎn)性能測定（DHI）為指導(dǎo)的奶牛育種階段，基于基因組研究的分子育種正在興起（圖2）。育種技術(shù)使奶牛單產(chǎn)顯著提高，單頭奶牛產(chǎn)奶量世界紀(jì)錄為32.7噸/年，全球牧場平均單產(chǎn)水平最高的為以色列，達(dá)到了13.8 噸/年。

圖2 奶牛育種技術(shù)發(fā)展的三階段

奶牛飼喂技術(shù)

針對奶牛不同生理階段的營養(yǎng)需求，涉及不同的飼料配方，通過TMR飼喂技術(shù)使良種奶牛的生產(chǎn)性能發(fā)揮最大化。我國奶牛年平均單產(chǎn)已由“十五”時期（2001～2005年）的3 噸多提高到現(xiàn)在的6 噸多，國內(nèi)領(lǐng)先水平已接近國際先進(jìn)水平（超過10 噸/年）。現(xiàn)在TMR技術(shù)正在向TMF技術(shù)發(fā)展，該技術(shù)是通過預(yù)先的體外發(fā)酵，達(dá)到瘤胃內(nèi)部環(huán)境最適合干物質(zhì)通過的速度，使生產(chǎn)性能極大化的更加有效的飼養(yǎng)技術(shù)。

粗飼料質(zhì)量已經(jīng)成為制約奶牛生產(chǎn)性能的瓶頸，通過植物乳桿菌、戊糖片球菌、布氏乳桿菌等菌種的組合發(fā)酵，提高青貯飼料的品質(zhì)和喂養(yǎng)效果。青貯飼料的作用：改善適口性；提高采食量；提高飼料利用率（約40%）；提供菌體蛋白；提供微生物；防止瘤胃酸中毒；降低飼料成本；但要注意霉變帶來的黃曲霉毒素超標(biāo)問題。

環(huán)境控制技術(shù)

北緯、南緯47度是最佳奶牛飼養(yǎng)帶，如歐洲的法國、荷蘭，大洋洲的新西蘭，美國的威斯康星，中國的東北、內(nèi)蒙古等。而低緯度地區(qū)夏季高溫高濕，奶牛產(chǎn)奶量甚至下降50%，但其通過建立“風(fēng)機(jī)+噴淋+噴霧”的防暑降溫模式，可有效緩解熱應(yīng)激（圖3）。

大規(guī)模集約化飼養(yǎng)帶來了巨大的環(huán)境保護(hù)壓力，通過科學(xué)的處理方法可最大程度地降低奶牛糞污對環(huán)境的影響（圖4），如處理后的牛糞經(jīng)過發(fā)酵后可作為牛床墊料（圖5）。

圖3 “風(fēng)機(jī)+噴淋+噴霧”的防暑降溫模式

圖4 糞污處理過程

圖5 奶牛發(fā)酵床的制作

現(xiàn)代乳品加工技術(shù)

生物技術(shù)在乳品加工中的應(yīng)用

酶制劑在乳品加工中有著廣泛的應(yīng)用，有力推動了乳品加工技術(shù)進(jìn)步，表1為乳品加工中應(yīng)用的酶制劑的種類和作用。世界第一大酶制劑公司——丹麥諾維信，酶制劑產(chǎn)品中已有80%是采用基因工程改造菌株進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)。以干酪加工中起決定作用的凝乳（Chymosin）為例，在美國和英國（90%）已采用基因重組和表達(dá)的方式生產(chǎn)。

酶法制備低聚糖，選用簡單乳糖、蔗糖等雙糖為底物，由轉(zhuǎn)移酶催化合成，或多糖限制性水解制得低聚果糖（FOS）和低聚半乳糖（GOS）等。該反應(yīng)條件溫和、無害化副產(chǎn)物、能夠選擇性的制備目標(biāo)產(chǎn)物，已成為低聚糖制備的主要生產(chǎn)技術(shù)。母乳低聚糖（HMOs），其結(jié)構(gòu)復(fù)雜（200 多種），是重要的雙歧因子。目前使用酶法制備已產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的有GOS。杜邦和荷蘭Inbiose聯(lián)合開發(fā)的2’-巖藻糖基乳糖（2’-FL）也已于2018年上市。

