（聊城大學(xué)農(nóng)學(xué)院食品科學(xué)與工程系，山東聊城252059）

冷殺菌技術(shù)在奶制品加工中的研究進展

王志敏，魏芳，崔巖巖，盧然然，黃從玲，郭興峰

（聊城大學(xué)農(nóng)學(xué)院食品科學(xué)與工程系，山東聊城252059）

對國內(nèi)外應(yīng)用超聲波、超高壓、脈沖電場、磁場等冷殺菌技術(shù)在奶制品加工中的研究及其對奶制品品質(zhì)的影響進行了綜述和展望，以期有助于冷殺菌技術(shù)在奶制品的加工中得到更加廣泛的研究與應(yīng)用。

冷殺菌；奶制品；超高壓；超聲波；脈沖電場；磁場

0 引言

隨著人們生活水平和健康保健意識的提高，對食品的要求不再單單局限于解決溫飽和安全，而對其色、香、味和營養(yǎng)價值均提出了更高的要求。傳統(tǒng)的熱力殺菌方法對食品中的熱敏性營養(yǎng)成分破壞較大，從而影響食品的品質(zhì)。近年來，冷殺菌技術(shù)因其既能保證食品安全，又能最大限度保持食品的色、香、味和營養(yǎng)得到了國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。近幾年，國內(nèi)外對一系列冷殺菌新技術(shù)作出了大量研究，本文主要對國內(nèi)外應(yīng)用超聲波、超高壓、脈沖電場、磁場等冷殺菌技術(shù)在奶制品加工及其對奶制品品質(zhì)的影響進行了綜述和展望，希望有助于冷殺菌技術(shù)在奶制品的加工中得到更加廣泛的研究與應(yīng)用，期望對冷殺菌技術(shù)的進一步深入研究有一定借鑒意義。

1 超高壓殺菌

超高壓殺菌是指將物料以適當(dāng)方式包裝完好后，放入液體介質(zhì)(通常是水、甘油)中，在100～1 000 MPa壓力下處理，從而達到殺菌效果。其基本原理是通過破壞微生物的細胞膜、抑制細胞中酶的活性和影響細胞中DNA等遺傳物質(zhì)的復(fù)制來實現(xiàn)的[2]。

超高壓殺菌技術(shù)對牛奶中微生物殺滅作用的相關(guān)研究已有較多。目前普遍采用的高壓處理壓力一般為300～1 000 MPa，處理1～30 min[3]。據(jù)相關(guān)文獻，當(dāng)超高壓處理的壓力保持不變時，保壓時間越長對細菌細胞的傷害就越大，殺菌效果越好[4]。田曉琴[5]等人通過用5個梯度壓力處理牛奶30 min，以不加高壓為對照，測定細菌總數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)在200～500 MPa時殺菌效果與壓力成正比關(guān)系，在500～600 MPa時超高壓殺菌效果增幅不明顯，最終結(jié)果顯示500MPa下加壓30 min為最佳處理條件，此時殺菌效果最好。馮艷麗[6]將牛奶在100～600 MPa下加壓5～10 min，除具有一定耐受力的芽孢外可以殺滅一般的細菌和酵母菌。另外，馮艷麗還研究到在600 MPa下結(jié)合一定的溫度處理牛奶15～20 min，可達到完全殺滅細菌的效果?？梢?，溫度的協(xié)同作用對超高壓殺菌有積極作用。姜雪[7]以巴氏殺菌奶作為參照，比較不同超高壓處理條件對牛奶中微生物、白度以及維生素等物質(zhì)的影響。結(jié)果表明，當(dāng)壓力為300MPa、保壓時間為5 min時，可有效殺滅致病菌，基本達到與巴氏殺菌相同的微生物檢測指標。池元斌[8]等人通過將鮮牛奶在14℃，430 MPa靜水壓下處理5～15 min發(fā)現(xiàn)可以殺滅鮮牛奶中99.5%的細菌。另外，壓力大于100 MPa時鮮牛奶中大腸菌群比大多數(shù)原存細菌對壓力更敏感。A ma?do r-Espejo[9]等人在200 MPa，85℃下對牛奶進行殺菌處理，發(fā)現(xiàn)牛奶中的微生物明顯被殺滅。都基睿[10]研究溫度協(xié)同超高壓對牛奶中大腸桿菌的殺菌效果，發(fā)現(xiàn)在適當(dāng)初始溫度下超高壓與溫度協(xié)同殺菌效果要優(yōu)于相應(yīng)溫度下的熱處理殺菌效果。Martínez-Mon teagudo[11]等人研究了濃縮牛奶在120℃，600 MPa，3 min的高壓殺菌條件下可以實現(xiàn)商業(yè)滅菌的工業(yè)條件，其對現(xiàn)今相關(guān)商業(yè)滅菌的研究有一定指導(dǎo)借鑒意義。Yang[12]研究發(fā)現(xiàn)在25℃，300 MPa，30 min的條件下可以使鮮牛乳中的沙門氏菌，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌失活，可以明顯延長牛乳的貯藏期。肖楊[13]采用500 MPa，5～15 min的超高壓處理生牛乳，發(fā)現(xiàn)可以將生牛乳中的細菌數(shù)量降低約1個對數(shù)，對生牛乳中的大腸菌群、霉菌和酵母的營養(yǎng)體有明顯殺滅效果。由此可見，如果超高壓殺菌和其他殺菌技術(shù)聯(lián)合使用，殺菌效果明顯優(yōu)于單種殺菌方式，多種殺菌方式的聯(lián)合使用將可能是未來牛奶殺菌的主流方式。

