牛乳殺菌技術(shù)研究進展

洪 青，劉振民

（乳業(yè)生物技術(shù)國家重點實驗室，上海乳業(yè)生物工程技術(shù)研究中心，光明乳業(yè)股份有限公司乳業(yè)研究院，上海 200436）

牛乳是自然界最接近完美的食物，含有豐富的人體必需營養(yǎng)成分，包括蛋白質(zhì)、能量、維生素、礦物質(zhì)等。隨著檢測技術(shù)的進步，一些對生長發(fā)育、腸道健康等有益的微量物質(zhì)受到關(guān)注，如乳鐵蛋白、過氧化物酶、免疫球蛋白等[1-2]。同時，牛乳也是微生物生長極好的培養(yǎng)基，由于生牛乳中含有大量的耐冷菌、乳酸菌等微生物，若不及時進行殺菌或滅菌處理，細菌繁殖和酶類反應(yīng)會導(dǎo)致牛乳腐敗變質(zhì)，無法食用[3]?，F(xiàn)今，全球?qū)εＨ榈臍⒕驕缇幚硗ǔ榘褪蠚⒕虺邷兀╱ltrahigh temperature，UHT）瞬時滅菌。隨著消費者對活性營養(yǎng)物質(zhì)的追求和工業(yè)技術(shù)的迭代進步，更多的乳殺菌技術(shù)逐步從實驗室走向生產(chǎn)應(yīng)用。

1 熱處理殺菌

熱處理的主要目的是破壞病原微生物、減少腐敗微生物和滅活酶。牛乳熱殺菌處理過程涉及熱穩(wěn)定性、殺菌效應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)效應(yīng)。牛乳熱穩(wěn)定是判斷乳蛋白熱穩(wěn)定的重要因素。高溫易導(dǎo)致蛋白質(zhì)二級和三級結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)變得松散，酪蛋白熱穩(wěn)定性最強，乳清蛋白熱穩(wěn)定性較差，其中免疫球蛋白耐熱能力最差，β-乳球蛋白稍強于免疫球蛋白。變性后的蛋白更易被酶水解，消化效能提高。生乳中的微生物包括乳酸菌、腸細菌、嗜熱菌、耐冷菌、芽孢菌和致病菌等，不同的熱處理強度能導(dǎo)致某些或全部微生物死亡?；瘜W(xué)反應(yīng)包括酸的產(chǎn)生、磷酸鈣沉淀、美拉德反應(yīng)、酪蛋白修飾及巰基相互反應(yīng)[4]。采用何種熱處理取決于過程和終產(chǎn)品工藝因素，國際乳品聯(lián)合會建議使用的最溫和的熱處理形式為57～68 ℃加熱5 s，最長可達30 min，可以使原料乳在加工前保存更長時間，如干酪加工。牛乳低溫處理條件一般為72～80 ℃巴氏殺菌15～30 min，酸乳處理條件為90～95 ℃巴氏殺菌3～5 min。UHT處理（135～150 ℃處理1～10 s）可使牛乳在環(huán)境溫度下貯存，具有較長的保質(zhì)期[5]。

1.1 巴氏殺菌

巴氏殺菌的原理是基于病原體耐熱性差的特性，使用溫和的溫度和適當(dāng)?shù)臅r間殺滅牛乳中的病原微生物，無法殺死牛乳中的耐熱芽孢，因此巴氏殺菌牛乳要在4 ℃左右的溫度下保存。目前巴氏殺菌乳的評定指標和方法多樣，主要依據(jù)蛋白質(zhì)變性、美拉德反應(yīng)和乳糖異構(gòu)化等指標進行評定。劉藝婷等[6]研究殺菌強度對牛乳活性蛋白的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著熱處理強度提高，牛乳中糠氨酸含量逐漸增加，乳鐵蛋白和β-乳球蛋白含量減少。牛乳經(jīng)75 ℃、15 s熱處理后，其活性蛋白有較大程度保留；但是經(jīng)85 ℃、15 s熱處理后，牛乳中的活性蛋白變性率達到63.7%～78.5%。光明乳業(yè)75 ℃優(yōu)倍鮮牛乳中乳鐵蛋白、免疫球蛋白含量均值分別達到62、250 mg/L，與85 ℃鮮牛乳相比（乳鐵蛋白含量27 mg/L、免疫球蛋白含量107 mg/L），營養(yǎng)指標大幅提高。

