牛奶主要熱處理工藝對(duì)比分析

郭利亞，趙廣英，武旭芳，張 偉，張養(yǎng)東

1 河南科技學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453003

2 河南花花牛乳業(yè)集團(tuán)，河南鄭州450000

3 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京海淀 100193

0 引言

牛奶的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，富含多種生物活性物質(zhì)，易消化吸收，是人們重要的食物來源之一[1，2]。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)的發(fā)展，乳及其制品的熱加工處理工藝持續(xù)改善和進(jìn)步。近來，國(guó)內(nèi)乳制品市場(chǎng)新品持續(xù)涌現(xiàn)，不斷增加的產(chǎn)品品種，引起了消費(fèi)者對(duì)液態(tài)牛奶產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的關(guān)注，特別是高溫殺菌新鮮牛奶、膜過濾復(fù)合工藝鮮奶等多種需低溫冷藏、保質(zhì)長(zhǎng)的液態(tài)新鮮牛奶商品的推出，在市場(chǎng)和行業(yè)內(nèi)引起人們對(duì)牛奶加工工藝的討論，本文以液態(tài)牛奶為分析對(duì)象，對(duì)生產(chǎn)中通行的幾類主要牛奶熱處理工藝進(jìn)行比較分析，為進(jìn)一步研究乳制品熱處理加工理論、技術(shù)和熱處理工藝的應(yīng)用選擇等提供一些參考。

1 牛奶熱處理工藝

乳的來源較廣，奶畜養(yǎng)殖種類多，其中牛奶占比最大[3]。牛奶的營(yíng)養(yǎng)健康作用，在世界范圍內(nèi)得到普遍認(rèn)同。為保證飲奶安全，避免人們牛奶源性疾病的發(fā)生，各國(guó)普遍采用熱處理工藝對(duì)牛奶進(jìn)行殺菌處理。牛奶熱處理工藝與牛奶的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值緊密相關(guān)，也成為牛奶熱處理工藝完善、改進(jìn)、優(yōu)化的前提。

1.1 基本概念

按照國(guó)際上通行理解，牛奶熱處理工藝主要是指熱處理強(qiáng)度等于或高于巴氏殺菌的所有加熱處理技術(shù)[5]。在理想條件下，牛奶熱處理過程是基于牛奶熱穩(wěn)定原理，以目標(biāo)保質(zhì)期為參照，原則上盡可能適度、連續(xù)、一次性、完整的完成加工，并做到不改變或者少改變牛奶的天然狀態(tài)，不引入、不增加，并且可以有效消除乳制品食用時(shí)的不安全因素。

1.2 概念比較

國(guó)際上，歐盟（European Union，EU）和國(guó)際乳業(yè)聯(lián)合會(huì)（International Dairy Federation，IDF）制定的牛奶熱處理概念及標(biāo)準(zhǔn)具有代表性和權(quán)威性。

EU以熱處理后牛奶中的特定指示物定義牛奶熱處理工藝，認(rèn)為牛奶熱處理工藝是使牛奶中的堿性磷酸酶呈陰性結(jié)果的所有加熱方式[6]。堿性磷酸酶是牛奶中的一個(gè)熱敏感指標(biāo)，其鈍化或失活，表明該批次牛奶中的致病菌被殺死。堿性磷酸酶的提出，給牛奶熱處理工藝下的產(chǎn)品判定提供了具體可控目標(biāo)，方便檢測(cè)和判定，具有較強(qiáng)指導(dǎo)性和操作性。

IDF以巴氏殺菌熱處理工藝為界限進(jìn)行定義，認(rèn)為熱處理工藝就是能達(dá)到控制微生物的生命活動(dòng)，主要指殺死或殺滅微生物，提高產(chǎn)品性能，不管是直接或間接加熱，加熱強(qiáng)度相當(dāng)于或高于巴氏殺菌的加熱方式[7]。