超高壓殺菌在對牛奶理化特性和營養(yǎng)品質(zhì)的影響方面也有大量的研究。超高壓對食品成分中的共價鍵影響較小，對維生素、色素和呈味物質(zhì)等低分子化合物的共價鍵基本無影響，因此可以維持食物的色香味，另外對食物的營養(yǎng)價值基本無影響[14]。在300～ 600MPa壓力下進行殺菌已被證明是滅活微生物的一種有效方法，對乳的一些重要特性的不利影響較小，比如口味、維生素、蛋白質(zhì)和營養(yǎng)素[15]。張文龍[16]研究了超高壓對牛奶中的蛋白質(zhì)和氨基酸的影響，發(fā)現(xiàn)超高壓處理對蛋白質(zhì)沒有明顯影響，對氨基酸含量影響有待進一步研究。鄧洋[17]等人測定超高壓下不同壓力、時間對奶粉及奶酪中蛋白質(zhì)的含量影響，發(fā)現(xiàn)其對奶酪及奶粉中蛋白質(zhì)含量影響較小。另外，超高壓能提高脫脂牛乳的動力學(xué)黏度，濁度變低，得到穩(wěn)定的泡沫，使乳化性提高。但是超高壓對牛奶也有不利影響。首先，牛奶的外觀發(fā)生變化，牛乳反射光線的能力變?nèi)?，使牛乳不透明性增強。張勇[18]等人研究發(fā)現(xiàn)超高壓殺菌使牛奶中酪蛋白的膠粒破裂，蛋白膠粒被壓縮，導(dǎo)致牛乳的透光性增加和濁度降低。在堿性磷酸酯酶實驗中，超高壓處理不能像熱處理那樣有效的把堿性磷酸酯酶滅活。通過以上的研究可以看出超高壓處理對牛乳的品質(zhì)影響有利有弊，總體來說對奶的營養(yǎng)品質(zhì)無明顯影響。

超高壓殺菌技術(shù)能夠在常溫下殺菌和使酶失活，保證了食品的營養(yǎng)成分和理化特性不被較大程度的破壞，是一種很有潛力的冷殺菌技術(shù)。盡管超高壓殺菌表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景，但是要真正實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，仍有較多問題需深入研究。比如設(shè)備成本、加壓容器大小以及超高壓處理影響因素等問題。

2 超聲波殺菌

超聲波殺菌通常采用低頻超聲波，頻率為20～ 100 kH z。其原理是利用超聲波空化效應(yīng)在液體中產(chǎn)生的瞬間高溫及溫度交變變化、瞬間高壓和壓力變化，使某些細菌致死、病毒失活以及破壞微生物細胞壁，從而達到減少微生物數(shù)量的目的[19]。超聲滅菌技術(shù)已在美、日、歐洲等發(fā)達國家獲得了廣泛使用，主要應(yīng)用于飲料、酒類、牛奶、礦泉水、醬油、醋等液體食品，目前國內(nèi)也常有超聲波用于食品殺菌的報道[20]。