Ding Ruixue等[7]利用高通量測序技術(shù)研究不同巴氏殺菌條件下乳中優(yōu)勢菌群變化，結(jié)果表明，變形菌門和厚壁菌門為優(yōu)勢菌群，假單胞菌占所有屬的42%以上。同時檢測巴氏殺菌乳中16 種游離氨基酸、9 種脂肪酸和17 種揮發(fā)性成分的變化。結(jié)果表明，核心功能菌群顯著影響風(fēng)味物質(zhì)及牛乳質(zhì)量安全，假單胞菌、隱桿菌、藍藻和棒狀桿菌與風(fēng)味物質(zhì)含量呈正相關(guān)，而鏈球菌和擬桿菌與這些物質(zhì)呈顯著負相關(guān)。

1.2 長保質(zhì)期（extended shelf-life，ESL）巴氏殺菌

ESL巴氏殺菌乳介于巴氏殺菌乳和UHT乳之間，殺菌溫度為115～130 ℃，時間控制在1 s或更短的時間。生產(chǎn)ESL牛乳的主要目的是使所有營養(yǎng)細菌和嗜冷細菌的孢子失活，并引起最小的化學(xué)變化。張安琪等[8]發(fā)現(xiàn)，與未經(jīng)熱處理及2 種常用巴氏殺菌（65 ℃、30 min，72 ℃、15 s）處理乳相比，ESL乳（121 ℃、5 s）酪蛋白粒徑明顯增加，破壞酪蛋白膠束結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生大規(guī)模的交聯(lián)和凝聚，但是凝聚作用能夠使酪蛋白膠束呈現(xiàn)出更均一的狀態(tài)，其酪蛋白膠束的變性溫度略高于未經(jīng)熱處理的對照組，熱穩(wěn)定性最高的為72 ℃、15 s巴氏殺菌乳，變性溫度達到99 ℃。王喜波等[9]對比分析巴氏殺菌與ESL巴氏殺菌（121 ℃、5 s）處理對牛乳乳清蛋白結(jié)構(gòu)的影響，紅外光譜結(jié)果顯示，巴氏殺菌處理對乳清蛋白二級結(jié)構(gòu)影響不顯著，而經(jīng)ESL巴氏殺菌處理后的乳清蛋白中α-螺旋結(jié)構(gòu)含量顯著減少，無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)含量顯著增多，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的更為無序，穩(wěn)定性更好。熒光光譜結(jié)果表明，ESL巴氏殺菌處理改變了乳清蛋白二級和三級結(jié)構(gòu)。差示掃描量熱法分析結(jié)果顯示，ESL巴氏殺菌處理的乳清蛋白熱變性溫度為99.9 ℃，高于巴氏殺菌處理乳清蛋白，表明ESL巴氏殺菌處理后的乳清蛋白穩(wěn)定性顯著提高。Hilton[10]報道了創(chuàng)新蒸汽注入加熱技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)可以將牛乳加熱到150～180 ℃，時間控制在0.1 s內(nèi)。該工藝實現(xiàn)了非常高的細菌殺滅率，能夠生產(chǎn)商業(yè)無菌牛乳，化學(xué)變化最小，僅有20%～25%的β-乳球蛋白變性，7 ℃貯藏28 d期間未發(fā)生蛋白水解。

ESL巴氏殺菌牛乳不是無菌包裝，在冷藏溫度下有7～10 d和21 d或更長的保質(zhì)期。脂肪含量越高，黏度越大，ESL巴氏殺菌牛乳含有更廣泛的風(fēng)味物質(zhì)，且風(fēng)味和揮發(fā)性物質(zhì)含量隨時間延長而下降。與高溫短時巴氏殺菌相比，ESL巴氏殺菌牛乳有顯著的蒸煮味和硫化味及輕微的澀味。使用直接蒸汽注射進行ESL巴氏殺菌的脫脂牛乳比間接加熱方式含有較高含量的二甲基硫化物、2-丁酮、3-甲基丁醛和己醛[11]。

