不同殺菌工藝對延長貨架期牛乳品質(zhì)的影響

任 璐

（乳業(yè)生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海乳業(yè)生物工程技術(shù)研究中心，光明乳業(yè)股份有限公司乳品研究院，上海 200436）

延長貨架期（extended shelf-life，ESL）牛乳最早起源于北美，意在滿足消費(fèi)者對牛乳營養(yǎng)、新鮮和安全的要求，解決了常規(guī)巴氏乳貨架期短和超高溫滅菌乳產(chǎn)品口感差、營養(yǎng)破壞嚴(yán)重的問題[1-4]。ESL不是一種殺菌方式，而是一種管理理念，指從原料乳到最終產(chǎn)品的各個(gè)環(huán)節(jié)都盡量減少任何形式的二次污染，減少菌落總數(shù)，來達(dá)到延長貨架期的目的[5-6]。

為了兼顧營養(yǎng)和理想的貨架期，ESL牛乳目前應(yīng)用最廣泛的殺菌方式是超巴氏殺菌技術(shù)，主要的措施是采用介于巴氏殺菌和超高溫滅菌之間的熱殺菌工藝，再通過超潔凈灌裝減少二次污染，生產(chǎn)、貯藏、分銷過程中菌落數(shù)低、貨架期更長的液態(tài)乳[7-8]。ESL牛乳的貨架期在冷藏條件下至少15 d，最長可達(dá)45 d。目前市場上常采用120～130 ℃、2～15 s的殺菌工藝，但這勢必對牛乳中蛋白的活性和部分營養(yǎng)物質(zhì)造成破壞[9-12]，除了制定合理的熱處理?xiàng)l件外，新工藝也開始應(yīng)用到ESL牛乳的生產(chǎn)中，包括蒸汽浸入式殺菌[13-14]、膜過濾技術(shù)結(jié)合巴氏殺菌等[15-19]。本研究重點(diǎn)分析不同殺菌工藝技術(shù)對ESL牛乳品質(zhì)和貨架期的影響，從而為ESL牛乳的廣泛應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

生乳（菌落總數(shù)＜50 000 CFU/mL，酸度13～15 oT，蛋白含量≥3.1 g/100 mL，脂肪含量≥3.3 g/100 mL）光明乳業(yè)牧場。

乳鐵蛋白標(biāo)準(zhǔn)品（純度≥98%）、免疫球蛋白G（immunoglobulin G，IgG）標(biāo)準(zhǔn)品（純度≥98%）美國Ceriliant公司；營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

THERM-8022蒸汽浸入式殺菌機(jī) 斯必克（中國）投資有限公司；Membralox陶瓷膜過濾設(shè)備 頗爾（中國）有限公司；C8-KSR巴氏殺菌機(jī)、L6-9R稀奶油殺菌機(jī) 利樂（中國）有限公司；TDS管式殺菌設(shè)備、NS3055H均質(zhì)機(jī) 基伊埃工程技術(shù)（中國）有限公司；BJ-2CD無菌操作臺(tái) 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司；WNB45恒溫水浴鍋、生化培養(yǎng)箱 美墨爾特（上海）貿(mào)易有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

原料乳經(jīng)不同工藝殺菌（傳統(tǒng)管式高溫殺菌、蒸汽浸入式殺菌和膜過濾結(jié)合巴氏殺菌），生產(chǎn)ESL牛乳，然后冷卻至4 ℃，超潔凈灌裝，備用。具體工藝流程如下：

1）傳統(tǒng)管式高溫殺菌工藝：原料乳→均質(zhì)（65 ℃、20 MPa）→殺菌（130 ℃、2 s命名為殺菌工藝A，120 ℃、15 s命名為殺菌工藝B）→冷卻→灌裝；

2）蒸汽浸入式殺菌工藝：原料乳→殺菌（147 ℃、0.09 s命名為殺菌工藝C）→均質(zhì)（65 ℃、20 MPa）→冷卻→灌裝；

3）膜（陶瓷膜）過濾結(jié)合巴氏殺菌工藝流程如下：

1.3.2 不同殺菌工藝對ESL牛乳中微生物的影響

對不同殺菌工藝制備的ESL牛乳進(jìn)行菌落總數(shù)、大腸菌群和致病菌（沙門氏菌和金黃色葡萄球菌）的測定。具體參照GB 19645—2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 巴氏殺菌乳》。