閆坤[21]利用超聲波協(xié)同熱處理對液態(tài)奶中的枯草芽孢桿菌進行殺菌實驗，并與巴氏殺菌做比較。結(jié)果表明在1 400 W，180 s，60℃條件下殺菌率達到了97.96%。超聲波殺菌所需溫度低，時間短，殺菌效率高，可見與熱殺菌相比有較大優(yōu)勢。劉飛云[22]等人研究了鮮牛乳在不同的功率和時間下經(jīng)超聲波殺菌處理。結(jié)果表明在600W，3 min超聲波處理下的鮮乳殺菌率達到93%，并且發(fā)現(xiàn)在該條件下結(jié)合63℃，30 min的熱處理，對鮮牛乳的品質(zhì)影響較小，保持了較好的牛乳品質(zhì)。Mccle ments[23]也認為使用超聲波技術(shù)結(jié)合其他殺菌技術(shù)比如加熱處理可以優(yōu)化殺菌效果。Piy?asenaI[24]研究到熱和超聲波對牛奶中的細菌和其他微生物具有滅活作用。W rigley[25]等研究了超聲波對脫脂乳中的鼠傷寒沙門氏菌的滅菌效果。將脫脂乳分別在50℃和40℃下處理30 min，鼠傷寒沙門氏菌數(shù)目分別減少3個對數(shù)和2.5個對數(shù)。O’Donnell[26]等人用超聲波技術(shù)結(jié)合熱處理或壓力處理食品，發(fā)現(xiàn)可以將食品中的病原體殺滅，同時發(fā)現(xiàn)超聲波可以影響果汁和奶制品中酶的活性。譚海剛[27]等人通過將原料牛乳在不同溫度條件下分別用40 kH z超聲波處理30 s，以在無超聲波條件下進行處理的原料乳為對照，處理結(jié)束后用自來水冷卻并置于4℃條件下儲藏，等到完全降溫后，測定菌落總數(shù)，證實超聲波對牛乳有殺菌效果。通過研究確定了最佳的超聲波殺菌條件為40 kH z，60℃，200 s，間歇比5∶2。超聲波殺菌與巴氏殺菌相比，超聲波殺菌在短時間內(nèi)可以達到理想的殺菌效果并且原料乳在儲藏期間內(nèi)的穩(wěn)定性優(yōu)于巴氏殺菌乳。

超聲波殺菌的優(yōu)點是速度快，溫度低，不引入其他物質(zhì)，對食品的品質(zhì)基本不產(chǎn)生影響，因此可以有效的用于食品的保鮮。超聲波處理在一定程度上改善了牛奶的品質(zhì)，胡春林和潘月平[28]研究發(fā)現(xiàn)在經(jīng)超聲波預(yù)處理的情況下可以增加蛋白質(zhì)的水解程度。但超聲波處理牛乳也存在一些問題，比如經(jīng)超聲波處理的牛乳中酪蛋白穩(wěn)定性得到提高，因此酪蛋白進入人體后的消化性能可能會受影響；強烈的物理化學(xué)作用是否會影響人體消化道對牛奶的消化等問題也需進一步的研究。

3 脈沖電場殺菌

脈沖電場殺菌是把液態(tài)物料作為電介質(zhì)置于或連續(xù)流過殺菌室兩電極間隙內(nèi)或兩電極間隙，并且在兩電極上加上一定強度和適當(dāng)頻率的脈沖電場，利用電磁效應(yīng)、力學(xué)效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)分別引起的細胞膜穿孔、強大的沖擊波和細胞殺滅的共同作用使微生物細胞產(chǎn)生崩潰致死。