可以看出，對(duì)牛奶進(jìn)行加熱操作，小于巴氏殺菌熱處理強(qiáng)度，不屬于牛奶熱處理工藝范疇，反之則屬于牛奶熱處理工藝范疇。因此，不論EU還是IDF的規(guī)定，從熱處理工藝的實(shí)施效果上看，內(nèi)在含義和邏輯基本一致，即達(dá)到殺死牛奶中的致病菌，保障牛奶食用安全，是熱處理強(qiáng)度的基本要求，也是熱處理工藝的“底線”。

同時(shí)，結(jié)合兩者提出的概念，得到一個(gè)判定熱處理工藝指標(biāo)，即牛奶中的堿性磷酸酶活性。當(dāng)其檢測(cè)結(jié)果為陰性，則此工藝屬于牛奶熱處理工藝范疇；若是陽性，盡管也是采用加熱方法，則不屬于牛奶熱處理工藝范疇，應(yīng)稱為其他名稱，比如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的“Thermization”，中文釋義為“熱抑菌”[8]。

因此，根據(jù)國(guó)際通行對(duì)牛奶熱處理工藝的認(rèn)定，巴氏殺菌工藝本身及熱處理強(qiáng)度高于巴氏殺菌工藝的熱處理，其檢測(cè)堿性磷酸酶呈陰性，即為牛奶熱處理工藝劃分的參照，經(jīng)過該處理工藝的牛奶成為與之對(duì)應(yīng)的牛奶產(chǎn)品，比如巴氏殺菌奶、高溫滅菌奶，或者稱為“以經(jīng)過熱處理的生奶為原料”的奶酪、酸奶等乳制品；而熱處理強(qiáng)度低于巴氏殺菌處理工藝，堿性磷酸酶呈陽性的加熱處理操作，不屬于牛奶熱處理工藝。

2 牛奶熱處理工藝的產(chǎn)生及演變

從世界牛奶熱處理工藝的發(fā)展來看，19世紀(jì)中期法國(guó)科學(xué)家路易巴斯德發(fā)明巴氏消毒法以來，有近160 年的發(fā)展歷程。伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，牛奶熱處理工藝經(jīng)歷了巴氏殺菌熱處理工藝、高溫滅菌熱處理工藝以及介于巴氏殺菌和高溫滅菌之間的熱處理工藝的3 個(gè)階段，對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的不同貨架期，形成了目前世界上多數(shù)國(guó)家通行使用的三大類熱處理工藝，即為短保質(zhì)期產(chǎn)品的巴氏殺菌熱處理工藝、長(zhǎng)保質(zhì)期產(chǎn)品的高溫滅菌處理工藝和適中保質(zhì)期產(chǎn)品的高溫殺菌熱處理工藝[9]。

2.1 巴氏殺菌熱處理工藝

巴氏殺菌熱處理工藝是為了避免人們受到生乳中病原微生物帶來的危害風(fēng)險(xiǎn)，使用特定設(shè)計(jì)的設(shè)備、規(guī)范的操作，而對(duì)生乳采用的一種相對(duì)溫和的熱處理方法。巴氏殺菌熱處理工藝在有效殺滅生乳中病原微生物的同時(shí)，產(chǎn)生最低程度的化學(xué)、物理以及感官變化[10]。巴氏殺菌熱處理工藝是最早獲得商業(yè)化應(yīng)用的熱處理工藝。巴氏殺菌熱處理工藝不能把生乳中所有微生物殺滅，但可將微生物數(shù)量降低至對(duì)公眾健康不構(gòu)成危害的水平[11]，使處理后的牛奶感官、理化、滋氣味、口感等指標(biāo)變化小。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中有巴氏殺菌乳的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《GB19645—2010食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 巴氏殺菌乳》，但沒有巴氏殺菌熱處理的工藝標(biāo)準(zhǔn)。2018年以來，國(guó)家奶業(yè)科技創(chuàng)新聯(lián)盟制定發(fā)布的奶業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)技術(shù)規(guī)范《MRT/B02—2018優(yōu)質(zhì)巴氏殺菌乳》，及天津市奶業(yè)科技創(chuàng)新協(xié)會(huì)制定的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《T/TDSTIA 004—2019 優(yōu)質(zhì)巴氏殺菌乳》《T/TDSTIA 009—2019 高溫巴氏殺菌乳》中，已嘗試將巴氏殺菌奶產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)與巴氏殺菌熱處理工藝要求相結(jié)合，接軌了國(guó)際通行做法，有助于國(guó)內(nèi)巴氏殺菌乳等乳制品形成一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)體系。