1.3.3 不同殺菌工藝對ESL牛乳貨架期的影響

對不同殺菌工藝制備的ESL牛乳進(jìn)行貨架期測定，分別貯藏在6、10、15 ℃條件下，根據(jù)感官、菌落總數(shù)、煮沸實(shí)驗(yàn)、pH值和酸度，參照GB 19645—2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 巴氏殺菌乳》判斷產(chǎn)品貨架期。

1.3.4 不同殺菌工藝對ESL牛乳中活性物質(zhì)損失率的影響

對不同殺菌工藝制備的ESL牛乳進(jìn)行活性物質(zhì)含量測定，包括乳鐵蛋白和IgG含量測定，并計(jì)算損失率?；钚晕镔|(zhì)的檢測參考T/CSCA 110059—2020《巴氏殺菌乳—鮮牛乳》附錄方法?；钚晕镔|(zhì)損失率按下式計(jì)算。

1.3.5 不同殺菌工藝對ESL牛乳中糠氨酸含量的影響

對不同殺菌工藝制備的ESL牛乳進(jìn)行糠氨酸含量測定。具體參照NY/T 939—2016《巴氏殺菌乳和UHT滅菌乳中復(fù)原乳的鑒定》，結(jié)果以100 g蛋白質(zhì)中糠氨酸含量表示。

1.3.6 工藝條件優(yōu)化

比較4 組熱殺菌工藝對ESL牛乳品質(zhì)的影響，為了進(jìn)一步優(yōu)化工藝，分別對蒸汽浸入式殺菌和膜過濾結(jié)合巴氏殺菌工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，具體工藝條件見表1，從活性物質(zhì)損失率和貨架期兩方面評價(jià)，確定ESL牛乳優(yōu)化工藝條件。

表 1 ESL牛乳的工藝條件優(yōu)化Table 1 Optimization of processing parameters for sterilization of ESL milk

1.4 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次，用Excel初步整理數(shù)據(jù)，用GraphPad Prism 8.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，P＜0.05時(shí)，表示差異顯著；P＞0.05時(shí)，表示差異不顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同殺菌工藝對原料乳中微生物的影響

巴氏殺菌乳是通過適度的熱加工滅活生乳中的致病菌和部分腐敗菌，為了維持鮮乳的風(fēng)味和營養(yǎng)，巴氏殺菌后的鮮乳中存在少量微生物，一般殺菌后菌落總數(shù)小于100 CFU/mL[20-22]。ESL牛乳殺菌條件的制定要考慮可顯著減少牛乳中微生物數(shù)量來延長產(chǎn)品的貨架期，同時(shí)又要最大限度地減輕由于熱處理造成的產(chǎn)品感官質(zhì)量變化[23-24]。研究不同殺菌工藝對牛乳殺菌后微生物殘留量的影響，來判斷是否可以作為ESL牛乳殺菌工藝。

由表2可知，原料乳經(jīng)4 種不同工藝殺菌后，菌落總數(shù)和大腸菌群數(shù)量都小于1 CFU/mL，并且致病菌沙門氏菌和金黃色葡萄球菌完全被殺滅，說明4 種殺菌工藝符合ESL牛乳下線微生物含量盡可能低的要求，從而能達(dá)到延長產(chǎn)品貨架期的目的。

表 2 不同殺菌工藝對原料乳中微生物的影響Table 2 Effects of different sterilization processes on microorganisms in raw milk CFU/mL

