基于牛奶的热处理加工工艺变化比较分析

郭利亚，杜兵耀，赵广英，张养东，张 伟，武旭芳，张晓建

1 河南科技学院，河南新乡 453003

2 中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，北京 100193

3 河南花花牛乳业集团，河南郑州 450000

0 引言

随着食品工业和科技的发展，乳制品加工热处理工艺持续变化和进步，我国奶业行业对外开放和技术融合度不断加深。近年来，国内乳制品市场新品涌现，有低温、常温等液态奶产品，也有奶粉、乳酪等干乳制品。特别是延长货架期的低温液态奶的出现，引起人们对乳制品加工的密切关注。牛奶的热处理加工工艺不同，对应生产不同类型乳制品产品。牛奶的热处理加工工艺，直接影响牛奶中营养物质种类和含量的变化，特别是热敏性的生物活性成分[1]。全球新冠肺炎疫情发生以来，牛奶等乳制品因其较高、较优质的营养价值，消费需求持续增加，人们对牛奶及其生产技术的关注度也越来越高。随着行业内外探讨和交流日益增多，笔者对国际国内通行的热处理技术和方法进行归纳、整理和分析，比较牛奶热处理工艺变化，为进一步了解牛奶生产，研究乳制品热处理加工技术等提供参考。

1 乳的来源及加工

1.1 乳的来源和牛奶生产

传统可提供人类作为食物的乳汁，主要的奶畜品种，有牛（羊）、驼、马（驴）、鹿四个种类。不同奶畜分泌的乳汁，滋气味、乳固形物、乳脂肪、乳蛋白、乳糖、矿物质、维生素等成分含量各不相同。特别是乳脂肪中饱和、不饱和脂肪酸比例，乳蛋白中酪蛋白、乳清蛋白比例等差异较大，其中的生物活性物质差异更大[1，2]。因此，不同奶畜的乳汁，需要与之相匹配的热处理加工工艺，才能满足或达到商品生产的要求。

世界范围看，可食用的乳的来源比较广，其中牛奶产量占比最大[3]。世界上存栏最多的奶畜品种是牛，牛奶生产量大，消费多，分布广泛。同样，我国奶类产量最大的是牛奶，主要来自荷斯坦牛[4]。根据我国乳品国家安全等相关标准，乳制品主要以牛或羊奶为原料，而牛奶的产量占绝对的主导。统计数据显示，2019年，全国奶类产量3297.6万吨，其中牛奶3201.0万吨，牛奶产量占奶类总产量的97.9%[5]。2020年，我国牛奶产量3440.0万吨，同比增长7.5%。因此，本文讨论热处理工艺主要针对牛奶。

1.2 牛奶的加工要求

牛奶热处理工艺与牛奶核心价值功能紧密关联，奶业发展的理论和实践发现，牛奶中的钙与蛋白质是牛奶的基础营养属性，而天然活性物质才是牛奶的核心价值载体，但其受热易发生失活或产生损伤[6]。然而，用于生产乳制品的生乳中会存在对人类身体健康有害的致病菌，为保证食用安全，需通过热加工处理进行杀灭，降低或消除人类乳源性疾病发生的风险。

奶业生产的目的是消费者的健康，牛奶真正作用在于保障人类健康的能力，这是奶业的价值本源[7]。因此，牛奶热处理工艺需要围绕其真正价值发挥作用，减弱、降低或抑制，甚至违反奶业真正价值的热处理工艺都存有一定缺憾，需要审视和改进。同时，也要看到，牛奶热处理工艺是辅以实现奶业真正价值的一种手段、方式或方法。对于牛奶健康价值属性而言，生乳起着基础作用，生乳本身的质量或等级决定着乳制品的品质，而热处理工艺是在生乳条件下的质量安全加工配置选择。