酶法改性或合成結(jié)構(gòu)油脂，利用脂肪酶選擇性地催化甘油酯的分解或合成，從而改變油脂的結(jié)構(gòu)和組成，提高油脂的營養(yǎng)性和適用性。以棕櫚油、棕櫚油硬脂精或棕櫚酸三甘油酯等與油酸或油酸低級醇酯（油酸甲酯或乙酯）為底物通過酶法酯交換技術(shù)合成制備人乳脂替代品，如1，3-二油酸-2-棕櫚酸甘油三酯（OPO）。

表1 酶制劑的種類和作用

乳酸菌與益生菌在乳品加工中的應(yīng)用

直投式發(fā)酵劑（DVS）是指在不經(jīng)傳代而直接投入發(fā)酵罐（食品）中的干粉狀發(fā)酵劑或冷凍濃縮型發(fā)酵劑，已廣泛用于酸奶、奶酪、發(fā)酵果蔬汁、泡菜等多個領(lǐng)域。其技術(shù)優(yōu)勢：不需擴(kuò)培、節(jié)省時間；接種量更為精準(zhǔn)；不易產(chǎn)生噬菌體和雜菌污染；運(yùn)輸儲藏容易；產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定和安全；產(chǎn)品口感和風(fēng)味多樣化；可搭配專利功能益生菌。

聯(lián)合國世界衛(wèi)生組織（WHO）和美國糧農(nóng)組織（FAO）賦予益生菌的定義為：一類活的微生物，當(dāng)足量攝入后對宿主健康有益。近年來的科學(xué)研究表明，益生菌具有調(diào)節(jié)腸道功能，如防治便秘、腹瀉、慢性腸炎等；預(yù)防代謝綜合征，如高血壓、高血脂、高血糖等；免疫調(diào)節(jié)和慢性免疫疾病的干預(yù)，如過敏、哮喘、皮炎、痛風(fēng)等；緩解毒害因子的作用，如重金屬、微生物毒素、塑化物等導(dǎo)致的中毒。

全球益生菌相關(guān)產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模約420 億美元，并以20%速度遞增；國內(nèi)目前市場規(guī)模達(dá)到400 億元，2020年將達(dá)850 億元。專業(yè)化的國際知名菌種公司和益生菌乳制品生產(chǎn)企業(yè)包括：CHR HANSEN、DUPONT、Nestle、DANONE、Yakult、Valio等（圖6）。

圖6 國際知名菌種公司及其菌種

菌株是生產(chǎn)發(fā)酵乳的關(guān)鍵，功能明確的益生菌菌株是核心競爭力的體現(xiàn)。乳制品是益生菌的理想載體，長期以來是其最大的應(yīng)用領(lǐng)域；近年來，保健食品、固體飲料、營養(yǎng)棒等產(chǎn)品成為了益生菌行業(yè)新的增長點(diǎn)（圖7）。

圖7 乳酸菌應(yīng)用的領(lǐng)域

新技術(shù)、新裝備在乳制品加工的應(yīng)用

大型自動化收奶和冷卻系統(tǒng)：抑制了原料乳初始菌數(shù)的升高，目前國內(nèi)管理水平優(yōu)秀的大型牧場原料乳微生物均能保證在5 萬CFU/毫升以下。

UHT、無菌灌裝以及紙塑多層復(fù)合材料技術(shù)：使得UHT液態(tài)乳的貨架期延長至12 個月（國外進(jìn)口）。但過高強(qiáng)度的熱處理會導(dǎo)致產(chǎn)品營養(yǎng)、風(fēng)味、口感（色澤）品質(zhì)的劣變。

柵欄技術(shù)：由德國肉類研究中心微生物和毒理學(xué)研究所所長Leistner率先提出。其作用機(jī)制是利用調(diào)節(jié)食品中的各種有效因子，以其各因子的交互作用來控制腐敗菌生長繁殖，提高食品的品質(zhì)、安全和儲藏性。

ESL技術(shù)：柵欄技術(shù)在乳制品加工的具體應(yīng)用。從接收原料、灌裝、產(chǎn)品包裝（近似無菌）的過程中，提高設(shè)備的清潔型和殺菌性，防止二次污染、提高品質(zhì)的制造工藝。