2.2 高溫滅菌熱處理工藝

牛奶的高溫滅菌熱處理工藝，出現(xiàn)在罐頭食品被發(fā)明以后，仿照其制作方法，在高壓設(shè)備中對(duì)牛奶進(jìn)行高溫高壓長(zhǎng)時(shí)間滅菌處理。與滅菌的罐頭食品相似，在高溫高壓滅菌工藝處理后，牛奶可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)無菌，常溫儲(chǔ)存，貨架期達(dá)半年及以上，解決了牛奶無法常溫長(zhǎng)時(shí)間保存的問題。但由于在該工藝條件下，牛奶色香味與生乳差別比較大，出現(xiàn)之初市場(chǎng)反應(yīng)不強(qiáng)、熱度不大。20世紀(jì)60年代，該工藝得到不斷的改進(jìn)和完善，建立了超高溫瞬時(shí)滅菌工藝（Ultra-High Temperature Sterilization，UHT），與高溫高壓的保持法滅菌相比，實(shí)現(xiàn)了牛奶商業(yè)無菌、產(chǎn)品貨架期基本一致，但熱處理強(qiáng)度顯著降低，產(chǎn)品品質(zhì)顯著改善。國(guó)際也對(duì)牛奶高溫滅菌熱處理工藝進(jìn)行了規(guī)定，主要是指經(jīng)受充分的熱處理、灌裝在嚴(yán)密封口的容器內(nèi)、符合國(guó)際和IDF規(guī)定的、在常溫下保存能保持“商業(yè)無菌”的乳制品生產(chǎn)方法[12]。

2.3 高溫殺菌工藝

高溫殺菌工藝，國(guó)際上也稱ESL或UP（Extended Shelf-Life，ESL；Ultra Pasteurization，UP）。針對(duì)UHT產(chǎn)品仍存在的口感差、活性物質(zhì)保留低、糠氨酸生成量高等問題，高溫殺菌工藝被提出并應(yīng)用，與UHT相比，該工藝既能延長(zhǎng)牛奶保質(zhì)期，又保留一定程度生物活性物質(zhì)。典型的工藝操作是使用傳熱速度要快于間接加熱法100 倍左右的直接加熱法，利用牛奶中蛋白質(zhì)體系穩(wěn)定的特征，將牛奶噴入高溫高壓的水蒸氣艙或者將高溫高壓的水蒸氣噴入牛奶艙，迅速（比如0.2 s）提升生乳溫度至殺菌溫度（比如133 ℃），短時(shí)快速升溫有利于減緩營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。精確控制保溫時(shí)間（比如0.5 s）后，利用“閃蒸”方式，釋放設(shè)備倉中產(chǎn)生的高壓，使奶溫迅速（比如0.2 s）下降，同時(shí)蒸發(fā)掉由高溫高壓蒸汽帶入的多余水分，在同樣條件下，直接加熱法處理的牛奶保質(zhì)期，是間接法的兩倍[13]。采用ESL或UP加工的生牛乳，牛奶中的活性營(yíng)養(yǎng)保留程度可達(dá)到與巴氏殺菌奶水平相當(dāng)，且牛奶中的微生物殺滅程度比巴氏殺菌奶更大，但達(dá)不到UHT工藝的滅菌程度。在生產(chǎn)工藝后端，若采用超凈灌裝方式，相同冷鏈儲(chǔ)運(yùn)條件下，牛奶產(chǎn)品的保質(zhì)期實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)和增加，比巴氏殺菌奶的保質(zhì)期更長(zhǎng)，一般情況下可超過20 天。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，該熱處理工藝優(yōu)勢(shì)明顯。