生产实践中，从液态奶产品的加工工艺来看，尽管食品添加剂的使用、包装材料的变化和商品名称的多样化，表面上新产品层出不穷，但实际的加工生产技术，即牛奶热处理工艺没有大的或根本变化。目前，严格来看，生产中使用巴氏杀菌（也称巴氏消毒）、高温杀菌（包括有巴氏高温杀菌、超巴氏杀菌、过巴氏杀菌）和高温灭菌等牛奶热处理工艺，一定程度上存在偏离原有标准和技术规范的现象，表现在“超强度加热”或“过度加热”的情况[8]，易给奶业市场培育和奶业持续健康发展带来一些误判或产生技术阻碍，需要引起行业的高度警觉和重视[9]。

2 牛奶热处理工艺典型的基础理论

20世纪中期，在牛奶热处理研究的基础上，研究者们总结发现了热处理条件下牛奶内生变化或反应的两个基础理论[10]。两者已成为现代牛奶热处理工艺及技术发展的重要理论依据。

2.1 理论一：乳蛋白的热稳定性

乳蛋白热稳定性，关联乳蛋白热稳定性体系动力学平衡。研究认为，牛奶中的乳清蛋白随着加热温度提高而发生变性。对热处理强度条件进行精准控制，将促使热处理过程中的乳清蛋白分子与牛奶中的酪蛋白结合，即乳清蛋白结合到未变性的酪蛋白大分子表面的特定位点（图1）[10，11]。此过程能达到有效减弱或降低乳清蛋白因逐步受热变性而发生沉淀，从而使整个牛奶蛋白质体系稳定性大大提高，并能经受的超高温加热温度，减少因高强度热处理导致蛋白质空间结构的变化，为高温或超高温处理牛奶提供了理论支持和工艺操作上的可行性。

图1 酪蛋白结构及乳清蛋白结合位点示意图[10，11]

2.2 理论二：乳的杀菌效应与乳中化学反应的速差

乳的杀菌效应与乳中化学反应的速差，即乳在热处理条件下，乳的杀菌效应和乳中物质化学反应存在的速度差异。研究发现，在高温情况下，牛奶热处理工艺温度发生变化而保持时间不变时，或者保持时间发生变化而热处理温度不变时，引起杀灭微生物的速度和乳中化学反应速度的变化。但这两种变化程度存在差异，即变化发生的加速度不同。研究表明，一般在高于100°C情况下，温度每升高10℃，杀灭微生物的速度升高8～10倍，而引起乳中化学反应的速度只升高2～3倍[10]。加速度的差异，保证杀灭生乳中微生物的同时不引起乳中化学反应剧烈发生，是实现高温或超高温工艺处理牛奶可操作的一个基础原理。

基于该理论，以牛奶为例，奶业生产中形成了常见的三大类液态奶的热处理工艺，分别是巴氏杀菌、高温杀菌、高温灭菌。其中，高温灭菌又分为直接法UHT灭菌、间接法UHT灭菌、一步保持法灭菌、二步法保持法灭菌。三大类热处理工艺参数变化差异很大[12～15]，以适用不同生产目的和得到不同的乳制品。

3 牛奶热处理工艺变化比较

3.1 热抑菌

热抑菌是一种对原料奶进行热处理的方法，严格意义上看，不在牛奶三大类热处理加工工艺之中。

3.1.1 热抑菌的概念

热抑菌是对生乳进行加热处理的一种形式，不属于牛奶热处理工艺范畴。国际乳品联合会（International Dairy Federation，IDF）术语标准是Thermization[16]，译名较多，如预巴氏杀菌、原料乳的预杀菌、初次杀菌[17]。Thermization是对生乳施以轻度加热并立即冷却，以最低限度改变生乳性质的处理方法，主要作用和目的在于提高生乳在冷链条件下的保存能力。在实践中，加热温度为60～65℃，保持时间为10～20.00s。欧盟（EU）标准释义为将生乳加热到57～68℃并保持至少15.00s，生乳中的碱性磷酸酶未失活的加热方法[18]。生乳经过Thermization后，国际标准认为其不属于生乳，而成为乳制品加工过程中的一种原料。在国内，一般乳品企业会按照设备厂商的乳制品工艺推荐，对新入厂验收后的生乳进行一次Thermization处理，储存一段时间后再投料加工[12]。因国内没有Thermization的术语或标准，而该工艺发生在正式热处理工艺之前，且热强度低于巴氏杀菌工艺，因此，行业内也称该处理为预巴杀。但就国际上的标准释义和作用来看，热抑菌更为准确[19]。