2.2 不同殺菌工藝對ESL牛乳貨架期的影響

由表3可知，經(jīng)過4 種不同工藝殺菌后，在6、10、15 ℃下貯藏的牛乳貨架期存在明顯差異。除C組外，隨著貯藏溫度升高，貨架期縮短，在貨架期末因出現(xiàn)菌落總數(shù)超標(biāo)、酸度過高、性狀改變而終止貨架期。C組在3 個(gè)貯藏條件下最長貯藏時(shí)間45 d內(nèi)都無明顯風(fēng)味和性狀改變，微生物未超標(biāo)。在6 ℃貯藏條件下，A、B、D組貨架期大于20 d，說明低溫貯藏有效抑制微生物的繁殖和各種酶的活性，延長了產(chǎn)品的貨架期；在10、15 ℃貯藏條件下，D組貨架期分別降至最短14、7 d，D組隨溫度升高貨架期明顯縮短，分析是因?yàn)榕Ｈ橹袣埩粑⑸?，在溫度升高后迅速繁殖，進(jìn)而失去了飲用價(jià)值。D組產(chǎn)品對冷鏈要求最高，僅適宜在冷鏈好的地區(qū)銷售，全程控制在6 ℃為佳；而對于冷鏈不夠完善的地區(qū)，采用C工藝更安全。

表 3 不同殺菌工藝對ESL牛乳貨架期的影響Table 3 Effects of different sterilization processes on shelf life of ESL milk

2.3 不同殺菌工藝對ESL牛乳中活性物質(zhì)損失率的影響

牛乳的營養(yǎng)價(jià)值除了可以提供蛋白質(zhì)、脂肪和無機(jī)元素等常規(guī)營養(yǎng)外，還含有種類繁多、無法通過其他食物提供的生物活性物質(zhì)，如乳鐵蛋白、免疫球蛋白、糖巨肽、乳過氧化物酶、鞘脂類等。這些生物活性物質(zhì)在維持和增加機(jī)體免疫力、抑菌、抗病毒及維護(hù)腸道健康等方面發(fā)揮著重要作用[25-27]。然而，以乳鐵蛋白和免疫球蛋白等為代表的牛乳中活性物質(zhì)均對熱敏感，研究不同殺菌工藝對ESL牛乳中活性物質(zhì)乳鐵蛋白和IgG損失率的影響，有助于生產(chǎn)ESL牛乳工藝選擇。

表 4 不同優(yōu)化殺菌工藝對ESL牛乳貨架期的影響Table 4 Effects of direct steam infusion and membrane filtration combined with pasteurization under different processing conditions on shelf life of ESL milk

由圖1可知，4 種殺菌工藝ESL牛乳的乳鐵蛋白和IgG損失率有顯著差異。A、B組殺菌后幾乎檢測不到乳鐵蛋白和IgG；C組利用牛乳自由下落時(shí)與蒸汽融合殺菌，實(shí)現(xiàn)牛乳精準(zhǔn)升溫，達(dá)到殺菌的效果，相對傳統(tǒng)的高溫?zé)崽幚砉に嚕ˋ和B）而言，大大縮短了牛乳在管道內(nèi)長時(shí)間升溫帶來的品質(zhì)變化，從而保留了少量活性物質(zhì)；D組乳鐵蛋白和IgG損失率最低，是因?yàn)橥ㄟ^微濾去除牛乳中的大部分微生物和體細(xì)胞，大大降低了熱處理強(qiáng)度，在延長產(chǎn)品貨架期的同時(shí)更好保留了牛乳中的活性物質(zhì)，提升了產(chǎn)品品質(zhì)。

圖1 不同殺菌工藝對ESL牛乳中乳鐵蛋白（A）和IgG（B）損失率的影響Fig. 1 Effects of different sterilization processes on percentage loss of LF (A) and IgG (B) in ESL milk

2.4 不同殺菌工藝對ESL牛乳中糠氨酸含量的影響

牛乳中的乳糖作為還原糖，在熱處理過程中與牛乳蛋白中賴氨酸之間發(fā)生美拉德反應(yīng)，生成中間產(chǎn)物乳果糖基賴氨酸，該物質(zhì)經(jīng)酸水解后可生成呋喃素[28]，呋喃素又稱糠氨酸?？钒彼岷孔鳛殍b別UHT滅菌純牛乳或巴氏殺菌乳是否為復(fù)原乳的定量指標(biāo)，同時(shí)也可以判斷牛乳的熱處理強(qiáng)度，在還原糖含量不變的情況下，溫度和處理時(shí)間，即熱處理強(qiáng)度是影響糠氨酸含量的最主要因素，過度的熱處理也會(huì)導(dǎo)致糠氨酸含量升高。