膜技術(shù)：廣泛應(yīng)用于干酪副產(chǎn)物乳清蛋白的處理中，多種膜技術(shù)的組合可以實(shí)現(xiàn)乳成分的精細(xì)化拆分，也可實(shí)現(xiàn)原料乳的低溫濃縮（UF、RO）。已商業(yè)化的產(chǎn)品有牛奶濃縮蛋白（MPC）、牛奶分離蛋白（MPI）、乳清濃縮蛋白（WPC）、乳清分離蛋白（WPI）、乳鐵蛋白、乳白蛋白、乳礦物鹽、乳糖等[4]。

在工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等熱潮下，制造企業(yè)都開展了智能工廠建設(shè)實(shí)踐，已有多家乳品企業(yè)開始了智能化工廠建設(shè)項(xiàng)目。隨著電磁閥的普及和智能工廠的建設(shè)，CIP清洗已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)了程序化和自動化控制。智能化、數(shù)字化和立體化倉庫的使用，提升了倉庫利用效率、物流配送管理水平，為全程追溯奠定了基礎(chǔ)。乳品智能化工廠需要高度重視柔性化制造，應(yīng)當(dāng)特別注重建立智能制造單元，能夠適應(yīng)多品種的混合生產(chǎn)，尤其是配方配料、新鮮類乳品包裝。

乳基功能性食品

營養(yǎng)療法是節(jié)省醫(yī)療費(fèi)用的最佳手段，是健康中國戰(zhàn)略的重要舉措。牛奶是大自然賜予人類近乎完美的食品，在特殊膳食食用食品的開發(fā)方面具有巨大的優(yōu)勢。近年來，國內(nèi)外針對糖尿病、運(yùn)動、肌肉修復(fù)、胃腸吸收障礙、蛋白過敏等方面開發(fā)了許多乳基功能性食品，即特殊膳食用食品（圖8）。

圖8 特殊膳食用食品的分類

現(xiàn)代乳品質(zhì)量控制技術(shù)

新型乳品檢測技術(shù)

生物芯片、液/氣質(zhì)聯(lián)用、多重PCR、環(huán)介導(dǎo)等溫擴(kuò)增、核酸探針、基質(zhì)分子印跡、生物傳感器等新技術(shù)已逐步應(yīng)用于食品安全檢測領(lǐng)域，高通量高靈敏度的現(xiàn)代生物技術(shù)具有高效、信息量大和高特異性等優(yōu)勢。如病原微生物檢測（基因芯片）、農(nóng)獸藥殘留檢測、動植物疾病檢測、轉(zhuǎn)基因食品檢測。

全程可視化追溯技術(shù)

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展，消費(fèi)者對食品的追溯需求由傳統(tǒng)的信息追溯，逐步升級為全程視頻追溯（圖9）。

圖9 信息追溯和全程視頻追溯

未來展望

國家戰(zhàn)略

中國大健康產(chǎn)業(yè)正處于黃金發(fā)展時期，增長空間巨大，2020年，總規(guī)模將超過8 萬億人民幣，2030年，總規(guī)模將超過16 萬億人民幣。在此大環(huán)境下，乳品、益生菌等健康食品的發(fā)展充滿機(jī)遇。

個性化營養(yǎng)

美國《食物療法協(xié)會雜志》預(yù)言：營養(yǎng)基因組學(xué)是在人類基金組學(xué)基礎(chǔ)上崛起的下一個技術(shù)和商業(yè)前沿。集成基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等食品組學(xué)、食品加工基礎(chǔ)、食品安全調(diào)控學(xué)、個體和分子營養(yǎng)學(xué)等技術(shù)和方法，根據(jù)每個人基因差異來制定個性化飲食方案，提出更具靶向性的個性化營養(yǎng)膳食干預(yù)。

腸道菌群的個體差異

胃腸道和微生物構(gòu)成了一個空間、時間和功能特性的相互作用的生態(tài)系統(tǒng)，并符合群落生態(tài)學(xué)理論。而入侵生態(tài)學(xué)理論（Invasion Ecology）可為了解外來物種進(jìn)入穩(wěn)定生物群落提供研究框架。所選用的益生菌菌株需要根據(jù)種族、地域[5]、基因型[6]、年齡[7]、生理狀態(tài)、環(huán)境因素（飲食）[8，9]等進(jìn)行綜合考慮。C