3.1.2 热抑菌的作用

热抑菌的作用是为了一定程度上延长原料奶的保存时间，以解决现实生产中原料奶使用或储存可能遇到的暂存等问题，但热抑菌非必选项。按照国内优质乳标准要求，如果原料奶检验合格入厂后冷藏保存，按生产计划等待时间不超过24h，无需实施热抑菌。国际上，对生乳采取热抑菌操作和控制，只在极低程度上影响生乳的天然状态。但从国内一些乳品企业在这个环节的操作看，受生乳质量、储存时间、安全保障等诸多因素影响，很大程度存在过度热抑菌的情况，有的达到或超过巴氏杀菌的热处理强度[19]，人为增加了对牛奶热伤害次数和程度。

因此，在牛奶的加工工艺链条中，一般情况下热抑菌是个别产品的可选项，其他常规品种非必选项。当收集生乳的存储要求和范围，存在超出预期生产冷藏时间，采用热抑菌处理是一种较为适合的选择。经过热抑菌处理的生乳，在冷藏条件下最长存储期3～5天[16]。而实施不恰当的热抑菌或过度热抑菌操作，不仅产生电、水、热等资源浪费，也损伤生乳固有的优质特性，降低产品质量。

3.1.3 热抑菌的应用

热抑菌加热强度不足以杀灭致病菌，热抑菌的操作过程，杀死了部分细菌，其目的和效果是为了抑制牛奶里微生物的生长和活动。热抑菌是在投料加工之前延长原料奶保存时间的一种方法。经过热抑菌处理的生乳，属性发生变化，适用面缩窄。目前，在我国一些乳品加工线上，采用热抑菌的技术参数一般是80～90℃、15.00s，远远大于EU和IDF的标准要求，也大于巴氏杀菌工艺热处理强度，存在生乳前冷链控制和奶源质量管理隐患，同时，热抑菌可能存在的过热操作，客观上对复原乳检测产生一定干扰[19]。

实际生产中，如何判断牛奶是否经过热抑菌，国际标准推荐了一个可检测的指标是碱性磷酸酶[20]。如果该加工环节中牛奶的碱性磷酸酶为阳性，可判定是热抑菌；反之，说明采用的不是热抑菌，而是等于或大于巴氏杀菌强度的牛奶热处理加工工艺。

3.2 巴氏杀菌热处理工艺

3.2.1 巴氏杀菌热处理工艺分类

从巴氏杀菌工艺形成与发展看，巴氏杀菌工艺可分为低温长时间巴氏杀菌工艺（Low Temperture Longer Time，LTLT）和高温短时间巴氏杀菌法工艺（High Temperture Shorter Time，HTST）两类。

（1）LTLT

LTLT主要采取间歇方式，在夹套锅等设备中，分批次对生乳处理，杀菌温度（64±1）℃并保持该温度至少1800.00s，该方法建立并验证了牛奶热处理工艺中温度和保持时间两者组合的杀菌效应。同时，实践中证明，该工艺的应用既能杀灭有害致病菌，又能有效防止对牛奶色香味的破坏。第一届国际乳品联合会大会议讨论过LTLT方法，有力推动了巴氏杀菌法及巴氏杀菌奶最终进入市场。