1.3 UHT滅菌

高溫滅菌包括直接法UHT滅菌、間接法UHT滅菌、一步法保持滅菌和二步法保持滅菌，一般用于常溫長保質(zhì)期牛乳生產(chǎn)。UHT牛乳的優(yōu)勢在于貯藏期內(nèi)微生物指標極其穩(wěn)定，但在貯藏過程中會發(fā)生一些化學(xué)和物理變化，降低牛乳質(zhì)量，限制了牛乳的接受度或保質(zhì)期。其中，UHT牛乳在貯藏過程中最嚴重的變化是膠凝化，形成不可逆的三維蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致過度沉淀，在包裝底部形成一層致密的富含蛋白質(zhì)的沉淀物，在頂部積累含有過多脂肪的奶油，出現(xiàn)明顯分層。牛乳中耐熱酶水解蛋白質(zhì)導(dǎo)致蛋白體系不穩(wěn)定，此外，物理化學(xué)因素，如牛乳/蛋白質(zhì)濃度、加工過程中的熱負荷及牛乳成分等，均會導(dǎo)致膠凝現(xiàn)象發(fā)生[12-13]。酪蛋白膠束大小被認為是UHT處理牛乳穩(wěn)定性的重要影響因素。Akkerman等[14]將全脂牛乳與不同尺寸的酪蛋白膠束混合，進行均質(zhì)和UHT處理，發(fā)現(xiàn)與含有中等或較大尺寸酪蛋白膠束的牛乳相比，加工前含有較小酪蛋白膠束的牛乳在貯藏過程中形成的沉積物明顯較少，這表明牛乳質(zhì)量的內(nèi)在變化對UHT牛乳的穩(wěn)定性很重要。

風(fēng)味變化是UHT滅菌乳的另一大限制因素，在熱加工時，牛乳中蛋白質(zhì)的賴氨酸殘基會與乳糖的羰基發(fā)生美拉德反應(yīng)，不僅影響牛乳的外觀，還會降低乳蛋白和氨基酸的生物學(xué)價值，一些熱加工副產(chǎn)物糠氨酸等對人體有潛在的危害。用蛋白質(zhì)組學(xué)和免疫化學(xué)方法研究在UHT條件下調(diào)制乳中酪蛋白和β-乳球蛋白的糖基化行為，αs2-酪蛋白和β-酪蛋白對形成Nε-羧甲基賴氨酸的貢獻較大，κ-酪蛋白貢獻相對較小。糖基化κ-酪蛋白的糠氨酸、5-羥甲基糠醛和羰基化合物含量最低。相反，α-酪蛋白組分表現(xiàn)出高度的糖基化易感性，具有最高的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物水平[15]。

UHT加熱是使用蒸汽直噴或蒸氣注入，即直接加熱，或通過間接加熱熱交換器。由于直接和間接加熱具有不同優(yōu)點，也有使用這2 種方法的組合系統(tǒng)。Robertson等[16]報道了間接、直接和2 種方法組合系統(tǒng)的一些代表性溫度-時間曲線。結(jié)果表明：與直接加熱系統(tǒng)相比，間接加熱系統(tǒng)的加熱速率更低，因此總熱負荷更大，β-乳球蛋白變性水平更高，導(dǎo)致牛乳的化學(xué)變化更大；通過間接加熱處理工藝生產(chǎn)的UHT牛乳往往含有更高水平的揮發(fā)性巰基化合物，具有更強烈的蒸煮風(fēng)味；熱處理對駱駝乳、牛乳和山羊乳中氨基酸組成和相對含量有顯著影響，且UHT加熱處理差異最大，不同程度的熱處理均能增加3 種乳中Glu、Asp、Met和Cys的含量，賦予處理乳濃郁的乳香味。

2 非熱處理技術(shù)

隨著消費者對安全、營養(yǎng)和新鮮產(chǎn)品需求的日益增長，減少傳統(tǒng)熱處理帶來的負面影響成為學(xué)者的研究熱點，非熱處理加工技術(shù)開始嶄露頭角。

2.1 超高壓處理技術(shù)

超高壓殺菌是將牛乳置于超高壓裝置中加壓處理，增加微生物細胞膜的通透性，選擇性鈍化酶活性，導(dǎo)致微生物原有的生理機能發(fā)生不可逆損傷。

超高壓處理強度對牛乳的殺菌效果影響很大。沈夢琪等[17]發(fā)現(xiàn)，生牛乳經(jīng)工作壓力600 MPa、保壓時間15 min、50 ℃保溫30 min后，大腸菌群全部被殺滅，2～6 ℃條件下可貯藏30 d。馬莉等[18]發(fā)現(xiàn)，低壓有利于牛乳中芽孢激活，高壓有利于細菌殺滅，采用低壓200 MPa、保壓5 min，高壓500 MPa、保壓30 min后，大腸桿菌全部被殺滅，菌落總數(shù)降低99.91%。