脈沖電場殺菌在實驗室水平上已取得一定的成果。王黎明[29]等人通過用透射電鏡(SEM)觀察經(jīng)脈沖電場處理后大腸桿菌和啤酒酵母前后兩種細菌的形態(tài)后發(fā)現(xiàn)，處理后兩種細菌的細胞膜均變模糊，細胞質(zhì)團聚、外流，導(dǎo)致細胞內(nèi)空，細胞膜崩解，從而使微生物死亡。杜存臣[30]對牛奶采用脈沖電場殺菌試驗發(fā)現(xiàn)在脈沖電場強度為13 kV/cm，脈沖寬度為15μs，連續(xù)作用10 s的條件下，牛奶中大腸桿菌死亡率達99%。由于其實驗中的脈沖電壓不夠高，脈沖波形未處于理想狀態(tài)，所以并沒有達到完全殺菌的效果，但是對進一步的相關(guān)實驗具有很高的指導(dǎo)意義。賈建輝[31]等人以牛奶為試驗材料，經(jīng)場強50～100 kV/cm，脈沖數(shù)400～1 200的高壓脈沖電場進行殺菌后用傾注法進行菌落總數(shù)測定，發(fā)現(xiàn)高壓脈沖電場對牛奶具有明顯殺菌效果，殺菌率與電場強度與脈沖數(shù)呈正相關(guān)。丁宏偉[32]通過將脈沖電場殺菌技術(shù)輔以巴氏殺菌研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)牛乳在流量0.9 mL/ min，電場強度50 kV/cm，脈沖數(shù)為6的條件下，在不同溫度條件下對牛乳進行高壓脈沖電場殺菌，發(fā)現(xiàn)溫度越高滅菌效果越好。并且其還研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)場強70 kV/cm，脈沖數(shù)為10，70℃下處理70 s時對蛋白質(zhì)變性程度、維生素C損失量、維生素B損失量等理化指標影響較小。Cregenzán-Al?berti[33]等人研究了在溫度20～45℃，電場強度20～42.5 kV/cm，脈沖寬度68～179μs的條件下對牛奶中的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺滅效果，發(fā)現(xiàn)脈沖電場對微生物殺滅效果明顯。陳義勇[34]研究了高壓脈沖電場對牛初乳粉殺菌效果和對lg G含量及活性的影響。在20，30，40，50 kV/cm的電場強度下，處理50 s時牛初乳粉中的大腸桿菌菌落數(shù)分別下降了1.85，2.40，2.66，3.31個對數(shù)值。從其研究數(shù)據(jù)中可以看出霉菌孢子對脈沖電場較不敏感，酵母菌和霉菌比大腸桿菌更難殺滅，高壓脈沖電場處理對牛初乳粉中的lg G含量及活性基本不產(chǎn)生影響。R eineke[35]研究了脈沖電場協(xié)同熱處理對芽孢和枯草芽孢桿菌的滅菌效果，結(jié)果表明脈沖電場有較好的殺菌效果。Lee[36]研究了脈沖電場對牛奶中微生物的殺菌效果。研究發(fā)現(xiàn)脈沖寬度和頻率固定在30μs，50 H z，場強10～20 kV/cm條件下，酵母菌，短乳桿菌，植物乳桿菌和大腸桿菌菌落數(shù)目分別下降4.2，3.2，4.1和0.3。另外發(fā)現(xiàn)脈沖電場處理的牛奶中堿性磷酸酶的活性在從0.88減少到0.73，而蛋白酶和乳過氧化物酶活性并沒有改變。

脈沖電場技術(shù)主要是在液體產(chǎn)品上替代巴氏消毒法從而延長保質(zhì)期。它可以減少包括病原體在內(nèi)的細菌數(shù)量，在巴氏滅菌果汁等液體產(chǎn)品上已獲得美國食品及藥物管理局批準。然而，它并沒有應(yīng)用于乳制品行業(yè)，表明還需要進行更多的相關(guān)研究[37]。關(guān)于對牛奶品質(zhì)的影響，有待做進一步的研究。牛乳中的有害酶--脂酶的活性隨著電場強度的增加而減少。經(jīng)電場處理后牛乳中的游離氨基酸含量有所增加，乳糖含量基本不受影響[38]。加強脈沖電場技術(shù)的開發(fā)，研究不同強度的脈沖電場對各類食品的殺菌效果，加強與其他殺菌技術(shù)聯(lián)合使用，研究其協(xié)同作用，這可作為以后實驗室水平的研究重點。比如，在較高溫度下進行脈沖電場殺菌研究，可能是延長牛奶制品貨架期較為理想的一種方法。

4 磁場殺菌

脈沖磁場殺菌是在常溫下利用強磁進行殺菌，其裝置主要由輸液管和加在其外的螺旋線圈組成。當(dāng)液料通過輸液管時，利用產(chǎn)生的2～10 T的磁感應(yīng)強度，將其中的微生物在強脈沖磁場作用下殺滅。目前，關(guān)于脈沖強磁場殺菌機理尚未完全清楚，主要理論有磁場感應(yīng)電流作用，洛倫茲力效應(yīng)，震蕩效應(yīng)，電力效應(yīng)等。