2.4 牛奶熱處理工藝技術(shù)關(guān)鍵

以牛奶為例，主要的三大類液態(tài)奶熱處理工藝及參數(shù)見表1[9，14～16]。不同的牛奶熱處理工藝中的熱處理溫度和在該溫度下的保持時(shí)間，是兩個(gè)關(guān)鍵因素?！皽囟?時(shí)間”科學(xué)匹配組合，才能成為標(biāo)準(zhǔn)中要求的“適宜熱處理強(qiáng)度”，既殺滅牛奶中所有的致病菌，保證食用安全，也最大程度保留牛奶天然固有風(fēng)味、質(zhì)地以及多種生物活性物質(zhì)，達(dá)到承載牛奶健康功能的核心屬性。簡(jiǎn)言之，就是在確保安全的前提下，對(duì)生乳實(shí)施最溫和的熱處理。奶業(yè)多年發(fā)展的實(shí)踐表明，特別是20世紀(jì)70年代以來，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，在熱處理工藝下，牛奶色香味的改變就是其內(nèi)在品質(zhì)的降低。牛奶熱處理工藝，首要出發(fā)點(diǎn)是建立以生乳為基準(zhǔn)的效果參照，最大程度減少牛奶色香味變化，這也是選擇熱處理工藝的一項(xiàng)基本原則和要求[17]。

表1 常見液態(tài)奶類（牛奶）熱處理工藝及參數(shù)表

2.5 熱處理與非熱處理比較

熱處理目的是對(duì)生乳以加熱方式進(jìn)行殺菌或滅菌，除了采取加熱的方法，殺菌或滅菌也有其他途徑。熱加工處理或非熱加工處理的選擇，既要看效果，也要兼顧生產(chǎn)可行性[17]。牛奶加工技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展中，出現(xiàn)了超聲、微波、輻照等加工方法的嘗試，也有采用超高壓條件進(jìn)行滅菌[18]，但存在大規(guī)模生產(chǎn)不易操控，生產(chǎn)中可能引發(fā)的乳成分物理化學(xué)性變化也缺乏有效評(píng)估及系統(tǒng)研究，導(dǎo)致難以適應(yīng)商業(yè)化的應(yīng)用推廣。此外，還有不殺菌的一些方法，利用物理方式進(jìn)行多級(jí)離心過濾，例如微濾、超濾、納濾等，達(dá)到分離除菌的目的，但該方法存在物理分辨度不高等問題，易將具有與微生物表現(xiàn)同樣物理性質(zhì)的乳成分一同分離除去，影響實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，而多采用協(xié)同方式，在過濾基礎(chǔ)上增加熱處理環(huán)節(jié)進(jìn)行殺菌。目前，通行的牛奶加工工藝主要是熱處理，以易得易控?zé)嵩礊槊浇?，較好實(shí)現(xiàn)或達(dá)到有效殺滅牛奶中有害微生物和鈍化某些酶類的效果，使牛奶能滿足與人們生活相適應(yīng)的保存條件和一定的質(zhì)保期限。

3 結(jié)語

牛奶熱處理工藝，是奶及其制品加工技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不同的處理工藝得到不同的制品或產(chǎn)品。牛奶核心價(jià)值在于健康保障，即發(fā)揮提升和維護(hù)人們健康水平的功能[4]。熱處理工藝直接影響牛奶的性質(zhì)、狀態(tài)和成分。牛奶核心價(jià)值的實(shí)現(xiàn)，需要選擇與之相應(yīng)的、匹配的熱處理工藝，減弱、降低或抑制甚至背離奶業(yè)真正價(jià)值的熱處理工藝都存有一定缺憾，需要審視、改進(jìn)或完善。當(dāng)前，奶業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，基于牛奶熱處理工藝基礎(chǔ)，存在“超強(qiáng)度加熱”或“過度加熱”的情況[19]，易給奶業(yè)市場(chǎng)培育和奶業(yè)持續(xù)健康發(fā)展帶來一些誤判和影響，需引起行業(yè)的警覺和重視。因此，在液態(tài)奶生產(chǎn)實(shí)踐中，建議結(jié)合實(shí)際和健康需求，因地制宜，科學(xué)合理選擇牛奶的熱處理加工工藝。