超高壓處理會改變脫脂乳的色澤，由白色渾濁狀變?yōu)榈S色透明或半透明狀，色澤的改變主要是由脂肪球粒徑和酪蛋白膠束性質(zhì)的變化引起的[19-20]。超高壓處理對牛乳風(fēng)味也有影響。Hu Guanlan等[21]在未處理牛乳樣品中檢測到44 種風(fēng)味化合物，主要為芳香烴類、脂肪烴類和酸類物質(zhì)，經(jīng)600 MPa、5 min高壓處理后，牛乳中檢測到更多種類的風(fēng)味物質(zhì)，脂肪烴類和酸類化合物含量顯著提高，而芳香烴類化合物含量顯著降低。

超高壓處理可以最大限度保留牛乳中的營養(yǎng)成分。相對而言，壓力敏感的微生物耐熱性強，熱敏性的微生物耐壓能力強，因此超高壓技術(shù)常常與其他工藝聯(lián)合使用。

2.2 超聲波技術(shù)

超聲波是頻率大于20 kHz的聲波，由于其頻率高、波長短，不僅具有方向性好、功率大、穿透力強等特點，還能引起空化作用、力學(xué)效應(yīng)、熱學(xué)效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)等特殊效應(yīng)。超聲波的空化效應(yīng)可以導(dǎo)致細胞被破壞和病毒失活，達到延長牛乳保鮮期的目的[22]。牛乳經(jīng)超聲波處理15～60 s后，可以保存5 d不變質(zhì)，經(jīng)殺菌處理的牛乳再經(jīng)超聲波處理，在冷藏條件下可保存18 個月[23]。Gholamhosseinpour等[24]研究超聲波、微波和熱處理對牛乳發(fā)酵過程中菌株活力、乳酸濃度和生物活性（自由基清除能力、蛋白酶活性、肽含量、抗癌活性、α-淀粉酶抑制率和胞外多糖含量）的單獨和聯(lián)合影響。結(jié)果表明：超聲波處理的微波樣品具有更高的抗氧化和抗癌活性，其胞外多糖含量、抗癌活性和α-淀粉酶抑制率顯著高于其他處理組；發(fā)酵結(jié)束時，超聲波與微波聯(lián)合處理的牛乳抗氧化活性分別比超聲波高壓滅菌、微波滅菌和高壓滅菌樣品高13.9%、44.7%和77.3%。

2.3 脈沖電場技術(shù)

脈沖電場處理殺菌原理是極短的脈沖在極高的電場強度下影響細胞膜帶電分子，增加膜流動性，在膜中形成孔隙，從而殺滅微生物[25]。1958—1985年，德國工程師Heinz Doeven-Speck開始開發(fā)脈沖電場技術(shù)[26]。Walter等[27]單獨使用脈沖電場（電場強度30～35 kV/cm、溫度30～40 ℃）處理全脂牛乳時，微生物數(shù)量降低103CFU/mL，當(dāng)溫度提高至55 ℃后，微生物數(shù)量降低106CFU/mL。Cregenzan-Alberti等[28]發(fā)現(xiàn)，脈沖電場的殺菌效果與溫度、微生物種類和生長階段的相關(guān)性較強。堿性磷酸酶、過氧化氫酶、溶菌酶等是影響牛乳質(zhì)量的相關(guān)酶，能夠被常規(guī)熱處理鈍化、滅活，可以作為熱處理成功的指標。脈沖電場通過影響蛋白酶導(dǎo)致構(gòu)象發(fā)生改變，與酶的類型、結(jié)構(gòu)和輔助因子等有關(guān)。Sharma等[29]通過脈沖電場處理（電場強度26 kV/cm）全脂牛乳，黃嘌呤氧化酶和脂肪酶活性分別降低32%和82%。該研究還評估了脈沖電場對酶的敏感性順序，依次為堿性磷酸酶＞脂肪酶＞黃嘌呤氧化酶＞纖溶酶。Mcauley等[30]發(fā)現(xiàn)，脈沖電場處理和脈沖電場協(xié)同加熱（52 ℃）處理對牛乳中纖溶酶活性無影響，但將脈沖電場處理乳溫度降至42 ℃時，纖溶酶活性大幅降低。以上研究表明，單獨使用脈沖電場對一些微生物和酶的影響有限，需要協(xié)同溫和熱處理技術(shù)才能達到更好效果。殺菌時高壓脈沖電場影響較大，滅酶時溫度影響較大。