目前磁場殺菌已有較多研究。唐偉強[39]分別使用場強為900，3 000，5 000，7 000，9 000，11 000，13 000 G的脈沖磁場處理鮮牛奶100次；然后把試樣和對照樣品的濃度稀釋到原有濃度的10-1，10-2，10-3，10-4，10-5，10-6倍，選擇適合的稀釋溶液后用瓊脂培養(yǎng)基培養(yǎng)48 h，試驗結(jié)果表明隨著磁場強度的不斷增加，殺菌效果越好，細菌存活率越低，此實驗充分說明了磁場對殺菌具有較好的效果。高夢祥[40]以新鮮牛奶為殺菌對象，研究磁場強度對新鮮牛奶的殺菌作用。研究發(fā)現(xiàn)在牛奶溫度50℃，磁場強度6.33 T，脈沖數(shù)15的參數(shù)下殺菌效果最好，菌落總數(shù)和大腸桿菌數(shù)已達到商業(yè)無菌的要求。Guo[41]對鮮牛奶采用10 T以上脈沖磁場處理，研究其對牛奶中微生物的殺滅效果。結(jié)果表明殺菌效果明顯，隨磁場強度或脈沖數(shù)的增大，菌落總數(shù)、大腸桿菌和霉菌酵母的存活率基本呈下降趨勢，但在出現(xiàn)谷值后，存活率有所回升。在最佳參數(shù)下，經(jīng)脈沖磁場處理的牛奶可達到商業(yè)無菌的要求。駱新崢[42]等人將牛初乳作為殺菌對象，發(fā)現(xiàn)脈沖磁場對牛初乳中的細菌有明顯致死效果，致死率達到99.9%。在脈沖數(shù)小于20個或磁場強度小于2.53 T的前提下，牛初乳中的菌落總數(shù)隨脈沖數(shù)或磁場強度的增加而減少。

因為磁場殺菌是在低溫條件下進行的，所以對牛乳的品質(zhì)和風(fēng)味影響較小。高夢祥[43]等人還研究了新鮮牛奶經(jīng)脈沖磁場殺菌后的品質(zhì)變化，研究發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的損失率為1.2%，乳糖的損失率為4.1%，還原性維生素C損失率較小。與熱殺菌相比較，磁場殺菌基本保持了鮮奶的色澤和天然風(fēng)味。因此總體來說，磁場殺菌可有效用于牛奶保鮮。盡管磁場殺菌存在較多優(yōu)點，但是磁場殺菌對食品材料有一定的要求，以防止出現(xiàn)磁屏蔽的問題，隨著對磁場的深入研究，磁場將在液體制品殺菌中發(fā)揮巨大作用，具有良好的應(yīng)用前景。

5展望

隨著人們生活水平的提高，對奶制品質(zhì)量的要求也越來越高，奶制品的冷殺菌技術(shù)研究也將有更進一步的發(fā)展。未來奶制品行業(yè)將朝著幾種殺菌技術(shù)聯(lián)合使用輔以特殊的包裝材料、貯藏技術(shù)、運輸方式的綜合方向發(fā)展。冷殺菌技術(shù)不僅在一定程度上彌補了傳統(tǒng)熱力殺菌的不足，還能最大限度的保持食品的品質(zhì)不受破壞，在奶制品的加工中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

冷殺菌固然憑借其優(yōu)勢引起人們廣泛關(guān)注，但其也存在很多的問題。對目前的研究現(xiàn)狀而言，基本都是處在實驗室水平的研究，很少有形成一定規(guī)模的推廣和應(yīng)用。冷殺菌存在的缺點也是需亟待解決的問題，比如單種技術(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問題。因此，冷殺菌技術(shù)應(yīng)在以下方面加大研究力度：通過研究使用多種殺菌技術(shù)相結(jié)合以解決單種殺菌技術(shù)不徹底的問題；對冷殺菌設(shè)備優(yōu)化改良，降低造價，減少殺菌成本，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。冷殺菌技術(shù)將成為未來用于包括奶制品殺菌在內(nèi)的食品行業(yè)的主流殺菌方式，逐步取代傳統(tǒng)的熱力殺菌是現(xiàn)代食品加工工藝與技術(shù)選擇的必然趨勢。

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Advance ment of cold sterilization technologies in dairy industry

WANG Zhi min，WEIFang，CU IYanyan，LU Ranran，HUANG Congling，GUO Xingfeng
（Food Science and Engineering，Agricu ltu re Schoo l，Liaocheng University，Liaocheng 252059，China）

The paperexa mines the domestic and foreign application of cold sterilization technology likeultrasonic,ultrahigh pressure,pulsed electric field,andmagnetic field in dairy processing and studiesits influenceon the quality of milk products.By these,itaims to themore ex?tensive usage of cold sterilization technology in the processing of dairy products.

cold sterilization;dairy;ultrasonic;ultrahigh pressure;pulsed electric field;magnetic field

TS252.41

B

1001-2230（2017）01-0037-04

2016-06-12

聊城大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助（國家級）（20151044 7054）。

王志敏（1994-），男，本科，研究方向為食品非熱加工技術(shù)。

郭興峰