（2）HTST

HTST基于LTLT而建立，由于LTLT是采用间歇式的生产方式，生产效率低。20世纪30年代后，学者在此基础上进行研究，开发出能够连续不间断处理牛奶的新工艺，典型参数是将牛奶升温至72℃，并在此温度下保持至少15.00s的新工艺，与LTLT等效。为了区分与LTLT工艺的不同，将该工艺也称作连续式巴氏消毒法。经研究和验证，在HTST基础上，与之等效的有杀菌温度更高而保持时间更短的工艺参数，如89℃/1.00s、90℃/0.50s等[21]。

巴氏杀菌热处理工艺产生和发展过程表明，热处理温度高低与保持时间长短的合理有效组合，决定着生乳杀菌程度和产品品质的高低，这是牛奶热处理工艺的关键参数。热处理后的牛奶表现出来的“色香味”变化，是其内部组分在热处理条件下，产生物理、化学等变化的一种外在反映和表征，这种反映和表征与热处理工艺直接相关。

3.2.2 巴氏杀菌热处理工艺分析图

20世纪中期前后，研究者进一步对巴氏杀菌热处理工艺参数和效果进行评价，首次绘制出了较为全面科学的巴氏杀菌热处理工艺图（图2），指导巴氏杀菌热处理工艺操作，扩展和加深人们对巴氏杀菌热处理工艺的理解[20]。

图2 巴氏杀菌热处理工艺分析图[20]

图2显示，巴氏杀菌以杀灭生乳中的致病菌为目的。结核杆菌是生乳中可能存在的常见致病菌，是耐热致病菌的一个典型代表，热处理后保证结核杆菌被杀灭，牛奶的安全性就得到解决。“结核杆菌死灭线”是临界限，也是巴氏杀菌工艺的下限，线上任取一点，对应的温度与时间组合的杀灭效果等同，即在此线的上方越远，杀灭效果表现越好；在此线下方越远，则杀灭效果越差。同理，在“乳油层减退线”上任意取点，在线上方越远，乳油层减退现象越明显；而在线下方越远，减退现象越不明显。因此，可以说“结核杆菌死灭线”是巴氏杀菌热处理工艺的底线，也是巴氏杀菌奶的基准线。

具体看，如果产品需求是乳油层可见，那么实施巴氏杀菌操作的参数组合，就是在“结核杆菌死灭线”上方和“乳油层减退线”的下方，即两条线所围成的区域内。以此类推，产品需求不同，选择的区域就会发生变化。图2所示，在“结核杆菌死灭线”上方，绘制有一条“杀菌标准线”，该线上的点表示其热处理强度大于“结核杆菌死灭线”上的点，是带有“安全系数”的保障线，避免“结核杆菌死灭线”所代表的热处理参数实际操作中可能会发生的风险。“结核杆菌死灭线”或“杀菌标准线”沿线向左上方取点的空间远大于向右下方取点，说明巴氏杀菌热处理工艺中，低温长时间处理工艺比高温短时间处理工艺，在提高牛奶品质的选择空间上表现更大、优势也更为明显。美国和大洋洲多采用“杀菌标准线”设置工艺参数，认为线上所有的点对应的温度和时间组合是等效的。但事实上，上下两个限制线的“距离”不等，因此，并非完全等效，这为优化工艺提供了理论基础和空间。随着对乳品科学，特别是人们对乳中生物活性成分的认识，研究者对巴氏杀菌热处理工艺的不断补充和完善，引入了工艺效果评价指标，对巴氏杀菌法进行了优化，形成了新的巴氏杀菌热处理工艺图（图3）[21]，下限是“碱性磷酸酶失活线”，该线在“结核杆菌死灭线”的上方，代替了图2中的“杀菌标准线”，进一步强化牛奶的安全保障，上限是乳过氧化物酶失活线，代替了图2中的“乳油层减退线”，突出牛奶中生物活性物质的保留。

图3 新的巴氏杀菌热处理工艺分析图[21]