由圖2可知，4 種不同殺菌工藝牛乳糠氨酸含量由高到低依次為A組＞B組＞D組＞C組。C組將牛乳勻速通過小孔型分配板進(jìn)入蒸汽罐中，牛乳溫度與蒸汽溫度的溫差可以精準(zhǔn)控制在1 ℃以內(nèi)，并且在極短時(shí)間內(nèi)完成，減少很多不必要的熱處理，大大降低了美拉德反應(yīng)，從而降低了總體的糠氨酸含量；D組的糠氨酸含量高于C組，分析可能原因是膜過濾前分離出的稀奶油采用120 ℃、15 s工藝處理，這部分稀奶油中含有的少量蛋白質(zhì)經(jīng)過120 ℃高溫殺菌后發(fā)生了美拉德反應(yīng)，從而提高了成品的糠氨酸含量。

圖 2 不同殺菌工藝對ESL牛乳中糠氨酸含量的影響Fig. 2 Effects of different sterilization processes on furosine content in ESL milk

圖 3 不同殺菌工藝對ESL牛乳中乳鐵蛋白（A）和IgG（B）損失率的影響Fig. 3 Effects of direct steam infusion and membrane filtration combined with pasteurization under different processing conditions on percentage loss of LF (A) and IgG (B) in ESL milk

2.5 殺菌工藝條件優(yōu)化

與傳統(tǒng)管式高溫殺菌工藝比較，蒸汽浸入式殺菌在ESL牛乳貨架期方面更有優(yōu)勢，陶瓷膜過濾結(jié)合巴氏殺菌生產(chǎn)ESL牛乳在活性物質(zhì)保留方面更有優(yōu)勢，進(jìn)一步優(yōu)化2 種工藝。

由圖3和表4可知：對比蒸汽浸入式殺菌3 個(gè)工藝條件，降低殺菌溫度活性物質(zhì)含量增加不明顯，且導(dǎo)致貨架期顯著縮短，增加了對銷售環(huán)節(jié)冷鏈的要求，所以采用蒸汽浸入式殺菌生產(chǎn)ESL牛乳優(yōu)選147 ℃、0.09 s工藝參數(shù)；對比陶瓷膜過濾結(jié)合巴氏殺菌3 個(gè)工藝條件，改變巴氏殺菌溫度不能明顯改變產(chǎn)品貨架期，但是活性物質(zhì)乳鐵蛋白和IgG含量隨溫度升高顯著降低，所以采用陶瓷膜過濾結(jié)合巴氏殺菌，優(yōu)選72 ℃、15 s工藝參數(shù)，不僅能夠更好保留牛乳中的活性物質(zhì)，而且可以減少能源消耗，降低生產(chǎn)成本，但要注意在銷售流通環(huán)節(jié)的溫度控制，冷鏈溫度控制在6 ℃以內(nèi)為佳。

3 結(jié) 論

通過研究不同熱殺菌條件對ESL牛乳品質(zhì)的影響發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)高溫殺菌（130 ℃、2 s或120 ℃、15 s）比較，蒸汽浸入式殺菌（147 ℃、0.09 s）生產(chǎn)的ESL牛乳貨架期更長，在15 ℃以下，溫度的改變沒有對產(chǎn)品貨架期內(nèi)的品質(zhì)產(chǎn)生顯著影響，殺菌后糠氨酸含量降低并且保留少量的活性物質(zhì)乳鐵蛋白和IgG，該工藝即使在冷鏈欠發(fā)達(dá)的地區(qū)也能夠保證產(chǎn)品的品質(zhì)穩(wěn)定；膜過濾結(jié)合巴氏殺菌（72 ℃、15 s）生產(chǎn)的ESL牛乳，活性物質(zhì)乳鐵蛋白和IgG保留率更高，膜過濾后簡單增加殺菌溫度，對貨架期沒有明顯改善，要確保產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定，建議全程嚴(yán)格控制冷鏈，溫度6 ℃以下，貨架期內(nèi)品質(zhì)更加穩(wěn)定。

本研究通過測定不同殺菌工藝對ESL牛乳貨架期、活性物質(zhì)乳鐵蛋白和IgG損失率、糠氨酸含量的影響，為ESL牛乳的品質(zhì)提升和新技術(shù)推廣提供一定的參考依據(jù)，從而為消費(fèi)者帶來品質(zhì)更好的ESL產(chǎn)品。