2.4 微波技術(shù)

微波殺菌原理是改變微生物細胞膜達到致死效果，包括熱因素和非熱因素。在一定強度微波場的作用下，高溫會使得蛋白質(zhì)變性失活，從而殺滅微生物。與傳統(tǒng)的熱力殺菌相比，微波殺菌具有升溫效率快、時間短、殺菌均勻、穿透力強、營養(yǎng)成分不被破壞等優(yōu)點。顧采東[31]發(fā)現(xiàn)，隨著微波強度和殺菌結(jié)束時牛乳溫度的升高，純培養(yǎng)的微生物數(shù)量逐漸降低，微波功率700 W、加熱38 s、最終溫度27 ℃時的殺菌條件達到飲用牛乳要求。微波加熱相比快速傳導(dǎo)加熱對鈣強化牛乳體系的組分影響差異較小，以離子形式存在的鈣強化牛乳體系在微波加熱過程中熱穩(wěn)定性較差[32]。研究中試規(guī)模下實施連續(xù)微波加熱（110～125 ℃、5 s）處理重組脫脂濃縮乳，結(jié)果表明，與管式加熱相比，微波加熱的重組脫脂濃縮乳的乳清蛋白變性（β-乳球蛋白變性減少35%～40%）和沉積物形成（污垢減少90%）顯著減少，而顏色變化在所有實驗中均不顯著[33]。

2.5 膜過濾技術(shù)

膜過濾除菌是利用物理截留的方法，將不能透過膜孔隙的微生物從食品中分離出來，達到除菌的作用。膜過濾除菌只是將食品中的微生物分離出來，而不會殺滅微生物，這既符合食品衛(wèi)生要求，同時又有利于延長食品的貯藏期和貨架期。采用孔徑1.4 μm的陶瓷微濾膜對原料乳進行微濾處理，結(jié)果表明，微濾UHT滅菌乳的pH值、滴定酸度、上層脂肪球粒徑等品質(zhì)指標均優(yōu)于非微濾UHT滅菌乳，貨架期也相應(yīng)延長21～63 d[34]?；ò袂錥35]研究不同工藝下乳過氧化物酶的活性，經(jīng)85 ℃或125 ℃加熱15 s后的牛乳幾乎檢測不到乳過氧化物酶活性，而經(jīng)75 ℃加熱15 s及低溫陶瓷膜過濾處理后的牛乳均能檢測出較強的乳過氧化物酶活性，僅經(jīng)低溫陶瓷膜過濾處理后的牛乳中乳過氧化物酶活性損失率最低，即過多的工藝流程會導(dǎo)致乳過氧化物酶活性損失。徐姝等[36]發(fā)現(xiàn)，與高溫短時殺菌和紫外處理相比，膜過濾處理能有效截留芽孢和體細胞，在活性成分保留方面，經(jīng)孔徑1.4 μm膜過濾處理后，其活性成分的保留率顯著高于高溫短時處理，活性乳鐵蛋白、免疫球蛋白A、免疫球蛋白G、黃嘌呤氧化酶、乳過氧化物酶和免疫球蛋白M保留率分別為90%、88%、87%、72%、97%和94%。

各殺菌技術(shù)優(yōu)劣勢如表1所示。

表1 各殺菌技術(shù)優(yōu)劣勢對比Table 1 Advantages and disadvantages of various sterilization techniques

3 結(jié) 語

微生物是乳制品加工過程中的主要污染源，隨著時代的進步，消費需求的升級也正不斷催生乳業(yè)科技和產(chǎn)品的創(chuàng)新，使得乳制品的殺菌技術(shù)有了進一步發(fā)展。非熱殺菌技術(shù)在保持乳制品品質(zhì)方面具有獨特優(yōu)勢，彌補了傳統(tǒng)熱殺菌技術(shù)的不足。與此同時，非熱殺菌技術(shù)也有一些待解決的問題：一是其研究仍普遍停留在實驗室階段，暫未形成一定規(guī)模的推廣及應(yīng)用；二是單種非熱殺菌技術(shù)殺菌不徹底、殺菌設(shè)備成本高、殺菌處理影響因素不明確等。這些都影響非熱殺菌技術(shù)在乳制品加工過程中的應(yīng)用。未來，通過設(shè)備開發(fā)、工藝優(yōu)化、非熱多技術(shù)聯(lián)用等勢必會讓非熱殺菌技術(shù)成為乳業(yè)的主流殺菌方式。