由此可见，巴氏杀菌热处理工艺的方向和根本，是保障牛奶的食用安全和健康营养功能。从巴氏杀菌热处理工艺的演变和应用看，巴氏杀菌工艺是牛奶热处理技术的基础，是使用范围最广的工艺，也是牛奶杀菌工艺的关键核心技术[21]。巴氏杀菌工艺的重要性不言而喻，例如，美国连续实施多年的《美国优质乳条例》（Grade“A”Pasteurized Milk Ordinance，简称PMO），是以巴氏杀菌工艺为标准出台的液态奶生产监管强制性法令[22]，PMO从国家整体层面认识到巴氏杀菌热处理工艺具有应用的广度和基础性。

3.3 高温灭菌热处理工艺

3.3.1 高温灭菌热处理工艺分类

从高温灭菌工艺产生和发展看，主要可分为保持法灭菌热处理工艺和超高温灭菌热处理工艺（Ultra-High Temperature Instantaneous Sterilization，UHT）两类。

（1）保持法灭菌热处理工艺

国际上，保持法灭菌因操作程序不同分为两种，工艺参数也不同[21]。一种是在用容器做密封包装之前或包装之后经过灭菌，并符合国际标准IDF发布的《灭菌乳检验方法（1969）》中“合格样品的品质指标”规定的乳制品，也可称为一步保持法灭菌。另一种是指在较低的灭菌温度下，保持一定时间，再在超高温中维持较长时间的热处理后所得的制品，传统上的做法是先密封在容器内再灭菌，也称为二步保持法灭菌。

（2）UHT

UHT灭菌牛奶，是原料奶在保持连续流动的状态下，在不低于132℃的温度加热很短时间[21]，然后经无菌包装的一种灭菌产品。在所有经过高热强度处理的灭菌乳制品中，这种产品在化学、物理和感官特性方面变化相对较小。UHT技术是对巴氏杀菌法和保持法灭菌热处理工艺的创新改进。在实际市场上，既能使消费者摆脱巴氏杀菌奶需冷藏的冷链条件制约，购买和消费牛奶更便捷；又实现在常温条件下，延长牛奶的保质期的需求。与保持法灭菌奶相比，无论工艺或效果，技术进步显著；但与巴氏杀菌奶相比，天然活性营养物质及保留率、牛奶滋气味等方面相差很大。

3.3.2 高温灭菌热处理工艺分析图

20世纪下半叶，随着对牛奶热处理技术的研究逐步深入，基于最大限度保留牛奶中的天然营养物质的原则，在筛选加工工艺的同时兼顾营养物质的保留程度，有研究者在灭菌工艺操作温度（100～160℃）范围内，提出了以1%赖氨酸失活、90%耐热蛋白酶失活、3%硫胺素失活等物质变化的幅度为基准。实践中通常把“耐热芽孢55℃对数致死值=9线”作为高温灭菌热处理工艺的下限，“3%硫胺素失活”线作为上限，来评估保持法灭菌和超高温瞬时灭菌两者的差异。同样，与绘制巴氏杀菌热处理工艺分析图一样，研究者将研究结果绘制出了高温灭菌热处理工艺分析图[22]（图4）。

图4 高温灭菌热处理工艺分析图

图4中的黄色矩形，是优化的传统高温高压保持法灭菌工艺参数组合点的集合区域。一般以110℃，保持10～20min组合居多；红色区域，是超高温瞬间工艺的范围，是一个三角形的开口区域，由“3%硫胺素失活线”和“耐热芽孢55℃对数致死值=9线”汇合而成。其中红色三角形的开口朝向右下，与图2中的三角形开口朝向相反。这说明，在UHT范围里，当杀菌温度大于100℃时，在同样灭菌效果前提下，提高杀菌温度的同时相应缩短保持时间，对保护牛奶的营养成分优势更大，因为图中显示红色区域右下方的点比左上方的点，距离“3%硫胺素失活线”和“1%赖氨酸失活线”更远，营养成分保留率更高。不过，这个观点与杀菌温度低于100℃的巴氏杀菌工艺正好相反。如前所述，对于巴氏杀菌工艺来说，在同样杀菌效果前提下，延长保持时间同时降低相应温度，对降低牛奶热损伤效果更明显。

3.4 高温杀菌热处理工艺

高温杀菌热处理方式（Extended Shelf-Life，ESL；Ultra Pasteurization，UP）[21,23]，典型的工艺操作是，使用传热速度要快于间接加热法100倍左右的直接加热法[21]。与UHT相比，该工艺既能延长牛奶保质期，又保留一定程度生物活性物质。

牛奶的热处理理论和技术进步，促使高温杀菌工艺已在多个生产企业应用，但国际上对ESL或UP的工艺标准一直进行着讨论，还未达成一致共识。IDF曾专题讨论有关ESL产品技术和产品的问题，表明ESL或UP技术的产生并在行业内进行论证，也标志着牛奶的直接加热法热处理技术正在步入液态奶商业化生产领域。在此之前，直接加热法主要局限在工业大包粉的生产中，由于物料在整个加工过程中受热强度低，在最终产品奶粉的功能性指标，如乳清蛋白变性等方面能得到明显的改善。同时，ESL的工艺对生乳要求也在增加，以适应工艺条件和效果，如IDF提出对ESL类产品适用的原料奶新增耐热细菌的要求等，显示了ESL整个工艺体系还需要进行深入研究和持续的验证。

2019年，我国奶业市场公开资料显示，有乳品企业已在积极尝试直接加热的高温杀菌热处理技术，采用生乳喷入高温高压蒸汽仓的方式，杀菌温度更高而保持时间更低，降至0.09s，产品的保质期在冷藏条件下达到21天，乳铁蛋白和乳球蛋白等生物活性物质含量明显高于UHT奶，低于巴氏杀菌奶，为消费者提供了一种新的牛奶产品选择。2020年1月，中美两国正式签署的第一阶段经贸协议，中美双方就乳制品达成一系列贸易条款中，第一条就是ESL乳的贸易[23]。但对ESL技术及ESL乳来说，我国目前没有直接对应的ESL或UP乳的国标。ESL乳贸易的启动，也将对我国乳制品加工和标准制定与完善提出新的更高的要求。

4 小结

牛奶的热处理工艺，就液态乳而言，国际国内主要有巴氏杀菌、高温杀菌（ESL或者UP）、超高温灭菌和保持法灭菌等工艺，工艺核心是加热温度和在此温度下的保温时间两个工艺参数的组合，即热处理强度。区分这些工艺，除了具体工艺参数外，还包括关键指示物，在经典工艺分析图中（图1～3）区分的界限，表现在主要的“4条线”分隔上，分别是“碱性磷酸酶失活线”“乳过氧化物酶失活线”“耐热芽孢55℃对数致死值=9线”和“3%硫胺素失活线”。因此，严格执行牛奶热处理工艺，既是保证液态奶食用安全性和营养品质高低的关键因素，也决定了奶类资源是否最大程度优质化和充分有效利用。同时，从牛奶健康功能的最新研究上看，更是乳的非营养功能发挥的有效控制手段[24]。

从2 0世纪8 0年代国际援助我国奶类发展项目[25]，到进入21世纪我国奶业实现跨越发展[26]，当下，在乳制品的品类上，我国主要还是液态奶和奶粉两个品类。而牛奶热处理技术多数采用间接式热处理方法，工艺可决定产品性质和品质，从技术角度看，还存在很多情况和问题需要改进和解决。对牛奶热处理加工技术的客观回顾，一定程度会帮助人们理清对牛奶热处理工艺的认识，帮助乳品企业产品定位，发挥各自优势，差异化竞争。未来，优化和激发奶业优质资源利用效率是方向[27]，行业内应切实践行奶业高质量发展要求，合力促进优质奶源发挥优质价值，落实健康中国战略和健康中国行动（2019—2030）具体重大行动要求[28]，坚守奶业发展初心，持续推动牛奶等乳制品的健康核心功能惠及更多消费者。